第二章可编程控制器基本组成与工作原理课件

2023/7/22第二章可编程控制器的基本组成及原理1第2章可编程序控制器的基本结构和工作原理

可编程控制器的基本结构可编程控制器的资源与编程语言可编程控制器的工作原理2023/7/22第二章可编程控制器的基本组成及原理2可编程序控制器的基本结构中央处理单元CPU

存储器I/O接口模拟量输入模块模拟量输出模块开关量输入模块开关量输出模块

智能模块接口和扩展接口模块电源模块编程工具专用编程器专用编程软件软件系统2023/7/22第二章可编程控制器的基本组成及原理3可编程序控制器的基本结构可编程序控制器的基本结构CPU模块

微处理器+存储器

PLC的大脑和心脏输入-执行-输出

I/O模块

系统的眼、耳、手、脚输入：开关量、模拟量输出：执行器（接触器、电磁阀、调节器、调速）编程器

编辑用户程序监视PLC状态电源为系统提供电源2023/7/22第二章可编程控制器的基本组成及原理4中央处理单元存储器数据存储器输出接口地址总线控制总线数据总线编程单元照明电磁装置执行机构……电源地址总线控制总线输入接口模拟量输入行程开关继电器接点各种开关PLC结构示意图2023/7/22第二章可编程控制器的基本组成及原理5中央处理单元CPU——PLC的核心(1)CPU接收从编程器或计算机输入的程序和数据，并送入用户程序存储器中存储。

(2)监视电源、PLC内部各个单元电路的工作状态。

(3)诊断编程过程中的语法错误，对用户程序进行编译。

(4)在PLC进入运行状态后，从用户程序存储器中逐条读取指令，并分析、执行该指令。

(5)采集由现场输入装置送来的数据，并存入指定的寄存器中。

(6)按程序进行处理，根据运算结果，更新有关标志位的状态和输出状态或数据寄存器的内容。

(7)根据输出状态或数据寄存器的有关内容，将结果送到输出接口。

(8)响应中断和各种外围设备(如编程器、打印机等)的任务处理请求。2023/7/22第二章可编程控制器的基本组成及原理6存储器、存储空间的分配

虽然大、中、小型PLC的CPU的最大可寻址存储空间各不相同但是根据PLC的工作原理，其存储空间一般包括以下三个区域：系统程序存储区系统RAM存储区也称工作数据区(包括I／O映象区和系统软设备等)用户程序存储区PLC常用的存储器主要有PROM、EPROM、E2PROM、RAM等几种，多数都直接集成在CPU单元内部。

2023/7/22第二章可编程控制器的基本组成及原理7存储器、存储空间的分配－－系统程序存储区

系统程序存储区中存放着相当于计算机操作系统的系统程序。它包括监控程序、管理程序、命令解释程序、功能子程序、系统诊断程序等。由制造厂商将其固化在EPROM中，用户不能够直接存取。它和硬件一起决定了该PLC的各项性能。2023/7/22第二章可编程控制器的基本组成及原理8存储器、存储空间的分配－－系统RAM存储区

也称工作数据存储器，指PLC在工作过程中经常变化、需要经常存取的数据，如：参数测量结果、运算结果、设定值等，这部分数据一般存放在RAM之中。

在工作数据区中开辟有元件映像寄存器和数据表，包括I/O映象区以及各类系统软设备存储区软设备(例如：逻辑线圈、数据寄存器、计时器、计数器、变址寄存器、累加器等)存储区。2023/7/22第二章可编程控制器的基本组成及原理9存储器、存储空间的分配－－系统RAM存储区

**I／O映象区

由于PLC投入运行后，只是在输入采样阶段才依次读入各输入状态和数据，在输出刷新阶段才将输出的状态和数据送至相应的外设。因此，它需要有一定数量的存储单元(RAM)以供存放I/O的状态和数据，这些存储单元称作I／0映象区。一个开关量I／0占用存储单元中的一个位(bit)，一个模拟量I/O占用存储单元中的一个字(16个bit)。

