第二章可編程控制器的基本組成及工作原理

2023/2/2第二章可編程控制器的基本組成及原理1第2章可編程序控制器的基本結構和工作原理

可編程控制器的基本結構可編程控制器的資源與編程語言可編程控制器的工作原理2023/2/2第二章可編程控制器的基本組成及原理2可編程序控制器的基本結構中央處理單元CPU

存儲器I/O接口模擬量輸入模塊模擬量輸出模塊開關量輸入模塊開關量輸出模塊

智能模塊接口和擴展接口模塊電源模塊編程工具專用編程器專用編程軟件軟件系統(tǒng)2023/2/2第二章可編程控制器的基本組成及原理3可編程序控制器的基本結構可編程序控制器的基本結構CPU模塊

微處理器+存儲器

PLC的大腦和心臟輸入-執(zhí)行-輸出

I/O模塊

系統(tǒng)的眼、耳、手、腳輸入：開關量、模擬量輸出：執(zhí)行器（接觸器、電磁閥、調節(jié)器、調速）編程器

編輯用戶程序監(jiān)視PLC狀態(tài)電源為系統(tǒng)提供電源2023/2/2第二章可編程控制器的基本組成及原理4中央處理單元存儲器數據存儲器輸出接口地址總線控制總線數據總線編程單元照明電磁裝置執(zhí)行機構……電源地址總線控制總線輸入接口模擬量輸入行程開關繼電器接點各種開關PLC結構示意圖2023/2/2第二章可編程控制器的基本組成及原理5中央處理單元CPU——PLC的核心(1)CPU接收從編程器或計算機輸入的程序和數據，并送入用戶程序存儲器中存儲。

(2)監(jiān)視電源、PLC內部各個單元電路的工作狀態(tài)。

(3)診斷編程過程中的語法錯誤，對用戶程序進行編譯。

(4)在PLC進入運行狀態(tài)后，從用戶程序存儲器中逐條讀取指令，并分析、執(zhí)行該指令。

(5)采集由現場輸入裝置送來的數據，并存入指定的寄存器中。

(6)按程序進行處理，根據運算結果，更新有關標志位的狀態(tài)和輸出狀態(tài)或數據寄存器的內容。

(7)根據輸出狀態(tài)或數據寄存器的有關內容，將結果送到輸出接口。

(8)響應中斷和各種外圍設備(如編程器、打印機等)的任務處理請求。2023/2/2第二章可編程控制器的基本組成及原理6存儲器、存儲空間的分配

雖然大、中、小型PLC的CPU的最大可尋址存儲空間各不相同但是根據PLC的工作原理，其存儲空間一般包括以下三個區(qū)域：系統(tǒng)程序存儲區(qū)系統(tǒng)RAM存儲區(qū)也稱工作數據區(qū)(包括I／O映象區(qū)和系統(tǒng)軟設備等)用戶程序存儲區(qū)PLC常用的存儲器主要有PROM、EPROM、E2PROM、RAM等幾種，多數都直接集成在CPU單元內部。

2023/2/2第二章可編程控制器的基本組成及原理7存儲器、存儲空間的分配－－系統(tǒng)程序存儲區(qū)

系統(tǒng)程序存儲區(qū)中存放著相當于計算機操作系統(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PLC的各項性能。2023/2/2第二章可編程控制器的基本組成及原理8存儲器、存儲空間的分配－－系統(tǒng)RAM存儲區(qū)

也稱工作數據存儲器，指PLC在工作過程中經常變化、需要經常存取的數據，如：參數測量結果、運算結果、設定值等，這部分數據一般存放在RAM之中。

在工作數據區(qū)中開辟有元件映像寄存器和數據表，包括I/O映象區(qū)以及各類系統(tǒng)軟設備存儲區(qū)軟設備(例如：邏輯線圈、數據寄存器、計時器、計數器、變址寄存器、累加器等)存儲區(qū)。2023/2/2第二章可編程控制器的基本組成及原理9存儲器、存儲空間的分配－－系統(tǒng)RAM存儲區(qū)

**I／O映象區(qū)

由于PLC投入運行后，只是在輸入采樣階段才依次讀入各輸入狀態(tài)和數據，在輸出刷新階段才將輸出的狀態(tài)和數據送至相應的外設。因此，它需要有一定數量的存儲單元(RAM)以供存放I/O的狀態(tài)和數據，這些存儲單元稱作I／0映象區(qū)。一個開關量I／0占用存儲單元中的一個位(bit)，一個模擬量I/O占用存儲單元中的一個字(16個bit)。

