重慶科創(chuàng)職業(yè)院校-PLC的基本組成及工作原理

1、 PLC的基本組成及工作原理6.1 PLC的基本組成的基本組成6.2 PLC的基本工作原理的基本工作原理6.3 PLC的編程語言的編程語言 PLC的基本組成1)CPU模塊 微處理器+存儲器2)I/O模塊輸入：開關量、模擬量輸出：執(zhí)行器（接觸器、電磁閥、調(diào)節(jié)器、調(diào)速）3)編程器 編輯用戶程序 監(jiān)視PLC狀態(tài)4)電源 為系統(tǒng)提供電源 PLC的基本組成 PLC的基本組成1)1)中央處理單元中央處理單元CPU CPU PLCPLC的核心的核心與一般計算機一樣， CPU 是可編程控制器的核心，它按系統(tǒng)程序賦予的功能指揮可編程控制器有條不紊地進行工作，其主要任務有： （ 1 ）接收、存儲由編程工具輸入的用

2、戶程序和數(shù)據(jù)，并通過顯示器顯示出程序的內(nèi)容和存儲地址。 （ 2 ）檢查、校驗用戶程序。（ 3 ）接收、調(diào)用現(xiàn)場信息。（ 4 ）執(zhí)行用戶程序。（ 5 ）故障診斷。注意：PLC通常以字而不是以字節(jié)為單位存儲和處理數(shù)據(jù)描述描述PLC性能的幾個術語性能的幾個術語 PLC的基本組成1)1)中央處理單元中央處理單元CPU CPU PLCPLC的核心的核心不同型號可編程控制器的 CPU 芯片是不同的，有的采用通用 CPU 芯片，如 8031 、 8051 、 8086 、 80826 等，也有采用廠家自行設計的專用 CPU 芯片（如西門子公司的 S7-200 系列可編程控制器均采用其自行研制的專用芯片），

3、CPU 芯片的性能關系到可編程控制器處理控制信號的能力與速度， CPU 位數(shù)越高，系統(tǒng)處理的信息量越大，運算速度也越快。 隨著 CPU 芯片技術的不斷發(fā)展，可編程控制器所用的 CPU 芯片也越來越高檔。 PLC的基本組成2)2)存儲器存儲器PLC常用的存儲器主要有PROM、EPROM、E2PROM、RAM等幾種，多數(shù)都直接集成在CPU單元內(nèi)部。 雖然大、中、小型PLC的CPU的最大可尋址存儲空間各不相同但是根據(jù)PLC的工作原理，其存儲空間一般包括以下三個區(qū)域： 系統(tǒng)程序存儲區(qū) 系統(tǒng)RAM存儲區(qū)也稱工作數(shù)據(jù)區(qū)(包括IO映象區(qū)和系統(tǒng)軟設備等) 用戶程序存儲區(qū) PLC的基本組成2)2)存儲器存儲器_

4、 _系統(tǒng)程序存儲區(qū)系統(tǒng)程序存儲區(qū)系統(tǒng)程序存儲區(qū)中存放著相當于計算機操作系統(tǒng)的系統(tǒng)程序。它包括監(jiān)控程序、管理程序、命令解釋程序、功能子程序、系統(tǒng)診斷程序等。由制造廠商將其固化在EPROM中，用戶不能夠直接存取。它和硬件一起決定了該PLC的各項性能。 PLC的基本組成2)2)存儲器存儲器_ _系統(tǒng)系統(tǒng)RAMRAM存儲區(qū)存儲區(qū)也稱工作數(shù)據(jù)存儲器，指PLC在工作過程中經(jīng)常變化、需要經(jīng)常存取的數(shù)據(jù)，如：參數(shù)測量結果、運算結果、設定值等，這部分數(shù)據(jù)一般存放在RAM之中。在工作數(shù)據(jù)區(qū)中開辟有元件映像寄存器和數(shù)據(jù)表，包括I/O映象區(qū)以及各類系統(tǒng)軟設備存儲區(qū)軟設備(例如：邏輯線圈、數(shù)據(jù)寄存器、計時器、計數(shù)器、變

