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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输输出出设设备备输输入入设设备备 I/OI/O扩展扩展 单元单元 特殊功特殊功 能单元能单元主机主机输输出出单单元元输输入入单单元元 电电 源源外外设设接接口口I/O/O扩扩展展口口存存 储储 器器 系统程序系统程序 存储器存储器 C P U 用户程序用户程序 存储器存储器打印机打印
2、机EPROMEPROM写入器写入器 上位计算机上位计算机 PLCPLC编程器编程器PLCPLC硬件硬件CPUCPU1 1、中央处理器（、中央处理器（CPUCPU） 接收并存储用户程序和数据；接收并存储用户程序和数据； 诊断电源、诊断电源、PLCPLC工作状态及编程的语法错误；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；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；程序的各种操作； 将用户程序的执行结果送至输出端。将用户程序的执行结果送至输出端。 2 2、存储器、存储器 PLCP
3、LC的存储器用来存放程序和数据。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。程序又分为系统程序和用户程序。 存储区的分配：存储区的分配：1 1、系统程序存储器（区）（、系统程序存储器（区）（EPROMEPROM）2 2、用户程序存储器（区）（、用户程序存储器（区）（RAMRAM）3 3、变量（数据）存储器（区）、变量（数据）存储器（区）.1 1区区2 2区区3 3区区PLCPLC硬件硬件存储器存储器PLCPLC硬件硬件存储器存储器（1 1）系统程序存储器（区）系统程序存储器（区） 该存储器存放系统程序（系统软件）。系统程序是该存储器存放系统程序（系统软件）。系统程序是PLCPL
4、C研制者所编的程序，用来管理、协调研制者所编的程序，用来管理、协调PLCPLC各部分的各部分的工作，翻译、解释用户程序，进行故障诊断等，它是工作，翻译、解释用户程序，进行故障诊断等，它是决定决定PLCPLC性能的关键。性能的关键。 系统程序包括监控程序、解释程序、故障自诊断程系统程序包括监控程序、解释程序、故障自诊断程序、标准子程序库及其他各种管理程序等。序、标准子程序库及其他各种管理程序等。 系统程序由制造厂家提供，一般都固化在系统程序由制造厂家提供，一般都固化在ROMROM或或EPROMEPROM中，用户不能直接存取。中，用户不能直接存取。PLCPLC硬件硬件存储器存储器（2 2）用户程序
5、存储器（区）用户程序存储器（区） 该存储器存放用户程序（应用软件）。用户程序是该存储器存放用户程序（应用软件）。用户程序是用户为解决实际问题并根据用户为解决实际问题并根据PLCPLC的指令系统而编制的程的指令系统而编制的程序，它通过编程器输入，经序，它通过编程器输入，经CPUCPU存放入用户程序存储器存放入用户程序存储器。为便于程序的调试、修改、扩充、完善，该存储器。为便于程序的调试、修改、扩充、完善，该存储器早期采用早期采用RAMRAM，现多采用现多采用EEPROMEEPROM。（3 3）变量（数据）存储器（区）变量（数据）存储器（区） 变量存储器存放变量存储器存放PLCPLC的内部逻辑变量
6、，如内部继电器、的内部逻辑变量，如内部继电器、I/OI/O寄存器、定时器寄存器、定时器/ /计数器中逻辑变量的现行值等，计数器中逻辑变量的现行值等，这些现行值在这些现行值在CPUCPU进行逻辑运算时需随时读出、更新有进行逻辑运算时需随时读出、更新有关内容，所以，变量存储器也采用关内容，所以，变量存储器也采用RAMRAM。PLCPLC硬件硬件I/OI/O接口接口3 3输入输出接口（输入输出接口（I/OI/O） 是是CPUCPU与工业现场装置之间的连接部件。与工业现场装置之间的连接部件。小型小型PLCPLC，通常通常I/OI/O与含有与含有CPUCPU主板部分做为一体。主板部分做为一体。大中型大中
7、型PLCPLC，通常将通常将I/OI/O做成可供选取、扩充的标做成可供选取、扩充的标准模块，可以根据实际需要灵活选择。每个准模块，可以根据实际需要灵活选择。每个I/OI/O都有都有相应的工作指示灯。相应的工作指示灯。为了适应可编程控制器在工业生产现场的工作，对为了适应可编程控制器在工业生产现场的工作，对输入输出接口有二个主要的要求：输入输出接口有二个主要的要求：l 良好的抗干扰能力良好的抗干扰能力l 能满足工业现场各类信号的匹配要求能满足工业现场各类信号的匹配要求PLCPLC硬件硬件I/OI/O接口接口(1) (1) 输入接口输入接口 功能：采集现场信号，通过光电隔离转换成标准电平功能：采集现