**開關量的I／O映象區(qū)

**模擬量的I/O映象區(qū)2023/2/2第二章可編程控制器的基本組成及原理10存儲器、存儲空間的分配－－系統(tǒng)RAM存儲區(qū)

**開關量輸入（I）映象區(qū)

該映象區(qū)中的存儲單元用來存放開關量I/O。每個開關量I/O占用存儲單元中的一個位(bit)。連接到PLC開關量輸入端的每個開關量輸入在I／O映象區(qū)中都有一個確定的位與之相對應。在輸入采樣階段或掃描該開關量輸入的立即刷新指令時，如果該開關量輸入端所連接的外設處于“斷開”狀態(tài)，則I/O映象區(qū)中相對應的位被置為“0”

；如果該輸入端所聯接的外設處于“閉合”狀態(tài)，則I/O映象區(qū)中相對應的位被置為“1”

。2023/2/2第二章可編程控制器的基本組成及原理11存儲器、存儲空間的分配－－系統(tǒng)RAM存儲區(qū)

**開關量輸出（O）映象區(qū)

PLC的每個開關量輸出在I／O映象區(qū)中都有一個確定的位與之相對應。在掃描用戶程序時，根據該輸出線圈的控制線路的邏輯運算結果確定I/O映象區(qū)中與之相對應的位的狀態(tài)。如果其控制線路的邏輯運算結果將該位置為“0”，則用戶程序中地址為該輸出線圈的常開觸點均“斷開”，其常閉觸點均“閉合”，在輸出刷新階段或掃描含該輸出的立即刷新指令時，該輸出端斷開，與之相連接的外設不動作；如果其控制線路的邏輯運算結果將該位置為“1”，則用戶程序中地址為該輸出線圈的常開觸點均“閉合”，其常閉觸點均“斷開”，在輸出刷新階段或掃描含該輸出的立即刷新指令時，該輸出端閉合，與之相連接的外設動作。2023/2/2第二章可編程控制器的基本組成及原理12存儲器、存儲空間的分配－－系統(tǒng)RAM存儲區(qū)

**模擬量I/O映象區(qū)

該映象區(qū)中的存儲單元用來存放模擬量I／O。每個模擬量I／O占用一個字(16bits)，而每個PLC規(guī)定了其允許的最大模擬量I/O點數，因此，模擬量I/O映象區(qū)中存儲單元的總數就等于模擬量I／O點數的和。例如：具有模擬量I／O各8點的PLC，其模擬量I/O映象區(qū)由16個16位的存儲單元組成。這就是說，連接到PLC模擬量I/O端的每個模擬量I／O在I/O映象區(qū)中都有一個16位的存儲單元與之相對應。每個存儲單元內的數據反映了相對應的模擬量I／O的大小。2023/2/2第二章可編程控制器的基本組成及原理13存儲器、存儲空間的分配－－系統(tǒng)RAM存儲區(qū)**系統(tǒng)軟設備存儲區(qū)

除了I/O映象區(qū)以外，系統(tǒng)RAM存儲區(qū)還包括PLC內部各類軟設備(邏輯線圈、計時器、計數器、數據寄存器、變址寄存器和累加器等)的存儲區(qū)。該存儲區(qū)又分為具有失電保持的存儲區(qū)域和無失電保持的存儲區(qū)域。前者在PLC斷電時，由內部的鋰電池供電，使這部分存儲單元內的數據得以保留；后者當PLC停止運行時，將這部分存儲單元內的數據全部清零。2023/2/2第二章可編程控制器的基本組成及原理14可編程序控制器的物理結構整體式模塊式疊裝式可編程序控制器的基本結構整體式模塊式2023/2/2第二章可編程控制器的基本組成及原理15開關量I/O模塊的外部接線方式匯點式

各個I/O電路有一個公共點，共用一個電源。分組式

I/O分成若干組，每組I/O共用一個電源，各組電源可以不同。分割式

各個I/O點之間相互隔離，每個I/O可以使用獨立電源?？删幊绦蚩刂破鞯幕窘Y構2023/2/2第二章可編程控制器的基本組成及原理16輸入模塊可編程序控制器的基本結構直流輸入電路圖輸入接口作用：將按鈕、行程開關或傳感器等產生的信號，轉換成數字信號送入主機。2023/2/2第二章可編程控制器的基本組成及原理17交流輸入電路圖2023/2/2第二章可編程控制器的基本組成及原理18輸出模塊可編程序控制器的基本結構繼電器輸出：低速大功率

