第二章可編程控制器的基本組成及工作原理

2023/2/2第二章可編程控制器的基本組成及原理1第2章可編程序控制器的基本結(jié)構(gòu)和工作原理

可編程控制器的基本結(jié)構(gòu)可編程控制器的資源與編程語言可編程控制器的工作原理2023/2/2第二章可編程控制器的基本組成及原理2可編程序控制器的基本結(jié)構(gòu)中央處理單元CPU

存儲器I/O接口模擬量輸入模塊模擬量輸出模塊開關(guān)量輸入模塊開關(guān)量輸出模塊

智能模塊接口和擴(kuò)展接口模塊電源模塊編程工具專用編程器專用編程軟件軟件系統(tǒng)2023/2/2第二章可編程控制器的基本組成及原理3可編程序控制器的基本結(jié)構(gòu)可編程序控制器的基本結(jié)構(gòu)CPU模塊

微處理器+存儲器

PLC的大腦和心臟輸入-執(zhí)行-輸出

I/O模塊

系統(tǒng)的眼、耳、手、腳輸入：開關(guān)量、模擬量輸出：執(zhí)行器（接觸器、電磁閥、調(diào)節(jié)器、調(diào)速）編程器

編輯用戶程序監(jiān)視PLC狀態(tài)電源為系統(tǒng)提供電源2023/2/2第二章可編程控制器的基本組成及原理4中央處理單元存儲器數(shù)據(jù)存儲器輸出接口地址總線控制總線數(shù)據(jù)總線編程單元照明電磁裝置執(zhí)行機(jī)構(gòu)……電源地址總線控制總線輸入接口模擬量輸入行程開關(guān)繼電器接點(diǎn)各種開關(guān)PLC結(jié)構(gòu)示意圖2023/2/2第二章可編程控制器的基本組成及原理5中央處理單元CPU——PLC的核心(1)CPU接收從編程器或計(jì)算機(jī)輸入的程序和數(shù)據(jù)，并送入用戶程序存儲器中存儲。

(2)監(jiān)視電源、PLC內(nèi)部各個單元電路的工作狀態(tài)。

(3)診斷編程過程中的語法錯誤，對用戶程序進(jìn)行編譯。

(4)在PLC進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)后，從用戶程序存儲器中逐條讀取指令，并分析、執(zhí)行該指令。

(5)采集由現(xiàn)場輸入裝置送來的數(shù)據(jù)，并存入指定的寄存器中。

(6)按程序進(jìn)行處理，根據(jù)運(yùn)算結(jié)果，更新有關(guān)標(biāo)志位的狀態(tài)和輸出狀態(tài)或數(shù)據(jù)寄存器的內(nèi)容。

(7)根據(jù)輸出狀態(tài)或數(shù)據(jù)寄存器的有關(guān)內(nèi)容，將結(jié)果送到輸出接口。

(8)響應(yīng)中斷和各種外圍設(shè)備(如編程器、打印機(jī)等)的任務(wù)處理請求。2023/2/2第二章可編程控制器的基本組成及原理6存儲器、存儲空間的分配

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I／O映象區(qū)和系統(tǒng)軟設(shè)備等)用戶程序存儲區(qū)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。

2023/2/2第二章可編程控制器的基本組成及原理7存儲器、存儲空間的分配－－系統(tǒng)程序存儲區(qū)

系統(tǒng)程序存儲區(qū)中存放著相當(dāng)于計(jì)算機(jī)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P(yáng)LC的各項(xiàng)性能。2023/2/2第二章可編程控制器的基本組成及原理8存儲器、存儲空間的分配－－系統(tǒng)RAM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(jié)果、運(yùn)算結(jié)果、設(shè)定值等，這部分?jǐn)?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(shè)備存儲區(qū)軟設(shè)備(例如：邏輯線圈、數(shù)據(jù)寄存器、計(jì)時器、計(jì)數(shù)器、變址寄存器、累加器等)存儲區(qū)。2023/2/2第二章可編程控制器的基本組成及原理9存儲器、存儲空間的分配－－系統(tǒng)RAM存儲區(qū)

**I／O映象區(qū)

由于PLC投入運(yùn)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(yīng)的外設(shè)。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I／0映象區(qū)。一個開關(guān)量I／0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(guān)量的I／O映象區(qū)

