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1、第二章 PLC的基本组成及工作原理,本章的主要内容：2.1 PLC的基本组成2.2 PLC的基本工作原理2.3 PLC的编程语言,2.1 PLC的基本组成,1.PLC的硬件结构1)CPU模块 微处理器+存储器2)I/O模块 输入：开关量、模拟量 输出：执行器（接触器、电磁阀、指示灯）3)电源 为系统提供电源4)编程器 编辑用户程序，监视PLC状态,2.1 PLC的基本组成,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,2.1 PLC的基
2、本组成,1)中央处理单元CPU PLC的核心,与一般计算机一样，CPU 是可编程控制器的核心，它按系统程序赋予的功能指挥可编程控制器有条不紊地进行工作，其主要任务有：（1）接收、存储由编程工具输入的用户程序和数据，并通过显示器显示出程序的内容和存储地址。（2）检查、校验用户程序。（3）接收现场数据。（4）执行用户程序。（5）故障诊断。注意：PLC通常以字而不是以字节为单位存储和处理数 据。,描述PLC性能的几个术语,位：二进制的一位，仅有1、0,数字：4位二进制数构成一个数字,字节：2个数字或8位二进制数构成一个字节,字：两个字节构成一个字。,2.1 PLC的基本组成,1)中央处理单元CPU
3、PLC的核心,不同型号可编程控制器的 CPU 芯片是不同的，有的采用通用 CPU 芯片，如 8031、8051、8086、80286 等，也有采用厂家自行设计的专用 CPU 芯片（如西门子公司的 S7-200 系列可编程控制器均采用其自行研制的专用芯片），CPU 芯片的性能关系到可编程控制器处理控制信号的能力与速度，CPU 位数越高，系统处理的信息量越大，运算速度也越快。随着 CPU 芯片技术的不断发展，可编程控制器所用的 CPU 芯片也越来越高档。,2.1 PLC的基本组成,2)存储器,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。
4、,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IO映象区和系统软设备等)。用户程序存储区,2.1 PLC的基本组成,2)存储器-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。,2.1 PLC的基本组成,2)存储器-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
5、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数据表和元件映像寄存器，包括I/O映象区和各类系统软设备存储区(软设备举例：逻辑线圈、数据寄存器、计时器、计数器、变址寄存器、累加器等)。,2.1 PLC的基本组成,2)存储器-系统RAM存储区,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I0映象区。一个开关量I0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
6、个字(16个bit)。IO映象区：（1）开关量的IO映象区（2）模拟量的I/O映象区,2.1 PLC的基本组成,2)存储器-系统RAM存储区之一,I/O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IO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”。,2.1 PLC的基本组成,2)存储器-系统RAM存储区
7、之二,模拟量I/O映象区中的存储单元用来存放模拟量IO。每个模拟量IO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IO点数的和。例如：具有模拟量IO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IO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IO的大小。,2.1 PLC的基本组成,2)存储器-系统RAM存储区之三,系统RAM存储区除了I/O映象区以外，还包括PLC内部各类软设备(逻辑线圈、计时器、