直流、交流負載（隔離、功率放大）晶體管集電極輸出：高速小功率

直流負載雙向可控硅輸出：高速大功率

交流負載輸出接口作用：將主機向外輸出的信號轉換成可以驅動外部執(zhí)行電路的信號，以便控制接觸器線圈等電器通斷電；另外輸出電路也使計算機與外部強電隔離。2023/2/2第二章可編程控制器的基本組成及原理19繼電器輸出輸出接口電路以繼電器形式為例PLC內部電路內部電路J+交流電源或直流電源YCOM-2023/2/2第二章可編程控制器的基本組成及原理20模擬量輸入模塊（A/D、AI）A/D作用：將現場儀表輸出的（標準）模擬量信號0~10mA、4~20mA、1~5VDC等轉化為計算機可以處理的數字信號 變送器：溫度變送器壓力變送器流量變送器液位變送器成分分析儀傳感器：

Pt100Cu50

熱電偶

……現場儀表模擬信號4～20mA0～10mA1～5VDCmV、Ω……模數轉換(A/D、AI)端口(地址)數字信號0～40950～1023……CPU數字信號0～40950～1023……工程化轉換工程量0～100℃0～50kPa……軟件實現檢測儀表硬件濾波如：RC濾波軟件濾波如：中值濾波軟件RC濾波

……可編程序控制器的基本結構2023/2/2第二章可編程控制器的基本組成及原理21A/D組成：一般是由多路轉換開關、前置放大器、采樣保持器、ADC（AnalogtoDigitalConverter）等組成前置放大采樣保持內、外補償多路轉換ADC光電隔離數據驅動鎖存數據總線控制單元控制總線輸入信號1輸入信號nA/D轉換通常有二種方式：①逐次比較型

②雙積分型

2023/2/2第二章可編程控制器的基本組成及原理22A/D轉換的性能指標分辨力*――A/D接口變化一個LSB（二進制最低有效位）時輸入模擬量的最小變化量例：12位A/D轉換器，輸入范圍0～10VDC，分辨力＝10/212＝2.44mV（通常分辨率以輸入二進制數的位數來表示：10位、12位分辨率）線性誤差――實際轉換特性曲線與理想轉換特性曲線之間的最大偏差包括偏移誤差（0輸入非0輸出）、非線性誤差等。線性誤差通常以LSB的分數表示：如

1/2LSB、1LSB等轉換時間*

――從啟動轉換到轉換結束完成一次A/D轉換所需要的時間信號的隔離*模塊包含的A/D通道數*輸入信號類型――單極性、雙極性、信號范圍、信號制2023/2/2第二章可編程控制器的基本組成及原理23模擬量輸出模塊（D/A、AO）D/A作用：將計算機內部的數字信號轉化為現場儀表可以接收的標準信號4~20mA等如：12位數字量（0～4095）→4~20mA2047對應的轉換結果：12mA調節(jié)閥變頻器……執(zhí)行器控制信號4～20mA0～10mA1～5VDC0～10VDC……數模轉換(D/A、AO)端口(地址)數字信號0～40950～1023……CPU工程量0～100％……軟件實現數字信號0～40950～1023……工程化反變換可編程序控制器的基本結構2023/2/2第二章可編程控制器的基本組成及原理24D/A轉換的性能指標分辨力――二進制變化一個LSB（最低有效位）時D/A輸出模擬量的最小變化量（通常分辨率以輸入二進制數地位數來表示：10位、12位D/A轉換器）線性誤差――實際轉換特性曲線與理想轉換特性曲線之間的最大偏差包括偏移誤差（0輸入非0輸出）、非線性誤差等。線性誤差通常以LSB的分數表示：如

