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1、第五章第五章 可编程控制器的结构可编程控制器的结构 及工作原理及工作原理 第一节第一节 可编程控制器的硬件系统可编程控制器的硬件系统 第二节第二节 可编程控制器的软件及编程语言可编程控制器的软件及编程语言 第三节第三节 可编程控制器的工作原理可编程控制器的工作原理 输出设备 输入设备 I/O扩展 单元 特殊功 能单元 主机 输出单元 输入单元 电 源 外设接口 I/O 扩 展 口 存 储 器 系统程序 存储器 C P U 用户程序 存储器 盒式磁带机 打印机 EPROM写入器 上位计算机 PLC 编程器 可编程终端PT 整体式 PLC的基本组成框图 5.1 PLC的结构与工作原理 一、 PLC
2、的基本构成 OMRON 公司的整体式 PLC CPM1A 1、中央处理器（CPU） 接收并存储用户程序和数据； 诊断电源、PLC工作状态及编程的语法错误； 接收输入信号，送入数据寄存器并保存； 运行时顺序读取、解释、执行用户程序，完成用户 程序的各种操作； 将用户程序的执行结果送至输出端。 2、存储器 PLC的存储器用来存放程序和数据。 程序又分为系统程序和用户程序。 存储区的分配： 1、系统程序存储器（区）（ROM） 2、用户程序存储器（区）（RAM） 3、变量（数据）存储器（区） 1区 2区 3区 3、输入输出接口（I/O） 是CPU与工业现场装置之间的连接部件。 (1) 输入接口 功能：
3、采集现场信号，通过光电隔离转换成标准电平 送给PLC内部电路。 输入信号有开关量和模拟量。开关量输入接口有直流 和交流两种。 开关量信号：按钮、开关、继电器触头等 模拟量信号：电位器、测速发电机等 辅助电源：DC24V输入、 DC12V输入、AC输入 对输入的模拟量，需进行模数（A/D）转换，才能 为CPU所接受。 直流输入电路 COM +5V LED S R3 R1 A R2C T 内 部 电 路 滤波 光电耦合 外部开关 输入点的 状态显示 输入点 公共端 交流输入电路 LED +5V A R2 T COM S C R1 内 部 电 路 R3 滤波 光电耦合 输入点的 状态显示 外部开关
4、输入点 (2) 输出接口 连接被控对象中的各类执行元件：接触器、电磁阀、 指示灯、调节阀（模拟量）、调速装置（模拟量）等。 为适应不同负载，输出方式有： 晶体管输出方式：驱动用于直流负载 晶闸管输出方式：驱动频繁动作的交/直流负载 继电器输出方式：驱动非频繁动作的交/直流负载 PLC的各种输出方式同样都要采用光电隔离。有些PLC 还具有模拟输出接口。 晶体管输出电路 光电耦合 输出点的 状态显示 公共端 输出点 晶闸管输出电路 COM LED R2 C T FU 内 部 电 路 R1 负载 光电耦合 输出点的 状态显示 公共端 输出点 继电器输出电路 COM LED J R 内 部 电 路 负
5、载 输出点的 状态显示 继电器 机械 触点 公共端 输出点 输出端子的接线方式 a)输出各自独立（无公共点） b)每48个输出点构成一组，公用一个公共点。 4、 电源单元 可编程控制器的电源包括: * 为可编程控制器各工作单元供电的开关电源。 * 为掉电保护电路供电的后备电源，一般为电池。 电源模块： * 可为CPU板、I/O板及扩展单元提供工作电源。 * 有的PLC能向外部提供24V的直流电源，可作为输入单 元连接的外部设备的电源。 5、I/O扩展接口采用并行通讯方式 I/O扩展端口 CPM1A主机与I/O扩展器的连接 主机 I/O扩展器 连接电缆 I/O扩展单元 A/D转换单元 I/O扩展
6、端口可以连接的设备举例 外设端口 6、通讯及编程接口采用RS-485或RS-232串行总线 打印机，用以打印程序或制表 EPROM写入器，用以将程序写入用户EPROM中 高分辨率大屏幕彩色图形监控系统，用以显示或监 视有关部分的运行状态 可编程控制器一般可配备的外部设备： 显示屏 工作方式 选择开关 编程位 主机 监控位 运行位 编程器 直插式编程器 键盘 指令键 数字键 编辑键 清除键 CPM1A主机与便携式编程器的连接 工作方式 选择开关 显示屏 键盘 知识回顾： 1、PLC的硬件系统由哪几部分组成？ 2、PLC常用的编程语言有哪几种？ 5.2 PLC的软件及编程语言 系统软件 运行管理
7、生成用户环境 系统内部自检 系统管理程序 用户指令解释程序 标准程序模块、系统调用 用户程序 指令表 顺序功能流程图 软件系统 一、PLC软件系统组成 梯形图 系统管理程序： v 运行管理：对控制PLC输入、输出、计算、自检、通信等作 时间上的分配管理。 v 存储空间管理：即生成用户环境。规定各种参数、程序的存 放地址，将用户使用的数据参数、存储地址转化为实际的数据 格式及物理地址，使用户看到的是按照用户数据结构排列的元 件空间和程序存储空间。 v 系统自检程序：包括系统出错检测、用户程序语法检验、句 法检验、警戒时钟运行等。 用户指令解释程序： v 将用户使用的编程语言（梯形图）转变为机器语