**模擬量的I/O映象區(qū)2023/2/2第二章可編程控制器的基本組成及原理10存儲器、存儲空間的分配－－系統(tǒng)RAM存儲區(qū)

**開關(guān)量輸入（I）映象區(qū)

該映象區(qū)中的存儲單元用來存放開關(guān)量I/O。每個開關(guān)量I/O占用存儲單元中的一個位(bit)。連接到PLC開關(guān)量輸入端的每個開關(guān)量輸入在I／O映象區(qū)中都有一個確定的位與之相對應(yīng)。在輸入采樣階段或掃描該開關(guān)量輸入的立即刷新指令時，如果該開關(guān)量輸入端所連接的外設(shè)處于“斷開”狀態(tài)，則I/O映象區(qū)中相對應(yīng)的位被置為“0”

；如果該輸入端所聯(lián)接的外設(shè)處于“閉合”狀態(tài)，則I/O映象區(qū)中相對應(yīng)的位被置為“1”

。2023/2/2第二章可編程控制器的基本組成及原理11存儲器、存儲空間的分配－－系統(tǒng)RAM存儲區(qū)

**開關(guān)量輸出（O）映象區(qū)

PLC的每個開關(guān)量輸出在I／O映象區(qū)中都有一個確定的位與之相對應(yīng)。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(yùn)算結(jié)果確定I/O映象區(qū)中與之相對應(yīng)的位的狀態(tài)。如果其控制線路的邏輯運(yùn)算結(jié)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(diǎn)均“斷開”，其常閉觸點(diǎn)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(shè)不動作；如果其控制線路的邏輯運(yùn)算結(jié)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(diǎn)均“閉合”，其常閉觸點(diǎn)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(shè)動作。2023/2/2第二章可編程控制器的基本組成及原理12存儲器、存儲空間的分配－－系統(tǒng)RAM存儲區(qū)

**模擬量I/O映象區(qū)

該映象區(qū)中的存儲單元用來存放模擬量I／O。每個模擬量I／O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(diǎn)數(shù)，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I／O點(diǎn)數(shù)的和。例如：具有模擬量I／O各8點(diǎn)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I／O在I/O映象區(qū)中都有一個16位的存儲單元與之相對應(yīng)。每個存儲單元內(nèi)的數(shù)據(jù)反映了相對應(yīng)的模擬量I／O的大小。2023/2/2第二章可編程控制器的基本組成及原理13存儲器、存儲空間的分配－－系統(tǒng)RAM存儲區(qū)**系統(tǒng)軟設(shè)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(shè)備(邏輯線圈、計(jì)時器、計(jì)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(dāng)PLC停止運(yùn)行時，將這部分存儲單元內(nèi)的數(shù)據(jù)全部清零。2023/2/2第二章可編程控制器的基本組成及原理14可編程序控制器的物理結(jié)構(gòu)整體式模塊式疊裝式可編程序控制器的基本結(jié)構(gòu)整體式模塊式2023/2/2第二章可編程控制器的基本組成及原理15開關(guān)量I/O模塊的外部接線方式匯點(diǎn)式

各個I/O電路有一個公共點(diǎn)，共用一個電源。分組式

I/O分成若干組，每組I/O共用一個電源，各組電源可以不同。分割式

各個I/O點(diǎn)之間相互隔離，每個I/O可以使用獨(dú)立電源。可編程序控制器的基本結(jié)構(gòu)2023/2/2第二章可編程控制器的基本組成及原理16輸入模塊可編程序控制器的基本結(jié)構(gòu)直流輸入電路圖輸入接口作用：將按鈕、行程開關(guān)或傳感器等產(chǎn)生的信號，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號送入主機(jī)。2023/2/2第二章可編程控制器的基本組成及原理17交流輸入電路圖2023/2/2第二章可編程控制器的基本組成及原理18輸出模塊可編程序控制器的基本結(jié)構(gòu)繼電器輸出：低速大功率

直流、交流負(fù)載（隔離、功率放大）晶體管集電極輸出：高速小功率

直流負(fù)載雙向可控硅輸出：高速大功率

交流負(fù)載輸出接口作用：將主機(jī)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電；另外輸出電路也使計(jì)算機(jī)與外部強(qiáng)電隔離。2023/2/2第二章可編程控制器的基本組成及原理19繼電器輸出輸出接口電路以繼電器形式為例PLC內(nèi)部電路內(nèi)部電路J+交流電源或直流電源YCOM-2023/2/2第二章可編程控制器的基本組成及原理20模擬量輸入模塊（A/D、AI）A/D作用：將現(xiàn)場儀表輸出的（標(biāo)準(zhǔn)）模擬量信號0~10mA、4~20mA、1~5VDC等轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)可以處理的數(shù)字信號 變送器：溫度變送器壓力變送器流量變送器液位變送器成分分析儀傳感器：