**开关量的I／O映象区

**模拟量的I/O映象区2023/7/22第二章可编程控制器的基本组成及原理10存储器、存储空间的分配－－系统RAM存储区

**开关量输入（I）映象区

该映象区中的存储单元用来存放开关量I/O。每个开关量I/O占用存储单元中的一个位(bit)。连接到PLC开关量输入端的每个开关量输入在I／O映象区中都有一个确定的位与之相对应。在输入采样阶段或扫描该开关量输入的立即刷新指令时，如果该开关量输入端所连接的外设处于“断开”状态，则I/O映象区中相对应的位被置为“0”

；如果该输入端所联接的外设处于“闭合”状态，则I/O映象区中相对应的位被置为“1”

。2023/7/22第二章可编程控制器的基本组成及原理11存储器、存储空间的分配－－系统RAM存储区

**开关量输出（O）映象区

PLC的每个开关量输出在I／O映象区中都有一个确定的位与之相对应。在扫描用户程序时，根据该输出线圈的控制线路的逻辑运算结果确定I/O映象区中与之相对应的位的状态。如果其控制线路的逻辑运算结果将该位置为“0”，则用户程序中地址为该输出线圈的常开触点均“断开”，其常闭触点均“闭合”，在输出刷新阶段或扫描含该输出的立即刷新指令时，该输出端断开，与之相连接的外设不动作；如果其控制线路的逻辑运算结果将该位置为“1”，则用户程序中地址为该输出线圈的常开触点均“闭合”，其常闭触点均“断开”，在输出刷新阶段或扫描含该输出的立即刷新指令时，该输出端闭合，与之相连接的外设动作。2023/7/22第二章可编程控制器的基本组成及原理12存储器、存储空间的分配－－系统RAM存储区

**模拟量I/O映象区

该映象区中的存储单元用来存放模拟量I／O。每个模拟量I／O占用一个字(16bits)，而每个PLC规定了其允许的最大模拟量I/O点数，因此，模拟量I/O映象区中存储单元的总数就等于模拟量I／O点数的和。例如：具有模拟量I／O各8点的PLC，其模拟量I/O映象区由16个16位的存储单元组成。这就是说，连接到PLC模拟量I/O端的每个模拟量I／O在I/O映象区中都有一个16位的存储单元与之相对应。每个存储单元内的数据反映了相对应的模拟量I／O的大小。2023/7/22第二章可编程控制器的基本组成及原理13存储器、存储空间的分配－－系统RAM存储区**系统软设备存储区

除了I/O映象区以外，系统RAM存储区还包括PLC内部各类软设备(逻辑线圈、计时器、计数器、数据寄存器、变址寄存器和累加器等)的存储区。该存储区又分为具有失电保持的存储区域和无失电保持的存储区域。前者在PLC断电时，由内部的锂电池供电，使这部分存储单元内的数据得以保留；后者当PLC停止运行时，将这部分存储单元内的数据全部清零。2023/7/22第二章可编程控制器的基本组成及原理14可编程序控制器的物理结构整体式模块式叠装式可编程序控制器的基本结构整体式模块式2023/7/22第二章可编程控制器的基本组成及原理15开关量I/O模块的外部接线方式汇点式

各个I/O电路有一个公共点，共用一个电源。分组式

I/O分成若干组，每组I/O共用一个电源，各组电源可以不同。分割式

各个I/O点之间相互隔离，每个I/O可以使用独立电源。可编程序控制器的基本结构2023/7/22第二章可编程控制器的基本组成及原理16输入模块可编程序控制器的基本结构直流输入电路图输入接口作用：将按钮、行程开关或传感器等产生的信号，转换成数字信号送入主机。2023/7/22第二章可编程控制器的基本组成及原理17交流输入电路图2023/7/22第二章可编程控制器的基本组成及原理18输出模块可编程序控制器的基本结构继电器输出：低速大功率

