第四可编程序控制器的硬件与工作原理

第四可编程序控制器的硬件与工作原理4.1可编程控制器的构成图.1PLC的结构PLC由CPU、存储器、输入/输出接口、内部电源和编程设备几部分构成21.04.202324.1.1CPU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）21.04.20233RAM：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。RAM存放用户程序ROM存放系统程序

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)。EPROM：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。21.04.20234

输入输出接口是PLC与工业控制现场各类信号连接的部分。4.1.2输入输出接口

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21.04.20235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。

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。21.04.202361．开关量输入接口图1.3直流开关量输入单元4.1.2输入输出接口21.04.202371．开关量输入接口图1.3交流开关量输入单元1.1.2输入输出接口21.04.202384.1.3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21.04.202394.1.4外部设备

可编程控制器一般可配备的外部设备：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编程器21.04.2023104.2.1输入接口电路一、直流输入接口电路说明把外部开关量的状态转换为PLC内部“1”、“0”状态的过程。图中只画出一个点的内部接口，外部电源是直流24V电源。21.04.2023114.2.1输入接口电路的工作过程与原理工作作用：外部电路中的一个按钮或开关闭合时，二极管都要导通发光使光耦合元件的输出端的晶体光敏三极管导通，就把该外部开关闭合的信号传递到内部电路，使输入状态寄存器对应位存“1”。当外部电路中按钮或开关断开时，接口电路不通，发光二极管不发光，则把该外部开关断开的信号也传递到内部电路，使输入状态寄存器对应位存“0”。

21.04.2023124.2.1输入接口电路二、交流输入接口电路其外部电源是交流电源，电压为交流110V或220V（50或60Hz）。交流输入接口电路在外部输入开关器件需接交流电源时使用。工作：同样的，当外部电路中的按钮或开关闭合时，交流电压加在输入端与公共端之间，使光耦元件工作，开关闭合的信号送到PLC内部，使输入状态暂存器对应位存“1”。三、直接输入接口电路有的PLC已经把24V电源事先串接在PLC的内部接口电路线上，在外部看不见电源，外部接线时只需要把开关或按钮直接接在输入点和COM端上就可以了，这叫做直接输入。21.04.2023134.3.1plc工作方式（循环扫描）扫描：

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。一个循环扫描过程时间称为扫描周期。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。输入采样程序执行输出刷新21.04.202314PLC的工作过程示意图21.04.202315输入采样程序执行输出处理一个扫描周期●●●Y0Y1Yn输入映像寄存器①采样元件映像寄存器③写⑤写④读X0Y0Y0M0●●●●●●输出锁存电路输出端子输入端子●●●4.3.2程序执行过程②读图1.11PLC的扫描工作过程●●●X0X1Xn⑥刷新21.04.202316图4-3I/O接口电路结构框图(a)输入端；(b)输出端21.04.202317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。21.04.2023184.3.2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；元件映像寄存器中寄存的内容，随程序执行的进程而动态变化。21.04.2023194.3.2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。

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。21.04.2023204.3.1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。21.04.2023214、.3、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。21.04.2023224.3.4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，消除因外接输入触点动作时产生抖动引起的不良影响。滤波时间常数决定了输入滤波时间的长短,其典型值为10ms左右。21.04.2023234.3.5输入／输出滞后时间

输出模块的滞后时间与模块开关元件的类型有关：继电器型输出电路的滞后时间一般最大值在10ms左右。双向可控硅型输出电路的滞后时间在负载被接通时的滞后时间约为1ms，负载由导通到断开时的最大滞后时间为10ms。晶体管型输出电路的滞后时间一般在1ms左右。21.04.202324PLC的扫描工作过程总结★整个过程包括内部处理：系统自检和外部设备服务、通信服务、输入处理、程序执行、输出处理六个阶段★整个过程扫描执行一遍所需的时间称为扫描周期★扫描周期与CPU运行速度、PLC硬件配置及用户程序长短有关。★典型值为1～100ms21.04.2023254、4、1PLC的编程语言PLC为用户提供了完整的编程语言，以适应编制用户程序的需要。PLC提供的编程语言通常有以下几种：梯形图、指令表、顺序功能流程图和功能块图。

