第二章可編程序控制器的結(jié)構(gòu)和工作原理

S7-200PLC編程及應(yīng)用第二章可編程序控制器的結(jié)構(gòu)和工作原理2/6/202312.1可編程序控制器的組成與基本結(jié)構(gòu)2.2可編程序控制器的工作過程與工作原理本章主要內(nèi)容2/6/202322.1可編程序控制器的組成與基本結(jié)構(gòu)PLC與繼電接觸器控制系統(tǒng)的異同點：相同點：圖形結(jié)構(gòu)和邏輯關(guān)系相同。繼電器接觸器線圈與所連觸點的邏輯對應(yīng)關(guān)系，和PLC的梯形圖中內(nèi)部線圈與內(nèi)部觸點的邏輯對應(yīng)關(guān)系相同。不同點：1)實現(xiàn)原理不同繼電接觸器是利用實際電磁線圈通電吸合，使觸點發(fā)生動作，用來完成控制任務(wù)，這個機(jī)械動作有一個延時過程，設(shè)計和分析控制電路時必須考慮到這一特點。而PLC的內(nèi)部繼電器（也稱為軟繼電器），它并不是真正的電磁線圈，而是電子元件（如觸發(fā)器），動作的時間極短，使用時通常認(rèn)為是動作瞬時完成的。2/6/202332.1可編程序控制器的組成與基本結(jié)構(gòu)PLC與繼電接觸器控制系統(tǒng)的異同點：不同點：繼電接觸器控制系統(tǒng)用實際硬件電路實現(xiàn)，按并行方式工作，只要形成電流通路，幾個電器的動作就可能同時實現(xiàn)。而PLC是用程序?qū)崿F(xiàn)內(nèi)部線圈和觸點的邏輯關(guān)系，并通過循環(huán)掃描的方式工作。按先后順序執(zhí)行用戶程序，實現(xiàn)元件的邏輯控制關(guān)系，在任一時刻只能執(zhí)行一條指令，輸出點的刷新不是同時的。但是正是由于梯形圖中的觸點不是真正的觸點，使得編寫程序時對觸點的使用非常靈活。2)工作方式不同2/6/202342/6/202352.1可編程序控制器的組成與基本結(jié)構(gòu)PLC與計算機(jī)控制系統(tǒng)的異同點：相同點：1)基本結(jié)構(gòu)相同PLC和計算機(jī)都是由CPU、存儲器、輸入和輸出部分構(gòu)成。有的部件（如存儲器）在二者中通用。2)程序執(zhí)行原理相同PLC和計算機(jī)都采用存儲程序，按地址訪問和順序執(zhí)行的基本工作思想；在PLC程序執(zhí)行階段，與計算機(jī)基本相同，都是指令在內(nèi)存中順序存放，CPU從內(nèi)存中順序取指令并執(zhí)行，直到最后一條指令。2/6/202362.1可編程序控制器的組成與基本結(jié)構(gòu)PLC與計算機(jī)控制系統(tǒng)的異同點：不同點：主要體現(xiàn)在工作方式上計算機(jī)工作時是循環(huán)地取指令和執(zhí)行指令。每執(zhí)行完成一條指令，立即產(chǎn)生結(jié)果，并立即影響到所涉及的部件，直到最后一條指令，然后結(jié)束。而PLC是以循環(huán)掃描的方式工作。執(zhí)行用戶時，結(jié)果并不立即傳送到輸出點，只是用它改變內(nèi)部的映像寄存器，當(dāng)所有指令執(zhí)行完成后，同時對各輸出點進(jìn)行刷新。另外，PLC是專門為工業(yè)應(yīng)用而設(shè)計的，輸入輸出部件都采用電氣隔離技術(shù)，其元件也經(jīng)過精挑細(xì)選，從而更好地保證了PLC設(shè)備工作的可靠性。2/6/202372.1可編程序控制器的組成與基本結(jié)構(gòu)它具有更強(qiáng)的與工業(yè)過程相連接的I/O接口；更適用于控制要求的編程語言；更適應(yīng)于工業(yè)環(huán)境的抗干擾性能。PLC與計算機(jī)控制系統(tǒng)的異同點：不同點：2/6/202381）PLC是建立在單片機(jī)之上的產(chǎn)品，而單片機(jī)是一種集成電路，兩者不具有可比性。2）單片機(jī)可以構(gòu)成各種各樣的應(yīng)用系統(tǒng)，從微型、小型到中型、大型都可，PLC是單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的一個特例。3）不同廠家的PLC有相同的工作原理，類似的功能和指標(biāo)，有一定的互換性，質(zhì)量有保證，編程軟件正朝標(biāo)準(zhǔn)化方向邁進(jìn)。這正是PLC獲得廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)。而單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)則是八仙過海，各顯神通，功能千差萬別，質(zhì)量參差不齊，學(xué)習(xí)、使用和維護(hù)都很困難。PLC與單片機(jī)的區(qū)別：2.1可編程序控制器的組成與基本結(jié)構(gòu)2/6/20239從工程角度來看，PLC與單片機(jī)系統(tǒng)如何進(jìn)行選擇：1）對單項工程或重復(fù)數(shù)極少的項目，采用PLC方案是明智、快捷的途徑，成功率高，可靠性好，但成本較高。

