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1、第二章第二章 PLCPLC的结构与工作原理的结构与工作原理计算机科学与工程学院第2 章 可编程控制器的结构及工作原理 2.1 可编程控制器的硬件系统2.2 可编程控制器的软件及编程语言2.3 可编程控制器的工作原理2.4 CPM-2A系统配置2.5 PLC中的几个基本概念 思考题与习题二 第2 章 可编程控制器的结构及工作原理 2.1 可编程控制器的硬件系统 PLC实质上是一种工业控制计算机, 只不过它比一般计算机具有更强的与工业过程相连接的接口和更直接的适应于控制要求的编程语言,故PLC与计算机的组成十分相似。从硬件结构看, 它也有中央处理器(CPU)、存储器、输入/输出(I/O) 接口、电
2、源等, 其硬件结构如图2 - 1所示。 第2 章 可编程控制器的结构及工作原理 图2 - 1 PLC的硬件结构框图 第2 章 可编程控制器的结构及工作原理 图2. 1 PLC的基本组成输出设备输入设备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的基本组成框图组合式 PLC的基本组成框图系 统 总 线通信单元控 制 系 统 现 场 过 程CPU 单元输出单元编程器PLC或 上位计算机智能I/O单元输入单元 输入并存储用户程序、
3、显示输入内容和地址；CPU指挥PLC完成各种预定的功能 检查、校验用户程序，发现错误即报警； 执行用户程序、驱动外部输出设备动作； 诊断故障、记忆故障信息并报警。1. CPU单元系统程序存储器 存储系统系统程序用户程序存储器 存储系统用户程序工作数据存储器 存储工作数据2. 存储器PLC与外部设备联系的桥梁开关量输入单元开关量输出单元直流输入单元交流输入单元晶体管输出单元晶闸管输出单元继电器输出单元3. 输入/输出单元直流输入电路COM+5VLEDSR3R1AR2CT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+5VAR2TCOMSCR1内 部
4、 电 路R3滤波 光电耦合 输入点的 状态显示 外部开关 输入点 晶体管输出电路COMT2 LEDDFU+5V内 部 电 路T1R1R2R3负载光电耦合 输出点的 状态显示 公共端 输出点 晶闸管输出电路COMLEDR2CTFU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COMLEDJR内 部 电 路负载输出点的 状态显示 继电器 机械 触点 公共端 输出点 PLC由开关式稳压电源为内部电路供电抗干扰性能好有的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开关电源输入电压范围宽体积小重量轻效率高4. 电源单元I/O扩展端口5. I/O
5、扩展端口C28PI/O扩展端口CPM1A的外设端口和I/O扩展端口I/O扩展单元A/D转换单元I/O扩展端口可以连接的设备举例I/O扩展端口连接扩展器的示意图CPM1A主机与I/O扩展器的连接主机I/O扩展器连接电缆6. 外设端口外设端口盒式磁带机 打印机 EPROM写入器上位计算机PLC可编程终端PT编程器编程器是对PLC进行操作的工具专 用 编 程 器在装有专用编程软件的计算机上编程简易编程器 直插式、便携式 计算机辅助编程图形编程器7. 编程工具显示屏工作方式 选择开关编程位主机监控位运行位编程器键盘指令键数字键编辑键清除键键盘显示屏工作方式 选择开关CPM1A主机与编程器的连接CPM1
6、A主机与编程器的连接计算机编程 软件PLC专用电缆计算机编程 软件PLC通 信 适配器RS-232电缆智能单元本身是一个独立的系统CPU、系统程序、存储器、与外界相连的接口它们有自己的：对组合式PLC：智能单元是PLC系统的一个模块 与CPU单元通过系统总线相连接 在CPU单元的协调管理下独立地进行工作对整体式PLC：主机通过I/O扩展接口与智能单元连接8. 智能单元第2 章 可编程控制器的结构及工作原理 2.2 可编程控制器的软件及编程语言 2.2.1 PLC的软件系统1. 系统软件1) 系统管理程序2) 用户指令解释程序3) 标准程序模块和系统调用2. 用户程序2.2.2 PLC的编程语言
7、1. 梯形图编程3. 顺序功能流程图编程2. 指令语句表编程顺序功能流程图编程(SFC)是一种较新的编程方法。它 的作用是用功能图来表达一个顺序控制过程。梯形图表达式是在原电器控制系统中常用的接触器、 继电器梯形图基础上演变而来的。它的最大优点是形象、 直观和实用,为广大电气技术人员所熟知, 是PLC的主要编程 语言。指令语句表语言类似于微机中的助记符语言。它是可 编程控制器最基础的编程语言。 所谓指令语句表编程, 是 用一个或几个容易记忆的字符来代表可编程控制器的某种 操作功能。2.2.2 PLC的编程语言逻辑功能图梯 形 图逻辑方程式语 句 表1. 梯形图编程语言两种梯形图的继电器符号图对
8、照物理继电器 PLC继电器常开常闭触 点线 圈梯形图编程语言是一种图形语言 000000100001000PLC控制00001SB2 KMKM继电器 控 制SB12. 两种控制的梯形图比较线圈线圈常开触点常开触点常闭触点常闭触点图示是用OMRON公司CPM1型机的自保持电路梯形图。这里 01000的触点与启动触点00000并联。当00000接通, 01000工作 后, 01000线圈可由自己的触点保持。若00001通, 则01000断。 物理继电器继电器需硬接线连接触点个数有限PLC继电器继电器用程序软连接触点个数无限继电器的接线改变控制功能改变PLC的用户程序改变 控制功能改变3. 两种控制
