第2章可編程序控制器的基本原理-1

1大連理工大學(xué)LFChun制作2大連理工大學(xué)LFChun制作第2章可編程序控制器的基本原理2.2可編程序控制器的各組成部分（掌握）2.3可編程序控制器的工作原理（重點(diǎn)）2.4可編程序控制器的編程語(yǔ)言（了解）2.1可編程序控制器的基本結(jié)構(gòu)（掌握）大連理工大學(xué)LFChun制作32.1可編程序控制器的基本結(jié)構(gòu)CPUDIAI輸入映像寄存器輸出映像寄存器DOAO............大連理工大學(xué)LFChun制作4CPU電源通信接口輸入接口I/O擴(kuò)展接口I/O擴(kuò)展模塊輸出接口存儲(chǔ)器系統(tǒng)用戶程序程序外部設(shè)備編程器計(jì)算機(jī)打印機(jī)條碼掃描儀圖形監(jiān)控設(shè)備PLC主機(jī)按鈕觸點(diǎn)行程開關(guān)……用戶輸入設(shè)備指示燈電磁線圈電磁閥……用戶輸出設(shè)備2.1可編程序控制器的基本結(jié)構(gòu)整體式PLC大連理工大學(xué)LFChun制作5CPU模塊智能I/O模塊通信模塊編程器PLC/上位計(jì)算機(jī)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)過程輸入模塊輸出模塊模塊式PLC大連理工大學(xué)LFChun制作62.2可編程序控制器的組成一、中央處理單元CPU1.CPU的功能(1)讀入現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)；(2)控制存儲(chǔ)和解讀用戶程序；(3)執(zhí)行各種運(yùn)算程序；(4)輸出運(yùn)算結(jié)果；(5)執(zhí)行系統(tǒng)診斷功能；(6)與外部設(shè)備或計(jì)算機(jī)通信等。

大連理工大學(xué)LFChun制作7二、存儲(chǔ)器

(1)系統(tǒng)存儲(chǔ)器ROM存儲(chǔ)器。(2)工作數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器有掉電保護(hù)的RAM或EEPROM存儲(chǔ)器。在工作數(shù)據(jù)區(qū)預(yù)先開辟了“元件映像寄存器”和變量數(shù)據(jù)區(qū)。有掉電時(shí)能保持?jǐn)?shù)據(jù)的區(qū)域——數(shù)據(jù)保持區(qū)。(3)用戶程序存儲(chǔ)器有掉電保護(hù)的RAM或EEPROM存儲(chǔ)器。不同型號(hào)的PLC其存儲(chǔ)器的容量差別很大。2.2可編程序控制器的組成

系統(tǒng)程序存儲(chǔ)區(qū)中存放著相當(dāng)于計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)的系統(tǒng)程序。它包括監(jiān)控程序、管理程序、命令解釋程序、功能子程序、系統(tǒng)診斷程序等。由制造廠商將其固化在EPROM中，用戶不能夠直接存取。它和硬件一起決定了該P(yáng)LC的各項(xiàng)性能。大連理工大學(xué)LFChun制作8二、存儲(chǔ)器

(1)系統(tǒng)存儲(chǔ)器(2)工作數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(3)用戶程序存儲(chǔ)器

2.2可編程序控制器的組成工作數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，指PLC在工作過程中經(jīng)常變化、需要經(jīng)常存取的數(shù)據(jù)，如：參數(shù)測(cè)量結(jié)果、運(yùn)算結(jié)果、設(shè)定值等，這部分?jǐn)?shù)據(jù)一般存放在RAM之中。在工作數(shù)據(jù)區(qū)中開辟有元件映像寄存器和數(shù)據(jù)表，包括I/O映象區(qū)以及各類系統(tǒng)軟設(shè)備存儲(chǔ)區(qū)軟設(shè)備.(例如：邏輯線圈、數(shù)據(jù)寄存器、計(jì)時(shí)器、計(jì)數(shù)器、變址寄存器、累加器等)存儲(chǔ)區(qū)。9由于PLC投入運(yùn)行后，只是在輸入采樣階段才依次讀入各輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)，在輸出刷新階段才將輸出的狀態(tài)和數(shù)據(jù)送至相應(yīng)的外設(shè)。因此，它需要有一定數(shù)量的存儲(chǔ)單元(RAM)以供存放I/O的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，這些存儲(chǔ)單元稱作I／0映象區(qū)。一個(gè)開關(guān)量I/O占用存儲(chǔ)單元中的一個(gè)位(bit)一個(gè)模擬量I/O占用存儲(chǔ)單元中的一個(gè)字(16個(gè)bit)