5、址寄存器、累加器等)存儲區(qū)。 PLC的基本組成2)2)存儲器存儲器_ _系統(tǒng)系統(tǒng)RAMRAM存儲區(qū)存儲區(qū) 由于PLC投入運行后，只是在輸入采樣階段才依次讀入各輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)，在輸出刷新階段才將輸出的狀態(tài)和數(shù)據(jù)送至相應的外設。因此，它需要有一定數(shù)量的存儲單元(RAM)以供存放I/O的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，這些存儲單元稱作I0映象區(qū)。 一個開關量I0占用存儲單元中的一個位(bit)，一個模擬量I/O占用存儲單元中的一個字(16個bit)。 開關量的IO映象區(qū) 模擬量的I/O映象區(qū) PLC的基本組成2)2)存儲器存儲器_ _系統(tǒng)系統(tǒng)RAMRAM存儲區(qū)存儲區(qū)該映象區(qū)中的存儲單元用來存放開關量I/O。每個開關量I

6、/O占用存儲單元中的一個位(bit)。 連接到PLC開關量輸入端的每個開關量輸入在IO映象區(qū)中都有一個確定的位與之相對應。在輸入采樣階段或掃描該開關量輸入的立即刷新指令時，如果該開關量輸入端所連接的外設處于“斷開”狀態(tài)，則I/O映象區(qū)中相對應的位被置為“0” ；如果該輸入端所聯(lián)接的外設處于“閉合”狀態(tài)，則I/O映象區(qū)中相對應的位被置為“1” 。 PLC的基本組成2)2)存儲器存儲器_ _系統(tǒng)系統(tǒng)RAMRAM存儲區(qū)存儲區(qū)PLC的每個開關量輸出在IO映象區(qū)中都有一個確定的位與之相對應。 在掃描用戶程序時，根據(jù)該輸出線圈的控制線路的邏輯運算結果確定I/O映象區(qū)中與之相對應的位的狀態(tài)。如果其控制線路的

7、邏輯運算結果將該位置為“0”，則用戶程序中地址為該輸出線圈的常開觸點均“斷開”，其常閉觸點均“閉合”，在輸出刷新階段或掃描含該輸出的立即刷新指令時，該輸出端斷開，與之相連接的外設不動作；如果其控制線路的邏輯運算結果將該位置為“1”，則用戶程序中地址為該輸出線圈的常開觸點均“閉合”，其常閉觸點均“斷開”，在輸出刷新階段或掃描含該輸出的立即刷新指令時，該輸出端閉合，與之相連接的外設動作。 PLC的基本組成2)2)存儲器存儲器_ _系統(tǒng)系統(tǒng)RAMRAM存儲區(qū)存儲區(qū)模擬量I/O映象區(qū)中的存儲單元用來存放模擬量IO。每個模擬量IO占用一個字(16bits)，而每個PLC規(guī)定了其允許的最大模擬量I/O點數(shù)

8、，因此，模擬量I/O映象區(qū)中存儲單元的總數(shù)就等于模擬量IO點數(shù)的和。例如：具有模擬量IO各8點的PLC，其模擬量I/O映象區(qū)由16個16位的存儲單元組成。這就是說，連接到PLC模擬量I/O端的每個模擬量IO在I/O映象區(qū)中都有一個16位的存儲單元與之相對應。每個存儲單元內(nèi)的數(shù)據(jù)反映了相對應的模擬量IO的大小。 PLC的基本組成2)2)存儲器存儲器_ _系統(tǒng)系統(tǒng)RAMRAM存儲區(qū)存儲區(qū)系統(tǒng)軟設備存儲區(qū)除了I/O映象區(qū)以外，系統(tǒng)RAM存儲區(qū)還包括PLC內(nèi)部各類軟設備(邏輯線圈、計時器、計數(shù)器、數(shù)據(jù)寄存器、變址寄存器和累加器等)的存儲區(qū)。該存儲區(qū)又分為具有失電保持的存儲區(qū)域和無失電保持的存儲區(qū)域。前

