第二章可编程序控制器的结构和工作原理

S7-200PLC编程及应用第二章可编程序控制器的结构和工作原理2/6/202312.1可编程序控制器的组成与基本结构2.2可编程序控制器的工作过程与工作原理本章主要内容2/6/202322.1可编程序控制器的组成与基本结构PLC与继电接触器控制系统的异同点：相同点：图形结构和逻辑关系相同。继电器接触器线圈与所连触点的逻辑对应关系，和PLC的梯形图中内部线圈与内部触点的逻辑对应关系相同。不同点：1)实现原理不同继电接触器是利用实际电磁线圈通电吸合，使触点发生动作，用来完成控制任务，这个机械动作有一个延时过程，设计和分析控制电路时必须考虑到这一特点。而PLC的内部继电器（也称为软继电器），它并不是真正的电磁线圈，而是电子元件（如触发器），动作的时间极短，使用时通常认为是动作瞬时完成的。2/6/202332.1可编程序控制器的组成与基本结构PLC与继电接触器控制系统的异同点：不同点：继电接触器控制系统用实际硬件电路实现，按并行方式工作，只要形成电流通路，几个电器的动作就可能同时实现。而PLC是用程序实现内部线圈和触点的逻辑关系，并通过循环扫描的方式工作。按先后顺序执行用户程序，实现元件的逻辑控制关系，在任一时刻只能执行一条指令，输出点的刷新不是同时的。但是正是由于梯形图中的触点不是真正的触点，使得编写程序时对触点的使用非常灵活。2)工作方式不同2/6/202342/6/202352.1可编程序控制器的组成与基本结构PLC与计算机控制系统的异同点：相同点：1)基本结构相同PLC和计算机都是由CPU、存储器、输入和输出部分构成。有的部件（如存储器）在二者中通用。2)程序执行原理相同PLC和计算机都采用存储程序，按地址访问和顺序执行的基本工作思想；在PLC程序执行阶段，与计算机基本相同，都是指令在内存中顺序存放，CPU从内存中顺序取指令并执行，直到最后一条指令。2/6/202362.1可编程序控制器的组成与基本结构PLC与计算机控制系统的异同点：不同点：主要体现在工作方式上计算机工作时是循环地取指令和执行指令。每执行完成一条指令，立即产生结果，并立即影响到所涉及的部件，直到最后一条指令，然后结束。而PLC是以循环扫描的方式工作。执行用户时，结果并不立即传送到输出点，只是用它改变内部的映像寄存器，当所有指令执行完成后，同时对各输出点进行刷新。另外，PLC是专门为工业应用而设计的，输入输出部件都采用电气隔离技术，其元件也经过精挑细选，从而更好地保证了PLC设备工作的可靠性。2/6/202372.1可编程序控制器的组成与基本结构它具有更强的与工业过程相连接的I/O接口；更适用于控制要求的编程语言；更适应于工业环境的抗干扰性能。PLC与计算机控制系统的异同点：不同点：2/6/202381）PLC是建立在单片机之上的产品，而单片机是一种集成电路，两者不具有可比性。2）单片机可以构成各种各样的应用系统，从微型、小型到中型、大型都可，PLC是单片机应用系统的一个特例。3）不同厂家的PLC有相同的工作原理，类似的功能和指标，有一定的互换性，质量有保证，编程软件正朝标准化方向迈进。这正是PLC获得广泛应用的基础。而单片机应用系统则是八仙过海，各显神通，功能千差万别，质量参差不齐，学习、使用和维护都很困难。PLC与单片机的区别：2.1可编程序控制器的组成与基本结构2/6/20239从工程角度来看，PLC与单片机系统如何进行选择：1）对单项工程或重复数极少的项目，采用PLC方案是明智、快捷的途径，成功率高，可靠性好，但成本较高。

2）对于量大的配套项目，采用单片机系统具有成本低、效益高的优点，但这要有相当的研发力量和行业经验才能使系统稳定、可靠地运行。最好的方法是单片机系统嵌入PLC的功能，这样可大大简化单片机系统的研制时间，性能得到保障，效益也就有保证。3）单片机适合于研发，PLC适合于应用。2.1可编程序控制器的组成与基本结构2/6/2023102.1可编程序控制器的组成与基本结构PLC的硬件系统:主机系统I/O扩展环节外部设备