**開關(guān)量的I/O映象區(qū)

**模擬量的I/O映象區(qū)(2)工作數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（I/O映象區(qū)）10開關(guān)量的I/O映象區(qū)該映象區(qū)中的存儲(chǔ)單元用來存放開關(guān)量I/O。每個(gè)開關(guān)量I/O占用存儲(chǔ)單元中的一個(gè)位(bit)。連接到PLC開關(guān)量輸入出端的每個(gè)開關(guān)量輸入在I／O映象區(qū)中都有一個(gè)確定的位與之相對(duì)應(yīng)。在輸入采樣階段或掃描該開關(guān)量輸入的立即刷新指令時(shí)，如果該開關(guān)量輸入端所連接的外設(shè)處于“斷開”狀態(tài)，則I/O映象區(qū)中相對(duì)應(yīng)的位被置為“0”；如果該輸入端所聯(lián)接的外設(shè)處于“閉合”狀態(tài)，則I/O映象區(qū)中相對(duì)應(yīng)的位被置為“1”。在掃描用戶程序時(shí)，根據(jù)該輸出線圈的控制線路的邏輯運(yùn)算結(jié)果確定I/O映象區(qū)中與之相對(duì)應(yīng)的位的狀態(tài)。如果其控制線路的邏輯運(yùn)算結(jié)果將該位置為“0”，則用戶程序中地址為該輸出線圈的常開觸點(diǎn)均“斷開”，其常閉觸點(diǎn)均“閉合”，在輸出刷新階段或掃描含該輸出的立即刷新指令時(shí)，該輸出端斷開，與之相連接的外設(shè)不動(dòng)作；大連理工大學(xué)LFChun制作11模擬量的I/O映象區(qū)該映象區(qū)中的存儲(chǔ)單元用來存放模擬量I／O。每個(gè)模擬量I／O占用一個(gè)字(16bits)，而每個(gè)PLC規(guī)定了其允許的最大模擬量I/O點(diǎn)數(shù)，因此，模擬量I/O映象區(qū)中存儲(chǔ)單元的總數(shù)就等于模擬量I／O點(diǎn)數(shù)的和。例如：具有模擬量I／O各8點(diǎn)的PLC，其模擬量I/O映象區(qū)由16個(gè)16位的存儲(chǔ)單元組成。12軟設(shè)備存儲(chǔ)區(qū)除了I/O映象區(qū)以外，系統(tǒng)RAM存儲(chǔ)區(qū)還包括PLC內(nèi)部各類軟設(shè)備(邏輯線圈、計(jì)時(shí)器、計(jì)數(shù)器、數(shù)據(jù)寄存器、變址寄存器和累加器等)的存儲(chǔ)區(qū)。該存儲(chǔ)區(qū)又分為具有失電保持的存儲(chǔ)區(qū)域和無失電保持的存儲(chǔ)區(qū)域。前者在PLC斷電時(shí)，由內(nèi)部的鋰電池供電，使這部分存儲(chǔ)單元內(nèi)的數(shù)據(jù)得以保留；后者當(dāng)PLC停止運(yùn)行時(shí)，將這部分存儲(chǔ)單元內(nèi)的數(shù)據(jù)全部清零。大連理工大學(xué)LFChun制作13二、存儲(chǔ)器