9、者在PLC斷電時，由內(nèi)部的鋰電池供電，使這部分存儲單元內(nèi)的數(shù)據(jù)得以保留；后者當PLC停止運行時，將這部分存儲單元內(nèi)的數(shù)據(jù)全部清零。 PLC的基本組成3)3)輸入輸入/ /輸出模塊輸出模塊輸入/輸出接口通常也稱I / O 單元或I / O 模塊，是PLC與工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場之間的連接通道。PLC輸入接口-可以檢測被控對象的各種數(shù)據(jù)，用這些數(shù)據(jù)作為PLC對被控制對象進行控制的依據(jù) PLC輸出接口-將處理結果送給被控制對象，以實現(xiàn)控制目的 PLC的基本組成將主機向外輸出的信號轉換成可以驅動外部執(zhí)行電路的信號，以便控制接觸器線圈等電器通斷電；另外輸出電路也使計算機與外部強電隔離。3)3)輸入輸入/ /輸出模

10、塊輸出模塊低速大功率低速大功率高速小功率高速小功率高速大功率高速大功率 PLC的基本組成將按鈕、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，轉換成數(shù)字信號送入主機。轉換成數(shù)字信號送入主機。3)3)輸入輸入/ /輸出模塊輸出模塊 PLC的基本組成3)輸入輸入/輸出模塊輸出模塊 PLC輸出電路用來驅動被控負載（電磁鐵、繼電、接觸器線圈等）。PLC輸出電路結構形式分為繼電器式，雙極型和晶閘管式等三種。 PLC的基本組成3)3)輸入輸入/ /輸出模塊輸出模塊晶體管輸出晶閘管輸出 PLC的基本組成3)3)輸入輸入/ /輸出模塊輸出模塊繼電器輸出繼電器輸出PLC內(nèi)內(nèi)部部電電路路內(nèi)內(nèi)

11、部部電電路路J+YCOM-開關量I/O模塊的外部接線方式 PLC的基本組成模擬量輸入/輸出接口 模擬量輸入接口（A/D接口） 分辨率（8位、10位、12位等）、量化誤差、偏移誤差、滿刻度誤差、線性度、精度等 許多PLC還有與熱電阻或熱電偶配套使用的A/D接口 模擬量輸出接口（D/A接口） 分辨率（8位、10位、12位等）、精度、線性度、穩(wěn)定時間等PLC的基本組成PLC配有各種通信接口與外部設備連接 與打印機連接，可將過程信息、系統(tǒng)參數(shù)等輸出打印 與監(jiān)視器連接，可將控制過程圖像顯示出來 與 P L C 連接，組成多機系統(tǒng)或連成網(wǎng)絡，實現(xiàn)更大規(guī)?？刂?與計算機連接，組成多級分布式控制系統(tǒng)，控制與管

12、理相結合 與人機界面（觸摸屏）連接 與智能接口模塊連接。智能接口模塊是一獨立的計算機系統(tǒng)，它有自己的CPU、系統(tǒng)程序、存儲器以及與PLC系統(tǒng)總線相連的接口 ，PLC的智能接口模塊種類很多，如：高速計數(shù)模塊、閉環(huán)控制模塊、運動控制模塊、中斷控制模塊等。 與編程器連接PLC的基本組成PLC的基本組成PLC的基本組成6.2 PLC的工作原理的工作原理6.2 PLC的工作原理的工作原理 繼電器控制裝置采用硬邏輯并行運行的方式，即如果這個繼電器的線圈通電或斷電，該繼電器所有的觸點（包括其常開或常閉觸點）在繼電器控制線路的哪個位置上都會立即同時動作。PLC的CPU則采用順序邏輯掃描用戶程序的運行方式，即如

13、果一個輸出線圈或邏輯線圈被接通或斷開，該線圈的所有觸點(包括其常開或常閉觸點)不會立即動作，必須等掃描到該觸點時才會動作。6.2 PLC的工作原理的工作原理為了消除二者之間由于運行方式不同而造成的差異，考慮到繼電器控制裝置各類觸點的動作時間一般在100ms以上，而PLC掃描用戶程序的時間一般均小于100ms。這樣在對于I/O響應要求不高的場合，PLC與繼電器控制裝置的處理結果上就沒有什么區(qū)別了。6.2 PLC的工作原理的工作原理6.2 PLC的工作原理的工作原理 例：三相異步電動機單向運行電器控制系統(tǒng) 輸入設備輸入設備 輸出設備輸出設備 6.2 PLC的工作原理的工作原理 三相異步電動機單向運