1．梯形逻辑图（LAD）梯形逻辑图简称梯形图(Ladderprogramming)，它是从继电器一接触器控制系统的电气原理图演化而来的，是一种图形语言。它沿用了常开触点、常闭触点、继电器线圈、接触器线圈、定时器和计数器等术语及图形符号，也增加了一些简单的计算机符号，来完成时间上的顺序控制操作。触点和线圈等的图形符号就是编程语言的指令符号。这种编程语言与电路图相呼应，使用简单，形象直观，易编程，容易掌握，是目前应用最广泛的编程语言之一。

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PLC参与逻辑组合的元件可看成和继电器一样的器件，具有常开、常闭触点及线圈；且线圈的得电及失电将导致触点的相应动作。再用母线代替电源线；用能量流概念来代替继电器线路中的电流概念，采用绘制继电器线路图类似的思路绘出梯形图。需要说明的是，PLC中的继电器等编程元件并不是实际物理元件，而是机内存储器中的存储单元，它的所谓接通不过是相应存储单元置1而已。21.04.202327输入继电器（X）在PLC内部，与输入端子相连的输入继电器是光电隔离的电子继电器，采用八进制编号，用无数个常开和常闭触点。输入继电器不能用程序驱动。21.04.202328输出继电器（Y）输出继电器采用八进制编号，有内部触点和外部输出触点（继电器触点、双向可控硅、晶体管等输出元件）之分，由程序驱动。在PLC内部，外部输出触点与输出端子相连，向外部负载输出信号，且一个输出继电器只有一个常开型外部输出触点。输出继电器有无数个内部常开和常闭触点，编程时可随意使用。21.04.202329图4-4PLC的等效电路21.04.202330

表中给出了继电接触器线路图中部分符号和PLC梯形图符号对照关系。图3符号对照表符号名称继电器电路图符号梯形图符号常开触点常闭触点线圈21.04.202331(a)梯形图

(b)语句表图4-721.04.2023322．指令语句表(STL)

指令语句表简称语句表(statementlist，简写为STI。)，类似于计算机的汇编语言，它是用语句助记符来编程的。中、小型PLC一般用语句表编程。3．顺序功能流程图(SFC)顺序功能流程图(SFC)编程是一种图形化的编程方法，亦称功能图。使用它可以对具有并发、选择等复杂结构的系统进行编程，许多PLC都提供了用于SFC编程的指令。4.功能块图(FBD)利用FBD可以查看到像普通逻辑门图形的逻辑盒指令。它没有梯形图编程器中的触点和线圈，FBD编程语言有利于程序流的跟踪，但在目前使用较少。21.04.2023334、5、FX系列PLC概述三菱电机现有的FX系列产品样本中仅有FX1S、FX1N、FX2N和FX2NC这四个子系列。FX系列的适应面广，FX2N和FX2NC最多扩展256个I/O点，并且有很强的网络通信功能，能够满足大多数要求较高的系统的需要，是国内使用最广泛的PLC系列产品之一。1.FX系列PLC的型号21.04.2023342.FX2N系列PLC的基本单元FX2N系列是FX系列中功能最强、速度最高的小型PLC。其基本单元见下表：类型输入点数输出点数FX2N-16MR88FX2N-32MR1616FX2N-48MR2424FX2N-64MR3232FX2N-80MR4040FX2N-128MR646421.04.2023353.FX2N系列PLC的编程元件1）输入继电器（X0～X177）：PLC的输入端子是从外部开关接收信号的窗口。输入继电器最多可达128点，采用八进制编号，且不能用程序驱动。2）输出继电器（Y0～Y177）：PLC的输出端子是向外部负载输出信号的窗口。输出继电器最多可达128点，且编号为八进制。外部负载的驱动必须由输出继电器实