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1、 一一 PLC系统的组成及功能系统的组成及功能 二二 PLC的等效电路的等效电路 三三 PLC的主要逻辑部件的主要逻辑部件 四四 PLC的编程语言的编程语言 五五 PLC的基本工作原理的基本工作原理 六六 PLC的主要技术指标的主要技术指标第第2章章 PLC的结构及工作原理的结构及工作原理 一一 PLC系统的组成及功能系统的组成及功能 PLC是微机技术和继电器常规控制是微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物，概念相结合的产物，PLC是一种工业控制是一种工业控制用的专用计算机，是由硬件系统和软件系用的专用计算机，是由硬件系统和软件系统两大部分组成。统两大部分组成。（一）（一）PLC的硬件系统的
2、硬件系统 主机系统主机系统（一）（一）.PLC的硬件系统的硬件系统 v1CPU（）（）接收用户程序和数据，送入存储器存储接收用户程序和数据，送入存储器存储（）（）接收输入设备状态，存入输入映像寄存器接收输入设备状态，存入输入映像寄存器（）（）监测和诊断电源、监测和诊断电源、PLC内部电路的工作状内部电路的工作状态和用户程序的语法错误态和用户程序的语法错误（）（）执行用户程序，完成对数据的操作执行用户程序，完成对数据的操作（）（）根据数据处理结果，实现输出控制、数据根据数据处理结果，实现输出控制、数据通信等功能通信等功能（一）（一）PLC的硬件系统的硬件系统 v2.存储器存储器 包括包括系统程序
3、存储器和用户存储器系统程序存储器和用户存储器v3.I/O部件部件 为适应工业过程现场输入为适应工业过程现场输入/输出信号的匹配，输出信号的匹配，PLCPLC配置了各种类型的输入配置了各种类型的输入/输出模块单元：输出模块单元：(1)(1)开关量输入模块：开关量输入模块：把现场各种开关信号变成把现场各种开关信号变成PLCPLC内部处理的标准信号。分为内部处理的标准信号。分为直流输入单元直流输入单元和交流输入单元和交流输入单元，分别如图，分别如图2.22.2和图和图2.32.3所示。所示。图图2.2 直流开关量输入单元直流开关量输入单元图图2.3 交流开关量输入单元交流开关量输入单元(2)开关量输
4、出模块开关量输出模块 它的作用是它的作用是把把PLC的内部信号转换成现场执行的内部信号转换成现场执行机构的各种开关信号机构的各种开关信号。按照现场执行机构使用的电源类型的不同，按照现场执行机构使用的电源类型的不同，开关量输出单元可分为开关量输出单元可分为:v直流输出模块（晶体管输出方式）直流输出模块（晶体管输出方式）v交流输出模块交流输出模块（可控硅输出方式）（可控硅输出方式）v交直流输出模块（继电器输出方式）交直流输出模块（继电器输出方式）PLC晶体管输出晶体管输出PLC晶闸管输出晶闸管输出 特别应指出的是，由于继电器模式具有实际断点，特别应指出的是，由于继电器模式具有实际断点，可以从物理上
5、切断所控制的回路，同时这种模式既适可以从物理上切断所控制的回路，同时这种模式既适合于直流情况又适合于交流情况，因此这种模式在开合于直流情况又适合于交流情况，因此这种模式在开关频率不太高的情况下是首选的输出控制方案。图关频率不太高的情况下是首选的输出控制方案。图2.4给出了这种输出方案的原理图。给出了这种输出方案的原理图。图图2.4 继电器模式输出单元继电器模式输出单元(3)模拟量输入单元模拟量输入单元 模拟量输入在过程控制中的应用很广，如常用的模拟量输入在过程控制中的应用很广，如常用的温度、温度、压力、速度、流量、酸碱度、位移压力、速度、流量、酸碱度、位移的各种工业检测都是对应的各种工业检测都
6、是对应于电压、电流的模拟量值，再通过一定运算于电压、电流的模拟量值，再通过一定运算(PID)后，控制后，控制生产过程达到一定的目的。模拟量输入电平大多是从传感器生产过程达到一定的目的。模拟量输入电平大多是从传感器通过变换后得到的，模拟量的输入信号为通过变换后得到的，模拟量的输入信号为420 mA的电流的电流信号或信号或15 V、-1010 V、010 V的直流电压信号。的直流电压信号。模拟量输入单元的作用是把现场连续变化的模拟量标准模拟量输入单元的作用是把现场连续变化的模拟量标准信号转换成信号转换成PLC内部处理的、由若干位表示的数字信号。内部处理的、由若干位表示的数字信号。模模拟量输入单元一