8、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。,2.1 PLC的基本组成,3)输入/输出模块,输入/输出接口通常也称I/O 单元或I/O 模块，是PLC与工业生产现场之间的连接通道。PLC输入接口-可以检测被控对象的各种数据，用这些数据作为PLC对被控制对象进行控制的依据。PLC输出接口-将处理结果送给被控制对象，以实现控制目的。,2.1 PLC的基本组成,（1）输入接口作用：将按钮、行程开关或传感
9、器等产生 的信号，转换成数字信号送入主机。,3)输入/输出模块,2.1 PLC的基本组成,（2）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。,3)输入/输出模块,继电器输出特点：低速大功率，用于用于直流、交流负载（隔离、功率放大）。晶体管集电极输出特点：高速小功率，用于直流负载。双向可控硅（晶闸管的一种）输出特点：高速大功率，用于交流负载。,2.1 PLC的基本组成,3)输入/输出模块-继电器输出,继电器输出,输出接口电路,PLC,+,交流电源或直流电源,2.1 PLC的基本组成,3)输入/输出模块-
10、晶体管输出,晶体管输出,晶闸管输出,2.1 PLC的基本组成,3)输入/输出模块-晶闸管输出,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。,3)输入/输出模块-开关量I/O模块的外部接线方式,2.1 PLC的基本组成,2.1 PLC的基本组成,模拟量输入接口（A/D接口）：分辨率（8位、10位、12位等）、线性度、精度等，许多PLC还有与热电阻或热电偶配套使用的A/D接口。模拟量输出接口（D/A接口）：分辨率（8位、10位、12位等）、精度、线性度、稳定时间等
11、。,3)输入/输出模块-模拟量输入、输出接口,2.1 PLC的基本组成,PLC配有各种通信接口与外部设备连接：与打印机连接，可将过程信息、系统参数等输出打印；与监视器连接，可将控制过程图像显示出来；与 P L C 连接，组成多机系统或连成网络，实现更大规模控 制；与计算机连接，组成多级分布式控制系统，控制与管理相结 合；与人机界面（触摸屏）连接；与编程器连接。,3)输入/输出模块-通讯接口,与智能接口模块连接：智能接口模块是一独立的计算机系统，它有自己的CPU、系统程序、存储器以及与PLC系统总线相连的接口，PLC的智能接口模块种类很多，如：高速计数模块、闭环控制模块、运动控制模块、中断控制模
12、块等。,2.1 PLC的基本组成,3)输入/输出模块-通讯接口,2.1 PLC的基本组成,与智能接口模块连接图,3)输入/输出模块-通讯接口,PLC的供电电源一般是市电，也有用直流+24V供电的。并允许电压在+10%-15%的范围内波动。小型PLC电源往往和CPU单元合为一体，中大型PLC都有专门的电源单元或模块。有些PLC电源部分还有24VDC输出，用于对外部传感器供电，但电流较小为毫安级。,2.1 PLC的基本组成,4)电源,2.1 PLC的基本组成,5)编程器,2.1 PLC的基本组成,专用编程器,5)编程器,通用编程器系统,2.1 PLC的基本组成,1）监控程序（1）管理程序 运行管理
13、：对输入输出、数据处理、自检、通信等进行时间上的分配管理。存储空间管理：由它规定各种参数、程序的存放地 址。内部自检：用户程序的语法和句法检查、系统出错检 验、警戒时钟运行等。（2）用户指令解释程序：将梯形图等用户编程语言解释成 机器语言。（3）系统调用和标准程序模块：完成输入输出、数据处理 等功能。2）用户程序：用梯形图、指令表、汇编、高级语言编写的 应用程序。,2.PLC的软件结构,2.1 PLC的基本组成,（1）单元式结构：将PLC所有的电路都集中在一个模块内。（2）模块式结构：在一个基板（背板）上插接模块。（3）叠装式结构：用电缆将各模块连接。,3.PLC的外形结构,2.2 PLC的工
