第二章 PLC的硬件與工作原理

1、 第二章 PLC的基本組成的基本組成PLC的基本組成的基本組成主要由CPU模塊模塊、輸入模塊輸入模塊、輸出模塊輸出模塊和和編程器編程器組成 中中央央處處理理單單元元數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)存存儲儲器器輸輸出出接接口口地址總線地址總線 控制總線控制總線數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線編程編程單元單元燈光指示燈光指示電磁閥門電磁閥門接觸器接觸器電源電源輸輸入入接接口口模擬量輸入模擬量輸入行程開關行程開關繼電器接點繼電器接點各種開關各種開關程序存儲器程序存儲器警報器警報器電機電機2.1.1 可編程序控制器的基本結構可編程序控制器的基本結構1.中央處理單元（中央處理單元（CPU）：）：CPU模塊主要由模塊主要由微處理器微處理器和和儲

2、存器儲存器組成組成作用作用：(1)從程序存儲器讀取程序指令，編譯、執(zhí)行指令從程序存儲器讀取程序指令，編譯、執(zhí)行指令 (2)將各種輸入信號取入將各種輸入信號取入 (3) 把運算結果送到輸出端把運算結果送到輸出端 (4) 響應各種外部設備的請求響應各種外部設備的請求 （1）通用處理器：8086、80286、80386（2）單片機芯片：8031、8096（3）位片式微處理器：AMD-2900小型PLC多采用8位微處理器或單片機作為CPU中型PLC多采用16位微處理器或單片機作為CPU大型PLC多采用高速位片式微處理器RAM：存儲各種暫存數(shù)據(jù)、中間結果、用戶正調(diào)存儲各種暫存數(shù)據(jù)、中間結果、用戶正調(diào) 試

3、的程序。試的程序。ROM：存放監(jiān)控程序和用戶已調(diào)試好的程序。存放監(jiān)控程序和用戶已調(diào)試好的程序。2. 存儲器存儲器3. 輸入、輸出接口：輸入、輸出接口：采用光電隔離，實現(xiàn)了采用光電隔離，實現(xiàn)了PLC的內(nèi)部的內(nèi)部電路與外部電路的電氣隔離，減小了電磁干擾。電路與外部電路的電氣隔離，減小了電磁干擾。輸出接口作用：輸出接口作用：將主機向外輸出的信號轉(zhuǎn)換成可以驅(qū)動外將主機向外輸出的信號轉(zhuǎn)換成可以驅(qū)動外部執(zhí)行電路的信號，以便控制接觸器線圈等電器通斷部執(zhí)行電路的信號，以便控制接觸器線圈等電器通斷電；另外輸出電路也使計算機與外部強電隔離。電；另外輸出電路也使計算機與外部強電隔離。輸出三種形式：輸出三種形式：繼電

4、器繼電器 - 低速大功率低速大功率 可控硅可控硅 - 高速大功率高速大功率 晶體管晶體管 - 高速小功率高速小功率輸入接口作用：輸入接口作用：將按鈕、行程開關或傳感器等產(chǎn)生的信號，將按鈕、行程開關或傳感器等產(chǎn)生的信號，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號送入主機。轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號送入主機。輸入、輸出接口輸入、輸出接口 狀態(tài)：接通和斷開2種狀態(tài) 電壓等級：直流5V， 12V， 24V，48V ，110V交流110V，220V等圖2-6直流輸入電路1）輸入接口電路：）輸入接口電路：采用采用光電耦合器，防止強電干擾。光電耦合器，防止強電干擾。COM光電三極管光電三極管發(fā)光二極管發(fā)光二極管直流電源直流電源輸入端子輸入端子+P

