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1、第二章 PLC的工作原理及结构特点,1,赵子玉 陈德荣 上海交通大学电院电气工程系,第二章 PLC的工作原理及结构特点,PLC的硬件结构,1,PLC的工作原理,2,3,硬件寻址与内部软元件,2-1 PLC的硬件结构,PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同。基本构成为：,PLC,电源,通信模块,中央处理单元CPU,存储器,功能模块,输入输出接口电路,返回,2-1 PLC的硬件结构,电源中央处理单元(CPU)存储器输入输出电路功能模块通信模块,CPU,电源,用户程序 数据,存储器,系统程序,输入接口,光电隔离,输出接口,隔离驱动,编程工具,外部设备,电源进出接线端
2、子,外部设备接口通信模块,I/O扩展接口功能模块,PLC打印机人机界面计算机盒式磁带机条码扫描仪,按钮触点行程开关,指示灯电磁线圈电磁阀,I/O扩展单元,输出设备,PREMIUM(“系统”)电源 参数:110/240 VAC(90-264 VAC),24 VDC(19-34 VDC)保护:短路,过载,24V 传感器电源,电源失效信号传感器电源:集成 24 VDC 电源:0.5A(PSY 2600)或 0.9A(PSY 5500)外接 24 VDC 电源:,a、电源 PLC的电源在整个系统中起着十分重要的作用。一般交流电压波动在正负10%(15%)范围内。,TSX/PMX CPU,PCX CPU
3、:,b、中央处理单元(CPU)中央处理单元(CPU)是PLC的控制中枢。它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。,2-1 PLC的硬件结构,c、存储器 存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。,(一)PLC常用的存储器类型 1.RAM 一种读/写存储器(随机存储器)2.EPROM 可擦除的只读存储器 3.EEPROM 电可擦除的只读存储器 4.FLASH 闪速存储器(Flash Memory)，既有ROM的特点，又有很高的存取速度，而且易于擦除和重写
4、，功耗很小。,(二)PLC存储空间的分配虽然各种PLC的CPU的最大寻址空间各不相同，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(包括I/O映象区和系统软设备等)逻辑线圈 数据寄存器 计时器计数器 变址寄存 累加器 用户程序存储区,2-1 PLC的硬件结构,d、输入输出电路 1、现场输入电路由光电耦合和PLC内部接口电路组成。分为开关量输入和模拟量输入。其中开关量又有直流、交流两种输入方式。,直流开关量输入单元：,PLC内部电路,光耦合器,电源,VD,R1,R2,C,LED,2-1 PLC的硬件结构,交流开关量输入单元：,PLC内部电路,双向光耦合
5、器,VD,R1,R2,C,LED,交流电源,R3,2-1 PLC的硬件结构,模拟量输入单元框图：,PLC内部电路,A/D转换器,滤波,光电耦合隔离,2-1 PLC的硬件结构,2、现场输出电路由输出数据寄存器、选通电路和中断请求等输出接口电路和隔离驱动构成。分为开关量输出和模拟量输出。其中开关量输出又有继电器、可控硅、晶体管三种输出方式。,继电器型开关量输出单元：,PLC内部电路,负载,负载,负载,外部电源,2-1 PLC的硬件结构,可控硅型开关量输出单元：,PLC内部电路,负载,负载,负载,外部电源,22,0.015F,2-1 PLC的硬件结构,晶体管开关量输出单元：,PLC内部电路,负载,负
6、载,外部电源,负载,2-1 PLC的硬件结构,模拟量输出单元框图：,PLC内部电路,D/A转换器,信号转换,光电耦合隔离,2-1 PLC的硬件结构,e、功能模块 如计数、定时等功能模块。,f、通信模块 如以太网、RS485、Profibus-DP通讯模块等。,输入处理,程序处理,输出处理,2-2 PLC的工作原理,返回,返回首页,2-2 PLC的工作原理,PLC是一个执行逻辑功能的工业控制装置。与其他控制装置一样，PLC根据输入信号的状态，按照控制要求进行处理判断，产生控制输出。这一过程包括输入部分，内部逻辑（程序处理）部分、输出部分。PLC等效电路如下：,X000,X001,Y000,SB1
