第3章PLC系統(tǒng)組成與工作原理

1、第第3章章 PLC系統(tǒng)組成和工作原理系統(tǒng)組成和工作原理n 3.1 PLC 系統(tǒng)的組成系統(tǒng)的組成n 3.2 PLC 的工作原理的工作原理n 本章小結(jié)本章小結(jié)3.1 PLC 系統(tǒng)的組成系統(tǒng)的組成l3.1.1 PLC的硬件系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)l3.1.2 PLC的軟件系統(tǒng)的軟件系統(tǒng) 3.1.1 PLC的硬件系統(tǒng)的硬件系統(tǒng) PLC的基本單元主要由微處理器的基本單元主要由微處理器(CPU)、存儲(chǔ)器、輸入和輸出模塊、電源模塊、存儲(chǔ)器、輸入和輸出模塊、電源模塊、I/O擴(kuò)擴(kuò)展接口、外設(shè)展接口、外設(shè)I/O接口以及編程器等部分組成。接口以及編程器等部分組成。 圖圖3-1:一般小型一般小型PLC的硬件系統(tǒng)簡(jiǎn)化框圖。的硬件

2、系統(tǒng)簡(jiǎn)化框圖。圖圖3-1 PLC 硬件系統(tǒng)簡(jiǎn)化框圖硬件系統(tǒng)簡(jiǎn)化框圖 1處理器（處理器（CPU） CPU是整個(gè)是整個(gè)PLC控制的核心，它指揮、協(xié)控制的核心，它指揮、協(xié)調(diào)整個(gè)調(diào)整個(gè)PLC的工作。它主要由控制器、運(yùn)算器、的工作。它主要由控制器、運(yùn)算器、寄存器等組成，其中控制器控制寄存器等組成，其中控制器控制CPU的工作，的工作，由它讀取指令、解釋指令及執(zhí)行指令；運(yùn)算器由它讀取指令、解釋指令及執(zhí)行指令；運(yùn)算器用于進(jìn)行數(shù)字或邏輯運(yùn)算，在控制器指揮下工用于進(jìn)行數(shù)字或邏輯運(yùn)算，在控制器指揮下工作；寄存器參與運(yùn)算，并存儲(chǔ)運(yùn)算的中間結(jié)果，作；寄存器參與運(yùn)算，并存儲(chǔ)運(yùn)算的中間結(jié)果，它也是在控制器指揮下工作。它也是

3、在控制器指揮下工作。 PLC中常用的中常用的CPU有通用微處理器有通用微處理器(如如Z80、8086）、單片機(jī)（如）、單片機(jī)（如8031、8051）和位片式微）和位片式微處理器（如處理器（如AMD2901、AMD2903）。）。 2存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器 存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器是是PLC記憶或暫存數(shù)據(jù)的部件，一記憶或暫存數(shù)據(jù)的部件，一般由存儲(chǔ)體、地址譯碼電路、讀寫(xiě)控制電路和般由存儲(chǔ)體、地址譯碼電路、讀寫(xiě)控制電路和數(shù)據(jù)寄存器組成，用來(lái)存放系統(tǒng)程序、用戶程數(shù)據(jù)寄存器組成，用來(lái)存放系統(tǒng)程序、用戶程序、邏輯變量及其它一些信息。序、邏輯變量及其它一些信息。PLC的存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)器分為系統(tǒng)存儲(chǔ)器和用戶程序存儲(chǔ)器。分為系統(tǒng)存儲(chǔ)器