8、言指令 ，由PLC执行这些指令。 标准程序模块和系统调用： v 由许多独立的程序块组成。各程序块完成不同功能，如 输入、输出处理，特殊运算等。PLC的各种具体工作由这部 分程序完成，程序的多少决定了PLC性能的强弱。 IEC 61131-3中规定的5种编程语言 梯形图（LD - Ladder Diagram） 顺序功能图（SFC - Sequential Function Chart） 功能块图（FBD - Function Block Diagram） 指令表（IL - Instruction List） 结构文本（ST - Structured Text） 图形语言 文本语言 二、PLC的
9、编程语言 1、梯形图LD简介 继电器原理图与梯形图中所用图符的对比关系 物理继电器 PLC继电器 常开 常闭 触 点 线 圈 00000 01000 01000 PLC控制 00001 两种控制的图形比较 线圈 线圈 常开触点常开触点 常闭触点常闭触点 用PLC控制外部接线不变，改变用户程序。 用继电器控制要改变控制电路的实际接线。 KM Q FU FR M 3 继电器控制接线 PLC控制外部接线 输入 设备PLC SB1 SB2 FR KM 输出 设备 欲改变控制功能： 主电路 相同 例如 2、语句表编程语言 LD 00000 OR 01000 AND NOT 00001 OUT 01000
10、 00000 01000 0100000001 语句表程序 梯形图程序 3、顺序功能图 步1 步2 动作1 动作2 转换条件1 转换条件2 转换条件3 有向连线 转换 初始步 PLC上电 系统启动 1号工进I 1号工进II 1号快退 1号快进 2号快进 2号工进 2号快退 原位等待 压SQ1 快进到位 压SQ2 工进到位 压SQ3 工进到位 压SQ0 退到原位 快进到位 压SQ5 工进到位 压SQ6 退到原位 压SQ4 液压动力头工艺过程 01006和01007 ON 01005和01007 ON 01005和01006 ON 20000 00000 25315 TIM000 快进 快退 工进
11、 原位 等待 原位 等待 快退 20009 20008 20007 20006 01002和01003 ON 快进 00101 工进I 00102 工进II 01002、01003和01004 ON 00103 00100 00105 00106 00104 20005 20004 20003 20002 20001 01001、01002 ON 01001和01003 ON 功能表图 5.3 PLC的工作原理 一、等效电路图 SB1 SB2 ST 公共端公共端 输入部分 输出端子 输入端子 用户程序输出部分 主电路 KM FU FR M 3 Q KM 0500 PLC COM 0000 00
12、00 0001 0002 0000 0500 00010002 0500 COM 0001 0002 PLC SB1 SB2 KM SQ 0000 0001 0002 0500 COM COM KM 线圈通电 SB1闭合 0000 闭合 接点闭合 KM FU FR M 3 Q KM通电KM通电 触点闭合 电动机转 触点闭合 PLC COM 0000 0000 0001 0002 0000 0500 00010002 0500 COM 0500 0001 0002 SB2 ST PLC SB1 SB2 KM SQ 0000 0001 0002 0500 COM COM KM 线圈断电 0001
13、断开 接点断开 KM FU FR M 3 Q KM通电KM断电 触点断开 电动停转 触点断开 PLC COM 0000 0000 0001 0002 0000 0500 0001 0002 01000 COM 0500 0001 0002 SB2 ST PLC SB1 SB2 KM SQ 0000 0001 0002 0500 COM COM SB2闭合 输入采样程序执行输出刷新 v 工作方式：周期循环顺序扫描。 v 一个循环扫描过程称为扫描周期。 v 执行程序时，扫描是从第一条程序开始，在无中断或跳 转控制的情况下，按程序存储顺序的先后，逐条执行用户 程序，直到程序结束。 二、扫描工作方式
14、读 读 读 写 写 程序执行 输入采样 输出刷新 三、 PLC的工作过程 0501 0500 000000010500 输 入 端 子 输 入 电 路 用户输入设备 输入映像寄存器 输 出 电 路 输 出 端 子 元件映像寄存器 输出锁存器 用户输出设备 注意： PLC重复执行上述三个过程，每重复一次的时间 就是一个工作周期（或扫描周期）。 PLC在每次扫描中，对输入信号采样一次，对输 出信号刷新一次。这就保证了PLC在执行程序阶 段，输入映像寄存器和输出锁存寄存器的数据保 持不变。 (1) 其输入输出信号存在滞后，扫描周期越长，滞后就越严重 。 (2) 扫描周期除了执行用户程序所占用的时间外，还包括系统 管理操作占用的时间。 (3)如果考虑到I/O硬件电路的延时，PLC响应滞后比扫描原理滞 后更大。PLC I/O端子上的信号关系，只有在稳态（ON或OFF状态 保持不变）时才与设计要求一致。 v重要的结论：