7、,SB2,Y000,KM1,com,输入处理部分,内部逻辑（程序处理）部分,输出处理部分,返回首页,2-2 PLC的工作原理,（1）输入部分输入部分是利用输入端与外部设备连接，这些外部设备将外部信息经过输入端送到PLC内部。,（2）内部逻辑部分内部逻辑部分不是硬件连接，而是用户程序（如：梯形图程序），在这些程序控制下，PLC对输入信号进行运算处理，判断那些信息需要输出，将其经过输出端发送到负载。,（3）输出部分输出部分是PLC驱动负载的电路，其等效线圈（编程软元件）由内部逻辑电路的命令控制，并驱动外部负载作出相应的动作。,由PLC等效电路的输入、内部逻辑和输出部分的功能可以得出，PLC的工作过
8、程一般分为3个主要阶段：,2-2 PLC的工作原理,(1)输入处理：程序执行前，PLC的全部输入端子的通/断状态读入映像寄存器。这一过过程成为采样。,(2)程序处理：映像寄存器的内容随着程序的执行在不断变化。输出继电器触点的动作由输出映像寄存器的内容决定。,(3)输出处理：全部指令执行完毕，输出Y的映像寄存器 的通/断状态锁存并成为PLC的实际输出。,PLC 重复执行这三个阶段，每执行一次称为一个扫描周期。输入输出刷新时间一般4ms，程序执行时间因程序长短而不同。PLC一个扫描周期一般40100ms之间。,X0,X1,X2,输入端子,(1)读,输入处理,X0,Y0,Y0,M0,元件映像寄存器,
9、辅助继电器,(3)写,(4)读,(5)写,程序处理,(2)读,反复一个周期为程序扫描周期,输入映像寄存器,2-3 硬件寻址与内部软元件,硬件地址分配方法I/O地址的分配：本体、扩展上的输入、输出点对应的PLC地址。由左向右，从0到7给模块分配地址号，CPU的地址号总是为0。TWIDO 系列PLC中离散量地址、模拟量地址由如下字符串表示：%I/Q/IW/QW x.y.zI：数字量输入Q：数字量输出IW：模拟量输入QW：模拟量输出x=控制器位置（07），0表示主控制器（远程连接主机），（17）表示远程控制器（远程连接从机）。y=模块号（07）,0表示控制器本体I/O，17表示扩展I/Oz=通道号,
10、返回,图解说明离散量I、Q和模拟量IW、QW的寻址规则,PLC的内部软继电器,输入继电器输出继电器辅助继电器状态继电器指针常数定时器计数器数据寄存器变址寄存器,三菱FX 与 施耐德twido元件编号对应关系,一、输入继电器（X）,输入继电器是PLC用来接收用户输入设备发来的输入信号编号为X000X267（八进制）输入继电器线圈由外部输入信号所驱动，只有当外部信号接通时，对应的输入继电器才得电，不能用指令来驱动。,在程序中绝对不可能出现输入继电器的线圈，只能出现输入继电器的触点 每个输入继电器的常开与常闭触点均可无数次使用,二、输出继电器（Y）,输出继电器是用来将PLC内部信号输出传送给外部负载
11、编号为Y000Y267（八进制）输出继电器线圈是由PLC内部程序驱动，其线圈状态传送给输出单元，再由输出单元对应的硬触点来驱动外部负载,每个输出继电器在输出单元中都对应有一个常开硬触点，但在程序中供编程的输出继电器，不管是常开还是常闭触点，都可以无数次使用。,三、辅助继电器（M）,辅助继电器是PLC中数量最多的一种继电器，其作用相当于继电器控制系统中的中间继电器。和输出继电器一样，其线圈由程序指令驱动，每个辅助继电器都有无限多对常开常闭触点，供编程使用。但是，其触点不能直接驱动外部负载，要通过输出继电器才能实现对外部负载的驱动。,FX系列PLC的辅助继电器有：（三种）通用辅助继电器（M0 M4
