PLC工作原理及结构特点

TheoryandApplicationofPLC机械工程学院第二章PLC的工作原理及结构特点1PLC工作原理及结构特点5/9/2024一、可编程控制器硬件结构二、软件系统三、可编程控制器工作原理四、可编程控制器分类五、可编程控制器的技术性能指标六、FX3U可编程控制器型号格式简介PLC的工作原理及结构特点2PLC工作原理及结构特点5/9/2024教学目标7、了解可编程序控制器的编程元件的划分8、熟悉PLC的常用的编程元件9、掌握PLC的编程元件的使用1、熟悉PLC的基本结构2、重点掌握存储器及PLC的I/O电路3、了解可编程序控制器的物理结构分类4、了解可编程序控制器扫描过程5、熟悉PLC的工作过程6、重点掌握PLC的扫描工作原理3PLC工作原理及结构特点5/9/2024一、可编程控制器硬件结构4PLC工作原理及结构特点5/9/2024主机I/O扩展器连接电缆5PLC工作原理及结构特点5/9/20246PLC工作原理及结构特点5/9/20247PLC工作原理及结构特点5/9/20241、CPU板中央处理器CPU存储器RAMROM并行接口PIO串行接口SIO时钟CTC作用：对系统进行管理，如自诊断、查错、级数刷新等；根据用户程序执行输入输出操作、程序解释执行操作等。8PLC工作原理及结构特点5/9/2024

CPU是PLC控制系统的运算及控制中心，是PLC的核心。小型PLC多用8位微处理器或单片机；中型的PLC多用16位微处理器或单片机；大型的PLC多用双型位片机。中央处理单元（CPU）

9PLC工作原理及结构特点5/9/2024存储器是用来储存系统程序、用户程序与数据的，PLC的存储器有系统存储器和用户存储器二大类。1）系统存储器系统存储器使用EPROM(只读存储器)，用于存放系统程序（相当于计算机的操作系统，用户不能更改），系统程序用来告诉CPU“怎么做”。广义上讲，有了系统程序，单片机组成的系统就变成PLC！存储器10PLC工作原理及结构特点5/9/20242）用户存储器通常由用户程序存储器（程序区）和功能存储器（数据区）组成。用户程序存储器一般用RAM（有后备电池维持）存放用户程序和存放PLC运行中的各种数据。如I/O状态、定时值、计数值、模拟量、各种状态标志的数据。

用户程序是用来告诉CPU“做什么”。但用户程序调试好以后可固化在EPROM或E2PROM中。存储器11PLC工作原理及结构特点5/9/20242）用户存储器通常由用户程序存储器（程序区）和功能存储器（数据区）组成。用户程序存储器一般用RAM（有后备电池维持）存放用户程序和存放PLC运行中的各种数据。如I/O状态、定时值、计数值、模拟量、各种状态标志的数据。

用户程序是用来告诉CPU“做什么”。但用户程序调试好以后可固化在EPROM或E2PROM中。存储器容量的大小取决于系统的工作能力

及系统程序的质量12PLC工作原理及结构特点5/9/2024PIO与SIO作用：

用以CPU与接口信息交换。定时器与计数器作用：

产生系统时钟和用户时钟13PLC工作原理及结构特点5/9/20242PLC输入输出接口电路14PLC工作原理及结构特点5/9/2024光电耦合电路作用：由于光电耦合器将输入输出电路互相隔离，使电信号传输具有单向性等特点，因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力15PLC工作原理及结构特点5/9/2024输入端口电路

开关量输入接口电路：采用光电耦合电路，将限位开关、手动开关、编码器等现场输入设备的控制信号转换成CPU所能接受和处理的数字信号。16PLC工作原理及结构特点5/9/2024输出接口电路开关量输出接口电路作用：采用光相关电路，将CPU处理过的信号转换成现场需要的强电信号输出，以驱动接触器、电磁阀等外部设备的通断电。有三种类型：继电器输出型（R）晶体管输出型（T）

晶闸管输出型（S)17PLC工作原理及结构特点5/9/202418PLC工作原理及结构特点5/9/2024输出接口电路-继电器输出型

继电器输出型接口电路中，当CPU根据用户程序的运算把输出信号送入PLC的输出映像区后，通过内部总线把输出信号送到锁存器中。当输出锁存器的对应位为“1”时，其对应的发光二极管（LED）导通发光，继电器的线圈带电，其触点则把负载和电源连通起来，使得负载获得电流；当输出锁存器的对应位为“0”时,其对应的发光二极管（LED）不导通，线圈不带电，其触点则把负载L和电源隔断，使得负载不会获得电流。19PLC工作原理及结构特点5/9/2024输出接口电路-晶体管输出型

