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1、PLC2-PLC2-个人版资料个人版资料第第2章章 可编程序控制器的组成和工作原理可编程序控制器的组成和工作原理 2.1 PLC的组成及各部件的作用的组成及各部件的作用2.2 PLC的输入与输出接口的输入与输出接口2.3 PLC的工作原理的工作原理2.4 PLC的编程语言的编程语言2.1 PLC的组成及各部件的作用的组成及各部件的作用1 PLC的硬件组成的硬件组成 PLC的硬件系统由主机、输入的硬件系统由主机、输入/输出扩展单元及外部输出扩展单元及外部设备组成。设备组成。PLCPLC基本单元基本单元PLC系统结构示意图系统结构示意图微处理器（微处理器（CPUCPU）运算器运算器控制器控制器输输
2、出出单单元元输输入入单单元元系系统统存存储储器器用用户户存存储储器器I/OI/O扩扩展展接接口口通通信信接接口口外部设备外部设备编程设备编程设备计算机计算机打印机等打印机等现场用户输出设备现场用户输出设备电磁阀电磁阀中间继电器中间继电器执行器执行器传感器传感器按钮、开关按钮、开关现场信号现场信号现场用户输入设备现场用户输入设备扩展设备扩展设备扩展单元扩展单元通讯模块通讯模块功能模块功能模块电源电源110V/220V市电市电可编程控制器由哪几部分组成？硬件硬件软件软件存储器存储器CPUI/O口口编程器编程器电源电源系统程序系统程序用户程序用户程序PLC主要组成部件及其主要作用如下主要组成部件及其
3、主要作用如下 ：1.中央处理器（中央处理器（Central Processing Unit,CPU） uCPU由微处理器和控制器组成，它可以实现逻辑运由微处理器和控制器组成，它可以实现逻辑运算和数学运算，协调控制系统内部各部分的工作算和数学运算，协调控制系统内部各部分的工作。 u控制器的作用是控制整个微处理器的各个部件有条不控制器的作用是控制整个微处理器的各个部件有条不紊的进行工作，它的基本功能就是从内存中读取指令和紊的进行工作，它的基本功能就是从内存中读取指令和执行指令。执行指令。 uPLC常用的常用的CPU有通用微处理器、单片机和位片式微有通用微处理器、单片机和位片式微处理器。通用微处理器
4、按其处理数据的位数可分为处理器。通用微处理器按其处理数据的位数可分为4位、位、8位、位、16位和位和32位等。位等。PLC大多用大多用8位和位和16位微处理器。位微处理器。控制器的主要功能有以下几点：控制器的主要功能有以下几点： （1）采集由现场输入装置送来的状态或数据，通过输入接口存入）采集由现场输入装置送来的状态或数据，通过输入接口存入输入映像寄存器或数据寄存器中，用扫描方式接收输入设备的状态输入映像寄存器或数据寄存器中，用扫描方式接收输入设备的状态信号，并存入相应的数据区信号，并存入相应的数据区(输入映像寄存器输入映像寄存器)。 （2）按用户程序存储器中存放的先后次序逐条读取指令，完成各
5、）按用户程序存储器中存放的先后次序逐条读取指令，完成各种数据的运算、传递和存储等功能，进行编译解释后，按指令规定种数据的运算、传递和存储等功能，进行编译解释后，按指令规定的任务完成各种运算和操作。的任务完成各种运算和操作。（3）把各种运算结果向外界输出。）把各种运算结果向外界输出。（4）监测和诊断电源以及）监测和诊断电源以及PLC内部电路工作状态和用户程序编程内部电路工作状态和用户程序编程过程中出现的语法错误。过程中出现的语法错误。 （5）根据数据处理的结果，刷新有关标志位的状态和输出状态寄）根据数据处理的结果，刷新有关标志位的状态和输出状态寄存器表的内容，响应各种外部设备（如编程器、打印机、