7、般由滤波、拟量输入单元一般由滤波、A/D转换器、光耦合器隔离等部转换器、光耦合器隔离等部分组成。分组成。(4)模拟量输出单元模拟量输出单元v作用是把作用是把PLC运算处理后的若干位数字量信号转运算处理后的若干位数字量信号转换成相应的模拟量信号然后输出，换成相应的模拟量信号然后输出，以满足生产过以满足生产过程现场连续信号的控制要求。程现场连续信号的控制要求。模拟量输出单元一模拟量输出单元一般由光耦合器隔离、般由光耦合器隔离、D/A转换器和信号转换等部转换器和信号转换等部分组成。分组成。v模拟量输出模块是将中央处理器的二进制数字信模拟量输出模块是将中央处理器的二进制数字信号转换成号转换成420 m
8、A的电流输出信号或的电流输出信号或010 V、15 V的电压输出信号，以提供给执行机构。因的电压输出信号，以提供给执行机构。因此模拟量输出模块又叫此模拟量输出模块又叫D/A转换输出模块。转换输出模块。（一）（一）PLC的硬件系统的硬件系统v4.电源部件电源部件 电源模块负责将电源模块负责将外部供电电源转换成使外部供电电源转换成使 PLC内部的内部的CPU存储器和存储器和I/O接口等电路工作所需接口等电路工作所需的直流电源的直流电源v5.编程器编程器v6.其他外部设备其他外部设备v7.I/O扩展单元扩展单元标准编程器标准编程器PLC配置配置 PLC除了硬件系统外，还需要软件系统除了硬件系统外，还
9、需要软件系统的支持，共同构成的支持，共同构成PLC。PLC的软件系统由的软件系统由系统程序和用户程序两大部分组成系统程序和用户程序两大部分组成。(1)系统程序系统程序 系统程序由系统程序由PLC的制造企业编制，固化的制造企业编制，固化在在PROM或或EPROM中，安装在中，安装在PLC上，随上，随产品提供给用户。产品提供给用户。系统程序包括系统管理程系统程序包括系统管理程序、用户指令编译程序、标准程序模块和系序、用户指令编译程序、标准程序模块和系统调用统调用 由于通过改进系统程序可以在不改变硬由于通过改进系统程序可以在不改变硬件系统的情况下大大改善件系统的情况下大大改善PLC的性能，因此的性能
10、，因此系统程序也在不断升级和完善。系统程序也在不断升级和完善。（二）（二）PLC的软件系统的软件系统(2)用户程序用户程序 用户程序是根据生产过程控制的要求由用户使用户程序是根据生产过程控制的要求由用户使用制造企业提供的编程语言自行编制的应用程序。用制造企业提供的编程语言自行编制的应用程序。用户程序包括开关量逻辑控制程序、模拟量运算程用户程序包括开关量逻辑控制程序、模拟量运算程序、闭环控制程序和操作站系统应用程序等。序、闭环控制程序和操作站系统应用程序等。v 开关量逻辑控制程序。它是开关量逻辑控制程序。它是PLC用户程序中最重要用户程序中最重要的一部分。的一部分。v 模拟量运算程序及闭环控制程
11、序。通常，它是在大模拟量运算程序及闭环控制程序。通常，它是在大中型中型PLC上实施的程序。上实施的程序。v 操作站系统程序。它是大型操作站系统程序。它是大型PLC系统经过通信联网系统经过通信联网后，由用户为进行信息交换和管理而编制的程序。后，由用户为进行信息交换和管理而编制的程序。3.程序结构程序结构v顺序结构：顺序编写用户指令，顺序结构：顺序编写用户指令，适用适用 于于小型小型PLCv模块结构模块结构:大程序分为许多程序大程序分为许多程序模块模块 适用大中型适用大中型PLC二二 PLC的等效电路的等效电路1.接线程序控制和存储程序控制接线程序控制和存储程序控制 接线程序控制：接线程序控制：导
12、线连接继电器、接触器、导线连接继电器、接触器、电子元件等分立器件，形成满足控制对象动电子元件等分立器件，形成满足控制对象动作要求的控制程序，这种控制系统称为接线作要求的控制程序，这种控制系统称为接线程序控制系统。程序控制系统。存储程序控制：存储程序控制：将控制逻辑以程序语言的形将控制逻辑以程序语言的形式存放在存储器中，通过执行存储器中的程式存放在存储器中，通过执行存储器中的程序实现系统的控制要求，这样的控制系统称序实现系统的控制要求，这样的控制系统称为存储程序控制系统为存储程序控制系统.PLC是一种存储程序控制器是一种存储程序控制器PLC 构成的存储程序控制系统构成的存储程序控制系统2.PLC