Pt100Cu50

熱電偶

……現(xiàn)場儀表模擬信號4～20mA0～10mA1～5VDCmV、Ω……模數(shù)轉(zhuǎn)換(A/D、AI)端口(地址)數(shù)字信號0～40950～1023……CPU數(shù)字信號0～40950～1023……工程化轉(zhuǎn)換工程量0～100℃0～50kPa……軟件實(shí)現(xiàn)檢測儀表硬件濾波如：RC濾波軟件濾波如：中值濾波軟件RC濾波

……可編程序控制器的基本結(jié)構(gòu)2023/2/2第二章可編程控制器的基本組成及原理21A/D組成：一般是由多路轉(zhuǎn)換開關(guān)、前置放大器、采樣保持器、ADC（AnalogtoDigitalConverter）等組成前置放大采樣保持內(nèi)、外補(bǔ)償多路轉(zhuǎn)換ADC光電隔離數(shù)據(jù)驅(qū)動鎖存數(shù)據(jù)總線控制單元控制總線輸入信號1輸入信號nA/D轉(zhuǎn)換通常有二種方式：①逐次比較型

②雙積分型

2023/2/2第二章可編程控制器的基本組成及原理22A/D轉(zhuǎn)換的性能指標(biāo)分辨力*――A/D接口變化一個LSB（二進(jìn)制最低有效位）時輸入模擬量的最小變化量例：12位A/D轉(zhuǎn)換器，輸入范圍0～10VDC，分辨力＝10/212＝2.44mV（通常分辨率以輸入二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)來表示：10位、12位分辨率）線性誤差――實(shí)際轉(zhuǎn)換特性曲線與理想轉(zhuǎn)換特性曲線之間的最大偏差包括偏移誤差（0輸入非0輸出）、非線性誤差等。線性誤差通常以LSB的分?jǐn)?shù)表示：如

1/2LSB、1LSB等轉(zhuǎn)換時間*

――從啟動轉(zhuǎn)換到轉(zhuǎn)換結(jié)束完成一次A/D轉(zhuǎn)換所需要的時間信號的隔離*模塊包含的A/D通道數(shù)*輸入信號類型――單極性、雙極性、信號范圍、信號制2023/2/2第二章可編程控制器的基本組成及原理23模擬量輸出模塊（D/A、AO）D/A作用：將計(jì)算機(jī)內(nèi)部的數(shù)字信號轉(zhuǎn)化為現(xiàn)場儀表可以接收的標(biāo)準(zhǔn)信號4~20mA等如：12位數(shù)字量（0～4095）→4~20mA2047對應(yīng)的轉(zhuǎn)換結(jié)果：12mA調(diào)節(jié)閥變頻器……執(zhí)行器控制信號4～20mA0～10mA1～5VDC0～10VDC……數(shù)模轉(zhuǎn)換(D/A、AO)端口(地址)數(shù)字信號0～40950～1023……CPU工程量0～100％……軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號0～40950～1023……工程化反變換可編程序控制器的基本結(jié)構(gòu)2023/2/2第二章可編程控制器的基本組成及原理24D/A轉(zhuǎn)換的性能指標(biāo)分辨力――二進(jìn)制變化一個LSB（最低有效位）時D/A輸出模擬量的最小變化量（通常分辨率以輸入二進(jìn)制數(shù)地位數(shù)來表示：10位、12位D/A轉(zhuǎn)換器）線性誤差――實(shí)際轉(zhuǎn)換特性曲線與理想轉(zhuǎn)換特性曲線之間的最大偏差包括偏移誤差（0輸入非0輸出）、非線性誤差等。線性誤差通常以LSB的分?jǐn)?shù)表示：如

1/2LSB、1LSB等建立時間――當(dāng)輸入數(shù)字量變化時，輸出的模擬信號穩(wěn)定在相應(yīng)的數(shù)值范圍之內(nèi)（0.5xLSB）所經(jīng)歷的時間模塊包含的D/A通道數(shù)

輸出信號類型――電流、電壓及輸出范圍2023/2/2第二章可編程控制器的基本組成及原理25本地I/O與遠(yuǎn)程I/O可編程序控制器的基本結(jié)構(gòu)1）本地I/O

并行通信方式遠(yuǎn)程I/O

串行通信方式2023/2/2第二章可編程控制器的基本組成及原理26可編程控制器的硬件資源

可編程序控制器的資源與編程語言PLC都提供了各種類型的繼電器，一般都稱為“軟繼電器”，以供系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中編程使用。常用的有輸入繼電器、輸出繼電器、內(nèi)部繼電器(分為通用和專用兩種)、定時器、計(jì)數(shù)器、數(shù)據(jù)寄存器(分為通用和專用等類型)等。這些編程用的繼電器的工作線圈沒有工作電壓等級、功耗大小和電磁慣性等問題。其觸點(diǎn)沒有數(shù)量限制，沒有機(jī)械磨損和電蝕等問題。在不同的指令操作下，其工作狀態(tài)可以無記憶，也可以有記憶，還可以作脈沖數(shù)字元件使用。2023/2/2第二章可編程控制器的基本組成及原理27輸入繼電器輸出繼電器內(nèi)部繼電器定時器計(jì)數(shù)器數(shù)據(jù)寄存器可編程控制器的硬件資源

