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1、第二章 可编程控制器的硬件构成 及工作原理,2.1 可编程控制器的硬件构成 2.2 可编程控制器的工作原理,2.1 可编程控制器的硬件构成,2.1.0可编程序控制器的物理结构 2.1.1 CPU模块 2.1.2 输入输出接口电路 2.1.3 电源 2.1.4 外部设备,可编程序控制器的物理结构,一 、整体式,CPU模块，输入输出模块和电源装在一个箱状机壳内。 适用于小型PC，它包括基本单元和扩展单元,二 、 模块式结构,把PLC的每个工作单元都制成独立的模块，如CPU模 块、输入模块、输出模块、电源模块、通讯模块等等。,另外机器有一块带有插槽的母板，实质上就 是计算机总线。模块插座插在框架中的
2、总线连 接板上，就构成了一个完整的PLC。,模块式,由框架和模块组成，模块插在模块插座上，模块插座焊在框架中的总线连接板上。,特点：,系统构成非常灵活，安装、扩展、,维修都很方便。,缺点是体积比较大。,三、叠装式结构,单元式和模块式相结合的产物, 把某一系列,PLC工作单元的外形都作成外观尺寸一致的，CPU、 I/O口及电源也可做成独立的，不使用模块式PLC 的母板，用电缆联接各个单元，在控制设备中安 装时一层层地叠装，这就是叠装式PLC。,可编程序控制器的基本结构及工作原理,2.1.1 CPU模块,接受、存储用户程序；,按扫描工作方式接收来自输入单元的数据和信息，并存入相,应的数据存储区；,
3、执行监控程序和用户程序，完成数据和信息的逻辑处理，产 生相应的内部控制信号，完成用户指令规定的各种操作；,响应外部设备的请求。,CPU是PLC的运算控制中心，它在系统程序的控制下，完成逻辑运 算、数学运算、协调系统内部各部分的工作，其具体作用是：,CPU模块（中央处理器+存储器）,CPU模块,微处理器 存储器,一、微处理器,（1）通用处理器：8086、80286、80386,（2）单片机芯片：8031、8096,（3）位片式微处理器：AMD-2900,RAM存 放 用户程序,2.1.1 CPU模块 存储器用于存放系统程序、用户程序和运行中的数据。包括只读 存储器(ROM)和随机存取存储器(RA
4、M)。 RAM： 随机存储器，可读可写，没有断电保持功能。 ROM：只读存储器，只读，不能写。 EPROM：可擦除程序的只读存储器，用紫外线照射芯片上的透 镜窗口，可以擦除已写入的内容，而写入新的程序。 EEPROM：可电擦除的只读存储器，兼有ROM的非易失性和 RAM的随机存取的优点。,ROM存 放 系统程序,2.1.2,输入输出接口,输入输出接口是PLC与工业控制现场各类信号连接的部分。 输入接口用来接受生产过程的各种参数（输入信号）。 输出接口用来送出可编程控制器运算后得出的控制信息（输出 信号），并通过机外的执行机构完成工业现场的各类控制。 为了适应可编程控制器在工业生产现场的工作，对
5、输入输出接口 有二个主要的要求： 良好的抗干扰能力 能满足工业现场各类信号的匹配要求,2.1.2,输入输出接口,可编程控制器为不同的接口需求设计了不同的接口单元： 开关量输入接口 其作用是把现场的开关量信号变成可编程控制器 内部处理的标准信号。 开关量输入接口按可接纳的外部信号电源的类型不同，分为直流输 入单元和交流输入单元。 开关量输出接口 其作用是把可编程内部的标准信号转换成现场执行 机构所需的开关量信号。 开关量输出接口按可编程控制器机内使用的器件不同，分为继电器 型、晶体管型和可控硅型。,1开关量输入接口,图2.3,直流开关量输入单元,2.1.2,输入输出接口,光耦合器,PLC内 部电
6、路,LED,C,R2,R1,VD 电源,输入接口的接线方式（汇点式）,输入电路的连接,2.1.2,输入输出接口,图2.4,NPN PNP 传感器输入接线,FX系列PLC,NPN 传感器输入接线,2.1.2,输入输出接口,开关量输出接口 开关量输出接口，其作用是把PLC的内部信号转换成现场执行机 构的各种开关信号。 考虑负载的驱动电源时，还需选择输出器件的类型。 继电器型的输出接口，可用于交流及直流两种电源，接通和断开 的频率低，带负载能力强； 晶体管型的输出接口有较高的接通断开频率，但只适用于直流驱 动的场合； 可控硅型的输出接口仅用于交流驱动的场合，适用快速、频繁动作 和大电流的场合。,输出
