PLC系统构成和工作原理

1、PLC系统构成和工作原理 2.1 可编程序控制器的基本组成可编程序控制器的基本组成 PLC的系统构成可以分为两大部分：即硬 件系统和软件系统。 下面分别对硬件知识和软件知识这两部分 进行介绍。 第第2章可编程序控制器的系统构成和工作原理章可编程序控制器的系统构成和工作原理 教学任务： 1、了解可编程控制器的硬件系统 2、熟悉可编程控制器的软件系统 3、了解可编程控制器的工作原理与特点 PLC系统构成和工作原理 (一)、硬件知识： 可编程控制器的硬件系统 PLC系统构成和工作原理 1 、中央处理单元（、中央处理单元（CPU） CPU是是PLC的核心部件，是系统的运算和控制的核心部件，是系统的运算

2、和控制 的中心，能指挥的中心，能指挥PLC按照预先编好的系统程序按照预先编好的系统程序 完成各种任务。完成各种任务。 其作用有以下几点：其作用有以下几点： （1）接受并存储用户程序和数据；）接受并存储用户程序和数据； （2）检查、校验用户程序；）检查、校验用户程序； （3）接受、调用现场信息；）接受、调用现场信息； （4）执行用户程序；）执行用户程序； （5）故障诊断。）故障诊断。 PLC系统构成和工作原理 微处理器可以有以下不同种类 （1）通用处理器：通用处理器：8086、80286、80386 （2）单片机芯片：）单片机芯片：8031、8096 （3）位片式微处理器：位片式微处理器：AMD

3、-2900 PLC系统构成和工作原理 2 、存储器、存储器 (RAM) 随机存取存储器：随机存取存储器：可读可写，没有断电保持功能。可读可写，没有断电保持功能。 (ROM)只读存储器：只读，不能写。只读存储器：只读，不能写。 (EPROM)可擦除可编程序的只读存储器：非易失性可擦除可编程序的只读存储器：非易失性.用紫外线照用紫外线照 射芯片上的透镜窗口，可以擦除已写入的内容射芯片上的透镜窗口，可以擦除已写入的内容,写入新内容。写入新内容。 RAM存放用户程序存放用户程序ROM存放系统程序存放系统程序 存储器是具有记忆功能的半导体电路，用来存放系统程序、用户存储器是具有记忆功能的半导体电路，用来

4、存放系统程序、用户 程序、逻辑变量及其他信息。程序、逻辑变量及其他信息。PLC存储器可以分为两大部分，即存储器可以分为两大部分，即 系统程序存储器系统程序存储器和和用户程序存储器用户程序存储器。 (EPPROM)可电擦除：的它是非易失的可电擦除：的它是非易失的,间有间有ROM的非易失性的非易失性 和和RAM的随机存取的优点的随机存取的优点.但价格比较高。但价格比较高。 PLC系统构成和工作原理 3、输入、输入/输出单元（输出单元（I/O单元）单元） 一、一、 I/O单元功能单元功能 PLC系统构成和工作原理 二、二、I/O单元单元 接线方式接线方式 COM X0 X1 X2 X3 X4 X5

5、X6 X7 共点式共点式 输入输出只有一个公共端子输入输出只有一个公共端子 PLC系统构成和工作原理 第二章第二章 可编程序控制器的系统构成和工作原理可编程序控制器的系统构成和工作原理 2.1.1.3 输入输出单元输入输出单元 二二 、 I/O单元单元 接线方式接线方式COM1 Y0 Y1 COM2 Y2 Y3 分组式分组式 输入输出端子分为若干个组，输入输出端子分为若干个组， 每组共用一个公共端子。每组共用一个公共端子。 PLC系统构成和工作原理 第二章第二章 可编程序控制器的系统构成和工作原理可编程序控制器的系统构成和工作原理 2.1.1.3 输入输出单元输入输出单元 二、二、 I/O单元

6、单元 接线方式接线方式 YO COM0 Y1 COM1 Y2 COM2 Y3 COM3 隔离式隔离式 有公共端子的各组输入有公共端子的各组输入/输出输出 点之间相互隔离，可各自使点之间相互隔离，可各自使 用独立的电源。用独立的电源。 PLC系统构成和工作原理 三、三、 I/O单元分类单元分类 PLC系统构成和工作原理 输入单元由输入端子、输入电路和输入锁存器 构成。 输出单元由输出锁存器、输出电路和输出端子 构成。 PLC的输入、输出接口部分是PLC内部弱电与 外部强电相连的部分，所以必须具有电压转换 和隔离的功能，这样不需要中间继电器，PLC 就能直接与传感器或执行器相连，同时还可以 减小电