(1)系統(tǒng)存儲(chǔ)器ROM存儲(chǔ)器。(2)工作數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器有掉電保護(hù)的RAM或EEPROM存儲(chǔ)器。在工作數(shù)據(jù)區(qū)預(yù)先開辟了“元件映像寄存器”和變量數(shù)據(jù)區(qū)。有掉電時(shí)能保持?jǐn)?shù)據(jù)的區(qū)域——數(shù)據(jù)保持區(qū)。(3)用戶程序存儲(chǔ)器有掉電保護(hù)的RAM或EEPROM存儲(chǔ)器。不同型號(hào)的PLC其存儲(chǔ)器的容量差別很大。2.2可編程序控制器的組成用戶存儲(chǔ)器這類存儲(chǔ)器一般由低功耗的CMOS-RAM構(gòu)成，其中的存儲(chǔ)內(nèi)容可讀出并更改。注意：PLC產(chǎn)品手冊(cè)中給出的“存儲(chǔ)器類型”和“程序容量”是針對(duì)用戶程序存儲(chǔ)器而言的。大連理工大學(xué)LFChun制作14三、輸入/輸出輸入/輸出信號(hào)：開關(guān)量、模擬量。開關(guān)量：直流量、交流量。CPUDIAI輸入映像寄存器輸出映像寄存器DOAO............2.2可編程序控制器的組成15匯點(diǎn)式各個(gè)I/O電路有一個(gè)公共點(diǎn)，共用一個(gè)電源。分組式I/O分成若干組，每組I/O共用一個(gè)電源，各組電源可以不同。分割式

各個(gè)I/O點(diǎn)之間相互隔離，每個(gè)I/O可以使用獨(dú)立電源。---開關(guān)量I/O模塊的外部接線方式2.2可編程序控制器的組成三、輸入/輸出大連理工大學(xué)LFChun制作161.數(shù)字量（開關(guān)量）輸入接口電路

作用：將按鈕、行程開關(guān)或傳感器等產(chǎn)生的信號(hào)，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)送入主機(jī)。(1)直流輸入接口電路內(nèi)部電路R2＋U

VT濾波SCOM＋－－＋電源極性任意R1RCLED輸入指示2.2可編程序控制器的組成三、輸入/輸出大連理工大學(xué)LFChun制作17內(nèi)部電路R3＋U

VT濾波SCOMR1R2CLED輸入指示~2.2可編程序控制器的組成1.數(shù)字量（開關(guān)量）輸入接口電路

(2)交流輸入接口電路三、輸入/輸出大連理工大學(xué)LFChun制作182.2可編程序控制器的組成2.數(shù)字量（開關(guān)量）輸出接口電路、作用：將主機(jī)向外輸出的信號(hào)轉(zhuǎn)換成可以驅(qū)動(dòng)外部執(zhí)行電路的信號(hào)，以便控制接觸器線圈等電器通斷電；另外輸出電路也使計(jì)算機(jī)與外部強(qiáng)電隔離。

三、輸入/輸出繼電器輸出：低速大功率

直流、交流負(fù)載（隔離、功率放大）晶體管集電極輸出：高速小功率

直流負(fù)載雙向可控硅輸出：高速大功率

交流負(fù)載大連理工大學(xué)LFChun制作19KALEDR1COMFU負(fù)載－＋內(nèi)部電路KA＋－~VD輸出指示2.2可編程序控制器的組成2.數(shù)字量（開關(guān)量）輸出接口電路

(1)繼電器輸出接口電路三、輸入/輸出大連理工大學(xué)LFChun制作20R1VD1

COMFU負(fù)載－＋內(nèi)部電路R2＋U

LEDR3VT1

VT2

輸出指示VD2

2.2可編程序控制器的組成2.數(shù)字量（開關(guān)量）輸出接口電路

(2)晶體管輸出接口電路三、輸入/輸出大連理工大學(xué)LFChun制作21LED輸出指示R1COMFU負(fù)載－＋內(nèi)部電路R

CVT1

＋－~VT2

R22.2可編程序控制器的組成2.數(shù)字量（開關(guān)量）輸出接口電路

(3)晶閘管輸出接口電路三、輸入/輸出大連理工大學(xué)LFChun制作22采樣值→A/D轉(zhuǎn)換→8位/10位/12位數(shù)字量→輸入映像寄存器AI。一個(gè)模擬量轉(zhuǎn)換為12位數(shù)字量，但是占用AI一個(gè)字長(zhǎng)（16位）。輸入模擬信號(hào)的大?。弘妷海海?0~10V，0~10V，1~5V電流：－20~20mA，0~20mA，4~20mA。2.2可編程序控制器的組成3.模擬量的輸入與輸出(1)模擬量輸入三、輸入/輸出大連理工大學(xué)LFChun制作232.2可編程序控制器的組成三、輸入/輸出3.模擬量的輸入與輸出(1)模擬量輸入接口電路大連理工大學(xué)LFChun制作24數(shù)字量→輸出映像寄存器AQ→D/A轉(zhuǎn)換（還原）→模擬量。