6、上位计算存器表的内容，响应各种外部设备（如编程器、打印机、上位计算机、图形监控系统、条码判读器等）的工作请求，以实现输出控制、机、图形监控系统、条码判读器等）的工作请求，以实现输出控制、制表打印或数据通信等功能。制表打印或数据通信等功能。2存储器存储器 PLC的存储器的存储器是存放程序和数据的地方。可编程序控是存放程序和数据的地方。可编程序控制器的存储器分为系统程序存储器和用户存储器。制器的存储器分为系统程序存储器和用户存储器。 系统程序存储器用系统程序存储器用于存放系统工作程序、模块化应用功于存放系统工作程序、模块化应用功能子程序、命令解释、功能子程序调用管理等程序及各能子程序、命令解释、功
7、能子程序调用管理等程序及各种系统参数，一般采用只读存储器种系统参数，一般采用只读存储器ROM（PROM）。）。 用户存储器用用户存储器用于存放用户编制的控制程序。分为随机于存放用户编制的控制程序。分为随机存储器（存储器（RAM）、光可擦写只读存储器（）、光可擦写只读存储器（EPROM）以）以及电可擦写只读存储器及电可擦写只读存储器（EEPROM）等。）等。 3输入输入/输出接口单元输出接口单元输入输出接口单元通常也称输入输出接口单元通常也称IO单元或单元或IO模块，模块，是是PLC与工业过程控制现场之间的连接部件与工业过程控制现场之间的连接部件 （1）专用编程器）专用编程器输入输入/输出扩展单
8、元是用来扩展输出扩展单元是用来扩展PLC的输入、输出点数的输入、输出点数 4输入输入/输出扩展单元输出扩展单元5编程装置编程装置（2）配有专用编程软件包的通用计算机系统）配有专用编程软件包的通用计算机系统 6电源电源PLC的电源是指把外部供应的交流电源经过整流、滤波、的电源是指把外部供应的交流电源经过整流、滤波、稳压处理后转换成满足稳压处理后转换成满足PLC内部的内部的CPU、存储器和、存储器和I/O接口等电路工作所需要的直流电源电路或电源模块接口等电路工作所需要的直流电源电路或电源模块 PLC配有各种通信接口，这些通信接口一般都带有通配有各种通信接口，这些通信接口一般都带有通信处理器信处理器
9、 7通讯接口通讯接口8外部设备接口及特殊模块外部设备接口及特殊模块外部设备接口是可编程序控制器主机实现人外部设备接口是可编程序控制器主机实现人机对话、机机对话、机机对话的通道机对话的通道 由由PLCPLC制造商固化在机内，用于控制制造商固化在机内，用于控制PLCPLC的运作。的运作。（1 1）系统管理程序）系统管理程序（2 2）用户指令解释程序）用户指令解释程序（3 3）标准程序模块及系统调用）标准程序模块及系统调用2 PLC的软件组成的软件组成1. 系统程序系统程序2. 用户程序用户程序 PLC的用户程序是用户利用的用户程序是用户利用PLC厂家提供的编厂家提供的编程语言，根据工业现场的控制目
10、的来编制的程序程语言，根据工业现场的控制目的来编制的程序 2.2 PLC的输入与输出接口的输入与输出接口1 PLC的开关量输入接口的开关量输入接口u开关量输入接口的作用是把现场的开关量开关量输入接口的作用是把现场的开关量信号转变成信号转变成PLC内部可处理的标准信号内部可处理的标准信号 直流输入接口直流输入接口 交流输入接口交流输入接口 u常用的开关量输入接口按其使用电源不同常用的开关量输入接口按其使用电源不同可以分成三种类型可以分成三种类型 ：交交/直流输入接口直流输入接口 直直流流输输入入交交流流输输入入光电耦合器光电耦合器二极管有电二极管有电流时发光，流时发光，致使光电三致使光电三极管导