2）對于量大的配套項目，采用單片機(jī)系統(tǒng)具有成本低、效益高的優(yōu)點，但這要有相當(dāng)?shù)难邪l(fā)力量和行業(yè)經(jīng)驗才能使系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠地運(yùn)行。最好的方法是單片機(jī)系統(tǒng)嵌入PLC的功能，這樣可大大簡化單片機(jī)系統(tǒng)的研制時間，性能得到保障，效益也就有保證。3）單片機(jī)適合于研發(fā)，PLC適合于應(yīng)用。2.1可編程序控制器的組成與基本結(jié)構(gòu)2/6/2023102.1可編程序控制器的組成與基本結(jié)構(gòu)PLC的硬件系統(tǒng):主機(jī)系統(tǒng)I/O擴(kuò)展環(huán)節(jié)外部設(shè)備

PLC的軟件系統(tǒng):

系統(tǒng)程序(又稱系統(tǒng)軟件)用戶程序(又稱應(yīng)用軟件)小結(jié)：PLC是一種工業(yè)控制用的專用計算機(jī)，它的實際組成與一般微型計算機(jī)系統(tǒng)基本相同，也是由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分組成。2/6/202311一、PLC硬件結(jié)構(gòu)示意圖輸入輸出擴(kuò)展環(huán)節(jié)PLC的硬件系統(tǒng)由主機(jī)系統(tǒng)、I/O擴(kuò)展環(huán)節(jié)及外部設(shè)備組成。編程器整體式PLC結(jié)構(gòu)示意圖2/6/202312模塊式PLC結(jié)構(gòu)示意圖一、PLC硬件結(jié)構(gòu)示意圖2/6/202313二、PLC的基本組成單元１、中央處理器（ＣＰＵ模塊）２、存儲器３、Ｉ／Ｏ模塊5、智能單元4、電源模塊６、編程裝置７、其他外部設(shè)備2/6/2023141、CPU模塊

作用：

CPU模塊作為整個PLC的核心，相當(dāng)于人的大腦和心臟，起著總指揮的作用。功能：１、接收并存儲從編程器輸入的用戶程序和數(shù)據(jù)２、診斷內(nèi)部電路的工作狀態(tài)３、用循環(huán)掃描方式不斷地采集輸入信號４、執(zhí)行用戶程序（逐條讀取）５、刷新系統(tǒng)的輸出６、響應(yīng)外圍設(shè)備請求（打印機(jī)）二、PLC的基本組成單元2/6/202315常用芯片：通用微處理器：如8080、6800、8086等特點：價格便宜，通用性好，可靠性高，電磁兼容性好。單片機(jī)：8031、8051優(yōu)點：價格低、可擴(kuò)充性好位片式微處理器：如ＡＭＤ２９００優(yōu)點：運(yùn)算速度快，可組成任意字長的微處理器1、CPU模塊二、PLC的基本組成單元2/6/202316二、PLC的基本組成單元2、存儲器系統(tǒng)程序存儲器：存放系統(tǒng)監(jiān)控程序。用戶程序存儲器：存放用戶程序，包括輸入輸出信息，內(nèi)部繼電器，寄存器，定時器及計數(shù)器等的動作狀態(tài)，以及工作數(shù)據(jù)的存儲。根據(jù)存儲器在系統(tǒng)中的作用，可分為：作用：用來存放系統(tǒng)程序、用戶程序和數(shù)據(jù)及系統(tǒng)組態(tài)等相關(guān)信息。2/6/202317根據(jù)存儲器介質(zhì)不同，可分為以下三種類型：