PLC的软件系统:

系统程序(又称系统软件)用户程序(又称应用软件)小结：PLC是一种工业控制用的专用计算机，它的实际组成与一般微型计算机系统基本相同，也是由硬件系统和软件系统两大部分组成。2/6/202311一、PLC硬件结构示意图输入输出扩展环节PLC的硬件系统由主机系统、I/O扩展环节及外部设备组成。编程器整体式PLC结构示意图2/6/202312模块式PLC结构示意图一、PLC硬件结构示意图2/6/202313二、PLC的基本组成单元１、中央处理器（ＣＰＵ模块）２、存储器３、Ｉ／Ｏ模块5、智能单元4、电源模块６、编程装置７、其他外部设备2/6/2023141、CPU模块

作用：

CPU模块作为整个PLC的核心，相当于人的大脑和心脏，起着总指挥的作用。功能：１、接收并存储从编程器输入的用户程序和数据２、诊断内部电路的工作状态３、用循环扫描方式不断地采集输入信号４、执行用户程序（逐条读取）５、刷新系统的输出６、响应外围设备请求（打印机）二、PLC的基本组成单元2/6/202315常用芯片：通用微处理器：如8080、6800、8086等特点：价格便宜，通用性好，可靠性高，电磁兼容性好。单片机：8031、8051优点：价格低、可扩充性好位片式微处理器：如ＡＭＤ２９００优点：运算速度快，可组成任意字长的微处理器1、CPU模块二、PLC的基本组成单元2/6/202316二、PLC的基本组成单元2、存储器系统程序存储器：存放系统监控程序。用户程序存储器：存放用户程序，包括输入输出信息，内部继电器，寄存器，定时器及计数器等的动作状态，以及工作数据的存储。根据存储器在系统中的作用，可分为：作用：用来存放系统程序、用户程序和数据及系统组态等相关信息。2/6/202317根据存储器介质不同，可分为以下三种类型：

(2)只读存储器(ROM)：非易失性，不可更改

(3)可电擦除可编程的只读存储器(EPROM或E2PROM)

(1)随机存取存储器(RAM)2、存储器二、PLC的基本组成单元——用来存放用户程序和工作数据——用来存储系统程序——存放用户程序和需要长期保存的数据2/6/2023183、I/O模块