5、LCXn+24V發(fā)光二極管發(fā)光二極管圖2-8 交流/直流輸入電路繼電器輸出繼電器輸出2）輸出模塊：）輸出模塊：以以繼電器形式為例繼電器形式為例：PLC內(nèi)內(nèi)部部電電路路內(nèi)內(nèi)部部電電路路J+交流電源或交流電源或直流電源直流電源YCOM-繼電器輸出電路晶體管輸出電路4.電源單元 把外部供應的電源變換成系統(tǒng)內(nèi)部各單元所需的電源。 有的電源單元還向外提供24v隔離直流電源，可供開關量輸入單元連接的現(xiàn)場無源開關等使用。 可編程序控制器的電源一般采用開關式電源，其特點是輸入電壓范圍寬、體積小、重量輕、效率高、抗干擾性能好。5. 各種接口、高功能模塊：各種接口、高功能模塊：便于擴展便于擴展 小型機：小型機：一

6、體機。有接口可擴展。一體機。有接口可擴展。 Power in a Small Package!電源模塊CPU模塊IO模塊底 板中、大型機：中、大型機：模塊式?？筛鶕?jù)需要在主板上隨意組合模塊式?？筛鶕?jù)需要在主板上隨意組合。編程設備可以是專用編程設備可以是專用的手持式的編程器；也可的手持式的編程器；也可以是安裝了專門的編程通以是安裝了專門的編程通訊軟件的個人計算機。訊軟件的個人計算機。5. 編程設備編程設備用戶可以通過鍵盤輸用戶可以通過鍵盤輸入和調(diào)試程序；另外在運入和調(diào)試程序；另外在運行時，還可以對整個控制行時，還可以對整個控制過程進行監(jiān)控。過程進行監(jiān)控。PCFP PROGRAMMER(HELP)

7、CLRWRTFN/PFLSTKIX/IYNOTDT/LdREADOTL WLORR WRANY WYSTX WXSRC(-)OP(BIN)K/HSCCTC EVTMT SVACLRENTBAFEDC 98 3 2 1 0 7 6 5 4(DELT)CLR手持式的編程器手持式的編程器2.1.4開關量I/O模塊的外部接線方式 兩種狀態(tài)：接通、斷開。電壓等級：5V,12V,24,48V,110V和交流110V,220V外部接線方式 匯點式、分組式、分隔式。 2.2可編程序控制器的工作原理2.2.1繼電器 繼電器在控制系統(tǒng)中的作用1功率放大2電氣隔離3邏輯運算 例：如下電路 2.2.2 可編程序控制器

8、的工作原理 兩種基本的工作狀態(tài)： 運行狀態(tài)RUN；停止狀態(tài)STOP。 一掃描過程概念 掃描周期：執(zhí)行一次掃描的時間。整個過程掃描一次所需的時間。與CPU時鐘頻率、指令類型（掃描速 度）、程序長短有關。掃描周期是掃描周期是PLCPLC一個很重要的指標一個很重要的指標 一般小型一般小型PLCPLC的掃描周期為十幾毫秒到幾十毫秒。的掃描周期為十幾毫秒到幾十毫秒。 注：注： 當PLC處于STOP狀態(tài)時，只完成內(nèi)部處理和通信服務工作。當PLC處于RUN狀態(tài)時，應完成全部五個階段的工作。掃描過程：用戶程序通過編程器輸入并存在PLC的用戶存儲器中，當PLC運行時，用戶程序中的眾多操作方式需用執(zhí)行，但CPU不

9、能同時執(zhí)行多個操作的，他只能按分時操作原理工作，即每一刻只能執(zhí)行一個操作。由于CPU的運算速度很高，使得外部出現(xiàn)的結果從宏觀上看像是同時完成的，這種按分時原則順序執(zhí)行程序的操作過程稱為CPU對程序的掃描。 掃描過程分為5個階段內(nèi)部處理：PLC檢查CPU模塊內(nèi)部的硬件是否正確。對監(jiān)視定時器復位，其它內(nèi)部處理。 通信服務：與其它智能裝置（編程器、計算機）通信。如：響應編程器鍵入的命令，更新編程器的顯示內(nèi)容。輸入處理階段：以掃描方式按順序采樣所有輸入端的狀態(tài)，并存入輸入映象寄存器中。（輸入寄存器被刷新）。 注意 輸入觸點電路接通時，對應輸入寄存器為“1 ,梯形圖中對應繼電器常開觸點接通，常閉觸點斷開