晶体管输出型接口电路中，当输出锁存器的对应位为“1”时，其对应的晶体管导通，把负载和电源连通起来，使得负载获得电流，发光二极管（LED）导通；当输出锁存器的对应为“0”时，其对应的晶体管截止，把负载和电源隔断，使得负载不会获得电流，发光二极管（LED）不导通。20PLC工作原理及结构特点5/9/2024输出接口电路-晶闸管输出型

晶闸管输出型接口电路中，当输出锁存器的对应位为“1”时，其对应的光耦合器导通，把负载和电源连通起来，使得负载获得电流，发光二极管（LED）发光。当输出锁存器的对应位为“0”时，由于负载电源过零，其对应的光耦合器截止，把负载和电源隔断，使得负载不会获得电流，发光二极管（LED）不导通。21PLC工作原理及结构特点5/9/2024接口类型继电器晶体管晶闸管负载类型交流/直流直流交流开关频率较低较高较高有无触点有无无负载大中小响应速度10ms0.2ms1/10(ON/OFF)ms接口电路比较22PLC工作原理及结构特点5/9/2024注意：所有输入输出信号全部经过了隔离输入2次电路中设有RC滤波器，为防止由于输入触点的颤振、输入线混入的噪音引起的误动作而设计的。因此外部输入从ON->OFF或OFF->ON,PLC内部有约10ms的响应滞后。23PLC工作原理及结构特点5/9/202424PLC工作原理及结构特点5/9/2024PLC端子接线图25PLC工作原理及结构特点5/9/20243、电源模块PLC配有开关式稳压电源，供PLC内部各元件使用。与普通电源相比，这种电源输入电压范围宽、稳定性好、抗干扰能力强、体积小、重量轻。有些机型还可向外提供24VDC的稳压电源，用于对外部传感器供电。26PLC工作原理及结构特点5/9/20244、I/O扩展接口用途：扩展I/O单元形式：总线型主机I/O扩展器连接电缆27PLC工作原理及结构特点5/9/2024

用于对用户程序进行输入、检查、调试和修改，并用来监视PLC的工作状态。专用编程器通用编程系统：PC上配专用编程软件包简易编程器智能编程器5、编程器28PLC工作原理及结构特点5/9/2024编程器1.简易编程器：简单、方便，一般只能指令编程。2.智能编程器：专用的编程PC机，可进行图形等多种编程。。29PLC工作原理及结构特点5/9/2024编程器3.通用编程器：是目前比较流行的编程方式。采用通用计算机，安装相关软件，既可脱机编程，也可联机编程，还能显示有关的编程信息，软件可以随时更新30PLC工作原理及结构特点5/9/2024二、软件系统软件系统可以分为两大部分：第一部分：系统监控程序。是每台PLC必须包括的部分，是由PLC的制造者编制的，用于控制PLC本身的运行。分成系统管理程序、用户指令解释程序、标准程序或系统调用子程序。第二部分：用户程序。用户程序是PLC的使用者编制的针对控制问题的程序。31PLC工作原理及结构特点5/9/20241监控程序监控程序构成：运行管理管理程序生成用户元件监控程序用户命令解释程序内部自检等标准程序或系统调用子程序32PLC工作原理及结构特点5/9/2024第三部分：系统自检程序。包括系统出错，用户程序语法、句法出错，警戒时钟等。

系统管理程序是监控程序中最重要的部分，管理PLC的运行。管理程序由三部分构成：第二部分：存储器空间管理，即生产用户环境(编程资源)。

主要任务是把存储器转化成为用户可方便使用的编程元件。1.1系统管理程序第一部分：运行管理。控制PLC的扫描工作过程，分配管理运行时间。33PLC工作原理及结构特点5/9/20241.2用户命令解释程序

在PLC内部把用户的梯形图程序转换为机器语言程序，以内码形式存储。1.3标准程序或系统调用子程序

和系统计算机(PC机)类似；在PLC称作“功能指令”。PLC的监控程序对其性能影响重大，称作其“灵魂”；34PLC工作原理及结构特点5/9/2024

用户程序是PLC的使用者编制的针对控制问题的程序。PLC的编程语言包括以下五种：梯形图语言（LD）指令表语言（IL）功能模块图语言（FBD）顺序功能流程图语言（SFC）结构化文本语言（ST）2用户程序35PLC工作原理及结构特点5/9/20241、梯形图1继电接触控制系统电路图很相似；