直流、交流负载（隔离、功率放大）晶体管集电极输出：高速小功率

直流负载双向可控硅输出：高速大功率

交流负载输出接口作用：将主机向外输出的信号转换成可以驱动外部执行电路的信号，以便控制接触器线圈等电器通断电；另外输出电路也使计算机与外部强电隔离。2023/7/22第二章可编程控制器的基本组成及原理19继电器输出输出接口电路以继电器形式为例PLC内部电路内部电路J+交流电源或直流电源YCOM-2023/7/22第二章可编程控制器的基本组成及原理20模拟量输入模块（A/D、AI）A/D作用：将现场仪表输出的（标准）模拟量信号0~10mA、4~20mA、1~5VDC等转化为计算机可以处理的数字信号 变送器：温度变送器压力变送器流量变送器液位变送器成分分析仪传感器：

Pt100Cu50

热电偶

……现场仪表模拟信号4～20mA0～10mA1～5VDCmV、Ω……模数转换(A/D、AI)端口(地址)数字信号0～40950～1023……CPU数字信号0～40950～1023……工程化转换工程量0～100℃0～50kPa……软件实现检测仪表硬件滤波如：RC滤波软件滤波如：中值滤波软件RC滤波

……可编程序控制器的基本结构2023/7/22第二章可编程控制器的基本组成及原理21A/D组成：一般是由多路转换开关、前置放大器、采样保持器、ADC（AnalogtoDigitalConverter）等组成前置放大采样保持内、外补偿多路转换ADC光电隔离数据驱动锁存数据总线控制单元控制总线输入信号1输入信号nA/D转换通常有二种方式：①逐次比较型

②双积分型

2023/7/22第二章可编程控制器的基本组成及原理22A/D转换的性能指标分辨力*――A/D接口变化一个LSB（二进制最低有效位）时输入模拟量的最小变化量例：12位A/D转换器，输入范围0～10VDC，分辨力＝10/212＝2.44mV（通常分辨率以输入二进制数的位数来表示：10位、12位分辨率）线性误差――实际转换特性曲线与理想转换特性曲线之间的最大偏差包括偏移误差（0输入非0输出）、非线性误差等。线性误差通常以LSB的分数表示：如

1/2LSB、1LSB等转换时间*

――从启动转换到转换结束完成一次A/D转换所需要的时间信号的隔离*模块包含的A/D通道数*输入信号类型――单极性、双极性、信号范围、信号制2023/7/22第二章可编程控制器的基本组成及原理23模拟量输出模块（D/A、AO）D/A作用：将计算机内部的数字信号转化为现场仪表可以接收的标准信号4~20mA等如：12位数字量（0～4095）→4~20mA2047对应的转换结果：12mA调节阀变频器……执行器控制信号4～20mA0～10mA1～5VDC0～10VDC……数模转换(D/A、AO)端口(地址)数字信号0～40950～1023……CPU工程量0～100％……软件实现数字信号0～40950～1023……工程化反变换可编程序控制器的基本结构2023/7/22第二章可编程控制器的基本组成及原理24D/A转换的性能指标分辨力――二进制变化一个LSB（最低有效位）时D/A输出模拟量的最小变化量（通常分辨率以输入二进制数地位数来表示：10位、12位D/A转换器）线性误差――实际转换特性曲线与理想转换特性曲线之间的最大偏差包括偏移误差（0输入非0输出）、非线性误差等。线性误差通常以LSB的分数表示：如

1/2LSB、1LSB等建立时间――当输入数字量变化时，输出的模拟信号稳定在相应的数值范围之内（0.5xLSB）所经历的时间模块包含的D/A通道数

输出信号类型――电流、电压及输出范围2023/7/22第二章可编程控制器的基本组成及原理25本地I/O与远程I/O可编程序控制器的基本结构1）本地I/O

并行通信方式远程I/O

串行通信方式2023/7/22第二章可编程控制器的基本组成及原理26可编程控制器的硬件资源

可编程序控制器的资源与编程语言PLC都提供了各种类型的继电器，一般都称为“软继电器”，以供系统软件设计中编程使用。常用的有输入继电器、输出继电器、内部继电器(分为通用和专用两种)、定时器、计数器、数据寄存器(分为通用和专用等类型)等。这些编程用的继电器的工作线圈没有工作电压等级、功耗大小和电磁惯性等问题。其触点没有数量限制，没有机械磨损和电蚀等问题。在不同的指令操作下，其工作状态可以无记忆，也可以有记忆，还可以作脉冲数字元件使用。2023/7/22第二章可编程控制器的基本组成及原理27输入继电器输出继电器内部继电器定时器计数器数据寄存器可编程控制器的硬件资源