4、和用戶程序存儲(chǔ)器。 系統(tǒng)存儲(chǔ)器系統(tǒng)存儲(chǔ)器用來(lái)存放系統(tǒng)程序。系統(tǒng)程序用來(lái)存放系統(tǒng)程序。系統(tǒng)程序由由PLC生產(chǎn)廠家編寫(xiě)并固化在生產(chǎn)廠家編寫(xiě)并固化在ROM內(nèi)，它使內(nèi)，它使PLC具有基本的智能，能夠完成具有基本的智能，能夠完成PLC設(shè)計(jì)者規(guī)設(shè)計(jì)者規(guī)定的各種工作。定的各種工作。 用戶程序存儲(chǔ)器用戶程序存儲(chǔ)器存放用戶編制的控制程序。存放用戶編制的控制程序。 常用的存儲(chǔ)器類型：常用的存儲(chǔ)器類型：CMOS RAM、ROM、PROM、EPROM EEPROM。 3. 輸入輸入/輸出（輸出（I/O）模塊）模塊 I/O模塊模塊是是CPU與現(xiàn)場(chǎng)用戶輸入、輸出設(shè)備之間與現(xiàn)場(chǎng)用戶輸入、輸出設(shè)備之間聯(lián)系的橋梁。聯(lián)系的橋梁。

5、 PLC的輸入模塊的輸入模塊用以接收和采集外部設(shè)備各類用以接收和采集外部設(shè)備各類輸入信號(hào)（如按鈕、各種開(kāi)關(guān)、繼電器觸點(diǎn)等送來(lái)輸入信號(hào)（如按鈕、各種開(kāi)關(guān)、繼電器觸點(diǎn)等送來(lái)的開(kāi)關(guān)量；或電位器、測(cè)速發(fā)電機(jī)、傳感器等送來(lái)的開(kāi)關(guān)量；或電位器、測(cè)速發(fā)電機(jī)、傳感器等送來(lái)的模擬量），并將其轉(zhuǎn)換成的模擬量），并將其轉(zhuǎn)換成CPU能接受和處理的數(shù)能接受和處理的數(shù)據(jù)。據(jù)。 PLC的輸出模塊的輸出模塊則是將則是將CPU輸出的控制信息轉(zhuǎn)輸出的控制信息轉(zhuǎn)換成外部設(shè)備所需要的控制信號(hào)去驅(qū)動(dòng)控制元件換成外部設(shè)備所需要的控制信號(hào)去驅(qū)動(dòng)控制元件(如如接觸器、指示燈、電磁閥、調(diào)節(jié)閥、調(diào)速裝置等接觸器、指示燈、電磁閥、調(diào)節(jié)閥、調(diào)速裝置

6、等)。 PLC提供多種用途和功能的提供多種用途和功能的I/O模塊。模塊。 為了提高為了提高PLC的抗干擾能力的抗干擾能力,一般的一般的I/O模塊都有模塊都有光電隔離裝置。光電隔離裝置。 4. 電源模塊電源模塊 電源是整機(jī)的能源供給中心。電源是整機(jī)的能源供給中心。PLC系統(tǒng)系統(tǒng)的電源分內(nèi)部電源和外部電源。的電源分內(nèi)部電源和外部電源。 內(nèi)部電源內(nèi)部電源：PLC內(nèi)部配有開(kāi)關(guān)式穩(wěn)壓電內(nèi)部配有開(kāi)關(guān)式穩(wěn)壓電源模塊，用來(lái)將源模塊，用來(lái)將220V交流電源轉(zhuǎn)換成交流電源轉(zhuǎn)換成PLC內(nèi)內(nèi)部各模塊所需的直流穩(wěn)壓電源。小型部各模塊所需的直流穩(wěn)壓電源。小型PLC的的內(nèi)部電源往往和內(nèi)部電源往往和CPU單元合為一體，大中型

7、單元合為一體，大中型PLC都有專用的電源模塊。都有專用的電源模塊。 外部電源外部電源又叫用戶電源，用于傳送現(xiàn)場(chǎng)又叫用戶電源，用于傳送現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)或驅(qū)動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)負(fù)載，通常由用戶另備。信號(hào)或驅(qū)動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)負(fù)載，通常由用戶另備。 5. 編程器編程器 編程器編程器是對(duì)用戶程序進(jìn)行編輯、輸入、調(diào)是對(duì)用戶程序進(jìn)行編輯、輸入、調(diào)試，通過(guò)其鍵盤(pán)去調(diào)用和顯示試，通過(guò)其鍵盤(pán)去調(diào)用和顯示PLC內(nèi)部的一些內(nèi)部的一些狀態(tài)和系統(tǒng)參數(shù)實(shí)現(xiàn)監(jiān)控功能的設(shè)備。它是狀態(tài)和系統(tǒng)參數(shù)實(shí)現(xiàn)監(jiān)控功能的設(shè)備。它是PLC最重要的外圍設(shè)備，是最重要的外圍設(shè)備，是PLC不可缺少的一不可缺少的一部分。部分。 目前，許多目前，許多PLC都用微型計(jì)算機(jī)作為編程都用微