8、场信号，通过光电隔离转换成标准电平送给送给PLCPLC内部电路。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。和交流两种。l 开关量信号：按钮、开关、继电器触头等开关量信号：按钮、开关、继电器触头等l 模拟量信号：电位器、测速发电机等模拟量信号：电位器、测速发电机等l 辅助电源：辅助电源：DC24VDC24V输入、输入、 DC12VDC12V输入、输入、ACAC输入输入l 对输入的模拟量，需进行模数（对输入的模拟量，需进行模数（A/DA/D）转换，才）转换，才能为能为CPUCPU所接受。所接受。PLCPLC硬件硬件I/OI/
9、O接口接口(2) (2) 输出接口输出接口 连接被控对象中的各类执行元件：接触器、电磁阀、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。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：为适应不同负载，输出方式有：l晶体管输出方式：驱动用于直流负载晶体管输出方式：驱动用于直流负载l晶闸管输出方式：驱动频繁动作的交晶闸管输出方式：驱动频繁动作的交/ /直流负载直流负载l继电器输出方式：驱动非频繁动作的交继电器输出方式：驱动非频繁动作的交/ /直流负载直流负载 PLCPLC的各种输出方式同样都要采用光电隔离。有些的各种输出方
10、式同样都要采用光电隔离。有些PLCPLC还具有模拟输出接口。还具有模拟输出接口。PLCPLC硬件硬件通讯及编程接口通讯及编程接口4 4、通讯及编程接口、通讯及编程接口采用采用RS-485RS-485或或RS-422RS-422串行总串行总线线连接专用编程器（连接专用编程器（FX-20PFX-20P、FX-10PFX-10P）；）；连接个人电脑（连接个人电脑（PCPC），），实现编程及在线监控；实现编程及在线监控；连接工控机连接工控机，实现编程及在线监控；实现编程及在线监控；连接网络设备（如调制解调器），实现远程通讯；连接网络设备（如调制解调器），实现远程通讯；连接打印机等计算机外设。连接打印机
11、等计算机外设。PLCPLC硬件硬件扩展接口扩展接口5 5、I/OI/O扩展接口扩展接口采用并行通讯方式采用并行通讯方式扩展扩展I/OI/O模块；模块；扩展位置控制模块（如扩展位置控制模块（如F2-30GMF2-30GM）；）；扩展通讯模块（如扩展通讯模块（如FX-232AWFX-232AW等）；等）；扩展模拟量控制模块（如扩展模拟量控制模块（如FX-2DAFX-2DA、FX-4ADFX-4AD等）。等）。PLCPLC硬件硬件电源电源6 6、 电源电源 可编程控制器的电源包括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可编程控制器各工作单元供电的开关电源 * *
12、 为掉电保护电路供电的后备电源，一般为电池为掉电保护电路供电的后备电源，一般为电池 PLCPLC由开关式稳压电源为内部电路供电。由开关式稳压电源为内部电路供电。 电源模块：电源模块：* * 可为可为CPUCPU板、板、I/OI/O板及扩展单元提供工作电源。板及扩展单元提供工作电源。* * 有的有的PLCPLC能向外部提供能向外部提供24V24V的直流电源，可作为的直流电源，可作为输入单元连接的外部设备的电源输入单元连接的外部设备的电源。 其他部件其他部件可编程控制器一般可配备的外部设备：可编程控制器一般可配备的外部设备： 编程器编程器l 用于用户程序的编制、编辑、调试、检查和监视，用于用户程序
13、的编制、编辑、调试、检查和监视，还可调用与显示还可调用与显示PLCPLC的一些内部状态和系统参数。的一些内部状态和系统参数。l 编程器：编程器：便携式：体积小、重量轻、便于现场使用，只能便携式：体积小、重量轻、便于现场使用，只能联机编程。联机编程。CRTCRT智能式（图形编程器）：体积大、价格贵、不智能式（图形编程器）：体积大、价格贵、不便于现场使用，既可联机又可脱机编程。便于现场使用，既可联机又可脱机编程。l 编程器是专用的，不同型号编程器是专用的，不同型号PLCPLC都有自己专用编程都有自己专用编程器。多台同型号器。多台同型号PLCPLC可只配一个编程器。可只配一个编程器。 编程器编程器
14、盒式磁带机，用以记录程序或信息盒式磁带机，用以记录程序或信息 打印机，用以打印程序或制表打印机，用以打印程序或制表 EPROMEPROM写入器，用以将程序写入用户写入器，用以将程序写入用户EPROMEPROM中中 高分辨率大屏幕彩色图形监控系统，用以显示或监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视有关部分的运行状态编程器编程器 其他部件其他部件第二节第二节 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系统软件系统软件 运行管理运行管理 生成用户环境生成用户环境系统内部自检系统内部自检系统管理程序系统管理程序 用户指令解释程序用户指令解释程序标准程序模块、系
