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1、第五章 可编程控制器的结构 及工作原理第一节第一节第一节第一节 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可编程控制器的工作原理可编程控制器的工作原理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
2、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 存储器存储器盒式磁带机盒式磁带机打印机打印机EPROMEPROM写入器写入器 上位计算机上位计算机 PLCPLC编程器编程器可编程终端可编程终端PTPT 整体式整体式 PLC的基本组成框图的基本组成框图5.1 PLC5.1 PLC的结构与工作原理的结构与工作原理一、一、PLCPLC的基本构成的基本构成 OMRON 公司的整体式公司的整体式 PLCCPM1A1 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
3、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 PLCPLC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）（ROMROM）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
4、）存储器（区）、变量（数据）存储器（区）.1区区2区区3区区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。(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。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 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
5、机等 辅助电源：辅助电源：DC24VDC24V输入、输入、DC12VDC12V输入、输入、ACAC输入输入 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，才能）转换，才能为为CPUCPU所接受。所接受。直流输入电路直流输入电路COM+5VLEDSR3R1AR2CT 内内 部部 电电 路路滤波滤波 光电耦合光电耦合 外部开关外部开关 输入点的输入点的状态显示状态显示 输入点输入点 公共端公共端 交流输入电路交流输入电路LED+5VAR2TCOMSCR1 内内 部部 电电 路路R3滤波滤波 光电耦合光电耦合 输入点的输入点的状态显示状态显示 外部开关外部开关 输入点输
6、入点(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：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。有些的各种输出方式同样都要采用光电隔离。
7、有些PLCPLC还具有模拟输出接口。还具有模拟输出接口。晶体管输出电路晶体管输出电路光电耦合光电耦合 输出点的输出点的状态显示状态显示 公共端公共端 输出点输出点 晶闸管输出电路晶闸管输出电路COMLEDR2 C TFU内内 部部 电电 路路R1负载负载光电耦合光电耦合 输出点的输出点的状态显示状态显示 公共端公共端 输出点输出点 继电器输出电路继电器输出电路COMLED J R内内 部部 电电 路路负载负载输出点的输出点的状态显示状态显示 继电器继电器 机械机械触点触点 公共端公共端 输出点输出点 输出端子的接线方式输出端子的接线方式 a)a)输出各自独立（无公共点输出各自独立（无公共点）b
8、)b)每每4 48 8个输出点构成一组，公用一个公共点。个输出点构成一组，公用一个公共点。4 4、电源单元电源单元 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。*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。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，可作为输入的直流电源，可作为输入单元连接的外部设备的电源单元连接的外部设备的电源。5
9、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I/O扩展端口扩展端口 CPM1A主机主机与与I/O扩展器扩展器的连接的连接主机主机I/O扩展器扩展器连接电缆连接电缆I/O扩展单元扩展单元A/D转换单元转换单元 I/O扩展端口可以连接的设备举例扩展端口可以连接的设备举例外设端口外设端口6 6、通讯及编程接口、通讯及编程接口采用采用RS-485RS-485或或RS-232RS-232串行总线串行总线 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
10、，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：显示屏显示屏工作方式工作方式选择开关选择开关编程位编程位主机主机监控位监控位运行位运行位编程器编程器 直插式编程器直插式编程器键盘键盘指令键指令键数字键数字键编辑键编辑键清除键清除键 CPM1A主机与便携式编程器的连接主机与便携式编程器的连接工作方式工作方式选择开关选择开关显示屏显示屏键盘键盘知识回顾：知识回顾：1 1、PLCPLC的硬件系统由哪几部分组成？的硬件系统由哪几部分组成？2 2、PLCPLC常用的编程语言有哪几种？常
11、用的编程语言有哪几种？5.2 PLC5.2 PLC的软件及编程语言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系统管理程序：系统管理程序：v 运行管理：对控制运行管理：对控制PLCPLC输入、输出、计算、自检、通信等作输入、输出、计算、自检、通信等作时间上的分配管理。时间上的分配管理。v 存储空间管理：即生成用户
12、环境。规定各种参数、程序的存存储空间管理：即生成用户环境。规定各种参数、程序的存放地址，将用户使用的数据参数、存储地址转化为实际的数据放地址，将用户使用的数据参数、存储地址转化为实际的数据格式及物理地址，使用户看到的是按照用户数据结构排列的元格式及物理地址，使用户看到的是按照用户数据结构排列的元件空间和程序存储空间。件空间和程序存储空间。v 系统自检程序：包括系统出错检测、用户程序语法检验、句系统自检程序：包括系统出错检测、用户程序语法检验、句法检验、警戒时钟运行等。法检验、警戒时钟运行等。用户指令解释程序：用户指令解释程序：v 将用户使用的编程语言（梯形图）转变为机器语言指令，将用户使用的编