11、通极管导通2 PLC的开关量的开关量输出输出接口接口 1. 晶体管输出型接口晶体管输出型接口 晶体管输出单元的驱动电路一般采用三极管进行驱晶体管输出单元的驱动电路一般采用三极管进行驱动放大，其输出方式一般为集电极输出，外加直流负载动放大，其输出方式一般为集电极输出，外加直流负载电源。电源。感性负感性负载续流载续流输出晶体管输出晶体管晶体管为无触点开关，输出单元使用寿命长，响应速度快。2. 继电器输出型接口继电器输出型接口可根据负载可根据负载的需要选用的需要选用直流或交流直流或交流输出继电器输出继电器3.晶闸管型输出电路晶闸管型输出电路 双向晶闸管双向晶闸管可根据负载可根据负载的需要选用的需要选
12、用交流交流 继电器控制系统：继电器控制系统： 硬逻辑并行运行的方式硬逻辑并行运行的方式计算机控制系统：计算机控制系统： 采用采用等待命令等待命令的工作方式，如键盘扫描方的工作方式，如键盘扫描方式或式或I/O扫描方式扫描方式可编程控制器控制系统：可编程控制器控制系统： 循环扫描工作方式循环扫描工作方式，即系统工作任务管理，即系统工作任务管理及应用程序执行都是按循环扫描方式完成的及应用程序执行都是按循环扫描方式完成的2.3 PLC的工作原理的工作原理输入部分：收集并保存被控对象实际运行的数据和信息。输入部分：收集并保存被控对象实际运行的数据和信息。逻辑部分：处理输入部分取得的信息，并按照被控对象实
13、际的动逻辑部分：处理输入部分取得的信息，并按照被控对象实际的动作要求作出反映。作要求作出反映。输出部分：提供正在被控制的许多装置中，哪几个设备需要实时输出部分：提供正在被控制的许多装置中，哪几个设备需要实时操作处理。操作处理。 输入部分输入部分PLC控制的指示灯控制电路控制的指示灯控制电路逻辑部分逻辑部分输出部分输出部分PLCPLC控制系统由控制系统由输入部分、逻辑部分和输出部分输入部分、逻辑部分和输出部分组成，组成，如图所示。各部分的功能为：如图所示。各部分的功能为： 可编程控制器工作原理可编程控制器工作原理开机开机内部处理内部处理通讯服务通讯服务输入刷新输入刷新程序执行程序执行输出刷新输出
14、刷新 可编程控制器在开机后，可编程控制器在开机后，完成内部处理、通信处理、完成内部处理、通信处理、输入刷新、程序执行、输出输入刷新、程序执行、输出刷新五个工作阶段，称为一刷新五个工作阶段，称为一个扫描周期。完成一次扫描个扫描周期。完成一次扫描后，又重新执行上述过程，后，又重新执行上述过程，可编程控制器这种周而复始可编程控制器这种周而复始的循环工作方式称为扫描工的循环工作方式称为扫描工作方式。作方式。 信号传递过程(从输入到输出)输输入入端端输输入入电电路路输输入入映映像像寄寄存存器器a.输入刷新阶段-CPU从输入电路的输出端读出各路状态，并将其写入输入映像寄存器；X0X1b.b.程序执行阶段程
15、序执行阶段 - CPU从输入映像寄存器和元从输入映像寄存器和元 件映像寄存器中读出各继电器的状态，并根据件映像寄存器中读出各继电器的状态，并根据 此状态执行用户程序，执行结果再写入元件映此状态执行用户程序，执行结果再写入元件映 像寄存器中；像寄存器中；c. 紧接着的输出刷新阶段-将输出映像寄存器的状态写入输出锁存电路，再经输出电路传递输出端子，从而控制外接器件动作。X0Y0Y0Y1元元件件映映像像寄寄存存器器读读写写输输出出锁锁存存器器输输出出电电路路输输出出端端Y0Y1读读写写内部处理内部处理通信服务通信服务输入处理输入处理程序执行程序执行输出处理输出处理开机开机 每每次次扫扫描描用用户户程
16、程序序之之前前，都都先先进进行行内内部部处处理理阶阶段段，即即故故障障自自诊诊断断。自自诊诊断断内内容容为为I0部部分分、存存储储器器、CPU等等，发发现现异异常常停停机机显显示示出出错错。若若自自诊诊断断正正常常，继继续续向向下下扫扫描。描。2PLC的工作过程的工作过程 PLCPLC检查是否有与编程检查是否有与编程器、计算机等的通信请求，器、计算机等的通信请求，若有则进行相应处理，如接若有则进行相应处理，如接收由编程器送来的程序、命收由编程器送来的程序、命令和各种数据，并把要显示令和各种数据，并把要显示的状态、数据、出错信息等的状态、数据、出错信息等发送给编程器进行显示。如发送给编程器进行显