10、。 程序執(zhí)行：輸入信號變化了的狀態(tài)只能在下一個掃描周期的輸入處理階段被讀入。 PLC梯形圖程序掃描原則：先左后右、先上后下的步序，逐句掃描。并將結果存入相應的寄存器。輸出處理階段：CPU將輸出映像寄存器的0/1狀態(tài)傳送到輸出鎖存器。輸出狀態(tài)寄存器（Y）中的內(nèi)容轉(zhuǎn)存到輸出鎖存器輸出，驅(qū)動外部負載。線圈通電：輸出映像寄存器為1狀態(tài)線圈斷電：輸出映像寄存器為0狀態(tài)，常開觸點斷開補充：補充：PLCPLC掃描工作方式的特點掃描工作方式的特點： 2 2、優(yōu)點：提高系統(tǒng)的抗干擾能力。、優(yōu)點：提高系統(tǒng)的抗干擾能力。 集中采樣、集中輸出的掃描工作方式集中采樣、集中輸出的掃描工作方式使使PLCPLC在工作的大部分

11、時間與外設隔離，從在工作的大部分時間與外設隔離，從根本上提高了系統(tǒng)的抗干擾能力，增強了系根本上提高了系統(tǒng)的抗干擾能力，增強了系統(tǒng)的可靠性統(tǒng)的可靠性。 3、缺點：響應滯后，降低系統(tǒng)的響響應滯后，降低系統(tǒng)的響應速度。應速度。 輸入輸入/輸出滯后時間又稱為系統(tǒng)響輸出滯后時間又稱為系統(tǒng)響應時間。應時間。 輸入輸出滯后時間又稱為系統(tǒng)響應時輸入輸出滯后時間又稱為系統(tǒng)響應時間，是指間，是指PLC外部輸入信號發(fā)生變化外部輸入信號發(fā)生變化的時刻起至它控制的有關外部輸出信的時刻起至它控制的有關外部輸出信號發(fā)生變化的時刻止之間的時間間隔。號發(fā)生變化的時刻止之間的時間間隔。它由輸入電路的濾波時間、輸出模塊它由輸入電路

12、的濾波時間、輸出模塊的滯后時間和因掃描工作方式產(chǎn)生的的滯后時間和因掃描工作方式產(chǎn)生的滯后時間三部分所組成。滯后時間三部分所組成。 輸入輸出滯后時間PLC與電器控制的區(qū)別：工作方式不同繼電器控制是按“并行”方式工作的，或者說是同時執(zhí)行的，只要形成電流通路，可能同時有好幾個電器工作，而PLC是按順序掃描的方式工作，也就是說，PLC是以“串行”方式工作的，它是循環(huán)的，連續(xù)的順序逐條執(zhí)行程序，任一時刻它只能執(zhí)行一條指令。PLC的這種串行工作方式可避免繼電器控制的觸點競爭和時序失配問題。 舉例說明PLC的掃描過程指令LD X0OR Y0ANI X1OUT Y0邏輯運算為 梯形圖中的各個繼電器都不是指物理

13、器件，這些器件實際上是PLC內(nèi)部的電子電路和存儲器，它是以特有、形象的符號來表示PLC程序抽象的邏輯關系，反映了PLC內(nèi)部存儲器位的邏輯狀態(tài)，通常被稱為“軟繼電器”。 CPU：等待命令。等待命令。PLC：循環(huán)掃描。循環(huán)掃描。即：即：CPUCPU從第一條指令開始執(zhí)行，遇到結束符又返回第一條，從第一條指令開始執(zhí)行，遇到結束符又返回第一條， 不斷循環(huán)。不斷循環(huán)。 PLC從從0000號存儲地址所存放的號存儲地址所存放的第一條第一條用戶程序開始，用戶程序開始，在無中斷或跳轉(zhuǎn)的情況下，按存儲地址號遞增的方向順在無中斷或跳轉(zhuǎn)的情況下，按存儲地址號遞增的方向順序執(zhí)行用戶程序，直到序執(zhí)行用戶程序，直到END指令