作用：是系统的眼、耳、手、脚，是联系外部现场和CPU模块的桥梁。1）输入单元作用：接收和采集输入信号。

2）输出单元作用：控制输出设备，执行装置。二、PLC的基本组成单元2/6/2023193、I/0模块

ＰＬＣ输入信号的类型：1)从按钮、选择开关、数字拨码开关、限位开关、接近开关、光电开关、压力继电器等输入的开关量信号。

2)由电位器、热电偶、测速电机和各种变送器等输入的连续变化的模拟量信号。

二、PLC的基本组成单元2/6/202320开关量输入单元（１）直流输入单元（２）交流输入单元二、PLC的基本组成单元3、I/0模块

2/6/202321开关量输入单元（１）直流输入单元（２）交流输入单元二、PLC的基本组成单元3、I/0模块

2/6/202322开关量输出单元（１）晶体管输出型（２）双向晶闸管输出型（３）继电器输出单型二、PLC的基本组成单元3、I/0模块

2/6/202323晶体管集电极输出型晶体管输出型适用于：高频小功率直流负载需要外接直流24V电源。二、PLC的基本组成单元3、I/0模块

2/6/202324二、PLC的基本组成单元双向晶闸管输出型晶闸管输出适用于高频大功率负载（交流负载）3、I/0模块

2/6/202325继电器输出型有触点输出方式，适用于低频大功率交、直流负载。灵活，但是工作频率不能很高，寿命短。二、PLC的基本组成单元3、I/0模块

灭弧机构

2/6/202326PLC使用220V交流电源或24V直流电源。内部的开关电源为各模块提供DC5V、±12V和±24V等直流电源，使PLC能正常工作。4、电源模块二、PLC的基本组成单元2/6/2023275、智能单元智能单元本身是一个独立的计算机系统，它有自己的ＣＰＵ、系统程序、存储器及与外界相连的接口。目前常用的智能单元：Ａ／Ｄ、Ｄ／Ａ单元高速计数器单元位置控制单元温度控制单元通信单元二、PLC的基本组成单元2/6/202328二、PLC的基本组成单元６、编程装置作用：用来生成用户程序，并对它进行编辑、检查和修改。1）手持式编程器：不能直接输入和编辑梯形图，只能输入和编辑指令表程序，因此又叫做指令编程器。2/6/2023292）编程软件编程：在屏幕上直接生成和编辑梯形图、指令表、功能块图和顺序功能图程序，并可以实现不同编程语言的相互转换。二、PLC的基本组成单元S7-200:STEP7-Micro/WINV4.0编程软件６、编程装置7、外部设备人机接口外存储器打印机按钮、指示灯等2/6/2023301.系统程序

由PLC的制造企业编制，固化在PROM或EPROM中，安装在PLC上，随产品提供给用户。包括:系统管理程序、用户指令解释程序和供系统调用的标准程序模块等。2.用户程序

是根据生产过程控制的要求由用户使用制造企业提供的编程语言自行编制的应用程序。包括:开关量逻辑控制程序、模拟量运算程序、闭环控制程序和操作站系统应用程序等。三、可编程序控制器的软件系统2/6/2023312.2可编程序控制器的工作原理及主要性能指标一、可编程序控制器的工作原理PLC是采用周期循环扫描（CPU连续执行用户程序和任务的循环序列称为扫描）的工作方式。CPU的循环扫描是采用周期性地集中采样、集中输出的方式来完成的。PLC的扫描过程：2/6/2023322.2可编程序控制器的工作原理及主要性能指标一、可编程序控制器的工作原理一个扫描周期（工作周期）主要分为以下几个阶段：

1.输入采样扫描阶段2.执行用户程序扫描阶段

3.通信处理

4.CPU自诊断测试5.输出刷新扫描阶段

2/6/202333输入采样阶段---CPU从输入电路的输出端读出各路状态，并将其写入输入映像寄存器。2.2可编程序控制器的工作原理及主要性能指标一、可编程序控制器的工作原理信号的传递过程I0.0Q0.0I0.1Q0.0M0.0I0.0I0.1Q0.0Q0.12/6/2023342.2可编程序控制器的工作原理及主要性能指标一、可编程序控制器的工作原理信号的传递过程I0.0Q0.0I0.1Q0.0M0.0I0.0I0.1Q0.0Q0.1b.程序执行阶段--CPU从输入映像寄存器和元件映像寄存器中读出各继电器的状态，并根据此状态执行用户程序，执行结果再写入元件映像寄存器中2/6/2023352.2可编程序控制器的工作原理及主要性能指标一、可编程序控制器的工作原理信号的传递过程I0.0Q0.0I0.1Q0.0M0.0I0.0I0.1Q0.0Q0.1c.输出刷新阶段---将输出映像寄存器的状态写入输出锁存电路，再经输出电路传递输出端子，从而控制外接器件动作。2/6/2023362.2可编程序控制器的工作原理及主要性能指标一、可编程序控制器的工作原理采用循环扫描方式的好处：

1）输入点状态固定不变，程序执行完后再用输出映像寄存器的值更新输出点，使系统运行稳定；

2）用户读写I/O映像寄存器比读写I/O点快得多，可提高程序的执行速度。2/6/2023372.2可编程序控制器的工作原理及主要性能指标一、可编程序控制器的工作原理1、CPU执行指令速度2、执行每条指令占用时间3、程序长短扫描周期的长短取决于以下因素：2/6/202338输入／输出滞后的现象引起滞后的原因:1、电路惯性1)输入电路的RC滤波器有时间常数2)输出单元电路引起的时间滞后继电器型10ms晶闸管型1ms晶体管型<1ms

2、PLC循环扫描操作时，进行公共处理、I/O刷新和执行用户程序等产生扫描周期

3、程序语句的安排，也影响响应时间2/6/202339二、可编程序控制器的等效电路2.2可编程序控制器的工作原理及主要性能指标2/6/202340三、可编程序控制器的逻辑关系实现原理2.2可编程序控制器的工作原理及主要性能指标1、用触点和线圈实现逻辑运算

逻辑与

Q0.0=I0.0·I0.1

逻辑或Q0.0=I0.0·I0.1