13、的等效电路的等效电路vPLC组成的存储程序控制系统有三部分组成：组成的存储程序控制系统有三部分组成：输入设备：输入设备：控制开关和传感器。控制开关和传感器。PLC内部控制电路：内部控制电路：是由编程实现的逻辑电是由编程实现的逻辑电路，用软件编程代替继电器的功能，对于使用路，用软件编程代替继电器的功能，对于使用者来说，可以不考虑其内部的负责结构，直接者来说，可以不考虑其内部的负责结构，直接把把PLC看成有许多看成有许多“软继电器软继电器”组成的，用近组成的，用近似继电器控制线路图的编程语言对其编程。似继电器控制线路图的编程语言对其编程。输出设备：输出设备：将将PLC的输出控制信号转换为驱的输出控
14、制信号转换为驱动动 被控对象工作的信号被控对象工作的信号2.PLC的等效电路的等效电路v1.输入回路输入回路 由外部输入电路由外部输入电路、PLC输入接线输入接线 端子、端子、输入继电器组成。输入继电器组成。v2.内部控制电路内部控制电路 由用户程序由用户程序 形成，按照程序规定的逻辑关形成，按照程序规定的逻辑关系，对输入信号和输出信号的状态进行运算、系，对输入信号和输出信号的状态进行运算、处理和判断，得到相应的输出。处理和判断，得到相应的输出。v3.输出回路输出回路 由由常开触点、输出接线端子和外部电路组常开触点、输出接线端子和外部电路组成，驱动外部负载成，驱动外部负载 三三 PLC的主要逻
15、辑部件的主要逻辑部件v1.继电器逻辑继电器逻辑 PLC内部存储单元的内部存储单元的“1”和和“0”状态对应状态对应于继电器的于继电器的“ON”和和“OFF”状态状态 软继电器与物理继电器相比有以下特点：a 体积小，功耗低 b 无触点，速度快，寿命长 c 有无数个常开/常闭触点供程序使用。1.继电器逻辑继电器逻辑v（1）输入继电器）输入继电器X 只能由外部信号驱动只能由外部信号驱动v（2）输出继电器）输出继电器Y 只能在程序内部用指令驱动只能在程序内部用指令驱动v（3）内部继电器（寄存器）内部继电器（寄存器）R 只能由程序驱动，相当于控制线路中的只能由程序驱动，相当于控制线路中的中中 间继电器间
16、继电器。分为分为通用内部继电器通用内部继电器和和特特殊内部继电器殊内部继电器 2.定时器逻辑定时器逻辑 定时器定时器T相当于继电器控制系统中的相当于继电器控制系统中的时间继电时间继电器，一般包括以下内容：器，一般包括以下内容：v（1）定时条件）定时条件控制定时器操作控制定时器操作v（2）定时语句）定时语句指定所使用的定时器，给出指定所使用的定时器，给出定时设定值定时设定值v（3）定时器的当前值）定时器的当前值记录定时时间记录定时时间v（4）定时继电器）定时继电器达到设定的时间值为达到设定的时间值为ON 未开始定时或未达到设定值时为未开始定时或未达到设定值时为OFF3.计数器逻辑计数器逻辑 一个
17、计数器有以下几个内容一个计数器有以下几个内容v（1）计数器的复位信号）计数器的复位信号v（2）计数器的计数信号）计数器的计数信号v（3）计数器设定值的记忆单元）计数器设定值的记忆单元v（4）计数器当前值单元）计数器当前值单元计数器的计数值达到设定值时计数继电器为计数器的计数值达到设定值时计数继电器为ON，复位或未达到设定值时为，复位或未达到设定值时为OFF4.触发器逻辑触发器逻辑 触发器逻辑用来记忆信息，触触发器逻辑用来记忆信息，触发器可以被置位成发器可以被置位成“1”，也可，也可被复位成被复位成“0”5.移位寄存器移位寄存器作业24，251.可编程序控制器的工作过程可编程序控制器的工作过程
18、PLC上电后，就在系统程序的监控下，周而上电后，就在系统程序的监控下，周而复始地按固定顺序对系统内部的各种任务进行查复始地按固定顺序对系统内部的各种任务进行查询、判断和执行，这个过程实质上是一个不断循询、判断和执行，这个过程实质上是一个不断循环的顺序扫描过程。一个循环扫描过程称为扫描环的顺序扫描过程。一个循环扫描过程称为扫描周期。周期。二二 PLC的工作过程与工作原理的工作过程与工作原理2.PLC的输入的输入/输出过程输出过程v PLC的工作方式是周期扫描方式，所以其的工作方式是周期扫描方式，所以其输入输入/输出过程是定时进行的，对用户程序而言，输出过程是定时进行的，对用户程序而言，要处理的输