8、型計(jì)算機(jī)作為編程工具，只要配上相應(yīng)的硬件接口和軟件包，就工具，只要配上相應(yīng)的硬件接口和軟件包，就可以使用梯形圖、語(yǔ)句表等多種編程語(yǔ)言進(jìn)行可以使用梯形圖、語(yǔ)句表等多種編程語(yǔ)言進(jìn)行編程。編程。 6TD 200文本顯示器文本顯示器 TD200（Text Display 200）文本顯示器）文本顯示器是專用于是專用于S7-200系列系列PLC的文本顯示和操作的文本顯示和操作界面。界面。TD200支持中文操作和文本顯示。支持中文操作和文本顯示。 TD200的主要功能有：顯示信息；在控的主要功能有：顯示信息；在控制系統(tǒng)中可設(shè)定和修正參數(shù)；可以提供制系統(tǒng)中可設(shè)定和修正參數(shù)；可以提供8個(gè)由個(gè)由用戶自定義的功能

9、鍵；提供密碼保護(hù)功能；用戶自定義的功能鍵；提供密碼保護(hù)功能；可用可用STEP 7-Micro/WIN 軟件進(jìn)行編程，在軟件進(jìn)行編程，在S7-200系列的系列的CPU中保留了一個(gè)專用區(qū)域用中保留了一個(gè)專用區(qū)域用于與于與TD200交換數(shù)據(jù)，交換數(shù)據(jù)，TD200直接通過(guò)這些直接通過(guò)這些數(shù)據(jù)區(qū)訪問(wèn)數(shù)據(jù)區(qū)訪問(wèn)CPU的必要功能。的必要功能。 7. 外部設(shè)備外部設(shè)備I/O接口接口 PLC的外部設(shè)備的外部設(shè)備還有還有: EPROM寫(xiě)入器（用于將寫(xiě)入器（用于將用戶程序?qū)懭氲接脩舫绦驅(qū)懭氲紼PROM中）、打印機(jī)、外存儲(chǔ)器中）、打印機(jī)、外存儲(chǔ)器（磁帶或磁盤(pán)）等。外部設(shè)備（磁帶或磁盤(pán)）等。外部設(shè)備I/O接口的作用就是

10、將接口的作用就是將這些外設(shè)與這些外設(shè)與CPU相連。某些相連。某些PLC可以通過(guò)通信接口與可以通過(guò)通信接口與其它其它PLC或上位計(jì)算機(jī)連接，以實(shí)現(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)功能。或上位計(jì)算機(jī)連接，以實(shí)現(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)功能。 8. I/O擴(kuò)展接口擴(kuò)展接口 當(dāng)用戶的輸入、輸出設(shè)備所需的當(dāng)用戶的輸入、輸出設(shè)備所需的I/O點(diǎn)數(shù)超過(guò)了點(diǎn)數(shù)超過(guò)了主機(jī)（基本單元）的主機(jī)（基本單元）的I/O點(diǎn)數(shù)時(shí)，就需要用點(diǎn)數(shù)時(shí)，就需要用I/O擴(kuò)展單擴(kuò)展單元加以擴(kuò)展。元加以擴(kuò)展。I/O擴(kuò)展接口擴(kuò)展接口就是用于擴(kuò)展單元與基本就是用于擴(kuò)展單元與基本單元之間的連接，它使得單元之間的連接，它使得I/O點(diǎn)數(shù)的配置更為靈活。點(diǎn)數(shù)的配置更為靈活。 3.1.2 PL