14、作原理,继电器控制的结构图：,2.2 PLC的工作原理,PLC控制的结构图：,继电器控制装置采用硬逻辑并行运行的方式，即如果这个继电器的线圈通电或断电，该继电器所有的触点（包括其常开或常闭触点）在继电器控制线路的哪个位置上都会立即同时动作。PLC的CPU则采用顺序逻辑扫描用户程序的运行方式，即如果一个输出线圈或逻辑线圈被接通或断开，该线圈的所有触点(包括其常开或常闭触点)不会立即动作，必须等扫描到该触点时才会动作。,2.2 PLC的工作原理,继电器控制与 PLC控制的比较：,为了消除二者之间由于运行方式不同而造成的差异，考虑到继电器控制装置各类触点的动作时间一般在100ms以上，而PLC扫描用
15、户程序的时间一般均小于100ms。这样在对于I/O响应要求不高的场合，PLC与继电器控制装置的处理结果上就没有什么区别了。,2.2 PLC的工作原理,继电器控制与 PLC控制的比较：,2.2 PLC的工作原理,工作原理：顺序扫描、不断循环。CPU从第一条指令开始执行，遇到结束符又返回第一条，不断循环。分为输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段，并进行周期性循环。,2.2 PLC的工作原理,1.输入采样 PLC在输入操作上采用定时采样的方式。即在一个扫描周期的固定时刻（一般在扫描周期的开始）采样所有的输入点，采样結果存入RAM中一个区域（输入映像区）。,2.程序执行 执行程序时，所需的现场信息全部
16、从输入映像区中取用。同样控制信息输出也不是采取生成一个就输出一个的方法，而是先將它們存放在RAM中的一个区域（输出映像区）。,2.2 PLC的工作原理,3.输出刷新 PLC在输出操作上采用定时输出的方式。在扫描周期结束时將输出映像区中控制信息集中输出。通过建立I/O映像区，使PLC成为一个真正的数字采样控制系統。只要采样周期足够短，即采样頻率足够高，这样的采样系統应該完全符合实际系統的需要。,2.2 PLC的工作原理,两种工作状态：运行（RUN）/停止（STOP）,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：外部端口数据读入输入映像寄存
17、器。程序执行：完成用户程序的逻辑运算。输出处理：将输出映像寄存器数据送到输出端口（锁存器）。,2.2 PLC的工作原理,集中采样：在一个扫描周期中，对输入状态的采样只在输入处理阶段进行。当PLC进入程序处理阶段后输入端将被封锁，直到下一个扫描周期的输入处理阶段才对输入状态进行重新采样。,集中输出：在用户程序中如果对输出结果多次赋值，则最后一次有效。在一个扫描周期内，只在输出处理阶段才将输出数据从输出映象寄存器中输出，对输出接口进行刷新。在其它阶段里输出数据一直保存在输出映象寄存器中。,2.2 PLC的工作原理,提高了抗干扰能力，增强了系统可靠性 PLC工作时大多数时间与外部输入/输出设备隔离，
18、从根本上提高了系统的抗干扰能力，增强了系统的可靠性。,2.2 PLC的工作原理,降低了系统的响应速度,PLC输入输出响应滞后：当PLC输入端输入信号发生变化到PLC输出端对该输入变化作出反应，需要一段时间。对一般的工业控制，这种滞后是完全允许的。注意：这种响应滞后不仅是由于PLC扫描工作方式造成，更主要是PLC输入接口滤波环节带来的输入延迟和输出接口中驱动器件动作时间带来输出延迟。,对于小型PLC:I/O点数较少、用户程序较短，一般采用集中采样、集中输出的工作方式。,而对于大中型PLC:I/O点数较多，控制功能强，用户程序较长，为提高系统响应速度，采用定期采样、定期输出方式或中断输入输出方式以
19、及采用智能I/O接口等多种方式。,2.2 PLC的工作原理,2.2 PLC的工作原理,输入电路滤波时间，它由RC滤波电路的时间常数决定。改变时间常数可调整输入延迟时间。,PLC循环扫描的工作方式。,PLC对输入采样、输出刷新的集中处理方式。,用户程序中语句的延时安排。,输出电路的滞后时间，它与输出电路的输出方式有关。继电器输出方式的滞后时间为10ms左右；双向晶闸管输出方式，在接通负载时滞后时间约为1ms，切断负载时滞后时间小于10ms；晶体管输出方式的滞后时间小于1ms。,输入/输出的滞后现象的原因分析：,2.3 PLC的编程语言,指令表（助记符）语言 梯形图语言 功能图语言 顺序功能语言
