第3章 可編程控制器組成及工作原理

1、1第第3 3章章 可編程控制器組成與可編程控制器組成與工作原理工作原理v可編程控制器的組成v可編程控制器的工作原理v可編程控制器的編程語言23-1 可編程控制器的組成 中央處理單元（中央處理單元（CPU）、存儲器、輸入輸出電路、外部）、存儲器、輸入輸出電路、外部設備接口、電源幾大部分組成設備接口、電源幾大部分組成 .3 一、中央處理單元（CPU）v1) 通用微處理器（如：8080、8086等） ；v2)單片微處理器(如Intel公司的MCS5196系列單片機)；v3)位片式微處理器(如AM2900、AM2901、AM2903型位片式微處理器）。通過并行聯結構成任意字長的一種微處理器。 小型PL

2、C為8位微處理器； 中型PLC多采用16位微處理器。 PLC的檔次越高，微處理器的位數越多、運算速度越快、功能越強。4CPU的主要功能：v（1）接收、存儲用戶通過編程器等輸入設備輸入的程序和數據。v（2）以掃描方式接收以掃描方式接收來自輸入單元的輸入變量、狀態(tài)數據，并存入相應的數據存儲區(qū)（輸入映像寄存器）。v（3）利用錯誤校驗技術自診斷。v（4）執(zhí)行用戶程序，完成各種數據的處理、傳輸和存儲，并根據數據處理結果，刷新刷新有關標志位的狀態(tài)和輸出狀態(tài)寄存器的內容，產生相應的內部控制信號，以完成用戶指令規(guī)定的各種操作。v（5）響應各種外圍設備（如編程器、打印機等）的請求。 5二、存儲器1存儲器種類（1

3、）系統存儲器，存放系統管理程序。（2）用戶存儲器，存放用戶編制的控制程序。6 2常用存儲器（1）RAM：隨機存儲器,又叫讀/寫存儲器。它是易失性的存儲器，將它的電源斷開后，存儲的信息將會丟失。特點：速度快、密度高、價格低、功耗低、價格便宜、改寫方便。 為了在關斷可編程控制器外部電源后，保存RAM中的用戶程序和某些數據，為RAM配備了一個鋰電池，用鋰電池供電（鋰電池壽命一般為210年（空載）帶載：25年）。（2）ROM：只讀存儲器，內容只能讀出，不能寫入。它是非易失性的，它的電源消失后，仍能保存儲存的內容。通常用于存放可編程控制器的系統程序。7 （3）EPROM ：紫外線可擦除的只讀存儲器。非易

4、失性的，用戶程序調試好后，可用廠家提供的EPROM寫入器或編程器將它寫入（固化）EPROM，以防止偶然原因遭到敗壞。用紫外線照射芯片上的透鏡窗口，可以擦除已寫入的內容，再重新寫入新內容?，F已很少使用EPROM。 （4）EEPROM（或寫成E2PROM）：電擦除的只讀存儲器。它是非易失性的，但是可以用編程器對它進行編程，兼有ROM的非易失性和RAM的隨機存取的優(yōu)點，但是它比RAM和EPROM的價格高一些，寫入信息所需的時間比RAM長?？梢杂秒姴脸褜懭氲膬热?，再重新寫入新內容。 8三、輸入輸出模塊（三、輸入輸出模塊（I/O單元）單元）輸入模塊作用：用來接收和采集輸入信號輸入模塊作用：用來接收和采

5、集輸入信號 。輸入信號有兩類：一類是開關量輸入信號，如按鈕開關、行程開關、數字撥碼開關、接近開關、光電開關、壓力繼電器等。另一類是模擬量輸入信號，如電位器、熱電、測速電機、各種變送器送來的連續(xù)變化的模擬量輸入信號。9 輸出模塊的作用輸出模塊的作用：是接收中央處理器處理過的數字信號，并把它轉換成現場的執(zhí)行部件能接收的信號，用來控制接觸器、電磁閥、調節(jié)閥、調速裝置等，控制的另一類負載是指示燈、數字顯示器和報警裝置等。 提高抗干擾能力：一般的輸入/輸出單元都有光電隔光電隔離裝置。在數字量I/O模塊中廣泛采用由發(fā)光二極管和光電三極管組成的光電耦合器，在模擬量I/O模塊中通常采用隔離放大器。 10（1）