7、磁干扰。 PLC系统构成和工作原理 4、电源 ： ： ： 。 PLC系统构成和工作原理 5 、编程器 PLC系统构成和工作原理 (二)、软件知识： 可编程控制器的软件系统 可编程控制器是微型计算机在工业控制领域的重 要应用，其软件系统可以分为系统程序和用户程 序两大类。 系统程序即可编程控制器的操作系统，它是由 PLC生产厂家编制的，用于控制PLC本身的运行， 对用户是不透明的。 系统程序通常包含三个部分： （1）系统管理程序。 （2）用户指令解释程序。 （3）标准程序模块和系统调用。 PLC系统构成和工作原理 用户程序是指用户根据自己的控制需求编写的程 序。由于PLC应用场合是工业现场，主要

8、用户是 电气技术人员，其编程语言要满足易于编写和易 于调试的要求。 通常使用梯形图语言，又叫继电器语言或电工语 言，还可以用指令语句表、逻辑功能图、顺序功 能图、流程图及高级语言。 PLC软件系统中的系统程序是一个整体，其质量 好坏，很大程度上决定了PLC的性能；而用户程 序则比较灵活，根据具体需要编制。 PLC系统构成和工作原理 1.编程语言 1）梯形图 梯形图是一种图形编程语言，是面向过程的一 种“自然语言”，它沿用继电器的触点线圈和 串并联等术语及图形符号，同时增加了一些继 电接触器控制系统没有的特殊功能符号。 梯形图语言比较形象、直观，对于熟悉继电器 控制线路的电气技术人员来说，很容易

9、接受， 且不需要学习专门的计算机知识，所以是PLC应 用中最基本最普遍的编程语言。 梯形图只能用图形编程器直接编程。图2-8（a） 是一个起保停程序的梯形图。 X1 X2 Y1 Y1 PLC系统构成和工作原理 梯形图的编程特点梯形图的编程特点 （1）触点具有接通和断开两种状态； （2）触点可以任意的串联、并联，但继电器的 线圈只能并联不能串联； （3）输出继电器可以使用输出继电器、中间继 电器和辅助继电器； （4）每一个梯级从起始母线触点输出继电 器母线。 梯形图的编程特点梯形图的编程特点 PLC系统构成和工作原理 2）指令语句表 指令语句就是用助记符来表达指令语句就是用助记符来表达PLC的各

10、种功能。它类的各种功能。它类 似于计算机的汇编语言，但比汇编语言通俗易懂，因似于计算机的汇编语言，但比汇编语言通俗易懂，因 此也是应用很广泛的一种编程语言。可使用简易编程此也是应用很广泛的一种编程语言。可使用简易编程 器来编程，在未能配置图形编程器时，只能将已编好器来编程，在未能配置图形编程器时，只能将已编好 的梯形图程序转换成指令语句表的形式，再通过简易的梯形图程序转换成指令语句表的形式，再通过简易 编程器将用户程序逐条输入到编程器将用户程序逐条输入到PLC的存储器中。的存储器中。 每条指令由地址每条指令由地址(语句步）、操作码（指令）和操作数语句步）、操作码（指令）和操作数 （数据或器件编

11、号）三部分组成。（数据或器件编号）三部分组成。 编程设备简单，逻辑紧凑、系统化，连接范围不受限编程设备简单，逻辑紧凑、系统化，连接范围不受限 制，但比较抽象，一般与梯形图配合使用互为补充。制，但比较抽象，一般与梯形图配合使用互为补充。 大多数大多数PLC都有指令语句编程功能。图都有指令语句编程功能。图2-8（b）是启）是启 保停程序梯形图对应的指令表。保停程序梯形图对应的指令表。 PLC系统构成和工作原理 3）顺序功能图(SFC) 顺序功能图编程方式采用工艺流顺序功能图编程方式采用工艺流 程图的方法编程，只要在每一个程图的方法编程，只要在每一个 工艺方框的输入和输出端标上特工艺方框的输入和输出

12、端标上特 定的符号即可。对于在工厂中搞定的符号即可。对于在工厂中搞 工艺设计的人来说，这种编程方工艺设计的人来说，这种编程方 法不需要很多的电气知识，非常法不需要很多的电气知识，非常 方便。不少方便。不少PLC新产品采用了顺新产品采用了顺 序功能图。序功能图。 （1）它相当于应用软件中的逻）它相当于应用软件中的逻 辑框图；辑框图； （2）是一种位于其它编程语言）是一种位于其它编程语言 之上的图形语言；之上的图形语言； （3）用来编制顺序控制程序。）用来编制顺序控制程序。 步步1 步步2 步步3 动作动作1 动作动作2 转换转换 转换转换 PLC系统构成和工作原理 综上所述，综上所述，PLC的用