12、99）保持辅助继电器（M500 M1023）特殊辅助继电器（M8000 M8255）,通用辅助继电器,通用辅助继电器和输出继电器一样，在PLC电源中断后，其状态将变为OFF。当电源恢复后，除因程序使其变为 ON外，其它仍保持OFF,X0,M0,M0,Y0,保持型辅助继电器,当线圈失电，其触点应保持断电之前的状态,X0,M500,M500,Y0,特殊辅助继电器（M8000M8255）,特殊辅助继电器是具有某项特定功能的辅助继电器通常可分为两类：触点型 和 线圈型,触点型 特殊辅助继电器的线圈由PLC自动驱动，用户只可以利用其触点。,线圈型特殊辅助继电器的线圈由用户控制，其线圈得电后，PLC作出特
13、定动作。,四、状态器（S）,状态器对在步进顺控类的控制程序中起着重要的作用，它与后述的步进指令STL组合使用。,初始用状态器（S0S9）返回原点用状态器（S10S19）（FX2N）普通状态器（S20S499）保持状态器（S500S899）报警用状态器（S900S999）（FX2N）,不使用步进指令时，状态器也可当作辅助继电器使用,五、常数（K/H）,常数也可作为元件处理，因为它占用一定的存储空间。,常数的表示：十进制常数用K表示，如常数123表示为K123 十六进制常数则用H表示，如常数325表示为H159,FX系列PLC的常数范围为：16位：K:-32,76832,767 H:0000FFF
14、FH 32位：K:-2,127,283,6282,127,283,627 H:00000000FFFFFFFF,六、定时器（T）,PLC的定时器相当于电器系统中的通电延时时间继电器 定时器可提供无数对的常开、常闭延时触点供编程用定时器中有一个设定值寄存器、一个当前值寄存器和一个用来存储其输出触点的映象寄存器（一个二进制位），这三个量使用同一地址编号。但使用场合不一样，意义也不同。定时器 有三种时钟1ms、10ms、100ms定时器可分为：,T0T199：100msT200T245：10ms,T246T249：1msT250T255：100ms,积算定时器,通用定时器,通用定时器,通用定时器（例
15、）,施耐德（twido）:%TMi,(一)、TOF类型定时器,使用TOF类定时器控制关断延时动作。,时序图:,(二)、TON类型定时器,使用TON类型定时器控制导通延时动作。,时序图:,(三)、TP类型定时器,使用TP类型定时器用于产生具有精确宽度的脉冲。,时序图:,七、计数器（C）,计数方式：时钟脉冲的个数 计数器可提供无数对的常开、常闭延时触点供编程用计数器中有一个设定值寄存器、一个当前值寄存器和一个用来存储其输出触点的映象寄存器（一个二进制位），这三个量使用同一地址编号。但使用场合不一样，意义也不同。计数器类型：,增量用计数器（C0C99）,断电保持式增量用计数器（C100C199）,通
16、用双向计数器（C200C219）,断电保持式双向计数器（C220C234）,高速计数器（C235C255）,施耐德（twido）:%Ci,加减计数器功能模块:,16位加计数器通用型：C0C99共100点 断电保持型：C100C199共100点,八、指针（P/I）,分支指令用指针（P0-P63/P127）,它作为一种标号，用来指定跳转指令或子程序调用指令等分支指令的跳转目标。,嵌套用指针（N0-N7）,九、数据寄存器（D）,PLC在进行输入输出处理、模拟量控制、位置控制时，需要许多数据寄存器以存储数据和参数,通用数据寄存器（D0D199）只要不写入其它数据，已写入的数据不会变化。但是PLC状态由
17、运行停止时，全部数据均清零。断电保持数据寄存器（D200D511）只要不改写，原有数据不会丢失。特殊数据寄存器（D8000D8255）这些数据寄存器供监视PLC中各种元件的运行方式用。文件寄存器（D1000D2999）共2000点。,类型：,变址寄存器的作用类似于一般微处理器中的变址寄存器（如Z80中的IX、IY），通常用于修改元件的编号。V0V7、Z0Z7共16点16位变址数据寄存器。进行32位运算时，与指定Z0Z7的V0V7组合，分别成为（V0、Z0），（V1、Z1）（V7、Z7）。,十、变址寄存器（V/Z）,V、Z都是16位的数据寄存器，与其它寄存器一样读写需要32位操作，可将V、Z串联使用（Z为低位，V为高位）,例：D0Z 若Z=10，则为D10,Thank You!,