6、開關量I/O模塊的外部接線方式 開關量I/O模塊的外部接線方式有匯點式、匯點式、分組式和分隔式分組式和分隔式 注意：開關量I/O模塊的點數一般是2的n次方，如4、8、16點 11（2）輸入接口電路 PLC的輸入電路有：直流輸入、交直流輸入 。1213（3）輸出接口電路）輸出接口電路 繼電器輸出、晶體管輸出、晶閘管輸出繼電器輸出、晶體管輸出、晶閘管輸出 輸出電流典型值為輸出電流典型值為0.52A，負載電源由，負載電源由外部現場提供外部現場提供 。14繼電器輸出 特點：有觸點式輸出，帶載能力強，但相應速度慢。15晶閘管輸出特點：無觸點輸出，響應速度快。只能帶交流負載。特點：無觸點輸出，響應速度快。

7、只能帶交流負載。16（3）晶體管輸出特點：無觸點輸出，相應速度快，只能帶直流負載特點：無觸點輸出，相應速度快，只能帶直流負載174特殊功能模塊v（1）模擬量輸入輸出模塊； 輸出信號可以是電壓或電流；可以是單極性的如05V、010V、15V、420mA，也可以是雙極性的如5V、10V和20mA，模塊一般可輸入多種量程的電流或電壓 184特殊功能模塊v（2）高速計數模塊； 把過程控制變量（如位置信號、速度值、流量值累計等）的方波信號送入可編程控制器。這些參量的變化速度很快，使用獨立計數的高速計數器對這些參量進行計數。高速計數模塊可對幾十KHZ甚至上MHZ的脈沖計數，當計數器的當前值等于或大于預置值

8、時，輸出被驅動。194特殊功能模塊v（3）PID過程控制模塊； 實現對連續(xù)變化的模擬量閉環(huán)控制的智能模塊，可將PID模塊看作一個過程調節(jié)器。在PID模塊上有輸入/輸出接口和進行閉環(huán)控制運算的CPU，模塊一般可以控制多個閉環(huán)。204特殊功能模塊v（4）運動控制模塊 ：常用于數控技術方面 ； 運動控制模塊通過輸出脈沖輸出脈沖控制位置移動位置移動量和移動速度移動速度，可分為單坐標控制和雙坐標控制，雙坐標控制可實現兩坐標運動協調，這實際上是通過可編程控制器運動控制模塊實現的數控技術。214特殊功能模塊v（5）中斷輸入模塊與快速響應模塊：用于快速響應的控制系統 ； 中斷過程：接收到中斷輸入信號后，暫停正

9、在運行的主程序，轉而執(zhí)行中斷程序，執(zhí)行完后返回繼續(xù)執(zhí)行主程序。224特殊功能模塊v（5）通信模塊； 網絡接口，通過通信數據模塊總線和可編程控制器的主機連接，用硬件和軟件一起來實現通信協議?？删幊炭刂破鞯耐ㄐ拍K一般配有多種接口，可以通過通信模塊上的選擇開關進行接口選擇，實現與別的可編程控制器、智能控制設備或計算機之間的通信。23四、電源單元 PLC的供電電源是一般的市電，開關電源供電，允許電源電壓在額定值的+10%-15%的范圍內波動，內部有一個穩(wěn)壓電源。也有用直流24V供電的。另外PLC還有24V DC輸出，用于對外部傳感器供電。 24五外部設備接口 v接口是PLC實現人-機對話、機-機對話

