PLC第二章-可编程控制器组成与工作原理

1、 2.1 可编程控制器的基本结构 可编程可编程控制器控制器主机主机可编程可编程控制器控制器编程器编程器图图2.1 2.1 可编程控制器及编程器可编程控制器及编程器图图2.2 PLC2.2 PLC的硬件结构的硬件结构主机电源微处理器(CPU)运算器控制器输入单元存储器EPROM(系统程序)RAM(用户程序)外设I/O接口I/O扩展接口用户输入设备输出单元用户输出设备I/O扩展接口PLC或上位计算机图形监控系统EPROM写入器打印机盒式磁带机编程器外部设备 PLC PLC由由CPUCPU、存储器、输入存储器、输入/ /输出接口、输出接口、内部电源和编内部电源和编程设备几部分程设备几部分构成构成CP

2、UCPU模块（中央处理器模块（中央处理器+ +存储器）存储器）2.1.1 CPU模块 CPUCPU是是PLCPLC的运算控制中心，它在系统程序的控制下，完成逻辑运的运算控制中心，它在系统程序的控制下，完成逻辑运算、数学运算、协调系统内部各部分的工作，其具体作用是：算、数学运算、协调系统内部各部分的工作，其具体作用是： 接受、存储用户程序；接受、存储用户程序； 按扫描工作方式接收来自输入单元的数据和信息，并存入相按扫描工作方式接收来自输入单元的数据和信息，并存入相应的数据存储区；应的数据存储区； 执行监控程序和用户程序，完成数据和信息的逻辑处理，产执行监控程序和用户程序，完成数据和信息的逻辑处理

3、，产生相应的内部控制信号，完成用户指令规定的各种操作；生相应的内部控制信号，完成用户指令规定的各种操作； 响应外部设备的请求。响应外部设备的请求。 输入输出接口输入输出接口是是PLC与工业控制现场各类信号连接的部分。与工业控制现场各类信号连接的部分。2.1.2 输入输出接口 输入接口输入接口用来用来接受接受生产过程的各种参数（生产过程的各种参数（输入信号输入信号）。）。 输出接口输出接口用来用来送出送出可编程控制器运算后得出的可编程控制器运算后得出的控制信息控制信息（输出信（输出信号），并通过机外的执行机构完成工业现场的各类控制。号），并通过机外的执行机构完成工业现场的各类控制。 为了适应可编

4、程控制器在工业生产现场的工作，对输入输出接口为了适应可编程控制器在工业生产现场的工作，对输入输出接口有二个主要的要求：有二个主要的要求： 良好的抗干扰能力良好的抗干扰能力 能满足工业现场各类信号的匹配要求能满足工业现场各类信号的匹配要求可编程控制器为不同的接口需求设计了不同的接口单元：可编程控制器为不同的接口需求设计了不同的接口单元： 开关量输入接口开关量输入接口 其作用是把现场的开关量信号变成可编程控制器其作用是把现场的开关量信号变成可编程控制器内部处理的标准信号。内部处理的标准信号。 开关量输入接口按可接纳的外部信号电源的类型不同，分为开关量输入接口按可接纳的外部信号电源的类型不同，分为直

5、流输直流输入单元入单元和和交流输入单元交流输入单元。 开关量输出接口按可编程控制器机内使用的器件不同，分为开关量输出接口按可编程控制器机内使用的器件不同，分为继电器继电器型型、晶体管型晶体管型和和可控硅型可控硅型。 开关量输出接口开关量输出接口 其作用是把可编程内部的标准信号转换成现场执行其作用是把可编程内部的标准信号转换成现场执行机构所需的开关量信号。机构所需的开关量信号。输入接口的接线方式（输入接口的接线方式（汇点式汇点式）图图2.3 2.3 输入电路的连接输入电路的连接 模拟量输入接口（模拟量输入接口（AD模块）模块） 模拟量输入接口把现场连续变化的模拟量信号转换成适合可编程模拟量输入接

6、口把现场连续变化的模拟量信号转换成适合可编程控制器内部处理的二进制数字信号。控制器内部处理的二进制数字信号。模拟量信号输入后一般经运算放大器放大后进行模拟量信号输入后一般经运算放大器放大后进行AD转换，再转换，再经光电耦合后为可编程控制器提供一定位数的数字量信号。经光电耦合后为可编程控制器提供一定位数的数字量信号。光耦合器隔离A/D转换器滤波内部回路图图2.4 2.4 模拟量输入单元框图模拟量输入单元框图2.1.3 电源可编程控制器的电源包括可编程控制器的电源包括: * 为可编程控制器各工作单元供电的开关电源 * 为掉电保护电路供电的后备电源，一般为电池 编程器 打印机，用以打印程序或制表 E