2简单直观。

X0X1X2 Y0

X3X4X5X5X6梯形图语言是PLC程序设计中最常用的编程语言。36PLC工作原理及结构特点5/9/2024由若干条指令组成的程序叫指令表程序。XOYOX1Y1Y2X3Y3

LDX0OUTY0LDIX1OUTY1OUTY2LDX3OUTY32、指令表37PLC工作原理及结构特点5/9/2024

类似于数字逻辑电路中编程语言，用类似与门、或门等方框图来表示的逻辑运算关系。SRS1Q1RANDORTest1Test2Sw1%1X3Resetstart3、功能块图38PLC工作原理及结构特点5/9/2024

顺序功能流程图语言是为了满足顺序逻辑控制而设计的编程语言。编程时将顺序流程动作的过程分成步和转换条件，根据转移条件对控制系统的功能流程顺序进行分配，一步一步的按照顺序动作。每一步代表一个控制功能任务，用方框表示。在方框内含有用于完成相应控制功能任务的梯形图逻辑。这种编程语言使程序结构清晰，易于阅读及维护，大大减轻编程的工作量，缩短编程和调试时间。用于系统的规模校大，程序关系较复杂的场合4、顺序功能流程图39PLC工作原理及结构特点5/9/2024S21S20S2M8002自动方式初始状态状态转移开始原始位置条件夹具夹紧Y0下降X1下限位T0K10

机械手自动方式下状态转移图M8041M8044SETY1S22T2上升T0S23T3右移X2上限位1240PLC工作原理及结构特点5/9/2024S25夹具放松T1K10RSTY1S26Y2上升X1S27Y4右移X4左限位S24Y0下限X3右限位12T1X241PLC工作原理及结构特点5/9/2024

结构化文本语言是用结构化的描述文本来描述程序的一种编程语言如：PASCALBASICC等高级语言可以完成较复杂的控制运算；需要有一定的计算机高级语言的知识和编程技巧，对工程设计人员要求较高。直观性和操作性较差。5、结构化文本语言42PLC工作原理及结构特点5/9/2024特点

——简单、直观、易学易懂、应用最为广泛

、最受电气技术人员欢迎逻辑电路构成——

常开接点、常闭接点组合功能

——

逻辑运算、算术运算、数据传送、变换与外部输出表达形式——

类似于继电器线路图

三、梯形图（LadderDiagram)简介43PLC工作原理及结构特点5/9/2024梯形图的主要特点（1）编程元件不是真实的硬件继电器,而是软件继电器（元件）。（2）梯形图两侧的公共线称为公共母线，分析时，可以假想有一个能流从左向右流动。（3）程序执行是一个逻辑解算的过程。根据梯形图中各触点的状态和逻辑关系,求出各个线圈对应的编程元件的状态（4）梯形图中的各编程元件的常开触点和常闭触点,都可以无限次使用，触点状态有接通和断开两种状态。（5）梯形图中的线圈应该放在最右边。44PLC工作原理及结构特点5/9/2024每一个梯级从起始母线——触点——输出继电器——母线触点可以任意串联和并联,继电器线圈只能并联,不能串联；结果使用除输入继电器以外的继电器；梯形图的主要特点45PLC工作原理及结构特点5/9/2024~KM线圈通电SB1闭合00000闭合接点闭合KMFUKHM3~QKM通电KM通电触点闭合电动机转触点闭合PLCCOM00000000000000100002≈0000001000000010000201000COM010000000100002SB2STPLC~SB1SB2KMST00000000010000201000COMCOM46PLC工作原理及结构特点5/9/2024~KM线圈断电00001断开接点断开KMFUKHM3~QKM通电KM断电触点断开电动停转触点断开PLCCOM00000000000000100002≈0000001000000010000201000COM010000000100002SB2STPLC~SB1SB2KMST00000000010000201000COMCOMSB2闭合47PLC工作原理及结构特点5/9/2024开机内部处理通讯服务输入刷新程序执行输出刷新

扫描周期：完成扫描五个工作阶段，

称为一个扫描周期。循环扫描工作方式：完成一次扫描后，又重新执行上述过程，可编程控制器这种周而复始的循环工作方式称为2PLC的工作方式T=自检时间+读入一点时间×输入点数+程序步数×运算速度+输出一点时间×输出点数扫描工作方式：依次执行五个阶段的