15、统调用标准程序模块、系统调用用户程序用户程序指令表指令表顺序功能流程图顺序功能流程图软件系统软件系统一、一、PLCPLC软件系统组成软件系统组成梯形图梯形图二、二、PLCPLC的编程语言的编程语言 顺序功能图顺序功能图 梯梯 形形 图图 指指 令令 表表l梯梯形形图图编编程程语语言言：在在继继电电器器控控制制线线路路的的基基础础上上简简化化了了符符号演变而来（图形编程）。号演变而来（图形编程）。l梯形图具有形象、直观、实用、电气人员容易接受的特梯形图具有形象、直观、实用、电气人员容易接受的特点，是目前用得最多的一种点，是目前用得最多的一种PLCPLC编程语言。编程语言。 l继电器原理图与梯形图
16、中所用图符的对比关系继电器原理图与梯形图中所用图符的对比关系 1. 1. 梯形图编程语言梯形图编程语言 物理继电器物理继电器 PLC继电器继电器常开常开常闭常闭 触触 点点线线 圈圈000005000500PLC控制控制0001SB2KMKM继电器继电器 控控 制制SB1 2. . 两种控制的梯形图比较两种控制的梯形图比较物理继电器物理继电器继电器需硬接线连接继电器需硬接线连接触点个数有限触点个数有限PLC继电器继电器继电器用程序软连接继电器用程序软连接触点个数无限触点个数无限继电器的接线改变继电器的接线改变控制功能改变控制功能改变PLC的用户程序改变的用户程序改变 控制功能改变控制功能改变
17、3. . 两种控制中继电器的区别两种控制中继电器的区别用用PLC控制控制外部接线不变，改变用户程序。外部接线不变，改变用户程序。用继电器控制用继电器控制要改变控制电路的实际接线。要改变控制电路的实际接线。 欲改变控制功能：欲改变控制功能：SB1SB2KMFRKM 继电器控制接线继电器控制接线 PLC控制外部接线控制外部接线PLCSB1SB2KM主电路主电路 相同相同例例如如KMQFU FR M 3 2 2、指令表、指令表v指令语句表编程是用一个或几个字符来代表可编程控制指令语句表编程是用一个或几个字符来代表可编程控制器的某种操作功能。器的某种操作功能。v指令语句的组成指令语句的组成 操作码操作
18、数操作码操作数 操作码：指定要执行的功能，即操作码：指定要执行的功能，即CPUCPU应进行的操作。应进行的操作。操作数：包含执行该操作所需的信息，即操作数：包含执行该操作所需的信息，即CPUCPU应用什应用什么地方的东西来执行此操作。么地方的东西来执行此操作。v不同厂家的不同厂家的PLCPLC使用的操作码助记符不同。使用的操作码助记符不同。0000050005000001LD 0000OR 0500 AND NOT 0001OUT 0500 梯形图程序梯形图程序 语句表程序语句表程序 多条指令语句的组合构成了语句表多条指令语句的组合构成了语句表 程序程序3 3、顺序功能流程图编程：、顺序功能流
19、程图编程：v用功能图来表达一个顺序控制过程。用功能图来表达一个顺序控制过程。功能表图的组成：功能表图的组成： 步步、有有向向连连线线、转转换换条条件、动作说明。件、动作说明。 1 1启动启动压压ST1ST1 2 2压压ST2ST2 3 3 工进工进车停原位车停原位 快退快退 快进快进压压ST3ST3 4 4正正在在执执行行的的步步叫叫活活动动步步，当当前前一一步步为为活活动动步步且且转转换换条条件件满满足足时时，启启动动下下一一步步并终止前一步。并终止前一步。 SB2SQSB1输入部分输入部分用户程序用户程序输出部分输出部分KM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一、一、
20、PLCPLC控制系统的等效工作电路控制系统的等效工作电路0500PLCCOM000000000001000200000500000100020500COM000100021 1、输入部分、输入部分 由外部输入电路、由外部输入电路、PLCPLC输入接线端子和输入继电器组成。输入接线端子和输入继电器组成。 在在PLCPLC内部，与输入端子相连的输入继电器是内部，与输入端子相连的输入继电器是 “软继电软继电器器”（即存储器基本单元中的某一位），采用八进制编号，（即存储器基本单元中的某一位），采用八进制编号，可提供无数个常开和常闭触点供可提供无数个常开和常闭触点供PLCPLC内部控制电路编程使用。内部
21、控制电路编程使用。 输入继电器只能由现场的输入元件（开关、按钮等）信输入继电器只能由现场的输入元件（开关、按钮等）信号驱动，不能用程序驱动。故梯形图中只能使用输入继电号驱动，不能用程序驱动。故梯形图中只能使用输入继电器触点，不能使用输入继电器线圈。器触点，不能使用输入继电器线圈。 输入继电器线圈的输入继电器线圈的“得电得电”即将外部输入元件的状态写即将外部输入元件的状态写入对应的基本单元中。入对应的基本单元中。2 2、内部控制电路、内部控制电路 指由用户程序（梯形图或指令语句）形成的用指由用户程序（梯形图或指令语句）形成的用“软继电软继电器器”来代替硬继电器的控制逻辑。来代替硬继电器的控制逻辑