14、結束。然后再從頭開始指令結束。然后再從頭開始執(zhí)行，并周而復始，直到停機或切換到執(zhí)行，并周而復始，直到停機或切換到STOP停止狀態(tài)。停止狀態(tài)。例如下面的兩個梯形圖，執(zhí)行的結果是一樣的，但掃描執(zhí)行過程，掃描用的時間不一樣圖：圖：PLCPLC掃描過程掃描過程PLC掃描過程：掃描過程： 輸入采樣程序執(zhí)行輸出輸入采樣程序執(zhí)行輸出刷新刷新PLCPLC控制電機正反轉(zhuǎn)接線圖（控制電機正反轉(zhuǎn)接線圖（I I） （b）內(nèi)部寄存器）內(nèi)部寄存器SB1SB1：正轉(zhuǎn)啟動按鈕：正轉(zhuǎn)啟動按鈕SB2SB2：反轉(zhuǎn)啟動按鈕：反轉(zhuǎn)啟動按鈕SB3SB3：停止按鈕：停止按鈕KM1KM1：正轉(zhuǎn)接觸器：正轉(zhuǎn)接觸器KM2KM2：反轉(zhuǎn)接觸器：反轉(zhuǎn)

15、接觸器 （a）PLC接口圖接口圖(c)梯形圖梯形圖PLCPLC控制電機正反轉(zhuǎn)接線圖（控制電機正反轉(zhuǎn)接線圖（IIII） 梯形圖梯形圖指令表指令表梯形圖以指令的形式存儲在梯形圖以指令的形式存儲在PLCPLC的的用戶程序存儲器中，其指令表為：用戶程序存儲器中，其指令表為：序號序號 助記符助記符 操作數(shù)操作數(shù) 0 LD X00 LD X0 1 OR Y0 1 OR Y0 2 ANI X2 2 ANI X2 3 ANI Y1 3 ANI Y1 4 4 OUT Y0 OUT Y0 5 LD X1 5 LD X1 6 OR Y1 6 OR Y1 7 ANI X2 7 ANI X2 8 ANI Y0 8 AN

16、I Y0 9 OUT Y1 9 OUT Y1 10 END 10 END序號序號 助記符助記符 操作數(shù)操作數(shù) Y0=Y0=（X0+Y0)X0+Y0)/X2/X2/Y1/Y1 Y1= Y1=（X1+Y1)X1+Y1)/X2/X2/Y0/Y0ENDENDX X0 0Y Y1 1X X2 2Y Y0 0Y Y0 0X X1 1Y Y0 0X X2 2Y Y1 1Y Y1 1梯形圖PLC內(nèi)部線圈用常開觸點常閉觸點注意：軟繼電器中的常開觸點，常閉觸點可以在程序中使用無數(shù)次或PLC中有兩類中有兩類“接點接點”：和和。符號分別為：符號分別為：接點通斷情況與接點的賦值有關：（以接點通斷情況與接點的賦值有關：（

17、以 Y0Y0為例：為例：若若 Y0Y0的邏輯賦值為的邏輯賦值為“1”1”，則，則Y0Y0接通接通斷開斷開PLC工作過程定期檢查用戶程序存儲器、定期檢查用戶程序存儲器、I/O單元的連接、單元的連接、I/O總線是否正常，定期復位監(jiān)控定時器總線是否正常，定期復位監(jiān)控定時器WDTPLC之間以及之間以及PLC與與PC之間；之間； PLC與其他帶與其他帶微處理器的智能裝置通信微處理器的智能裝置通信編程器、終端設備、彩色圖形顯示器、打印機編程器、終端設備、彩色圖形顯示器、打印機 以掃描的方式按順序逐句掃描處理，運算結果以掃描的方式按順序逐句掃描處理，運算結果存入輸出映象區(qū)對應位中存入輸出映象區(qū)對應位中 掃描

