可编程序控制器原理及应用：第2章 PLC硬件及工作原理

1、第二章 可编程控制器的硬件构成及工作原理2.1 可编程控制器的硬件构成2.2 可编程控制器的工作原理2.1 可编程控制器的硬件构成 2.1.0可编程序控制器的物理结构 2.1.1 CPU模块2.1.2 输入输出接口电路2.1.3 电源2.1.4 外部设备可编程序控制器的物理结构一 、整体式 CPU模块，输入输出模块和电源装在一个箱状机壳内。 适用于小型PC，它包括基本单元和扩展单元二 、 模块式结构把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。另外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

2、整的PLC。模块式 由框架和模块组成，模块插在模块插座上，模块插座焊在框架中的总线连接板上。 特点：系统构成非常灵活，安装、扩展、维修都很方便。缺点是体积比较大。三、叠装式结构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。可编程序控制器的基本结构及工作原理2.1.1 CPU模块接受、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，产生相应的内

3、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。CPU是PLC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：CPU模块（中央处理器+存储器）CPU模块微处理器存储器一、微处理器（1）通用处理器：8086、80286、80386（2）单片机芯片：8031、8096（3）位片式微处理器：AMD-2900RAM存 放 用户程序2.1.1 CPU模块存储器用于存放系统程序、用户程序和运行中的数据。包括只读存储器(ROM)和随机存取存储器(RAM)。RAM： 随机存储器，可读可写，没有断电保持功能。ROM：只读存储器，只读，不能写。EP

4、ROM：可擦除程序的只读存储器，用紫外线照射芯片上的透镜窗口，可以擦除已写入的内容，而写入新的程序。EEPROM：可电擦除的只读存储器，兼有ROM的非易失性和RAM的随机存取的优点。ROM存 放 系统程序2.1.2输入输出接口输入输出接口是PLC与工业控制现场各类信号连接的部分。输入接口用来接受生产过程的各种参数（输入信号）。输出接口用来送出可编程控制器运算后得出的控制信息（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。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： 良好的抗干扰能力 能满足工业现场各类信号的匹配要求2.1.2输入输出接口可编程控制器为不同

5、的接口需求设计了不同的接口单元：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，分为直流输入单元和交流输入单元。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机构所需的开关量信号。开关量输出接口按可编程控制器机内使用的器件不同，分为继电器型、晶体管型和可控硅型。1开关量输入接口图2.3直流开关量输入单元2.1.2输入输出接口光耦合器PLC内部电路LEDCR2R1VD电源输入接口的接线方式（汇点式）输入电路的连接2.1.2输入输出接口图2.4NPN PNP 传感器输入接线FX系列PLCNPN 传感器输入接

6、线2.1.2输入输出接口开关量输出接口开关量输出接口，其作用是把PLC的内部信号转换成现场执行机构的各种开关信号。考虑负载的驱动电源时，还需选择输出器件的类型。继电器型的输出接口，可用于交流及直流两种电源，接通和断开的频率低，带负载能力强；晶体管型的输出接口有较高的接通断开频率，但只适用于直流驱动的场合；可控硅型的输出接口仅用于交流驱动的场合，适用快速、频繁动作和大电流的场合。输出电路原理输出接口接线方式（分组式）PLC的输出接口2.1.2输入输出接口图2.72.1.3 电源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2.1.4

7、 外部设备可编程控制器一般可配备的外部设备：编程器编程器盒式磁带机，用以记录程序或信息打印机，用以打印程序或制表EPROM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2.2.1 扫描工作方式2.2.2 程序执行过程2.2.3 输入输出的处理规则2.2.4 信息刷新方式2.2.5 输入输出滞后时间可编程序控制器的基本结构输入模块输出模块CPU模块可编程序控制器按钮选择开关限位开关电源接触器电磁阀指示灯电源 编程器可编程序控制器的工作原理一、 PLC 的工作状态：运行状态 (RUN): 输入处理 执行程序 输出

8、处理 内部处理 通讯处理停止状态(STOP): 内部处理 通讯处理可编程序控制器的工作原理PLC 的工作特点输入信号集中批量处理输出信号集中批量处理程序集中执行PLC 的工作过程扫描工作方式2.2.1 扫描工作方式扫描工作方式的特点： 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。2.2.2 程序执行过程输入采样阶段

9、： 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，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

10、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：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：PLC重复执行上述扫描过程，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。PLC在每次扫描中，对输入信号采样一次，对输出信号刷新一次。这就保证了PLC在执行程序阶段，输入映像寄存器和输出锁存寄存器的内容或数据保持不变。 扫描周期典型值为1

11、100ms扫描周期与用户程序长短，指令种类，cpu执行指令的速度有关2.2.3输入输出的处理规则 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。2.2.4信息刷新方式信息刷新的方式有多种。一般来说，输入刷新是在输入采样阶段进行，输出刷新是在输出采样阶段进行。有的PLC其信息刷新的方式则与上述不同，输入刷新除了在输入采样阶段进行外，在程序执行阶段每隔一定时间还要刷新一次。同样，输出刷新除了在输出处理阶段进行外，在程序执行阶段，凡是程序中有输出指令的地方，该指令执行后又立即进行一次输出刷新。这种形式的PLC尤其适合于输入输出要求快速响应的场合。2.2.5 输入输出滞后时间 输入输出滞后时间又称为系统响应时间，是指从PLC外部输入信号发生变化的时刻起至它所控制的有关外部输出信号发生变化的时刻止之间的时间间隔。 输入输出滞后时间由输入电路的滤波时间、输出模块的滞后时间和因扫描工作方式产生的滞后时间三部分所组成。 输入模块的RC滤波电路用来滤除由输入端引起的干扰噪声，消除因外接输入触