1/2LSB、1LSB等建立時間――當輸入數字量變化時，輸出的模擬信號穩(wěn)定在相應的數值范圍之內（0.5xLSB）所經歷的時間模塊包含的D/A通道數

輸出信號類型――電流、電壓及輸出范圍2023/2/2第二章可編程控制器的基本組成及原理25本地I/O與遠程I/O可編程序控制器的基本結構1）本地I/O

并行通信方式遠程I/O

串行通信方式2023/2/2第二章可編程控制器的基本組成及原理26可編程控制器的硬件資源

可編程序控制器的資源與編程語言PLC都提供了各種類型的繼電器，一般都稱為“軟繼電器”，以供系統(tǒng)軟件設計中編程使用。常用的有輸入繼電器、輸出繼電器、內部繼電器(分為通用和專用兩種)、定時器、計數器、數據寄存器(分為通用和專用等類型)等。這些編程用的繼電器的工作線圈沒有工作電壓等級、功耗大小和電磁慣性等問題。其觸點沒有數量限制，沒有機械磨損和電蝕等問題。在不同的指令操作下，其工作狀態(tài)可以無記憶，也可以有記憶，還可以作脈沖數字元件使用。2023/2/2第二章可編程控制器的基本組成及原理27輸入繼電器輸出繼電器內部繼電器定時器計數器數據寄存器可編程控制器的硬件資源

可編程序控制器的資源與編程語言2023/2/2第二章可編程控制器的基本組成及原理28PLC是一種專門為工業(yè)控制而設計的計算機，具體控制功能的實現也是通過開發(fā)人員設計的程序來完成的。所以，采用PLC進行控制就涉及到用相應的程序設計語言來完成編程的任務。PLC存在的主要缺點在于PLC的軟件和硬件體系結構是封閉而不是開放的。絕大多數的PLC是專用總線、專用通信網絡及協(xié)議。編程雖然都可采用梯形圖，但不同公司的PLC產品在尋址、語法結構等方面不一致，使各種PLC互不兼容。國際電工委員會(IEC)在1992年頒布了可編程控制器的編程軟件標準IEC1131-3，為各PLC廠家編程的標準化鋪平了道路。開發(fā)以PC為基礎、在Windows平臺下，符合IEC1131-3國際標準的新一代開放體系結構的PLC正在規(guī)劃中?？删幊炭刂破鞯木幊陶Z言

可編程序控制器的資源與編程語言2023/2/2第二章可編程控制器的基本組成及原理29國際電工委員會制訂的5種標準編程語言如下。(1)梯形圖(LadderDiagram，LD)適合于邏輯控制的程序設計。(2)指令表(InstructionList，IL)適合于簡單文本的程序設計。(3)順序功能圖(SequentialFunctionChart，SFC)適合于時序混合型的多進程復雜控制。(4)功能塊圖(FunctionBlockDiagram，FBD)適合于典型固定復雜算法控制，如PID調節(jié)等。(5)結構化文本(StructuredText，ST)適合于自編專用的復雜程序，如特殊的模型算法?？删幊炭刂破鞯木幊陶Z言

可編程序控制器的資源與編程語言2023/2/2第二章可編程控制器的基本組成及原理30可編程序控制器的工作原理繼電器

（a）結構示意

（b）圖文符號2023/2/2第二章可編程控制器的基本組成及原理31繼電器作用1）功率放大2）電器隔離3）邏輯運算

與、或、非2023/2/2第二章可編程控制器的基本組成及原理32（a）邏輯符號

（b）控制線路實例邏輯“與”2023/2/2第二章可編程控制器的基本組成及原理33邏輯“或”

（a）邏輯符號

（b）控制線路實例2023/2/2第二章可編程控制器的基本組成及原理34

（a）邏輯符號

（b）控制線路實例邏輯“非”2023/2/2第二章可編程控制器的基本組成及原理35異步電動機控制2023/2/2第二章可編程控制器的基本組成及原理36兩種工作狀態(tài)

運行（RUN）

/停止（STOP）可編程序控制器的工作原理PLC的掃描工作方式內部處理：內部診斷、監(jiān)控定時器復位；通信服務：與其它裝置通信、響應編程器命令（輸入、顯示）。輸入處理：外部端口狀態(tài)讀入輸入映像寄存器。程序執(zhí)行：完成用戶程序的邏輯運算。輸出處理：將輸出映像寄存器狀態(tài)送到輸出端口（鎖存器）2023/2/2第二章可編程控制器的基本組成及原理37可編程序控制器的工作原理PLC掃描程序執(zhí)行過程2023/2/2第二章可編程控制器的基本組成及原理38直接啟動停車控制控制電路圖SB1SB2KMKMI/O分配：

X0：啟動

X1：停車

Y0：KMX1X0COMY0COM~KMSB2SB1PLC外部接線圖Y0X1Y0X0程序：梯形圖2023/2/2第二章可編程控制器的基本組成及原理39可編程序控制器的工作原理掃描周期PLC在【RUN】工作狀態(tài)時，完成‘內部處理、通信服務、輸入處理、程序執(zhí)行、輸出處理‘所需的時間2023/2/2