11、C的軟件系統(tǒng)的軟件系統(tǒng) PLC的軟件是指的軟件是指PLC工作所使用的各種工作所使用的各種程序的集合，它包括系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件兩程序的集合，它包括系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件兩大部分。系統(tǒng)軟件決定了大部分。系統(tǒng)軟件決定了PLC的基本智能，的基本智能，應(yīng)用軟件則規(guī)定了應(yīng)用軟件則規(guī)定了PLC的具體工作。的具體工作。 系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件又叫系統(tǒng)程序，是由又叫系統(tǒng)程序，是由PLC生產(chǎn)廠生產(chǎn)廠家編制的用來(lái)管理、協(xié)調(diào)家編制的用來(lái)管理、協(xié)調(diào)PLC的各部分工作，的各部分工作，充分發(fā)揮充分發(fā)揮PLC的硬件功能，方便用戶使用的的硬件功能，方便用戶使用的通用程序。系統(tǒng)軟件通常被固化在通用程序。系統(tǒng)軟件通常被固化在EPROM中中與

12、機(jī)器的其它硬件一起提供給用戶。與機(jī)器的其它硬件一起提供給用戶。 應(yīng)用軟件應(yīng)用軟件又叫用戶程序，是用戶根據(jù)實(shí)又叫用戶程序，是用戶根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)控制需要用際系統(tǒng)控制需要用PLC的編程語(yǔ)言編寫(xiě)的。的編程語(yǔ)言編寫(xiě)的。 l3.2.1 PLC的工作方式的工作方式l3.2.2 PLC的工作過(guò)程的工作過(guò)程l3.2.3 掃描周期的計(jì)算與掃描周期的計(jì)算與PLC的的I/O響應(yīng)時(shí)間響應(yīng)時(shí)間3.2 PLC 的工作原理的工作原理 3.2.1 PLC的工作方式的工作方式 PLC對(duì)用戶程序的執(zhí)行對(duì)用戶程序的執(zhí)行采用循環(huán)掃描的采用循環(huán)掃描的工作方式。工作方式。 PLC開(kāi)始運(yùn)行時(shí)，開(kāi)始運(yùn)行時(shí)，CPU對(duì)用戶程序作周對(duì)用戶程序作周期性

13、循環(huán)掃描，在無(wú)跳轉(zhuǎn)指令或中斷的情況期性循環(huán)掃描，在無(wú)跳轉(zhuǎn)指令或中斷的情況下，下，CPU從第一條指令開(kāi)始順序逐條地執(zhí)行從第一條指令開(kāi)始順序逐條地執(zhí)行用戶程序，直到用戶程序結(jié)束，然后又返回用戶程序，直到用戶程序結(jié)束，然后又返回第一條指令開(kāi)始新的一輪掃描，并周而復(fù)始第一條指令開(kāi)始新的一輪掃描，并周而復(fù)始地重復(fù)。在每次掃描過(guò)程中，還要完成對(duì)輸?shù)刂貜?fù)。在每次掃描過(guò)程中，還要完成對(duì)輸入信號(hào)的采集和對(duì)輸出狀態(tài)的刷新等工作。入信號(hào)的采集和對(duì)輸出狀態(tài)的刷新等工作。 PLC采用循環(huán)掃描的工作方式，這是有采用循環(huán)掃描的工作方式，這是有別于微型計(jì)算機(jī)、繼電接觸器控制的重要特別于微型計(jì)算機(jī)、繼電接觸器控制的重要特點(diǎn)。點(diǎn)

14、。 微機(jī)一般采用等待命令的工作方式。微機(jī)一般采用等待命令的工作方式。 繼電接觸器控制系統(tǒng)采用硬邏輯繼電接觸器控制系統(tǒng)采用硬邏輯“并行并行”運(yùn)行的方式。運(yùn)行的方式。 PLC采用循環(huán)掃描的工作方式，在工作過(guò)程中，采用循環(huán)掃描的工作方式，在工作過(guò)程中，如果某個(gè)軟繼電器的線圈接通，該線圈的所有常開(kāi)如果某個(gè)軟繼電器的線圈接通，該線圈的所有常開(kāi)和常閉觸點(diǎn)并不一定會(huì)立即動(dòng)作，只有和常閉觸點(diǎn)并不一定會(huì)立即動(dòng)作，只有CPU掃描到掃描到該接點(diǎn)時(shí)才會(huì)動(dòng)作：其常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)，常開(kāi)觸點(diǎn)閉該接點(diǎn)時(shí)才會(huì)動(dòng)作：其常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)，常開(kāi)觸點(diǎn)閉合。也就是說(shuō)，合。也就是說(shuō)，PLC在任一時(shí)刻只能執(zhí)行一條指令，在任一時(shí)刻只能執(zhí)行一條指令，是