18、的方式輸入信號的狀態(tài)存入輸入映象區(qū)；掃描的方式輸入信號的狀態(tài)存入輸入映象區(qū)；結果存入輸出映象區(qū)，直至傳送到外部被控設結果存入輸出映象區(qū)，直至傳送到外部被控設備。備。 清除內(nèi)部繼電器區(qū)，復位定時器等，并進行自診清除內(nèi)部繼電器區(qū)，復位定時器等，并進行自診斷，對電源、斷，對電源、PLC內(nèi)部電路、用戶程序的語法進內(nèi)部電路、用戶程序的語法進行檢查。行檢查。 2PLC處于RUN狀態(tài)時要完成的操作 1 輸入處理 2 程序執(zhí)行 3輸出處理（可編程序控制器對用戶程序進行循環(huán)掃描可分為三個階段進行，即輸入采樣階段，程序執(zhí)行階段和輸出刷新階段。) 三三 映像寄存器：映像寄存器：用來存放輸入和輸出狀態(tài)的區(qū)域用來存放輸

19、入和輸出狀態(tài)的區(qū)域輸入點總有輸入映象區(qū)的某一位與之相對應輸入點總有輸入映象區(qū)的某一位與之相對應 PLC工作時，將采集到的輸入信號狀態(tài)存放在工作時，將采集到的輸入信號狀態(tài)存放在輸入映象區(qū)對應的位上；將運算的結果存放輸入映象區(qū)對應的位上；將運算的結果存放到輸出映象區(qū)對應的位上。到輸出映象區(qū)對應的位上。PLC在執(zhí)行用戶在執(zhí)行用戶程序時所需程序時所需“輸入繼電器輸入繼電器”、“輸出繼電器輸出繼電器”的數(shù)據(jù)取用于的數(shù)據(jù)取用于I/O映象區(qū)，而不直接與外映象區(qū)，而不直接與外部設備發(fā)生關系部設備發(fā)生關系 。補充補充 可編程控制器的基本指標可編程控制器的基本指標 PLC的基本指標： 一、輸入輸出點數(shù)一、輸入輸出

20、點數(shù) 輸入輸出點數(shù)（I/O點數(shù)）：輸入、輸出接線端的個數(shù)。 OMRON公司生產(chǎn)的CPM1A型I/O比為3:2； 三菱的FX2N系列為1:1 二、掃描速度二、掃描速度 1、執(zhí)行 1000 步指令所需的時間來衡量，單位為毫毫秒秒 / / 千步千步。 2、執(zhí)行一步指令時間計，單位為微秒微秒 / / 步步。 三、存儲器容量三、存儲器容量 PLC的存儲容量一般指用戶程序存儲器的容量。 通常用“字”或“步”來描述。 OMRON的CPM1A型PLC的存儲容量為2048字。 三菱的FX2N系列PLC的存儲容量為8K步（可擴至16K步）。 四、編程語言四、編程語言 不同廠家生產(chǎn)PLC的編程語言是不同的。 PLC

21、PLC的編程語言：的編程語言：用梯形圖（ LAD ）、 指令表（ STL ）、順序功能圖（SFC）、 狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖、邏輯功能圖、高級語言。 梯形圖以其直觀、編程容易而成為主要編程語言，梯形圖程序可直接輸入PLC，無需寫出指令表。 手持式編程器進行編程時，要輸入指令表語句。 五、指令功能五、指令功能 可編程控制器的指令種類越多，則其軟件的功能就越強，使用這些指令完成一定的控制目標的就越容易。 此外，可編程控制器的可擴展性、使用條件、可靠可擴展性、使用條件、可靠性、易操作性及經(jīng)濟性性、易操作性及經(jīng)濟性等性能指標也是用戶在選擇可編程控制器時須注意的指標。 2.3 FX系列可編程序控制器的性能簡介三菱 FX 系列小型可編程控制器是當前國內(nèi)外最新、最具特色、最具代表的微型PL