17、示。如果有与计算机等的通信请求，果有与计算机等的通信请求，也在这段时间完成数据的接也在这段时间完成数据的接受和发送任务。受和发送任务。 内部处理内部处理通信服务通信服务输入处理输入处理程序执行程序执行输出处理输出处理开机开机 PLCPLC的的中中央央处处理理器器对对各各个个输输入入端端进进行行扫扫描描，将将所所有有输输入入端端的的状状态态送送到到输输入入映映象象寄存器。寄存器。 内部处理内部处理通信服务通信服务输入处理输入处理程序执行程序执行输出处理输出处理开机开机 中中央央处处理理器器CPUCPU将将逐逐条条执执行行用用户户指指令令程程序序，即即按按程程序序要要求求对对数数据据进进行行逻逻辑
18、辑、算算术术运运算算，再再将将正正确确的的结结果果送送到到输输出出状状态态寄寄存器中。存器中。内部处理内部处理通信服务通信服务输入处理输入处理程序执行程序执行输出处理输出处理开机开机 当当所所有有的的指指令令执执行行完完毕毕时时，集集中中把把输输出出映映象象寄寄存存器器的的状状态态通通过过输输出出部部件件转转换换成成被被控控设设备备所所能能接接受受的的电电压压或或电电流流信号，以驱动被控设备。信号，以驱动被控设备。 内部处理内部处理通信服务通信服务输入处理输入处理程序执行程序执行输出处理输出处理开机开机3. 扫描周期和响应时间扫描周期和响应时间 u扫描周期的长短主要取决于子以下几个因素扫描周期
19、的长短主要取决于子以下几个因素 CPU执行指令的速度执行指令的速度 执行每条指令占用的时间执行每条指令占用的时间 程序中指令条数的多少程序中指令条数的多少 u响应时间可以分为响应时间可以分为最短响应时间最短响应时间 最长响应时间最长响应时间 可编程控制器在运行工作状态时，执行一次扫描可编程控制器在运行工作状态时，执行一次扫描操作所需要的时间称为扫描周期。其典型值为操作所需要的时间称为扫描周期。其典型值为1100ms。 I/O滞后时间又称为系统响应时间，是指可编程控制器外部输入信号发生变化的时刻起至它控制的有关外部输出信号发生变化的时刻之间的间隔。不同厂家，不同型号的PLC的编程语言只能适应自己
20、的产品。IEC中的PLC编程语言标准中有五种编程语言：顺序功能图编程语言、梯形图编程语言、顺序功能图编程语言、梯形图编程语言、功能块图编程语言、指令语句表编程语言、结构文本功能块图编程语言、指令语句表编程语言、结构文本编程语言编程语言。最常用的就是梯形图编程语言梯形图编程语言和指令语句指令语句表编程语言表编程语言。2.4 PLC的编程语言的编程语言1. 梯形图语言梯形图语言(Ladder Diagram，LD) 2.4 PLC的编程语言的编程语言进行梯形图编程过程中涉及到以下几个基本概念：进行梯形图编程过程中涉及到以下几个基本概念： 能流能流 母线母线 软触点软触点 2 梯形图的特点梯形图的特
21、点梯形图设计语言有以下几个基本特点：梯形图设计语言有以下几个基本特点：1. PLC梯形图与电气操作原理图相对应，具有直观性梯形图与电气操作原理图相对应，具有直观性和对应性，并与传统的继电器逻辑控制技术相一致和对应性，并与传统的继电器逻辑控制技术相一致 2. 梯形图中的梯形图中的“能流能流”(Power Flow)不是实际意义的不是实际意义的电流，而是电流，而是“概念概念”电流，是用户程序解算中满足输电流，是用户程序解算中满足输出执行条件的形象表示方式出执行条件的形象表示方式 3. 梯形图中各编程元件所描述的常开触点和常闭触点梯形图中各编程元件所描述的常开触点和常闭触点可在编制用户程序时无限引用