14、行PLC控制系統(tǒng)6.2 PLC的工作原理的工作原理控制方法上： 硬 ： 軟工作方式上： 并行工作方式 ： 串行工作方式控制速度上： 速度 慢 ： 快 定時和計數(shù)控制上： 精度 低 ： 高 可靠性和可維護性上： 可靠性 低 ： 高6.2.1 PLC的工作過程的工作過程順序掃描、不斷循環(huán)。 CPU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)。分為輸入采樣、程序執(zhí)行和輸出刷新三個階段，并進行周期性循環(huán)。 一個掃描周期一個掃描周期 O刷新刷新 I刷新刷新執(zhí)行指令執(zhí)行指令I/O刷新刷新6.2.1 PLC的工作過程的工作過程1)輸入采樣PLC在輸入操作上采用定時采樣的方式。即在一個掃描周期的固定

15、時刻（一般在掃描周期的開始或結束）采樣所有的輸入點，采樣結果存入RAM中一個區(qū)域（輸入映像區(qū)）。這樣在執(zhí)行程序時，所需的現(xiàn)場信息全部從輸入映像區(qū)中取用。2)程序執(zhí)行執(zhí)行程序時，所需的現(xiàn)場信息全部從輸入映像區(qū)中取用。同樣控制信息輸出也不是采取生成一個就輸出一個的方法，而是先將它們存放在RAM中的一個區(qū)域（輸出映像區(qū)） 。6.2.1 PLC的工作過程的工作過程3)輸出刷新PLC在輸出操作上采用定時輸出的方式。掃描周期結束時再將輸出映像區(qū)中控制信息集中輸出。 通過建立I/O映像區(qū)，使PLC成為一個真正的數(shù)字采樣控制系統(tǒng)。 只要采樣周期足夠短，即采樣頻率足夠高，這樣的采樣系統(tǒng)應該完全符合實際系統(tǒng)的需要

16、6.2.1 PLC的工作過程的工作過程兩種工作狀態(tài) 運行運行（RUN） / 停止停止（STOP）內(nèi)部處理：內(nèi)部診斷、監(jiān)控定時器復位；通信服務：與其它裝置通信、響應編程器命令（輸入、顯示）。輸入處理：外部端口狀態(tài)讀入輸入映像寄存器。程序執(zhí)行：完成用戶程序的邏輯運算。輸出處理：將輸出映像寄存器狀態(tài)送到輸出端口（鎖存器）6.2.1 PLC的工作過程的工作過程 集中采樣：集中采樣： 在一個掃描周期中，對輸入狀態(tài)的采樣只在輸入處理階在一個掃描周期中，對輸入狀態(tài)的采樣只在輸入處理階段進行。當段進行。當PLC進入程序處理階段后輸入端將被封鎖，直到進入程序處理階段后輸入端將被封鎖，直到下一個掃描周期的輸入處理

17、階段才對輸入狀態(tài)進行重新采樣。下一個掃描周期的輸入處理階段才對輸入狀態(tài)進行重新采樣。集中輸出：集中輸出： 在用戶程序中如果對輸出結果多次賦值，則最后一次有在用戶程序中如果對輸出結果多次賦值，則最后一次有效。在一個掃描周期內(nèi)，只在輸出處理階段才將輸出狀態(tài)從效。在一個掃描周期內(nèi)，只在輸出處理階段才將輸出狀態(tài)從輸出映象寄存器中輸出，對輸出接口進行刷新。在其它階段輸出映象寄存器中輸出，對輸出接口進行刷新。在其它階段里輸出狀態(tài)一直保存在輸出映象寄存器中。里輸出狀態(tài)一直保存在輸出映象寄存器中。6.2.1 PLC的工作過程的工作過程 PLC工作時大多數(shù)時間與外部輸入/輸出設備隔離，從根本上提高了系統(tǒng)的抗干擾