方式

PLC工作状态：Stop状态Run状态48PLC工作原理及结构特点5/9/2024493PLC工作过程初始化操作周期扫描各编程元件清零或复位；检查I/O连接是否正确；启动WDTT0监控系统的检查检查硬件和用户程序，CPU故障灯指示顺序逐条扫描处理，WDT监控操作人员介入、设备中断、网络通信、与编程器信号交换自诊断操作输入采样执行用户程序处理外设请求输出刷新PLC工作原理及结构特点5/9/202450PLC工作原理及结构特点5/9/202451循环扫描中PLC的信号处理过程CPUInputoutputPLC工作原理及结构特点5/9/2024a.输入处理(采样)阶段

PLC以扫描工作方式按顺序将所有的输入端子信号读入到输入映象寄存器中存储，这一过程称为采样。本工作周期内，采样结果的内容不会改变，它是PLC程序执行时使用的输入量的依据输入端输入电路输入映像寄存器X0X1输入采样阶段52PLC工作原理及结构特点5/9/2024b.程序执行阶段PLC按顺序对程序进行扫描，即从上到下，从左到右的扫描每一条指令，并分别从输入映象寄存器中或元件映象寄存器读入所需要的数据进行运算、“处理”，再将每一条指令执行的结果送入元件映象寄存器，供后面指令程序执行时使用；输入端输入电路输入映像寄存器X0X1X0Y0Y0Y1元件映像寄存器读写读写输入采样阶段程序执行阶段53PLC工作原理及结构特点5/9/2024输入端输入电路输入映像寄存器在用户执行完所有程序后，PLC将元件映象寄存器中的内容送到输出锁存器中去驱动用户设备，锁存器中的内容将保持到下一次程序执行完后的输出量来取代为止，所以也称输出处理为输出刷新阶段。X0X1X0Y0Y0Y1元件映像寄存器读写输出锁存器输出电路输入端Y0Y1读写输入采样阶段程序执行阶段输出刷新阶段c.输出刷新阶段54PLC工作原理及结构特点5/9/20244PLC的I/O滞后的原因（1）由于PLC采用循环扫描的工作方式。PLC只在每个扫描周期的I/O刷新阶段集中输入/输出，导致输出信号相对输入信号滞后。（2）输入滤波器对信号的延迟作用。滤波器时间常数越大，对输入信号的延迟作用越强。有的PLC其输入电路滤波器的时间常数可以调整。55PLC工作原理及结构特点5/9/2024

（3）输出继电器的动作延迟（继电器输出型PLC）。从输出锁存器ON/OFF、到输出触点ON/OFF经历一定时间

（4）用户程序的长短及语句编排。要求有较快响应的场合最好不要使用继电器输出型PLC。I/O滞后现象，对慢速控制系统影响不大;要求快速响应的场合，需要解决I/O速度问题。56PLC工作原理及结构特点5/9/2024四、可编程控制器分类1.按硬件结构分2按I/O点数分类57PLC工作原理及结构特点5/9/2024整体式模块式叠装式整体式模块式叠装式1.按硬件结构分58PLC工作原理及结构特点5/9/2024把CPU、RAM、ROM、I／O接口及与编程器或EPROM写入器相连的接口、输入输出端子、电源、指示灯等都装配在一起的整体装置。称为基本单元。有时PLC基本单元的输入和输出端不能满足需要，希望一种能扩展一些I/O接口而不含CPU和电源的装置，这种装置叫做扩展单元。基本单元和扩展单元之间一般用扁平电缆连接。小型PLC一般采用这种整体式结构。a、整体式（单元式）59PLC工作原理及结构特点5/9/202460PLC工作原理及结构特点5/9/2024

将PLC各组成部分分别作成若干个单独的模块，如CPU模块、I/O模块、电源模块（有的含在CPU模块中）以及各种功能模块。模块式由框架或基板和各种模块组成。模块装在框架或基板的插座上。这种模块式PLC的特点是配置灵活，可根据需要选配不同模块组成一个系统，而且装配方便，便于扩展和维修。大、中型PLC一般采用模块式结构。b模块式结构61PLC工作原理及结构特点5/9/202462PLC工作原理及结构特点5/9/2024c叠装式结构

将整体式和模块式的特点结合起来。 叠装式PLC其CPU、电源、I/O接口等也是各自独立的模块且高等宽，它们不用基板，仅用扁平电缆连接，紧密拼装后组成一个整齐的体积小巧的长方体，而且输入、输出点数的配置也相当灵活。63PLC工作原理及结构特点5/9/202464PLC工作原理及结构特点5/9/20242按I/O点数分类1）小型PLCI/O点数为256点以下的为小型PLC（其中I/O点数小于64点的为超小型或微型PLC）2）中型PLCI/O点数为256点以上、2048点以下的为中型PLC3）大型PLCI/O点数为2048以上的