可编程控制器组成及原理

1、第3章 可编程控制器的组成与原理 3.1 可编程控制器的基本组成 PLC的基本组成的基本组成PLC主要由CPU模块、输入/输出模块、电源模块和外部设备组成 整体式整体式组合式组合式 PLC的基本分类的基本分类小型机常采用整体式小型机常采用整体式中、大型机常采用组合式中、大型机常采用组合式 PLC的硬件组成的硬件组成外部设备现场用户输出设备微处理器（CPU）运算器控制器输出部件输入部件系统存储器用户存储器I/O扩展接口通讯及编程接口编程设备计算机打印机等传感器按钮、开关现场信号电磁阀中间继电器执行器现场用户输入设备扩展设备扩展单元通讯模块功能模块电源变换器110V/220V市电PLC基本单元基本

2、单元PLC系统结构示意图系统结构示意图 整体式整体式 PLC的基本组成框图的基本组成框图 组合式组合式 PLC的基本组成框图的基本组成框图 系系 统统 总总 线线通信单元通信单元 控控 制制 系系 统统 现现 场场 过过 程程CPU单元单元输出单元输出单元 编程器编程器PLC或或上位计算机上位计算机智能智能I/O单元单元输入单元输入单元FX 系列系列PLC的硬件配置图的硬件配置图8031、8096AMD-29008086、80286、80386为了调试和修改的方便，总是先把用户程序存放在随机存取存储器(RAM)中，经过运行、考核、修改、完善、达到设计要求后，再把它固化到EPROM中，替代RAM

3、使用。 PLC与外部设备联系的桥梁与外部设备联系的桥梁 开关量输入单元开关量输入单元 开关量输出单元开关量输出单元 直流输入单元直流输入单元 交流输入单元交流输入单元晶体管输出单元晶体管输出单元晶闸管输出单元晶闸管输出单元继电器输出单元继电器输出单元开关量I/O模块的外部接线方式 开关量开关量I/O模块的点数一般是模块的点数一般是2的的n次方，如次方，如4、8、16点。点。开关量开关量I/O模块的外部接线方式有汇点式、分组式和模块的外部接线方式有汇点式、分组式和分隔式分隔式 （1）输入接口电路：采用）输入接口电路：采用光电耦合器，防止强电干扰。光电耦合器，防止强电干扰。 直流输入电路直流输入电

4、路 交流输入电路交流输入电路继电器输出继电器输出（2）输出接口电路：）输出接口电路：以以继电器形式为例继电器形式为例：PLC内内部部电电路路内内部部电电路路K+交流电源或交流电源或直流电源直流电源QL+- 晶体管输出电路晶体管输出电路 晶闸管输出电路晶闸管输出电路 继电器输出电路继电器输出电路特别应指出的是，由于继电器模式具有实际断点，可以从物理特别应指出的是，由于继电器模式具有实际断点，可以从物理上切断所控制的回路，同时这种模式既适合于直流情况又适合上切断所控制的回路，同时这种模式既适合于直流情况又适合于交流情况，因此这种模式在开关频率不太高的情况下是首选于交流情况，因此这种模式在开关频率不

5、太高的情况下是首选的输出控制方案。的输出控制方案。液晶显示屏液晶显示屏(16字符字符X4行行带后照明带后照明)功能键功能键专用键专用键指令键指令键元件符号键元件符号键数字键数字键 连接用接插件连接用接插件 其他键其他键清除键清除键辅助键辅助键空格键空格键步序键步序键光标键光标键执行键执行键vI/OI/O扩展接口扩展接口采用并行通讯方式采用并行通讯方式扩展扩展I/OI/O模块；模块；扩展位置控制模块（如扩展位置控制模块（如F2-30GMF2-30GM）；）；扩展通讯模块（如扩展通讯模块（如FX-232AWFX-232AW等）；等）；扩展模拟量控制模块（如扩展模拟量控制模块（如FX-2DAFX-2

6、DA、FX-4ADFX-4AD等）。等）。3.2 可编程控制器的工作原理 PLC上电后，就在系统程序的监控下，周而复始地按固定顺序对系统内部的各种任务进行查询、判断和执行，这个过程实质上是一个不断循环的顺序扫描过程。一个循环扫描过程称为扫描周期。 PLC采用周期扫描机制，简化了程序设计，提高了系统可靠性。具体表现在：在一个扫描周期内，前面执行的任务结果立即就可被后面将要执行的任务所用；可以通过设定一个监视定时器来监视每个扫描周期的时间是否超过规定值，避免某个任务进入死循环而引起的故障。PLC循循环环扫扫描描工工作作流流程程 (1) PLC扫描工作各环节的功能扫描工作各环节的功能 PLC上电后，