18、能力，增強了系統(tǒng)的可靠性。 6.2.1 PLC的工作過程的工作過程 PLCPLC輸入輸出響應滯后輸入輸出響應滯后：當：當PLCPLC輸入端輸入信號發(fā)生變輸入端輸入信號發(fā)生變化到化到PLCPLC輸出端對該輸入變化作出反應，需要一段時間。對輸出端對該輸入變化作出反應，需要一段時間。對一般的工業(yè)控制，這種滯后是完全允許的。一般的工業(yè)控制，這種滯后是完全允許的。 這種響應滯后不僅是由于這種響應滯后不僅是由于PLCPLC掃描工作方式掃描工作方式造成，更主要是造成，更主要是PLCPLC輸入接口濾波環(huán)節(jié)帶來的輸入延遲和輸輸入接口濾波環(huán)節(jié)帶來的輸入延遲和輸出接口中驅動器件動作時間帶來輸出延遲出接口中驅動器件動

19、作時間帶來輸出延遲，還與程序設計，還與程序設計有關。有關。 對于小型對于小型PLC:PLC: I/O點數(shù)較少、用戶程序較短點數(shù)較少、用戶程序較短 一般采用一般采用的工作方式的工作方式 而對于大中型而對于大中型PLC:PLC: I/O點數(shù)較多，控制功能點數(shù)較多，控制功能強，用戶程序較長，為提高系統(tǒng)響應速度，采用強，用戶程序較長，為提高系統(tǒng)響應速度，采用或以及采用智能以及采用智能I/O接口等多種方式接口等多種方式 6.2.1 PLC的工作過程的工作過程6.2.2 輸入輸入/輸出的滯后現(xiàn)象輸出的滯后現(xiàn)象 輸入電路濾波時間，它由輸入電路濾波時間，它由RC濾波電路的時間常數(shù)決定。濾波電路的時間常數(shù)決定。

20、改變時間常數(shù)可調(diào)整輸入延遲時間。改變時間常數(shù)可調(diào)整輸入延遲時間。 PLC循環(huán)掃描的工作方式循環(huán)掃描的工作方式 PLC對輸入采樣、輸出刷新的集中處理方式對輸入采樣、輸出刷新的集中處理方式 用戶程序中語句的安排用戶程序中語句的安排 輸出電路的滯后時間，它與輸出電路的輸出方式有關。繼輸出電路的滯后時間，它與輸出電路的輸出方式有關。繼電器輸出方式的滯后時間為電器輸出方式的滯后時間為10ms左右；雙向晶閘管輸出方式，左右；雙向晶閘管輸出方式，在接通負載時滯后時間約為在接通負載時滯后時間約為1ms，切斷負載時滯后時間小于，切斷負載時滯后時間小于10ms；晶體管輸出方式的滯后時間小于；晶體管輸出方式的滯后時

21、間小于1ms6.2.2 輸入輸入/輸出的滯后現(xiàn)象輸出的滯后現(xiàn)象最短響應時間=輸入延遲時間+一個掃描周期+輸出延遲時間輸入輸入/輸出輸出刷新時間刷新時間CPU讀輸入讀輸入6.2.2 輸入輸入/輸出的滯后現(xiàn)象輸出的滯后現(xiàn)象最長響應時間=輸入延遲時間+兩個掃描周期+輸出延遲時間CPU讀讀輸入輸入 PLC的編程語言指令表（助記符）語言指令表（助記符）語言梯形圖語言梯形圖語言功能圖語言功能圖語言順序功能語言順序功能語言 高級語言高級語言常用常用梯形圖語言控制電路圖控制電路圖SB1SB2KMKMX1X0COMY0COMKMSB2SB1PLC外部接線圖外部接線圖Y0X1Y0X0梯形圖梯形圖梯形圖與繼電器控制電路相似直觀、易懂I/O分配分配： X0：啟動：啟動 X1：停車：停車 Y0：KM1)梯形圖與繼電器控制的區(qū)別例例1：直接啟動停車控制直接啟動停車控制控制電路圖控制電路圖SB1SB2KMKMI/O分配：分配： X0：啟動：啟動 X1：停車：停車 Y0：KM常開接點常開接點常閉按鈕常閉按鈕X1X0COMY0COMKMSB2SB1PLC外部接線圖外部接線圖(ED)Y0X1Y0X0程序：程序： 梯形圖語言1軟繼電器 梯形圖中的某些編程元件沿用了繼電器這一名稱，如輸入繼電器、輸出繼電器、內(nèi)部輔助繼電器等，但他們不是物理繼電器（即硬件繼電器），而是軟件中使用的編程元件，每個繼電器和PLC