7、PROM写入器，用以将程序写入用户EPROM中 高分辨率大屏幕彩色图形监控系统，用以显示或监视有关部分的运行状态2.2 可编程控制器的工作原理 从0000号存贮地址开始，在无中断或跳转控制的情况下，按存贮地址号递增的方向顺序逐条扫描用户程序直到程序结束。 完成一次扫描程序后，再从头开始扫描，并周而复始地重复。一个循环扫描过程称为扫描周期。扫描过程分为三个阶段进行：即输入采样（输入处理）阶段，程序执行（程序处理）阶段，输出刷新（输出处理）阶段。输入采样输入采样程序执行程序执行输出刷新输出刷新2.2 可编程控制器的工作原理特点： 简单直观，简化了程序的设计，并为PLC的可靠运行提供了保证； 所扫描

8、到的指令被执行后，其结果马上就可以被将要扫描到的指令所利用； 系统监视定时器WDT可监视每次扫描的时间，并在每个扫描周期内都要对WDT进行复位操作。如果系统的硬件或用户软件发生了故障，WDT就会超时自动报警，并停止PLC的运行，从而避免了程序进入死循环的故障。2.2 可编程控制器的工作原理2.2.2 程序执行过程输入采样输入采样程序执行程序执行输出处理输出处理一个扫描周期一个扫描周期Y0Y1Yn输输入入映映像像寄寄存存器器采样采样元元件件映映像像寄寄存存器器写写写写读读X0Y0Y0M0输输出出锁锁存存电电路路输输出出端端子子输输入入端端子子读读图图2.5 PLC 2.5 PLC 的扫描工作过程

9、的扫描工作过程X0X1Xn刷新刷新2.2.2 程序执行过程输入采样阶段：输入采样阶段： PLC以扫描方式按顺序将所有输入端的输入信号状态（开或关、即ON或OFF、“1”或“0”）读入到输入映像寄存器中寄存起来，称为对输入信号的采样，或称输入刷新。 接着转入程序执行阶段，在程序执行期间，即使输入状态变化，输入映像寄存器的内容也不会改变。输入状态的变化只能在下一个工作周期的输入采样阶段才被重新读入。2.2.2 程序执行过程程序执行阶段：程序执行阶段：程序执行阶段，PLC对程序按顺序进行扫描； 如果程序用梯形图表示，则总是按先左后右、先上后下的顺序进行扫描； 每扫描到一条指令时，所需要的输入元件状态

10、或其它元件的状态分别由输入映像寄存器和元件映像寄存器中读出，而将执行结果写入到元件映像寄存器中； 元件映像寄存器中寄存的内容，随程序执行的进程而动态变化。2.2.2 程序执行过程输出刷新阶段：输出刷新阶段： 程序执行完后，进入输出刷新阶段。此时，将元件映像寄存器中所有输出继电器的状态转存到输出锁存寄存器，再去驱动用户输出设备（负载），这就是PLC的实际输出。扫描周期：扫描周期： PLC重复执行上述三个过程，每重复一次的时间就是一个工作周期（或扫描周期）。工作周期的长短与程序的长短、指令的种类和CPU执行的速度有关。一个扫描过程中，执行指令程序的时间占了绝大部分。2.2.3 输入输出的处理规则

11、输入映像寄存器的数据，取决于输入端子在输入采样阶段所刷新的状态； 输出映像寄存器的状态，由程序中输出指令的执行结果决定； 输出锁存寄存器中的数据，由上一个工作周期输出刷新阶段存入到输出锁存电路中的数据来确定； 输出端子的输出状态，由输出锁存寄存器中的数据来确定； 程序执行中所需的输入、输出状态（数据），从输入映像寄存器或输出映像寄存器中读出。2.3 可编程控制器的分类按硬件的结构类型分类按硬件的结构类型分类通常有整体式、模块式和叠装式通常有整体式、模块式和叠装式3种结构。种结构。整体式整体式:把CPU、RAM、ROM、I接口及与编程器或EPROM写入器相连的接口、输入输出端子、电源、指示灯等都

12、装配在一起的整体装置。结构紧凑，体积小、成本低、安装方便。模块式模块式:把PLC的每个工作单元都制成独立的模块，如CPU模块、输入模块、输出模块、电源模块、通讯模块等等。机器有一块带有插槽的母板，实质上就是计算机总线。模块插座插在框架中的总线连接板上，就构成了一个完整的PLC。系统构成非常灵活，安装、扩展、维修都很方便。叠装式叠装式:单元式和模块式相结合的产物, 把某一系列PLC工作单元的外形都作成外观尺寸一致的，CPU、I/O口及电源也可做成独立的，不使用模块式PLC的母板，用电缆联接各个单元，在控制设备中安装时一层层地叠装，这就是叠装式PLC。2.3 可编程控制器的分类按应用规模及应用分类