22、。作用：按照用户程序规定的逻辑关系，对输入信号和输作用：按照用户程序规定的逻辑关系，对输入信号和输出信号的状态进行检测、判断、运算和处理，然后得到相出信号的状态进行检测、判断、运算和处理，然后得到相应输出。应输出。3 3、输出部分、输出部分 输输出出部部分分由由PLCPLC内内部部与与内内部部控控制制电电路路隔隔离离的的输输出出继继电电器器的的外外部部常常开开触触点点、输输出出接接线线端端子子和和外外部部驱驱动动电电路路组组成成。用来驱动外部负载。用来驱动外部负载。 在在PLCPLC内内部部，外外部部输输出出触触点点与与输输出出端端子子相相连连，向向外外部部负负载载输输出出信信号号，且且一一个
23、个输输出出继继电电器器只只有有一一个个常常开开型型外外部部输出触点。输出触点。 输输出出继继电电器器有有无无数数个个内内部部常常开开和和常常闭闭触触点点，编编程程时时可可随意使用。随意使用。二、二、PLCPLC的工作方式及工作过程的工作方式及工作过程v 工作方式：周期循环工作方式：周期循环顺序扫描顺序扫描v一个循环扫描过程称为扫描周期。扫描过程分为三个阶一个循环扫描过程称为扫描周期。扫描过程分为三个阶段进行：段进行：输入采样输入采样程序执行程序执行输出刷新输出刷新输入采样输入采样程序执行程序执行输出刷新输出刷新一个扫描周期一个扫描周期Y0Y1Yn输输入入映映像像寄寄存存器器采样采样元元素素映映
24、像像寄寄存存器器写写写写读读X0Y0Y0M0输输出出锁锁存存电电路路输输出出端端子子输输入入端端子子读读 PLCPLC的工作过程的工作过程X0X1Xn刷新刷新PLCPLC具体工作过程如下：具体工作过程如下：1 1、输入采样阶段、输入采样阶段 PLCPLC以扫描方式按顺序将所有输入端的输入信号状态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（开或关、即ONON或或OFFOFF、“1 1”或或“0 0”）读入到输入）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。映像寄存器中寄存起来，称为对输入信号的采样。接着转入程序执行阶段，在程序执行期间，即使输入接着转入程序执行阶段，在程序执
25、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。被重新读入。 2 2、程序执行阶段、程序执行阶段程序执行阶段，程序执行阶段，PLCPLC对程序按顺序进行扫描。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；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
26、元件映像寄存器中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；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。动态变化。3 3、输出刷新阶段、输出刷新阶段将元件映像寄存器中所有输出继电器的状态转存到输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），这就出锁存寄存器，再去驱动用户输出设备（负载），这就是是PLCPLC的实际输出。的实际输出。注意：注意： PLCPLC重复执行上述三个过程，每重复一次的时间就是重复执行
27、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）。一个工作周期（或扫描周期）。 PLCPLC在每次扫描中，对输入信号采样一次，对输出信在每次扫描中，对输入信号采样一次，对输出信号刷新一次。这就保证了号刷新一次。这就保证了PLCPLC在执行程序阶段，输入映在执行程序阶段，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。像寄存器和输出锁存寄存器的内容或数据保持不变。1 1、输入映像寄存器的数据，取决于输入端子在该工作周期的、输入映像寄存器的数据，取决于输入端子在该工作周期的输入采样阶段所刷新的状态。输入采样阶段所刷新的状态。2 2、输出映像寄存器的状态由程序输出指令的执行结果确定。、输出映像寄存器的状态由程序输出指令的执行结果确定。3 3、输出锁存电路中的数据，由上一个工作周期的输出刷新阶、输出锁存电路中的数据，由上一个工作周期的输出刷新阶段存入到输出锁存电路中的数据确定。段存入到输出锁存电路中的数据确定。4 4、输出端子板上各输出端的、输出端子板上各输出端的ON/OFFON/OFF状态，由输出锁存器的内状态，由输出锁存器的内容来确定；容来确定；5 5、程序执行中所需的输入、输出状态，由输入映像寄存器和、程序执行中所需的输入、输出状态，由输入映像寄存器和输出映像寄存器读出。输出映像寄存器读出。三、三、PLCPLC对输入对输入/ /输出的处理规则：输出的处理规则：