可編程序控制器的資源與編程語言2023/2/2第二章可編程控制器的基本組成及原理28PLC是一種專門為工業(yè)控制而設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)，具體控制功能的實(shí)現(xiàn)也是通過開發(fā)人員設(shè)計(jì)的程序來完成的。所以，采用PLC進(jìn)行控制就涉及到用相應(yīng)的程序設(shè)計(jì)語言來完成編程的任務(wù)。PLC存在的主要缺點(diǎn)在于PLC的軟件和硬件體系結(jié)構(gòu)是封閉而不是開放的。絕大多數(shù)的PLC是專用總線、專用通信網(wǎng)絡(luò)及協(xié)議。編程雖然都可采用梯形圖，但不同公司的PLC產(chǎn)品在尋址、語法結(jié)構(gòu)等方面不一致，使各種PLC互不兼容。國際電工委員會(IEC)在1992年頒布了可編程控制器的編程軟件標(biāo)準(zhǔn)IEC1131-3，為各PLC廠家編程的標(biāo)準(zhǔn)化鋪平了道路。開發(fā)以PC為基礎(chǔ)、在Windows平臺下，符合IEC1131-3國際標(biāo)準(zhǔn)的新一代開放體系結(jié)構(gòu)的PLC正在規(guī)劃中?？删幊炭刂破鞯木幊陶Z言

可編程序控制器的資源與編程語言2023/2/2第二章可編程控制器的基本組成及原理29國際電工委員會制訂的5種標(biāo)準(zhǔn)編程語言如下。(1)梯形圖(LadderDiagram，LD)適合于邏輯控制的程序設(shè)計(jì)。(2)指令表(InstructionList，IL)適合于簡單文本的程序設(shè)計(jì)。(3)順序功能圖(SequentialFunctionChart，SFC)適合于時序混合型的多進(jìn)程復(fù)雜控制。(4)功能塊圖(FunctionBlockDiagram，F(xiàn)BD)適合于典型固定復(fù)雜算法控制，如PID調(diào)節(jié)等。(5)結(jié)構(gòu)化文本(StructuredText，ST)適合于自編專用的復(fù)雜程序，如特殊的模型算法?？删幊炭刂破鞯木幊陶Z言

可編程序控制器的資源與編程語言2023/2/2第二章可編程控制器的基本組成及原理30可編程序控制器的工作原理繼電器

（a）結(jié)構(gòu)示意

（b）圖文符號2023/2/2第二章可編程控制器的基本組成及原理31繼電器作用1）功率放大2）電器隔離3）邏輯運(yùn)算

與、或、非2023/2/2第二章可編程控制器的基本組成及原理32（a）邏輯符號

（b）控制線路實(shí)例邏輯“與”2023/2/2第二章可編程控制器的基本組成及原理33邏輯“或”

（a）邏輯符號

（b）控制線路實(shí)例2023/2/2第二章可編程控制器的基本組成及原理34

（a）邏輯符號

（b）控制線路實(shí)例邏輯“非”2023/2/2第二章可編程控制器的基本組成及原理35異步電動機(jī)控制2023/2/2第二章可編程控制器的基本組成及原理36兩種工作狀態(tài)

運(yùn)行（RUN）

/停止（STOP）可編程序控制器的工作原理PLC的掃描工作方式內(nèi)部處理：內(nèi)部診斷、監(jiān)控定時器復(fù)位；通信服務(wù)：與其它裝置通信、響應(yīng)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(yùn)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）2023/2/2第二章可編程控制器的基本組成及原理37可編程序控制器的工作原理PLC掃描程序執(zhí)行過程2023/2/2第二章可編程控制器的基本組成及原理38直接啟動停車控制控制電路圖SB1SB2KMKMI/O分配：

X0：啟動

X1：停車

Y0：KMX1X0COMY0COM~KMSB2SB1PLC外部接線圖Y0X1Y0X0程序：梯形圖2023/2/2第二章可編程控制器的基本組成及原理39可編程序控制器的工作原理掃描周期PLC在【RUN】工作狀態(tài)時，完成‘內(nèi)部處理、通信服務(wù)、輸入處理、程序執(zhí)行、輸出處理‘所需的時間2023/2/2