7、首先检查硬件是否正常。上电后，首先检查硬件是否正常。 按自上而下的顺序，逐条读用户程序并执行。按自上而下的顺序，逐条读用户程序并执行。对输入的数据进行处理，对输入的数据进行处理， 将结果存入元件映象寄存器。将结果存入元件映象寄存器。 计算扫描周期。计算扫描周期。若正常，则进行下一步；若不正常，则报警并作处理。若正常，则进行下一步；若不正常，则报警并作处理。 I/O刷新阶段。刷新阶段。 外设端口服务。外设端口服务。读输入点的状态并写入输入映像寄存器。读输入点的状态并写入输入映像寄存器。将元件映像寄存器的状态经输出锁存器、输出电路送到输出点。将元件映像寄存器的状态经输出锁存器、输出电路送到输出点。

8、访问外设端口连接的外部设备。访问外设端口连接的外部设备。读读读读读读写写写写 执行用户程序执行用户程序 I/O刷新刷新 I/O刷新刷新 I/O刷新刷新 I/O刷新刷新 (2) PLC执行用户程序的过程执行用户程序的过程(3) PLC控制的原理控制的原理 等效电路图等效电路图SB1SB2ST公共端公共端公共端公共端输入部分输入部分输出端子输出端子输入端子输入端子用户程序用户程序输出部分输出部分主电路主电路KMFUFR M 3 QKMPLCSB1SB2KMSTI0.0I0.1I0.2Q0.01LL+KM线圈通电线圈通电SB1闭合闭合I0.0 闭闭合合接点闭合接点闭合KMFUFR M 3 QKM通电

9、通电KM通电通电触点闭合触点闭合电动机转电动机转触点闭合触点闭合SB2STSB1KMPLCSB2STI0.0I0.1I0.2Q0.01L 1MKM线圈断电线圈断电I0.1断断开开接点断开接点断开KMFUFR M 3 QKM通电通电KM断电断电触点断开触点断开电动停转电动停转触点断开触点断开SB2STSB2闭合闭合PLCSB2STI0.0I0.1I0.2Q0.01L 1MKM3.2.3 PLC的工作特点 由于PLC是集中采样，在程序处理阶段即使输入发生了变化，输入映象寄存器中的内容也不会变化，要到下一周期的输入采样阶段才会改变。注意由于PLC是串行工作方式，所以 PLC的运行结果与梯形图程序的顺

10、序有关。这与继电器控制系统“并行”工作有质的区别。避免了触点的临界竞争，减少了繁琐的联锁电路。扫描周期计算扫描周期计算扫描周期除了输入采样、程序执行、输出刷新三个阶扫描周期除了输入采样、程序执行、输出刷新三个阶段外，还要进行自诊断、与外设段外，还要进行自诊断、与外设(如编程器、上位计如编程器、上位计算机算机)通信等处理。一般说来，同型号的通信等处理。一般说来，同型号的PLC，其自，其自诊断所需的时间相同如三菱诊断所需的时间相同如三菱FX2系列机自诊断时间为系列机自诊断时间为0.96ms 例：三菱公司例：三菱公司FX240M，配置开关量输入，配置开关量输入24点，开关量输点，开关量输出出16点，

11、用户程序为点，用户程序为1000步，不包含特殊功能指令，步，不包含特殊功能指令，PLC运运行时不连接上位计算机等外设。行时不连接上位计算机等外设。I/O的扫描速度为的扫描速度为0.03ms8点，用户程序的扫描速度为点，用户程序的扫描速度为0.74us/步，自诊断所需的时间为步，自诊断所需的时间为0.96ms，试计算一个扫描周期所需要的时间为多少，试计算一个扫描周期所需要的时间为多少? 解：扫描解：扫描40点点IO所需要的时间为：所需要的时间为：T10.03ms8点点40点点=0.15ms扫描扫描1000步程序所需要的时间为：步程序所需要的时间为：T20.74us /步步1000步步0.74ms