13、户程序可以使用多种方的用户程序可以使用多种方 式来编写，各有特色。式来编写，各有特色。 目前，各种类型的目前，各种类型的PLC基本上都同时具备两基本上都同时具备两 种以上的编程语言，其中以同时使用梯形图种以上的编程语言，其中以同时使用梯形图 和指令语句表的占大多数。和指令语句表的占大多数。 不同厂家、不同型号的不同厂家、不同型号的PLC，其梯形图及指，其梯形图及指 令语句表不尽相同。令语句表不尽相同。 各个厂家不同型号的各个厂家不同型号的PLC是不兼容的，但其是不兼容的，但其 编程思想方法与原理是一致的。编程思想方法与原理是一致的。 PLC系统构成和工作原理 2、可编程控制器的工作原理、可编程

14、控制器的工作原理 PLC控制系统的等效工作电路可分为三部 分：输入电路、内部控制电路和输出电 路。 输入电路采集输入信号，输出电路是系统输入电路采集输入信号，输出电路是系统 的执行部件，这两部分与继电器控制电的执行部件，这两部分与继电器控制电 路相同。路相同。 内部控制电路就是通过编程方法实现的控 制逻辑，用软件编程来实现继电器的功 能。 等效工作电路如图2-10所示。 1、 PLC控制系统的等效工作电路控制系统的等效工作电路 PLC系统构成和工作原理 等效输入继电器等效输入继电器 输输 入入 元元 件件 负负 载载 SB1 SB2 FR KM 负载电源 PLC内部控制电路内部控制电路 （用户

15、程序）（用户程序） 等效输出继电器等效输出继电器 00000 PLC COM DC 24V 00000 00001 00002 20000 20000 0000100002 01000 01000 01000 COM 01000 00002 PLC系统构成和工作原理 输入电路 输入电路由外部输入电路、输入电路由外部输入电路、PLC输入接线端子和输入继电器输入接线端子和输入继电器 组成。外部输入信号经过组成。外部输入信号经过PLC输入接线端子驱动输入继电器输入接线端子驱动输入继电器 的线圈。每个输入端子和与其相同编号的输入继电器有着唯的线圈。每个输入端子和与其相同编号的输入继电器有着唯 一确定的

16、对应关系。一确定的对应关系。 当外部的输入原件处于接通状态时，对应的输入继电器线圈当外部的输入原件处于接通状态时，对应的输入继电器线圈 得电。得电。 为使输入继电器线圈得电，即将外部输入元件的接通状态写为使输入继电器线圈得电，即将外部输入元件的接通状态写 入与其对应的基本单元中去，输入回路要有电源。输入回路入与其对应的基本单元中去，输入回路要有电源。输入回路 使用的电源可是使用的电源可是PLC提供的提供的24V直流电源，也可由外部提供。直流电源，也可由外部提供。 输入继电器的线圈只能是由来自现场的输入元件驱动，不能输入继电器的线圈只能是由来自现场的输入元件驱动，不能 用编程方式去控制，所以在梯

17、形图中，只能使用输入继电器用编程方式去控制，所以在梯形图中，只能使用输入继电器 的触点，不能使用输入继电器的线圈。的触点，不能使用输入继电器的线圈。 PLC系统构成和工作原理 内部控制电路 内部控制电路是由用户程序形成的用软继电器来代替硬内部控制电路是由用户程序形成的用软继电器来代替硬 继电器的控制逻辑。其作用是按照用户程序规定的逻辑继电器的控制逻辑。其作用是按照用户程序规定的逻辑 关系，对输入信号和输出信号的状态进行检测、判断、关系，对输入信号和输出信号的状态进行检测、判断、 运算和处理，得到相应的输出。运算和处理，得到相应的输出。 一般用户程序是用梯形图语言编制的，梯形图中的触点一般用户程

18、序是用梯形图语言编制的，梯形图中的触点 是瞬时动作的，若需要延时，可由是瞬时动作的，若需要延时，可由PLC提供的定时器来提供的定时器来 完成，延时时间可根据需要在编程时设定。完成，延时时间可根据需要在编程时设定。 在在PLC内部还提供了计数器、辅助继电器及某些特殊功内部还提供了计数器、辅助继电器及某些特殊功 能的继电器，这些控制器件所提供的逻辑控制功能，可能的继电器，这些控制器件所提供的逻辑控制功能，可 在编程时根据需要使用，但仅能在在编程时根据需要使用，但仅能在PLC的内部控制电路的内部控制电路 中使用。中使用。 PLC系统构成和工作原理 输出电路输出电路 输出电路是由在输出电路是由在PLC