15、以是以“串行串行”方式工作，這樣便避免了繼電接觸器方式工作，這樣便避免了繼電接觸器控制的觸點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)和時(shí)序失配問(wèn)題?？刂频挠|點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)和時(shí)序失配問(wèn)題。 3.2.2 PLC的工作過(guò)程的工作過(guò)程 1PLC的工作過(guò)程的工作過(guò)程 PLC整個(gè)工作過(guò)程包含五個(gè)階段：自診斷、整個(gè)工作過(guò)程包含五個(gè)階段：自診斷、與編程器等進(jìn)行通信、輸入采樣、執(zhí)行用戶程與編程器等進(jìn)行通信、輸入采樣、執(zhí)行用戶程序、輸出刷新。圖序、輸出刷新。圖3-2 PLC的工作過(guò)程框圖：的工作過(guò)程框圖：自診斷自診斷與編程器、與編程器、計(jì)算機(jī)等通信計(jì)算機(jī)等通信讀入讀入現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)執(zhí)行執(zhí)行 用戶程序用戶程序輸出輸出結(jié)果結(jié)果 2. 輸入和輸出映像寄存器輸入

16、和輸出映像寄存器 輸入和輸出映像寄存器輸入和輸出映像寄存器是在是在PLC的的RAM工作區(qū)工作區(qū)中將一特定區(qū)域的存儲(chǔ)單元作為輸入映像寄存器和中將一特定區(qū)域的存儲(chǔ)單元作為輸入映像寄存器和輸出映像寄存器的存儲(chǔ)區(qū)。輸出映像寄存器的存儲(chǔ)區(qū)。 輸入映像寄存器輸入映像寄存器中存儲(chǔ)著對(duì)應(yīng)位輸入中存儲(chǔ)著對(duì)應(yīng)位輸入“繼電器繼電器”的通的通/斷狀態(tài)。高電平斷狀態(tài)。高電平“1”為通，低電平為通，低電平“0”為斷。為斷。此處此處“繼電器繼電器”是指由系統(tǒng)軟件程序賊予的具有繼是指由系統(tǒng)軟件程序賊予的具有繼電器功能的電器功能的“軟繼電器軟繼電器”。每位輸入映像寄存器也。每位輸入映像寄存器也對(duì)應(yīng)著對(duì)應(yīng)著PLC每個(gè)實(shí)際輸入端的

17、通每個(gè)實(shí)際輸入端的通/斷狀態(tài)。輸入映像斷狀態(tài)。輸入映像寄存器的內(nèi)容只能被寄存器的內(nèi)容只能被PLC中的中的CPU讀出，而不能被讀出，而不能被改寫(xiě)。改寫(xiě)。 輸出映像寄存器輸出映像寄存器單元存儲(chǔ)著對(duì)應(yīng)位輸出寄存器單元存儲(chǔ)著對(duì)應(yīng)位輸出寄存器的狀態(tài)。在執(zhí)行用戶程序時(shí)，輸出映像寄存器既可的狀態(tài)。在執(zhí)行用戶程序時(shí)，輸出映像寄存器既可被被PLC的的CPU讀出，又可被讀出，又可被CPU改寫(xiě)。改寫(xiě)。 3PLC對(duì)對(duì)I/O的處理規(guī)則的處理規(guī)則 （1）輸入映像寄存器的狀態(tài)取決于各輸）輸入映像寄存器的狀態(tài)取決于各輸入端子在上一個(gè)刷新期間的狀態(tài)；入端子在上一個(gè)刷新期間的狀態(tài)； （2）程序執(zhí)行階段所需的輸入、輸出狀）程序執(zhí)行