20、高级语言,2.3 PLC的编程语言,控制电路图,X1,X0,COM,Y0,COM,KM,SB2,SB1,PLC外部接线图,Y0,X1,Y0,X2,梯形图,梯形图与继电器控制电路相似,直观、易懂。,I/O分配：X2：SB2，启动 X1：SB1，停车 Y0：KM,(1)梯形图与继电器控制的区别,例1：直接启动停车控制,1.梯形图语言（LDLadder Diagram）,2.3 PLC的编程语言,（2）软继电器 梯形图中的某些编程元件沿用了继电器这一名称，如输入继电器、输出继电器、内部辅助继电器等，但他们不是物理继电器（即硬件继电器），而是软件中使用的编程元件，每个继电器和PLC存储器中元件映象寄存
21、器的一个存储单元相对应，因此称为“软继电器”。相应位的状态为“1”，表示该继电器线圈通电，其常开接点闭合，常闭接点断开；相应位的状态为“0”，表示该继电器线圈失电，其常开接点断开，常闭接点闭合。,1.梯形图语言,2.3 PLC的编程语言,（3）能流假想在梯形图中有“电流”流动能流(Power Flow)。能流在梯形图中只能作为单方向流动从左至右，从上至下。,（4）母线梯形图两侧的垂直公共线称为母线(Bus bar)，。在分析梯形图的逻辑关系时，为了借用继电器电路图的分析方法，可以想象左右两侧母线（左母线和右母线）之间有一个左正右负的直流电源电压，母线之间有“能流”从左向右流动。,1.梯形图语言
22、,2.3 PLC的编程语言,（5）梯形图的逻辑解算根据梯形图中各触点的状态和逻辑关系，求出与图中各线圈对应的编程元件的状态，称为梯形图的逻辑解算。梯形图中逻辑解算是按从左至右、从上到下的顺序进行的。解算的结果，马上可以被后面的逻辑解算所利用。逻辑解算是根据输入映像寄存器中的值，而不是根据解算瞬时外部输入触点的状态来进行的。,1.梯形图语言,2.3 PLC的编程语言,1.梯形图语言,（6）梯形图程序设计语言的特点是：与电气操作原理图相对应，具有直观性和对应性；与原有继电器逻辑控制技术相一致，对电气技术人员来说，易于撑握和学习；与原有的继电器逻辑控制技术的不同点是，梯形图中的能流（Power Fl
23、ow）不是实际意义的电流，内部的继电器也不是实际存在的继电器，因此，应用时，需与原有继电器逻辑控制技术的有关概念区别对待；与指令表程序设计语言有一一对应关系，便于相互的转换和程序的检查。,KM2,I/O分配：SB1X1 SB2 X2 SB3 X3 KM1 Y1 KM2 Y2,例2：三相异步电动机的正反转控制,2.3 PLC的编程语言,也叫助记符语言，类似于计算机的汇编语言，特别适合于来自计算机领域的工程人员。用指令助记符创建用户程序，属于面向机器硬件的语言。,2.指令表语言（IL-Instruction List）,梯形图,指令表,指令表程序设计语言有如下特点：（1）采用助记符来表示操作功能，
24、具有容易记忆，便于撑握的特点；（2）在编程器的键盘上采用助记符表示，具有便于操作的特点，可在无计算机的场合进行编程设计；（3）与梯形图有一一对应关系，其它特点与梯形图语言基本类同。,2.3 PLC的编程语言,2.指令表语言,2.3 PLC的编程语言,逻辑功能块图简称功能块图，功能块图（FBD）的图形结构与数字电子电路的结构极为相似。,3.逻辑功能块图语言（FBD Function Block Diagram）,2.3 PLC的编程语言,功能块图程序设计语言有如下特点：（1）以功能模块为单位，从控制功能入手，使控制方案的分析和理解变得容易；（2）功能模块是用图形化的方法描述功能，它的直观性大大方
25、便了设计人员的编程和组态，有较好的易操作性；（3）对控制规模较大、控制关系较复录的系统，由于控制功能的关系可以较清楚地表达出来，因此，编程和组态时间可以缩短，调试时间也能减少。,3.逻辑功能块图语言,2.3 PLC的编程语言,顺序功能图的三要素：,步转换动作,4.顺序功能语言（SFC Sequential Function Chart）,2.3 PLC的编程语言,顺序功能图程序设计语言有如下特点：（1）以功能为主线，条理清楚，便于对程序操作的理解和沟通；（2）对大型的程序，可分工设计，采用较为灵活的程序结构，可节省程序设计时间和调试时间；（3）常用于系统的规模校大，程序关系较复杂的场合；（4）只有活动步的命令和操作被执行，并对活动步后的转换进行扫描，因此，整个程序的扫描时间较其他程序编制的程序扫描时间要大大缩短。,4.顺序功能语言,