輸出模擬量未轉(zhuǎn)換前是1個(gè)字長(zhǎng)的數(shù)字量，存放在AQ中。輸出模擬信號(hào)的大?。弘妷海海?0~10V，0~10V，1~5V。電流：－20~20mA，0~20mA，4~20mA。輸出可以直接驅(qū)動(dòng)小功率的設(shè)備。如指示燈、小型繼電器······。大功率或高壓設(shè)備，要通過中間繼電器、電磁開關(guān)等進(jìn)行電壓或功率放大才能驅(qū)動(dòng)。2.2可編程序控制器的組成三、輸入/輸出3.模擬量的輸入與輸出(2)模擬量輸出大連理工大學(xué)LFChun制作252.2可編程序控制器的組成三、輸入/輸出3.模擬量的輸入與輸出(2)模擬量輸出接口電路大連理工大學(xué)LFChun制作26編程器人機(jī)界面（操作員接口）外存儲(chǔ)器EEPROM寫入器通用打印機(jī)模塊大屏幕彩色圖形監(jiān)控設(shè)備條碼掃描儀盒式磁帶機(jī)PLC或上位計(jì)算機(jī)……通訊接口CPUTD200操作員界面2.2可編程序控制器的組成四、外部設(shè)備大連理工大學(xué)LFChun制作27

編程器

(1)作用

輸入、編輯、調(diào)試用戶程序。

在線監(jiān)控PLC內(nèi)部狀態(tài)和參數(shù)。

與PLC進(jìn)行人機(jī)對(duì)話。(2)編程器的種類專用編程器

編程軟件+通用計(jì)算機(jī)

功能：編程、監(jiān)控、打印、數(shù)據(jù)采集和分析、系統(tǒng)仿真等。簡(jiǎn)易編程器智能編程器2.2可編程序控制器的組成四、外部設(shè)備大連理工大學(xué)LFChun制作28PID控制模塊高速計(jì)數(shù)模塊溫度測(cè)量模塊運(yùn)動(dòng)控制模塊通信模塊中斷控制模塊……2.2可編程序控制器的組成五、智能模塊大連理工大學(xué)LFChun制作29內(nèi)部有一個(gè)開關(guān)電源。電源的容量取決于PLC的型號(hào)。S7－1200CPU的內(nèi)部電源為自身、擴(kuò)展模塊、其他用電設(shè)備提供5V、24VDC電源。擴(kuò)展模塊通過與CPU連接的總線連接電纜取得5V直流電源。CPU向外提供的24VDC電源從（L＋，M）端引出。2.2可編程序控制器的組成六、電源

大連理工大學(xué)LFChun制作30電源的容量：表2-1S7－1200CPU的供電能力（mA）CPU型號(hào)5V/24VCPU型號(hào)5V/24VCPU1211c750/300CPU1212c1000/300CPU1214c1600/400CPU1215c1600/400如果總需求超過CPU的供電能力：必須減少或改變模塊的配置，或需增加外部24VDC電源。2.2可編程序控制器的組成大連理工大學(xué)LFChun制作31一、PLC的掃描工作方式PLC采用“順序掃描、不斷循環(huán)”的工作方式。CPU連續(xù)執(zhí)行用戶程序，任務(wù)的循環(huán)序列稱為掃描。一個(gè)掃描周期包含以下任務(wù)①讀輸入②執(zhí)行程序③處理通信請(qǐng)求④執(zhí)行CPU自診斷⑤寫輸出2.3可編程序控制器的工作原理32大連理工大學(xué)LFChun制作33二、PLC的掃描工作過程1.輸入采樣階段讀(采樣)輸入端子的信號(hào)→存入(刷新)I中。沒有使用的I位被清零。

2.程序執(zhí)行階段

執(zhí)行用戶程序。程序按指令順序執(zhí)行（跳轉(zhuǎn)指令例外）。對(duì)輸入指令，從I中讀取數(shù)據(jù)。對(duì)輸出指令，將輸出值存入Q中。立即輸入/輸出指令除外。2.3可編程序控制器的工作原理大連理工大學(xué)LFChun制作343.處理通信請(qǐng)求