18、階段所需的輸入、輸出狀態(tài)，由輸入映像寄存器和輸出映像寄存器讀態(tài)，由輸入映像寄存器和輸出映像寄存器讀出；出； （3）輸出映像寄存器的內(nèi)容由程序中輸）輸出映像寄存器的內(nèi)容由程序中輸出指令的執(zhí)行結(jié)果決定；出指令的執(zhí)行結(jié)果決定； （4）輸出鎖存器中的內(nèi)容由上一次輸出）輸出鎖存器中的內(nèi)容由上一次輸出刷新時(shí)輸出映像寄存器的狀態(tài)決定；刷新時(shí)輸出映像寄存器的狀態(tài)決定； （5）各輸出端子的通斷狀態(tài)由輸出鎖存）各輸出端子的通斷狀態(tài)由輸出鎖存器的內(nèi)容來(lái)決定。器的內(nèi)容來(lái)決定。 3.2.3 掃描周期的計(jì)算與掃描周期的計(jì)算與PLC的的I/O響應(yīng)時(shí)間響應(yīng)時(shí)間 PLC執(zhí)行自診斷、與編程器或計(jì)算機(jī)等執(zhí)行自診斷、與編程器或計(jì)算機(jī)

19、等通信、輸入采樣、執(zhí)行用戶程序、輸出刷新這通信、輸入采樣、執(zhí)行用戶程序、輸出刷新這五個(gè)階段的時(shí)間叫五個(gè)階段的時(shí)間叫一個(gè)掃描周期一個(gè)掃描周期 。 掃描周期掃描周期T(沒(méi)考慮與編程器等通信的時(shí)間沒(méi)考慮與編程器等通信的時(shí)間)計(jì)算式：計(jì)算式： T=自診斷時(shí)間自診斷時(shí)間 + (輸入點(diǎn)數(shù)輸入點(diǎn)數(shù)x讀入讀入1點(diǎn)的時(shí)間點(diǎn)的時(shí)間) + (運(yùn)算速度運(yùn)算速度x程序步數(shù)程序步數(shù))+(輸出點(diǎn)數(shù)輸出點(diǎn)數(shù)x輸出輸出1點(diǎn)的時(shí)間點(diǎn)的時(shí)間) I/O響應(yīng)時(shí)間：響應(yīng)時(shí)間：從從PLC的某一輸入信號(hào)變的某一輸入信號(hào)變化開(kāi)始到系統(tǒng)有關(guān)輸出端信號(hào)的改變所需的化開(kāi)始到系統(tǒng)有關(guān)輸出端信號(hào)的改變所需的時(shí)間。時(shí)間。 為了增強(qiáng)為了增強(qiáng)PLC的抗干擾能

20、力，提高其可靠性，的抗干擾能力，提高其可靠性，PLC的每個(gè)開(kāi)關(guān)量輸入端都采用光電隔離和的每個(gè)開(kāi)關(guān)量輸入端都采用光電隔離和RC濾波濾波電路等技術(shù)。另外電路等技術(shù)。另外, PLC采用了不同于一般微型計(jì)算采用了不同于一般微型計(jì)算機(jī)的運(yùn)行方式機(jī)的運(yùn)行方式,即循環(huán)掃描的工作方式。由于這兩個(gè)即循環(huán)掃描的工作方式。由于這兩個(gè)主要原因，使得主要原因，使得PLC的的I/O響應(yīng)比一般微型計(jì)算機(jī)構(gòu)響應(yīng)比一般微型計(jì)算機(jī)構(gòu)成的工業(yè)控制系統(tǒng)慢得多，其響應(yīng)時(shí)間至少等于一成的工業(yè)控制系統(tǒng)慢得多，其響應(yīng)時(shí)間至少等于一個(gè)掃描周期，最大時(shí)間為個(gè)掃描周期，最大時(shí)間為23個(gè)掃描周期。個(gè)掃描周期。PLC的這的這種滯后響應(yīng)，對(duì)一般的工業(yè)控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)無(wú)關(guān)緊要，種滯后響應(yīng)，對(duì)