22、，不受次数的限制，既可在编制用户程序时无限引用，不受次数的限制，既可常开又可常闭可常开又可常闭 4. 梯形图格式中的继电器与物理继电器是不同概念梯形图格式中的继电器与物理继电器是不同概念 5. 梯形图中输入继电器的状态唯一地取决于对应的外梯形图中输入继电器的状态唯一地取决于对应的外部输入电路的通断状态，因此在梯形图中没有输入继部输入电路的通断状态，因此在梯形图中没有输入继电器的线圈电器的线圈 6. 根据梯形图中各触点的状态和逻辑关系，可以求出根据梯形图中各触点的状态和逻辑关系，可以求出与图中各线圈对应的编程元件的与图中各线圈对应的编程元件的ONOFF状态，称状态，称为梯形图的逻辑解算为梯形图的
23、逻辑解算 7. 梯形图中的用户逻辑解算结果，马上可为后面用户梯形图中的用户逻辑解算结果，马上可为后面用户程序的解算所利用程序的解算所利用 8. 梯形图语言与其它程序设计语言有一一对应关系，梯形图语言与其它程序设计语言有一一对应关系，便于相互的转换和对程序的检查便于相互的转换和对程序的检查 2.2.功能块图功能块图 功能块图是一种类似于数字逻辑电路的编程语言，用类功能块图是一种类似于数字逻辑电路的编程语言，用类似与门、或门的方框来表示逻辑运算关系，方块左侧为逻辑似与门、或门的方框来表示逻辑运算关系，方块左侧为逻辑运算的输入变量，右侧为输出变量，输入端、输出端的小圆运算的输入变量，右侧为输出变量，
24、输入端、输出端的小圆点表示点表示“非非”运算，信号自左向右流动。运算，信号自左向右流动。 类似于电路一样，方框被类似于电路一样，方框被“导线导线”连接在一起。连接在一起。3.3.顺序功能图顺序功能图 顺序功能图常用来编制顺序控制程序，它包括步、顺序功能图常用来编制顺序控制程序，它包括步、动作、转换三个要素。顺序功能图法可以将一个复杂的动作、转换三个要素。顺序功能图法可以将一个复杂的控制过程分解为一些小的工作状态。对于这些小状态的控制过程分解为一些小的工作状态。对于这些小状态的功能依次处理后再把这些小状态依一定顺序控制要求连功能依次处理后再把这些小状态依一定顺序控制要求连接成组合整体的控制程序接
25、成组合整体的控制程序。4. 指令语言（指令语言（IL） PLC的指令是一种与微机的汇编语言中的指令相似的的指令是一种与微机的汇编语言中的指令相似的助记符表达式助记符表达式 。梯形图程序用指令语言编写如下：。梯形图程序用指令语言编写如下： 5. 结构文本（结构文本（ST）序号序号操作码操作码操作数操作数1LDX02ORM03ANIX14OUTY0结构文本是结构文本是IEC 61131-3创建的一种专用的高级编程创建的一种专用的高级编程语言，采用计算机的描述语句描述系统中各变量之语言，采用计算机的描述语句描述系统中各变量之间的各种运算关系，完成所需的功能或操作。间的各种运算关系，完成所需的功能或操
26、作。小 结uPLC是一种工业控制计算机，由硬件和软件组是一种工业控制计算机，由硬件和软件组成。硬件有成。硬件有CPU、存储器、输入输出接口、编程、存储器、输入输出接口、编程器、特殊功能模块等；软件由系统软件和用户器、特殊功能模块等；软件由系统软件和用户（应用）软件构成（应用）软件构成 u在系统程序的管理下，在系统程序的管理下，PLC以循环扫描的方式以循环扫描的方式通过运行应用程序，对控制要求进行处理判断，通过运行应用程序，对控制要求进行处理判断，并通过执行用户程序来实现控制任务并通过执行用户程序来实现控制任务 uPLC的编程语言有梯形图、状态转移图、功能的编程语言有梯形图、状态转移图、功能图块、指令语言和结构文本图块、指令语言和结构文本 结束结束