19、内部且与内部控制电路隔离的输内部且与内部控制电路隔离的输 出继电器的外部动合触点输出接线端子和外部驱动电出继电器的外部动合触点输出接线端子和外部驱动电 路组成，用来驱动外部负载。路组成，用来驱动外部负载。 PLC的内部控制电路中有许多输出继电器，每个输出的内部控制电路中有许多输出继电器，每个输出 继电器除了有为内部控制电路提供编程用的任意多个继电器除了有为内部控制电路提供编程用的任意多个 动合、动断触点外，还为外部输出电路提供了一个可动合、动断触点外，还为外部输出电路提供了一个可 与输出接线端子相连的实际的动合触点。与输出接线端子相连的实际的动合触点。 驱动外部负载电路的电源必须由外部电源提供

20、，电源驱动外部负载电路的电源必须由外部电源提供，电源 种类与规格可根据伏在要求去配，只要在种类与规格可根据伏在要求去配，只要在PLC允许的允许的 电压范围内工作即可。电压范围内工作即可。 PLC系统构成和工作原理 2. PLC的工作过程 PLC的工作过程可分为三个阶段：输入采样阶段、程序执行阶的工作过程可分为三个阶段：输入采样阶段、程序执行阶 段和输出刷新阶段段和输出刷新阶段. 1）.输入采样阶段输入采样阶段 这是第一个集中批处理过程。在这个阶段，这是第一个集中批处理过程。在这个阶段，PLC以扫描方式顺以扫描方式顺 序读入了所有输入端子的状态（触点接通还是断开），并将此序读入了所有输入端子的状

21、态（触点接通还是断开），并将此 状态存入输入锁存器。如果输入端子上外接电器的触点闭合，状态存入输入锁存器。如果输入端子上外接电器的触点闭合， 锁存器中与端子编号相同的哪一位就为锁存器中与端子编号相同的哪一位就为“1”，否则为，否则为“0”。在。在 把输入端子的全部状态扫描完以后，把输入端子的全部状态扫描完以后，PLC将输入锁存器的内容将输入锁存器的内容 存入输入映像寄存器。这一过程就是输入采样阶段。存入输入映像寄存器。这一过程就是输入采样阶段。 输入映像寄存器中的内容只是本次输入采样时各端子的状态。输入映像寄存器中的内容只是本次输入采样时各端子的状态。 输入采样结束后，输入采样结束后，PLC直

22、接转入程序执行阶段。直接转入程序执行阶段。 在程序执行和输出刷新期间，输入端子同输入锁存器间的联系在程序执行和输出刷新期间，输入端子同输入锁存器间的联系 被切断，即使输入端子状态发生变化，输入锁存器内容也不会被切断，即使输入端子状态发生变化，输入锁存器内容也不会 改变。改变。 PLC系统构成和工作原理 2）. 程序执行阶段程序执行阶段 在用户程序执行阶段，在用户程序执行阶段，PLC总是按先左后右、先上后下的顺序总是按先左后右、先上后下的顺序 逐句执行控制程序的每条指令。逐句执行控制程序的每条指令。 从输入元件映像寄存器中读入输入端子和内部元件寄存器的状从输入元件映像寄存器中读入输入端子和内部元

23、件寄存器的状 态，按照控制程序的要求进行逻辑运算和算术运算，并将每步态，按照控制程序的要求进行逻辑运算和算术运算，并将每步 运算结果写入输入断电保护寄存器相关元件的对应单元（位）。运算结果写入输入断电保护寄存器相关元件的对应单元（位）。 若程序运行中需要读入某输出状态或中间结果状态，则也在此若程序运行中需要读入某输出状态或中间结果状态，则也在此 时从输出元件映像寄存器读入，然后进行逻辑运算，运算结果时从输出元件映像寄存器读入，然后进行逻辑运算，运算结果 再存入输出元件断电保护存储器中。再存入输出元件断电保护存储器中。 对于每个元件来说，反映各输出元件状态的断电保护存储器中对于每个元件来说，反映各输出元件状态的断电保护存储器中 的内容是随程序执行而变化的，当所有程序执行完后，输出元的内容是随程序执行而变化的，当所有程序执行完后，输出元 件映像寄存器的内容最后才固定下来。件映像寄存器的内容最后才固定下来。 PLC系统构成和工作原理 注意 当执行控制程序时，如果程序要求某个当执行控制程序时，如果程序要求某个 输出继电器动作，这个动作要求并没有输出继电器动作，这个动作要求并没有 直接实时地传递到该继电器，而只是将直接实时地传递到该继电器，而只是将 输出断电保护存储器中代表该继电器的输出断电保护存储器中代表该继电器的 对应位置对应位置“1”，待所有程序执行