19、入信号是输入信号状态暂存区的信要处理的输入信号是输入信号状态暂存区的信号，而不是实际的信号。运算处理后的输出信号，而不是实际的信号。运算处理后的输出信号被放入输出信号状态暂存区中，而不是直接号被放入输出信号状态暂存区中，而不是直接输出到现场的。输出到现场的。v PLC周期性的输入周期性的输入/输出处理方式对一般控输出处理方式对一般控制对象而言是能够满足的，但是对那些要求响制对象而言是能够满足的，但是对那些要求响应时间小于扫描周期的控制系统则不能满足，应时间小于扫描周期的控制系统则不能满足，这时可以用智能型输入这时可以用智能型输入/输出单元或专门的软件输出单元或专门的软件指令，通过与扫描周期脱离
20、的方式来解决。指令，通过与扫描周期脱离的方式来解决。3.PLC的工作原理的工作原理v PLC的工作原理与计算机的工作原理是基本的工作原理与计算机的工作原理是基本一致的。一致的。PLC执行的任务是串行的，与继电执行的任务是串行的，与继电器逻辑控制系统中控制任务的执行有所不同。器逻辑控制系统中控制任务的执行有所不同。v 从从PLC的工作过程可以看到，整个工作的工作过程可以看到，整个工作过程是以循环扫描的方式进行的。循环扫描过程是以循环扫描的方式进行的。循环扫描方式是指在程序执行过程的周期中，程序对方式是指在程序执行过程的周期中，程序对各个过程输入信号进行采样，对采样的信号各个过程输入信号进行采样，
21、对采样的信号进行运算和处理，并把运算结果输出到生产进行运算和处理，并把运算结果输出到生产过程的执行机构中。过程的执行机构中。PLC工作方式vPLC的扫描周期 T=公共部分扫描时间v +外设扫描时间v +用户程序执行时间v +I0扫描时间vPLC的I0响应时间=输入延迟时间v +扫描周期v +输出延迟时间v +输出时间1.PLC的编程语言的编程语言 PLC为用户提供了完整的编程语言，以适应为用户提供了完整的编程语言，以适应编制用户程序的需要。编制用户程序的需要。PLC提供的编程语言通常提供的编程语言通常有以下几种：有以下几种：梯形图、指令表、顺序功能流梯形图、指令表、顺序功能流程图和功能块图。程
22、图和功能块图。1.梯形图梯形图(LAD)梯形图梯形图(LAD)编程语言是从继电器控制系统原编程语言是从继电器控制系统原理图的基础上演变而来的。理图的基础上演变而来的。PLC的梯形图与继电的梯形图与继电器控制系统的梯形图的基本思想是一致的，只是器控制系统的梯形图的基本思想是一致的，只是在使用符号和表达方式上有一定区别。在使用符号和表达方式上有一定区别。三三 PLC的编程语言和程序结构的编程语言和程序结构图2.5 典型的梯形图 2.指令表指令表(STL)指令表指令表(STL)编程语言类似于计算机中的助记编程语言类似于计算机中的助记符语言，它是可编程序控制器最基础的编程语言。符语言，它是可编程序控制
23、器最基础的编程语言。所谓指令表编程，是用一个或几个容易记忆的字所谓指令表编程，是用一个或几个容易记忆的字符来代表可编程序控制器的某种操作功能。符来代表可编程序控制器的某种操作功能。图图2.6是一个简单的是一个简单的PLC程序，图程序，图(a)是梯形图是梯形图程序，图程序，图(b)是相应的指令表。是相应的指令表。图2.6 基本指令应用举例(a)梯形图；(b)指令表 3.顺序功能流程图顺序功能流程图(SFC)顺序功能流程图顺序功能流程图(SFC)编程是一种图形化的编程是一种图形化的编程方法，亦称功能图。使用它可以对具有并编程方法，亦称功能图。使用它可以对具有并发、选择等复杂结构的系统进行编程，许多
24、发、选择等复杂结构的系统进行编程，许多PLC都提供了用于都提供了用于SFC编程的指令。目前，国编程的指令。目前，国际电工协会际电工协会(IEC)也正在实施并发展这种语言的也正在实施并发展这种语言的编程标准。编程标准。1.可编程序控制器主要由哪几部分组成可编程序控制器主要由哪几部分组成?2.可编程序控制器常用的编程语言有哪些可编程序控制器常用的编程语言有哪些?程程序由哪几部分组成序由哪几部分组成?3.RAM与与EEPROM各有什么特点各有什么特点?使用使用RAM存储用户程序时应注意什么问题存储用户程序时应注意什么问题?4.交流数字量输入模块与直流输入模块分别适交流数字量输入模块与直流输入模块分别适用于什么场合用于什么场合?5.数字量输出模块有哪几种类型数字量输出模块有哪几种类型?它们各有什它们各有什么特点么特点?6.简述可编程序控制器的工作过程。简述可编程序控制器的工作过程。思考与练习题思考与练习题