10、的通道。通過它，彩色圖形顯示器、打印機、I/O擴展單元、上位機等相連接。v接口：RS232C、RS422A、RS485串行通信接口。該接口的功能是串行/并行數據的轉換、通信格式的識別、數據傳輸的出錯校驗、信號電平的轉換等25六輸入輸出擴展單元 v當所需的輸入輸出點數或類型超出主機輸入輸出單元所允許的點數或類型時 通過加接輸入輸出擴展單元來解決。v簡單型和智能型 簡單型不帶中央處理單元，智能型帶中央處理單元26七、編程器v（1）輸入程序；v（2）檢查程序；v（3）修改程序；v（4）監(jiān)視PLC的工作狀態(tài)。另外還有:(1)外部設備接口，用于與編程器、顯示器、打印機等外部設備連接。 (2)輸入、輸出擴

11、展單元。272.1.2 PLC2.1.2 PLC軟件系統：軟件系統： v 系統程序 由PLC廠家提供，固化在EPROM中。系統程序可分為管理程序、編譯程序、標準程序模塊和系統調用三部分。282.1.2 PLC2.1.2 PLC軟件系統：軟件系統： v 用戶程序 用戶根據需要，用PLC的程序語言編寫的控制程序。 。293-2 可編程控制器的等效電路接線程序控制接線程序控制 將繼電器、接觸器、電子元件等若干分立器件用導線連接在一起，形成滿足控制對象動作要求的控制“程序”存儲程序控制存儲程序控制 將控制邏輯以程序語言的形式存放在存儲器中通過執(zhí)行存儲器中的程序實現系統的控制要求?？删幊炭刂破骺删幊炭刂?/p>

12、器 是一種存儲程序控制器303-2 可編程控制器的等效電路31一、可編程控制器的等效電路可編程序控制器構成的存儲程序控制系統，由如下三部分組成 32 輸入回路由外部輸入電路、PLC輸入接線端子和輸入繼電器組成。 （1）輸入回路（2）內部控制電路 內部控制電路是由用戶程序形成的用“軟繼電器軟繼電器”來代替硬繼電器硬繼電器的控制邏輯。 （3）輸出回路 輸出回路是由PLC內部的輸出繼電器的接點、輸出接線端子和外部驅動電路組成，用來驅動外部負載。33PLC工作過程（1）PLC采用循環(huán)掃描的工作方式；（2）PLC有兩種工作狀態(tài)，運行（RUN）和停止（STOP）。在STOP狀態(tài)，只執(zhí)行1、2；在RUN狀態(tài)

13、，1、2、3、4、5，五個過程。3435內部處理階段 2通信操作 （1）與另外PLC交換數據； （2）響應編程器輸入的命令，更新編程器的顯示。（1）自檢：檢查CPU模塊內部硬件是否正常；（2）喂狗：將監(jiān)控定時器復位。3輸入處理（1）順序讀入所有輸入端子的通斷狀態(tài)；（2）將讀入的信息存入對應的映象寄存器中。364程序執(zhí)行vPLC根據掃描原則，按先左后右，先上后下的步序，逐句掃描，逐句執(zhí)行。v具體工作：將輸入映像寄存器或其它映像寄存器的狀態(tài)（0/1）讀出，進行相應的運算，并將運算結果存入對應的映像寄存器中。5輸出處理（1）將輸出映象寄存器Y的狀態(tài)輸出到輸出鎖存器中；（2）通過隔離電路、驅動功率放大

14、電路，輸出控制信號 。37工作原理383940PLC工作方式的特點：集中采樣、集中輸出、循環(huán)掃描。v（1）集中采樣：對輸入階段的掃描只在輸入采樣階段進行。即在其它階段輸入映像寄存器中的內容不會改變，直到下一個掃描周期的采樣階段才能讀入新的內容；v（2）集中輸出：將輸出映像寄存器的內容集中送給輸出端口。在其它階段端口狀態(tài)不變。v（3）循環(huán)掃描：周而復始，不停地循環(huán)。41（1）掃描工作方式的優(yōu)點： 提高了系統的抗干擾能力。 集中采樣、集中輸出的循環(huán)掃描方式使PLC在工作的大部分時間與外界隔離，從根本上提高了抗干擾能力，提高了可靠性。（2）掃描工作方式的缺點：響應滯后，降低了系統速度。42LPC采用