CPU處理從通信端口接收到的任何信息。

處理通信請(qǐng)求的時(shí)間是可以調(diào)節(jié)的。4.執(zhí)行CPU的自診斷

CPU檢查其硬件、I/O模塊狀態(tài)、用戶存儲(chǔ)器。發(fā)現(xiàn)故障，報(bào)警或停止程序運(yùn)行。5.輸出刷新階段

將Q中的輸出值→輸出鎖存器→驅(qū)動(dòng)被控對(duì)象按新的輸出值動(dòng)作。

2.3可編程序控制器的工作原理大連理工大學(xué)LFChun制作35PLC的工作過程輸入端子輸入映像寄存器輸出鎖存輸出端子元件映像寄存器輸入信號(hào)輸出①刷新輸入刷新階段②讀③寫④讀⑤寫⑥讀⑦寫⑧刷新⑨輸出執(zhí)行程序階段輸出刷新階段2.3可編程序控制器的工作原理大連理工大學(xué)LFChun制作36三、PLC的輸入/輸出滯后現(xiàn)象

影響輸入/輸出響應(yīng)滯后的主要因素有：

?輸入延遲時(shí)間?掃描周期?輸出延遲時(shí)間?程序語(yǔ)句的安排

2.3可編程序控制器的工作原理大連理工大學(xué)LFChun制作37?從I0.0接通到Q0.1接通延遲了一個(gè)多掃描周期（正常）。?而Q0.0被接通卻延遲了兩個(gè)多掃描周期（不正常）。

解決方法：交換網(wǎng)絡(luò)1與網(wǎng)絡(luò)2前后位置。2.3可編程序控制器的工作原理大連理工大學(xué)LFChun制作38一、PLC軟件的基本概念

1.系統(tǒng)軟件(1)系統(tǒng)管理程序

運(yùn)行管理、存儲(chǔ)空間管理、系統(tǒng)自檢程序。(2)用戶指令解釋程序(3)標(biāo)準(zhǔn)程序模塊和系統(tǒng)調(diào)用2.用戶程序

實(shí)現(xiàn)控制功能的應(yīng)用程序。編制不同程序，實(shí)現(xiàn)不同功能——可編程序。

2.4可編程序控制器的編程語(yǔ)言

大連理工大學(xué)LFChun制作39二、梯形圖LAD

2.4可編程序控制器的編程語(yǔ)言

大連理工大學(xué)LFChun制作40直接啟動(dòng)停車控制控制電路圖SB1SB2KMKMI/O分配：I0.0：?jiǎn)?dòng)I0.1：停車Q0.0：KMI0.1I0.0COMQ0.0COM~KMSB2SB1PLC外部接線圖Q0.0I0.1Q0.0I0.0程序：梯形圖大連理工大學(xué)LFChun制作41

梯形圖是一種圖形化的語(yǔ)言，特點(diǎn)：(1)梯形圖與繼電器接觸器控制電路相似，易于理解，全世界通用;(2)易于初學(xué)者使用;(3)可以利用STL編程器顯示所有用LAD編程器編寫的程序;(4)各個(gè)廠商的圖形符號(hào)略有不同。I0.0M0.0()I0.0Q0.0()M0.0西門子X1X1M100Y0M100三菱2.4可編程序控制器的編程語(yǔ)言

二、梯形圖LAD

大連理工大學(xué)LFChun制作42語(yǔ)句表是類似匯編語(yǔ)言的指令助記符編程語(yǔ)言。特點(diǎn)：(1)STL最適合有經(jīng)驗(yàn)的程序員。(2)能解決LAD和FBD不易解決的問題。(3)利用STL編程器可以查看用LAD和FBD編程器編寫的程序，反之不一定成立。語(yǔ)句表=∑語(yǔ)句。語(yǔ)句=操作碼+操作數(shù)。2.4可編程序控制器的編程語(yǔ)言

三、語(yǔ)句表STL

大連理工大學(xué)LFChun制作43語(yǔ)句表與梯形圖LDI0.0ANM0.0=Q0.0LDI0.0=M0.0I0.0M0.0()I0.0Q0.0()M0.0西門子X1X1M100Y0M100三菱LDX1ANIM100OUTQ0.0LDX1OUTM0.02.4可編程序控制器的編