可编程序控制器的资源与编程语言2023/7/22第二章可编程控制器的基本组成及原理28PLC是一种专门为工业控制而设计的计算机，具体控制功能的实现也是通过开发人员设计的程序来完成的。所以，采用PLC进行控制就涉及到用相应的程序设计语言来完成编程的任务。PLC存在的主要缺点在于PLC的软件和硬件体系结构是封闭而不是开放的。绝大多数的PLC是专用总线、专用通信网络及协议。编程虽然都可采用梯形图，但不同公司的PLC产品在寻址、语法结构等方面不一致，使各种PLC互不兼容。国际电工委员会(IEC)在1992年颁布了可编程控制器的编程软件标准IEC1131-3，为各PLC厂家编程的标准化铺平了道路。开发以PC为基础、在Windows平台下，符合IEC1131-3国际标准的新一代开放体系结构的PLC正在规划中。可编程控制器的编程语言

可编程序控制器的资源与编程语言2023/7/22第二章可编程控制器的基本组成及原理29国际电工委员会制订的5种标准编程语言如下。(1)梯形图(LadderDiagram，LD)适合于逻辑控制的程序设计。(2)指令表(InstructionList，IL)适合于简单文本的程序设计。(3)顺序功能图(SequentialFunctionChart，SFC)适合于时序混合型的多进程复杂控制。(4)功能块图(FunctionBlockDiagram，FBD)适合于典型固定复杂算法控制，如PID调节等。(5)结构化文本(StructuredText，ST)适合于自编专用的复杂程序，如特殊的模型算法。可编程控制器的编程语言

可编程序控制器的资源与编程语言2023/7/22第二章可编程控制器的基本组成及原理30可编程序控制器的工作原理继电器

（a）结构示意

（b）图文符号2023/7/22第二章可编程控制器的基本组成及原理31继电器作用1）功率放大2）电器隔离3）逻辑运算

与、或、非2023/7/22第二章可编程控制器的基本组成及原理32（a）逻辑符号

（b）控制线路实例逻辑“与”2023/7/22第二章可编程控制器的基本组成及原理33逻辑“或”

（a）逻辑符号

（b）控制线路实例2023/7/22第二章可编程控制器的基本组成及原理34

（a）逻辑符号

（b）控制线路实例逻辑“非”2023/7/22第二章可编程控制器的基本组成及原理35异步电动机控制2023/7/22第二章可编程控制器的基本组成及原理36两种工作状态

运行（RUN）

/停止（STOP）可编程序控制器的工作原理PLC的扫描工作方式内部处理：内部诊断、监控定时器复位；通信服务：与其它装置通信、响应编程器命令（输入、显示）。输入处理：外部端口状态读入输入映像寄存器。程序执行：完成用户程序的逻辑运算。输出处理：将输出映像寄存器状态送到输出端口（锁存器）2023/7/22第二章可编程控制器的基本组成及原理37可编程序控制器的工作原理PLC扫描程序执行过程2023/7/22第二章可编程控制器的基本组成及原理38直接启动停车控制控制电路图SB1SB2KMKMI/O分配：

X0：启动

X1：停车

Y0：KMX1X0COMY0COM~KMSB2SB1PLC外部接线图Y0X1Y0X0程序：梯形图2023/7/22第二章可编程控制器的基本组成及原理39可编程序控制器的工作原理扫描周期PLC在【RUN】工作状态时，完成‘内部处理、通信服务、输入处理、程序执行、输出处理‘所需的时间2023/7/22第