13、程语言（梯形图）转变为机器语言指令，由由PLCPLC执行这些指令。执行这些指令。标准程序模块和系统调用：标准程序模块和系统调用：v 由许多独立的程序块组成。各程序块完成不同功能，如输由许多独立的程序块组成。各程序块完成不同功能，如输入、输出处理，特殊运算等。入、输出处理，特殊运算等。PLCPLC的各种具体工作由这部分的各种具体工作由这部分程序完成，程序的多少决定了程序完成，程序的多少决定了PLCPLC性能的强弱。性能的强弱。IEC 61131-3IEC 61131-3中规定的中规定的5 5种编程语言种编程语言梯形图（梯形图（LD-Ladder DiagramLD-Ladder Diagram）
14、顺序功能图（顺序功能图（SFC-SFC-Sequential Function ChartSequential Function Chart）功能块图（功能块图（FBD-Function Block DiagramFBD-Function Block Diagram）指令表（指令表（IL-Instruction ListIL-Instruction List）结构文本（结构文本（ST-Structured TextST-Structured Text）图图形形语语言言 文文本本语语言言 二、二、PLCPLC的编程语言的编程语言1 1、梯形图、梯形图LDLD简介简介继电器原理图与梯形图中所用图符
15、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 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000000100001000PLC控制控制00001 两种控制的图形比较两种控制的图形比较线圈线圈线圈线圈常开触点常开触点常开触点常开触点常闭触点常闭触点常闭触点常闭触点用用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。KMQFUFR M 3 继电器控制接线继电器控制接线 PLCPLC控制外部接线控制外部接线输入输入设备设备PLCSB1SB2FRKM输出输出设备
16、设备 欲改变控制功能：欲改变控制功能：主电路主电路 相同相同例例如如2 2、语句表编程语言、语句表编程语言LD 00000OR 01000 AND NOT 00001OUT 0100000000010000100000001语句表程序语句表程序 梯形图程序梯形图程序 3、顺序功能图、顺序功能图步步1步步2动作动作1动作动作2转换条件转换条件1转换条件转换条件2转换条件转换条件3有向连线有向连线转换转换初始步初始步PLC上电上电系统启动系统启动1号工进号工进I1号工进号工进II 1号快退号快退 1号快进号快进 2号快进号快进 2号工进号工进2号快退号快退原位等待原位等待压压SQ1快进到位快进到位
17、压压SQ2工进到位工进到位压压SQ3工进到位工进到位压压SQ0退到原位退到原位快进到位快进到位压压SQ5工进到位工进到位压压SQ6退到原位退到原位压压SQ4液压动力头工艺过程液压动力头工艺过程 01006和和01007 ON 01005和和01007 ON 01005和和01006 ON 200000000025315TIM000快进快进快退快退工进工进原原位位等待等待原原 位位等待等待快退快退 20009 20008 20007 20006 01002和和01003 ON快进快进00101工进工进I00102工进工进II01002、01003和和01004 ON001030010000105
18、0010600104 20005 20004 20003 20002 20001 01001、01002 ON 01001和和01003 ON 功能表图功能表图5.3 PLC5.3 PLC的工作原理的工作原理 一、等效电路图一、等效电路图SB1SB2ST公共端公共端公共端公共端输入部分输入部分输出端子输出端子输入端子输入端子用户程序用户程序输出部分输出部分主电路主电路KMFUFR M 3 QKM0500PLCCOM000000000001000200000500000100020500COM00010002PLCSB1SB2KMSQ0000000100020500COMCOMKM线圈通电线圈通
19、电SB1闭合闭合0000 闭合闭合接点闭合接点闭合KMFUFR M 3 QKM通电通电KM通电通电触点闭合触点闭合电动机转电动机转触点闭合触点闭合PLCCOM000000000001000200000500000100020500COM050000010002SB2STPLCSB1SB2KMSQ0000000100020500COMCOMKM线圈断电线圈断电0001 断开断开接点断开接点断开KMFUFR M 3 QKM通电通电KM断电断电触点断开触点断开电动停转电动停转触点断开触点断开PLCCOM000000000001000200000500 0001 000201000COM0500000
20、10002SB2STPLCSB1SB2KMSQ0000000100020500COMCOMSB2闭合闭合输入采样输入采样程序执行程序执行输出刷新输出刷新v 工作方式：工作方式：周期循环顺序扫描。周期循环顺序扫描。v一个循环扫描过程称为扫描周期。一个循环扫描过程称为扫描周期。v执行程序时，扫描是从第一条程序开始，在执行程序时，扫描是从第一条程序开始，在无中断或跳无中断或跳转转控制的情况下，按程序存储顺序的先后，逐条执行用户控制的情况下，按程序存储顺序的先后，逐条执行用户程序，直到程序结束。程序，直到程序结束。二、扫描工作方式二、扫描工作方式读读读读读读写写写写 程序执行程序执行 输入采样输入采样
21、 输出刷新输出刷新三、三、PLC的工作过程的工作过程05010500000000010500输输入入端端子子输输入入电电路路用用户户输输入入设设备备输输入入映映像像寄寄存存器器输输出出电电路路输输出出端端子子元元件件映映像像寄寄存存器器输输出出锁锁存存器器 用用户户输输出出设设备备注意：注意：PLCPLC重复执行上述三个过程，每重复一次的时重复执行上述三个过程，每重复一次的时间就是一个工作周期（或扫描周期）。间就是一个工作周期（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。这就保证了输出信号刷新一次。这就保证了PLCPLC在
22、执行程序在执行程序阶段，输入映像寄存器和输出锁存寄存器的数据阶段，输入映像寄存器和输出锁存寄存器的数据保持不变。保持不变。(1)(1)其输入输出信号存在其输入输出信号存在滞后滞后，扫描周期越长，滞后就越严重。，扫描周期越长，滞后就越严重。(2)(2)扫描周期扫描周期除了执行用户程序所占用的时间外，还包括系统除了执行用户程序所占用的时间外，还包括系统管理操作占用的时间。管理操作占用的时间。(3)(3)如果考虑到如果考虑到I/OI/O硬件电路的延时，硬件电路的延时，PLCPLC响应滞后比扫描原理滞响应滞后比扫描原理滞后更大。后更大。PLCPLCI/OI/O端子上的信号关系，只有在稳态（端子上的信号关系，只有在稳态（ONON或或OFFOFF状态状态保持不变）时才与设计要求一致。保持不变）时才与设计要求一致。v重要的结论：重要的结论：