13、按应用规模及应用分类通常有小型、中型和大型通常有小型、中型和大型3种种可编程控制器输入、输出端子的数目之和被称为PLC的输入、输出点数，简称IO点数。由IO点数的多少可将PLC分成小型、小型、中型和大型中型和大型3种。小型可编程控制器（小型可编程控制器（点数在256点及以下）中型可编程控制器（中型可编程控制器（点数在2562048点(不包括256点和2048点)）大型可编程控制器（大型可编程控制器（点数在2048点以上(包括2048点)）2.4 可编程控制器的系统配置 主要介绍日本三菱公司的主要介绍日本三菱公司的FX2NFX2N系列系列PLCPLC FX系列PLC型号名称含义:FX- 子系列名

14、称，如1S、1N、2N等。I/O总点数。单元类型：M为基本单元，E为输入、输出混合扩展单元等。输出形式：R继电器，T晶体管，S双向晶闸管输出。电源和输入、输出类型等特性。无标记为DC输入，AC电源；D为DC输入，DC电源等。例如：FX1N-60MT-DFX2N系列系列PLC的主要技术性能的主要技术性能项项 目目 编程方式编程方式 梯形图，步进顺控指令梯形图，步进顺控指令 基本指令执行时间基本指令执行时间 0.08us/步步 指令种类指令种类 基本指令基本指令27条，步进顺序指令条，步进顺序指令2条，功能指令条，功能指令128条条 程序容量及类型程序容量及类型 输入继电器输入继电器 性能指标性能

15、指标8K步步RAM（标准配置）（标准配置）4K步步EEPROM卡盒（选配）卡盒（选配）24VDC（7mA)光电隔离光电隔离通 用 加 数 器通 用 加 数 器 100 点点 (C0 C99)， 1 32767 s， 电 池 后 备电 池 后 备 停 电 保 持 加 计 数 器停 电 保 持 加 计 数 器 100 点点 (C100 C199)， 1 32767 s， 电 池 后 备， 电 池 后 备 通 用 加 减 计 数 器通 用 加 减 计 数 器 20 点点 (C200 C220) 停 电 保 持 加 减 计 数 器停 电 保 持 加 减 计 数 器 15 点点 (C220 C234)，

16、 电 池 后 备， 电 池 后 备 计 数 器计 数 器 高 速 计 数 器高 速 计 数 器 21 点点 (C235 C255)， 电 池 后 备， 电 池 后 备 通 用 数 据 寄 存 器通 用 数 据 寄 存 器 200 点点 (D0 D199) 停 电 保 持 数 据 寄 存 器停 电 保 持 数 据 寄 存 器 7800 点点 (D200 D7999) 特 殊 寄 存 器特 殊 寄 存 器 256 点点 (D8000 D8255) 变 址 寄 存 器变 址 寄 存 器 16 点点 (V， Z) 寄 存 器寄 存 器 文 件 寄 存 器文 件 寄 存 器 最 大最 大 7000 点点

17、 (D1000 D7999)， 电 池 后 备， 电 池 后 备 嵌 套 标 志嵌 套 标 志 N0 N7(8 点点 ) 指指 针针 JUMP/CALL 128 点点 (P0 P127) 项项 目目 性性 能能 指指 标标 继电器继电器 250 V AC 250 V AC 、30 VDC30 VDC 、 2A2A( ( 电阻负载）电阻负载）) ) 晶体管晶体管 30 V DC30 V DC 、 0.5 A/0.5 A/点点 输出继电器输出继电器 双向晶闸管双向晶闸管 242 V AC242 V AC 、 0.3 A/0.3 A/点点 通用型通用型 500500点点( ( M0 M0 M499

18、)M499 ) 停电保持型停电保持型 25722572 点点 ( ( M500 M500 M3071 M3071 ) )电池后备电池后备 辅助继电器辅助继电器 特殊型特殊型 256256点点( ( M8000 M8000 M8255 )M8255 ) 初始化用初始化用 1010点点( ( S0 S0 S9 S9 ) ) ，用于初始状态，用于初始状态 通用型通用型 490490点点( ( S10 S10 S499 S499 ) ) 停电保持型停电保持型 400400点点( ( S500 S500 S899 S899 ) ) 状态元件状态元件 报警报警 100100点点( (S900S900S999S999 ) ) 0.1s(100 ms)0.1s(100 ms) 200200点点( (T0T0 T199 T199) ) 0.1