15、掃描工作方式，輸入/輸出信號存在著原理上的滯后；電氣控制：電氣控制：KM1、KM2同步；同步；PLC控制控制Y1、Y2 不同步不同步 4344v解決方法解決方法 （1）改變信息刷新方式 I/O立即刷新 、I/O直接刷新方式 （2）采用中斷技術（3）調整輸入濾波器456掃描周期的計算掃描周期（時間）=接點掃描時間（T1）+程序執(zhí)行時間（T2）+自診斷時間（T3）+通信時間（T4） 46舉例例3-1：三菱公司FX240MR，配置開關量輸入24點，開關量輸以16點，用戶程序為1000步，不包含特殊功能指令，PLC運行時不連接上位計算機等外設。I/O的掃描速度為003ms8點，用戶程序的執(zhí)行速度為07

16、4s/步，自診斷所需的時間為096ms，試計算一個掃描周期所需要的時間為多少?47解：v掃描40點IO所需要的時間為：T1O03ms8點40點=015msv1000步程序所需要的時間為：T20.74s/步1000步0.74msv自診斷所需要的時間為：T3. 96msv因PLC運行時，不與外設通信，所以通信時間為:T4=0這樣一個掃描周期T為：TT1+T2+T3+T4=0.15ms十0.74ms十0.96ms1.85ms48v當Fx2系列PLC投入運行后，CPU將最大掃描周期、最小掃最大掃描周期、最小掃描周期和當前掃描周期描周期和當前掃描周期的值分別存入D8012、D8011、D80l0三個特殊

17、數據寄存器中(計時單位：1ms)，v還提供一種以恒定的掃描周期恒定的掃描周期掃描用戶程序的運行方式。用戶可將通過計算或實際測定的最大掃描周期再留一些余量，作為恒定掃描周期的值存放在特殊數據寄存器D8039中(計時單位：1ms)；當特殊輔助繼電器M8039線圈被接通時，PLC按照D8039中存放的數據以恒定周期掃描用戶程序。 493-3 可編程控制器的編程語言一、 可編程控制器的性能指標 1 .輸入、輸出接點數(1) 三菱FX2N系列輸入/輸出為3:2 ；(2) OMRON系列的輸入/輸出為1:1 。 2、掃描速度(1) 執(zhí)行1000步所需要的時間，毫秒/千步；(2) 執(zhí)行1步所需要的時間，單位

18、：微秒/步。 503-3 可編程控制器的編程語言 3.存儲器容量 指用戶存儲器容量，通常用“字”、“步”描述； 三菱FX2N系列的容量為8K步（可擴展到16K步）；OMRON公司的CPM1A系列的容量為2048字。 注：1步=4byte 51（一）梯形圖編程語言（LAD）梯形圖 二、 可編程控制器的編程語言52梯形圖與繼電器電氣控制圖的區(qū)別 v電氣控制圖中的繼電器、定時器、計數器是物理器件；而梯形圖的繼電器、定時器、計數器是非物理器件，又稱軟器件。v電氣控制圖中母線中有電流通過；梯形圖中的左右母線不接電源，其中的電流為虛電流（即假想電流） v梯形圖最右邊必須為輸出元件；電氣控制圖無此要求。v梯

19、形圖中的每個編程元件用字母加數字串表示，不同的元件用不同的字母表示，例如：輸入元件為：X；輸出元件為Y等。梯形圖格式及特點梯形圖格式及特點v（1）左右母線，多層梯級，起始于左母線，通過繼電器線圈終止于右母線。有些省略右母線。53v（2）假想 “能流” 自左向右流動。v（3）繼電器線圈一般情況下只能出現一次。繼電器常開觸點、常閉觸點則可被無限次使用。梯形圖格式及特點梯形圖格式及特點v（4）執(zhí)行從上到下、從左到右的順序進行的梯形圖中每一梯級的運算結果，可立即被其后的梯級所利用。54v（5）梯形圖中只出現輸入繼電器的觸點，而不出現輸入繼電器的線圈。梯形圖格式及特點梯形圖格式及特點（8）動作順序v繼電器控制電路中繼電器控制電路中接通電源，整個電路中繼電器常閉觸點同時閉合，常開觸點同時斷開。