(2)只讀存儲器(ROM)：非易失性，不可更改

(3)可電擦除可編程的只讀存儲器(EPROM或E2PROM)

(1)隨機(jī)存取存儲器(RAM)2、存儲器二、PLC的基本組成單元——用來存放用戶程序和工作數(shù)據(jù)——用來存儲系統(tǒng)程序——存放用戶程序和需要長期保存的數(shù)據(jù)2/6/2023183、I/O模塊

作用：是系統(tǒng)的眼、耳、手、腳，是聯(lián)系外部現(xiàn)場和CPU模塊的橋梁。1）輸入單元作用：接收和采集輸入信號。

2）輸出單元作用：控制輸出設(shè)備，執(zhí)行裝置。二、PLC的基本組成單元2/6/2023193、I/0模塊

ＰＬＣ輸入信號的類型：1)從按鈕、選擇開關(guān)、數(shù)字撥碼開關(guān)、限位開關(guān)、接近開關(guān)、光電開關(guān)、壓力繼電器等輸入的開關(guān)量信號。

2)由電位器、熱電偶、測速電機(jī)和各種變送器等輸入的連續(xù)變化的模擬量信號。

二、PLC的基本組成單元2/6/202320開關(guān)量輸入單元（１）直流輸入單元（２）交流輸入單元二、PLC的基本組成單元3、I/0模塊

2/6/202321開關(guān)量輸入單元（１）直流輸入單元（２）交流輸入單元二、PLC的基本組成單元3、I/0模塊

2/6/202322開關(guān)量輸出單元（１）晶體管輸出型（２）雙向晶閘管輸出型（３）繼電器輸出單型二、PLC的基本組成單元3、I/0模塊

2/6/202323晶體管集電極輸出型晶體管輸出型適用于：高頻小功率直流負(fù)載需要外接直流24V電源。二、PLC的基本組成單元3、I/0模塊

2/6/202324二、PLC的基本組成單元雙向晶閘管輸出型晶閘管輸出適用于高頻大功率負(fù)載（交流負(fù)載）3、I/0模塊

2/6/202325繼電器輸出型有觸點輸出方式，適用于低頻大功率交、直流負(fù)載。靈活，但是工作頻率不能很高，壽命短。二、PLC的基本組成單元3、I/0模塊

滅弧機(jī)構(gòu)

2/6/202326PLC使用220V交流電源或24V直流電源。內(nèi)部的開關(guān)電源為各模塊提供DC5V、±12V和±24V等直流電源，使PLC能正常工作。4、電源模塊二、PLC的基本組成單元2/6/2023275、智能單元智能單元本身是一個獨立的計算機(jī)系統(tǒng)，它有自己的ＣＰＵ、系統(tǒng)程序、存儲器及與外界相連的接口。目前常用的智能單元：Ａ／Ｄ、Ｄ／Ａ單元高速計數(shù)器單元位置控制單元溫度控制單元通信單元二、PLC的基本組成單元2/6/202328二、PLC的基本組成單元６、編程裝置作用：用來生成用戶程序，并對它進(jìn)行編輯、檢查和修改。1）手持式編程器：不能直接輸入和編輯梯形圖，只能輸入和編輯指令表程序，因此又叫做指令編程器。2/6/2023292）編程軟件編程：在屏幕上直接生成和編輯梯形圖、指令表、功能塊圖和順序功能圖程序，并可以實現(xiàn)不同編程語言的相互轉(zhuǎn)換。二、PLC的基本組成單元S7-200:STEP7-Micro/WINV4.0編程軟件６、編程裝置7、外部設(shè)備人機(jī)接口外存儲器打印機(jī)按鈕、指示燈等2/6/2023301.系統(tǒng)程序