7、电路原理,输出接口接线方式（分组式）,PLC的输出接口,2.1.2,输入输出接口,图2.7,2.1.3 电源,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,2.1.4 外部设备,可编程控制器一般可配备的外部设备：,编程器,编程器 盒式磁带机，用以记录程序或信息 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,2.2 可编程控制器的工作原理,2.2.1 扫描工作方式,2.2.2 程序执行过程,2.2.3 输入输出的处理规则,2.2
8、.4 信息刷新方式,2.2.5 输入输出滞后时间,可编程序控制器的基本结构,可编程序控制器的工作原理,一、 PLC 的工作状态：,运行状态 (RUN):,输入处理 执行程序 输出处理 内部处理 通讯处理,停止状态(STOP):,内部处理 通讯处理,可编程序控制器的工作原理,PLC 的工作特点,输入信号集中批量处理 输出信号集中批量处理 程序集中执行,PLC 的工作过程,扫描工作方式,2.2.1 扫描工作方式 扫描工作方式的特点：, 简单直观，简化了程序的设计，并为PLC的可靠运行提供,了保证；, 所扫描到的指令被执行后，其结果马上就可以被将要扫描,到的指令所利用；, 系统监视定时器WDT可监视
9、每次扫描的时间，并在每个扫 描周期内都要对WDT进行复位操作。如果系统的硬件或用 户软件发生了故障，WDT就会超时自动报警，并停止PLC的 运行，从而避免了程序进入死循环的故障。,2.2.2 程序执行过程,输入采样阶段：, PLC以扫描方式按顺序将所有输入端的输入信号状态（开或 关、即ON或OFF、“1”或“0”）读入到输入映像寄存器中寄存,起来，称为对输入信号的采样，或称输入刷新。, 接着转入程序执行阶段，在程序执行期间，即使输入状态变,化，输入映像寄存器的内容也不会改变。输入状态的变化只 能在下一个工作周期的输入采样阶段才被重新读入。,2.2.2 程序执行过程,程序执行阶段：,程序执行阶段
10、，PLC对程序按顺序进行扫描；,如果程序用梯形图表示，则总是按先左后右、先上后下的顺序进行,扫描；,每扫描到一条指令时，所需要的输入元件状态或其它元件的状态分 别由输入映像寄存器和元件映像寄存器中读出，而将执行结果写入 到元件映像寄存器中；,元件映像寄存器中寄存的内容，随程序执行的进程而动态变化。,2.2.2 程序执行过程,输出刷新阶段：,程序执行完后，进入输出刷新阶段。此时，将元件映像寄存器中所 有输出继电器的状态转存到输出锁存寄存器，再去驱动用户输出设备 （负载），这就是PLC的实际输出。,扫描周期：,PLC重复执行上述扫描过程，每重复一次的时间就是一个工作周期 （或扫描周期）。工作周期的
11、长短与程序的长短、指令的种类和CPU执 行的速度有关。一个扫描过程中，执行指令程序的时间占了绝大部分。 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 内容或数据保持不变。, 扫描周期典型值为1100ms,扫描周期与用户程序长短，指令种类，cpu执行指令的速度有关,2.2.3,输入输出的处理规则, 输入映像寄存器的数据，取决于输入端子在输入采样阶段所刷新 的状态； 输出映像寄存器的状态，由程序中输出指令的执行结果决定； 输出锁存寄存器中的数据，由上一个工作周期输出刷新阶段存入 到输出锁存电路中的数据来确定； 输出端
12、子的输出状态，由输出锁存寄存器中的数据来确定； 程序执行中所需的输入、输出状态（数据），从输入映像寄存器 或输出映像寄存器中读出。,2.2.4,信息刷新方式,信息刷新的方式有多种。一般来说，输入刷新是在输入采样 阶段进行，输出刷新是在输出采样阶段进行。 有的PLC其信息刷新的方式则与上述不同，输入刷新除了在 输入采样阶段进行外，在程序执行阶段每隔一定时间还要刷新一 次。同样，输出刷新除了在输出处理阶段进行外，在程序执行阶 段，凡是程序中有输出指令的地方，该指令执行后又立即进行一 次输出刷新。这种形式的PLC尤其适合于输入输出要求快速响应 的场合。,2.2.5 输入输出滞后时间, 输入输出滞后时
13、间又称为系统响应时间，是指从PLC外部输,入信号发生变化的时刻起至它所控制的有关外部输出信号发生 变化的时刻止之间的时间间隔。, 输入输出滞后时间由输入电路的滤波时间、输出模块的滞后,时间和因扫描工作方式产生的滞后时间三部分所组成。, 输入模块的RC滤波电路用来滤除由输入端引起的干扰噪声，,消除因外接输入触点动作时产生抖动引起的不良影响。滤波时 间常数决定了输入滤波时间的长短,其典型值为10ms左右。,2.2.5 输入输出滞后时间,输出模块的滞后时间与模块开关元件的类型有关：, 继电器型输出电路的滞后时间一般最大值在10ms左右。, 双向可控硅型输出电路的滞后时间在负载被接通时的滞后时,间约为1ms，负载由导通到断开时的最大滞后时间为10ms。, 晶体管型输出电路的滞后时间一般在1ms左右。,