12、自诊断所需要的时间为：自诊断所需要的时间为：T30.96ms因因PLC运行时，不与外设通信，所以通信时间为；运行时，不与外设通信，所以通信时间为；T4=0这样一个扫描周期这样一个扫描周期T为：为： TT1十十T2十十T3+T4=0.15ms十十0.74ms十十0.96ms1.85ms不能完全精确计算出不能完全精确计算出PLC一次的扫描周期一次的扫描周期(1)在在Fx2系列系列PLC中，当中，当PLC投入运行后，投入运行后，CPU将最大扫描将最大扫描周期、最小扫描周期和当前扫描周期的值分别存入周期、最小扫描周期和当前扫描周期的值分别存入D8012、D8011、D80l0三个特殊数据寄存器中三个特

13、殊数据寄存器中(计时单位：计时单位：1ms)，用户，用户可以通过编程器查阅、监控扫描周期的大小及变化可以通过编程器查阅、监控扫描周期的大小及变化 。(2)在在Fx2系列系列PLC中，提供恒定的扫描周期扫描用户程序的中，提供恒定的扫描周期扫描用户程序的运行方式。用户可将通过计算或实际测定的最大扫描周期再运行方式。用户可将通过计算或实际测定的最大扫描周期再留一些余量，作为恒定扫描周期的值存放在特殊数据寄存器留一些余量，作为恒定扫描周期的值存放在特殊数据寄存器D8039中中(计时单位：计时单位：1ms)；当特殊辅助继电器；当特殊辅助继电器M8039线圈被线圈被接通时，接通时，PLC按照按照D8039

14、中存放的数据以恒定周期扫描用户中存放的数据以恒定周期扫描用户程序。程序。 输出滞后注意3.3 可编程控制器的编程语言可编程控制器的编程语言 梯形图(LAD)编程语言是从继电器控制系统原理图的基础上演变而来的。PLC的梯形图与继电器控制系统的梯形图的基本思想是一致的，只是在使用符号和表达方式上有一定区别。 下图是一个典型的梯形图。左右两条垂直的线称作母线。母线之间是触点的逻辑连接和线圈的输出。典典型型的的梯梯形形图图在梯形图中，在梯形图中， 、 分别表示分别表示PLC各种编程元件（也各种编程元件（也称软继电器）的常开触点和常闭触点，称软继电器）的常开触点和常闭触点， 则表示则表示PLC各种编程元

15、件的线圈。应注意，它们并非物理实体，不各种编程元件的线圈。应注意，它们并非物理实体，不是真实的物理继电器（即硬件继电器），只是概念上的是真实的物理继电器（即硬件继电器），只是概念上的意义，即只是软件中使用的编程元件。意义，即只是软件中使用的编程元件。 梯形图的一个关键概念是梯形图的一个关键概念是“能流能流”(Power Flow)，这仅是概，这仅是概念上的念上的“能流能流”。图中，把左边的母线假想为电源。图中，把左边的母线假想为电源“火线火线”，而，而把右边的母线把右边的母线(虚线所示虚线所示)假想为电源假想为电源“零线零线”。如果有。如果有“能流能流”从左至右流向线圈，则线圈被激励；如果没有

16、从左至右流向线圈，则线圈被激励；如果没有“能流能流”，则线圈，则线圈未被激励。未被激励。 “能流能流”可以通过被激励可以通过被激励(ON)的常开接点和未被激励的常开接点和未被激励(OFF)的常闭接点自左向右流。的常闭接点自左向右流。“能流能流”在任何时候都不会通过接点自在任何时候都不会通过接点自右向左流。如图中，当右向左流。如图中，当A、B、C接点都接通后，线圈接点都接通后，线圈M才能接才能接通通(被激励被激励)，只要其中一个接点不接通，线圈就不会接通；而，只要其中一个接点不接通，线圈就不会接通；而D、E、F接点中任何一个接通，线圈接点中任何一个接通，线圈Q就被激励。就被激励。 要强调指出的是，引入要强调指出的是，引入“能流能流”的概念，仅仅是为了和继的概念，仅仅是为了和继电接触器控制系统相比较，以对梯形图有一个深入的认识，其电接触器控制系统相比较，以对梯形图有一个深入的认识，其实实“能流能流”在梯形图中是不存在的。在梯形图中是不存在的。 有的有的PLC的梯形图有两根母线，但大部分的梯形图有两根母线，但大部分PLC现在只保留现在只保留左边的母线了。在梯形图中，触点代表逻辑左边的母线了。在梯形图中，触点代表逻辑“输入输入”条件，如条件，如开关、按钮、内部条件等；线圈通常代表逻辑开关、按钮、内部条件等；线圈通常代表逻辑“输出输出”结果，