由PLC的制造企業(yè)編制，固化在PROM或EPROM中，安裝在PLC上，隨產(chǎn)品提供給用戶。包括:系統(tǒng)管理程序、用戶指令解釋程序和供系統(tǒng)調(diào)用的標(biāo)準(zhǔn)程序模塊等。2.用戶程序

是根據(jù)生產(chǎn)過程控制的要求由用戶使用制造企業(yè)提供的編程語言自行編制的應(yīng)用程序。包括:開關(guān)量邏輯控制程序、模擬量運(yùn)算程序、閉環(huán)控制程序和操作站系統(tǒng)應(yīng)用程序等。三、可編程序控制器的軟件系統(tǒng)2/6/2023312.2可編程序控制器的工作原理及主要性能指標(biāo)一、可編程序控制器的工作原理PLC是采用周期循環(huán)掃描（CPU連續(xù)執(zhí)行用戶程序和任務(wù)的循環(huán)序列稱為掃描）的工作方式。CPU的循環(huán)掃描是采用周期性地集中采樣、集中輸出的方式來完成的。PLC的掃描過程：2/6/2023322.2可編程序控制器的工作原理及主要性能指標(biāo)一、可編程序控制器的工作原理一個掃描周期（工作周期）主要分為以下幾個階段：

1.輸入采樣掃描階段2.執(zhí)行用戶程序掃描階段

3.通信處理

4.CPU自診斷測試5.輸出刷新掃描階段

2/6/202333輸入采樣階段---CPU從輸入電路的輸出端讀出各路狀態(tài)，并將其寫入輸入映像寄存器。2.2可編程序控制器的工作原理及主要性能指標(biāo)一、可編程序控制器的工作原理信號的傳遞過程I0.0Q0.0I0.1Q0.0M0.0I0.0I0.1Q0.0Q0.12/6/2023342.2可編程序控制器的工作原理及主要性能指標(biāo)一、可編程序控制器的工作原理信號的傳遞過程I0.0Q0.0I0.1Q0.0M0.0I0.0I0.1Q0.0Q0.1b.程序執(zhí)行階段--CPU從輸入映像寄存器和元件映像寄存器中讀出各繼電器的狀態(tài)，并根據(jù)此狀態(tài)執(zhí)行用戶程序，執(zhí)行結(jié)果再寫入元件映像寄存器中2/6/2023352.2可編程序控制器的工作原理及主要性能指標(biāo)一、可編程序控制器的工作原理信號的傳遞過程I0.0Q0.0I0.1Q0.0M0.0I0.0I0.1Q0.0Q0.1c.輸出刷新階段---將輸出映像寄存器的狀態(tài)寫入輸出鎖存電路，再經(jīng)輸出電路傳遞輸出端子，從而控制外接器件動作。2/6/2023362.2可編程序控制器的工作原理及主要性能指標(biāo)一、可編程序控制器的工作原理采用循環(huán)掃描方式的好處：

1）輸入點狀態(tài)固定不變，程序執(zhí)行完后再用輸出映像寄存器的值更新輸出點，使系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定；

2）用戶讀寫I/O映像寄存器比讀寫I/O點快得多，可提高程序的執(zhí)行速度。2/6/2023372.2可編程序控制器的工作原理及主要性能指標(biāo)一、可編程序控制器的工作原理1、CPU執(zhí)行指令速度2、執(zhí)行每條指令占用時間3、程序長短掃描周期的長短取決于以下因素：2/6/202338輸入／輸出滯后的現(xiàn)象引起滯后的原因:1、電路慣性1)輸入電路的RC濾波器有時間常數(shù)2)輸出單元電路引起的時間滯后繼電器型10ms晶閘管型1ms晶體管型<1ms

2、PLC循環(huán)掃描操作時，進(jìn)行公共處理、I/O刷新和執(zhí)行用戶程序等產(chǎn)生掃描周期

3、程序語句的安排，也影響響應(yīng)時間2/6/202339二、可編程序控制器的等效電路2.2可編程序控制器的工作原理及主要性能指標(biāo)2/6/202340三、可編程序控制器的邏輯關(guān)系實現(xiàn)原理2.2可編程序控制器的工作原理及主要性能指標(biāo)1、用觸點和線圈實現(xiàn)邏輯運(yùn)算

邏輯與

Q0.0=I0.0·I0.1

邏輯或Q0.0=I0.0·I0.1