9、中继电器的区别二、 语句表编程语言用助记符表示指令的功能多条指令语句的组合构成了语句表 程序指令语句是PLC用户程序的基础元素LD 00000 OR 01000 AND NOT 00001 OUT 0100000000010000100000001梯形图程序 语句表程序 第2 章 可编程控制器的结构及工作原理 PLC的指令语句为操作码操作数 或 操作码标识符参数其中, 操作码用来指定要执行的功能,告诉CPU应该进行什 么操作; 操作数内包含执行该操作所必需的信息,告诉CPU用什 么地方的东西来执行此操作。具体指令的说明在后面的章节有 详细的介绍。 表2-1是图2-2所示梯形图相对应的指令表。
10、第2 章 可编程控制器的结构及工作原理 2.3 可编程控制器的工作原理 2.3.1 PLC控制系统的等效工作电路PLC控制系统的等效工作电路可分为三部分, 即输入部分、 内部控制电路和输出部分。输入部分采集输入信号, 输出部分就是系统的执行部件。这两部分与继电器控制电路相同。 内部控制电路通过编程方法实现控制逻辑, 用软件编程代替继电器电路的功能。其等效工作电路如图5 - 4所示。 第2 章 可编程控制器的结构及工作原理 图 2 - 4 PLC控制系统的等效工作电路 第2 章 可编程控制器的结构及工作原理 5.3.2 扫描工作方式这种分时操作的过程称为CPU对程序的扫描。扫描是一种形象化的术语
11、, 用作描述CPU是如何完成分配给它的各种任务 的方式。 扫描从0000号存储地址所存放的第一条用户程序开始, 在无中断或跳转控制的情况下,按存储地址号递增的方向顺序 逐条扫描用户程序,也就是顺序逐条执行用户程序, 直到程序 结束。每扫描完一次程序就构成一个扫描周期, 然后再从头 开始扫描, 并周而复始地重复。第2 章 可编程控制器的结构及工作原理 5.3.3 PLC的工作过程PLC的工作过程就是程序执行过程。PLC投入运行后, 便进入程序执行过程。 它分为三个阶段进行, 即输入采样(或输入处理)阶段、程序执行(或程序处理)阶段和输出刷新(或输出处理)阶段, 如图5-5所示。 第2 章 可编程
12、控制器的结构及工作原理 图 2 - 5 PLC程序执行的过程 读读读写写执行用户程序 I/O刷新 I/O刷新I/O刷新 I/O刷新PLC执行用户程序的过程010010100000000 00001 01000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第2 章 可编程控制器的结构及工作原理 2.3.4 PLC对输入/输出的处理规则总结上面分析的程序执行过程, 可以得出PLC对输入输出的处理规则, 如图2-6所示。对应于图中的数字标号说 明如下: 图 2 - 6 PLC对输入/输出的处理规则 第2 章 可编程控制器的结构及
13、工作原理 2.4 OMRON公司CPM2A型机的系统配置2.4.1 CPM2A型机的系统组成用OMRON公司CPM2A型机组成PLC控制系统, 最小配置为一台基本单元和一台编程器。在整体式PLC中, 输入、输出继电器的点数及接线端子是固定的。因此,首先应当明确哪些外部端子是可用的。 第2 章 可编程控制器的结构及工作原理 第2 章 可编程控制器的结构及工作原理 内部继电器区（IR）特殊辅助继电器区（SR）暂存继电器区（TR）保持继电器区（HR）辅助记忆继电器区（AR）链接继电器区（LR）定时器/计数器区（TC）数据存储区（DM）第2 章 可编程控制器的结构及工作原理 CPM1A内部器件的编号内
14、部器件以通道形式的编号通道编号为2、3、4位数不等每个通道内有16个继电器（0015）例：某继电器的编号为01006。则：该继电器的通道编号为010、位编号为06。第2 章 可编程控制器的结构及工作原理 1. 内部继电器区（IR）IR 区 （000231）分为 两 部 分输入/输出继电器区：000019 (可以直接对外输出）内部辅助继电器区: 200231(不能直接对外输出)000、001 ：用于主机的输入通道的编号002009 ：I/O 扩展单元的输入通道编号010011 ：用于主机的输出通道的编号012019 ： I/O 扩展单元的输出通道编号没被使用的IR通道，可作为内部辅助继电器使用。
15、第2 章 可编程控制器的结构及工作原理 输入18点30点主机 输出12点输入12点输出8点扩展器输入12点输出8点扩展器输入12点输出8点扩展器例：30点的主机，连接三个20点的扩展器。其I/O点编号分配：0000000011010000100700100001050110001103002000021101200012070030000311013000130700400004110140001407第2 章 可编程控制器的结构及工作原理 2. 特殊辅助继电器区（SR）SR区（231255）分为前、后两部分232251 ：常以通道为单位使用252255 用于存储工作状态、产生脉冲信号等。232249 没作表中指定功能时，可作内辅助继电器用250、251 只能按表中的功能使用，不能另作他用。除25200外，252255 的状态只可利用、不可改变。前后第2 章 可编程控制器的结构及工作原理 3. 暂存继电器区（TR）4. 保持继电器区（HR）该区继电器（HR00HR19）编号要冠以HR。该区继电器（TR0TR7）编号要冠以TR。用于存储梯形图中分之点之前的 ON/OFF 状态。同一程序中，某一编号的TR继电器不可重复使用。保持继电器具有掉电保持功能。该区继电器可以通道或位为单位使用。第2 章 可编程控制器的结构及工作原理 5. 辅
