內部結構及工作基本原理

2.1可編程控制器的硬件構成2.2可編程控制器的軟件構成2.3可編程控制器的工作原理2.4可編程控制器的分類2.1可編程控制器的硬件構成一、CPU模塊二、輸入輸出接口電路三、電源四、外部設備圖1可編程控制器2.1可編程控制器的硬件構成圖2PLC的硬件結構

PLC由CPU、存儲器、輸入/輸出接口、內部電源和編程設備幾部分構成一、CPU模塊接受、存儲用戶程序；按掃描工作方式接收來自輸入單元的數(shù)據(jù)和信息，并存入相應的數(shù)據(jù)存儲區(qū)；執(zhí)行監(jiān)控程序和用戶程序，完成數(shù)據(jù)和信息的邏輯處理，產(chǎn)生相應的內部控制信號，完成用戶指令規(guī)定的各種操作；響應外部設備的請求。

CPU是PLC的運算控制中心，它在系統(tǒng)程序的控制下，完成邏輯運算、數(shù)學運算、協(xié)調系統(tǒng)內部各部分的工作，其具體作用是：CPU模塊（中央處理器+存儲器）一、CPU模塊RAM：隨機存儲器，可讀可寫，沒有斷電保持功能。ROM：只讀存儲器，只讀，不能寫。RAM存放用戶程序ROM存放系統(tǒng)程序存儲器用于存放系統(tǒng)程序、用戶程序和運行中的數(shù)據(jù)。包括只讀存儲器(ROM)和隨機存取存儲器(RAM)。EPROM：可擦除程序的只讀存儲器，用紫外線照射芯片上的透鏡窗口，可以擦除已寫入的內容，而寫入新的程序。EEPROM：可電擦除的只讀存儲器，兼有ROM的非易失性和RAM的隨機存取的優(yōu)點。輸入輸出接口是PLC與工業(yè)控制現(xiàn)場各類信號連接的部分。二、輸入輸出接口輸入接口用來接受生產(chǎn)過程的各種參數(shù)（輸入信號）。輸出接口用來送出可編程控制器運算后得出的控制信息（輸出信號），并通過機外的執(zhí)行機構完成工業(yè)現(xiàn)場的各類控制。為了適應可編程控制器在工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的工作，對輸入輸出接口有二個主要的要求：良好的抗干擾能力能滿足工業(yè)現(xiàn)場各類信號的匹配要求可編程控制器為不同的接口需求設計了不同的接口單元：開關量輸入接口將現(xiàn)場各種開關量信號（如按鈕、選擇、行程、限位、接近等開關）轉換成PLC內部統(tǒng)一的標準信號電平，傳送到內部總線的輸入接口模塊。開關量輸入接口按可接納的外部信號電源的類型不同，分為直流輸入單元和交流輸入單元。開關量輸出接口按可編程控制器機內使用的器件不同，分為繼電器型、晶體管型和可控硅型。開關量輸出接口其作用是把可編程內部的標準信號轉換成現(xiàn)場執(zhí)行機構所需的開關量信號。二、輸入輸出接口1．開關量輸入接口圖3直流開關量輸入單元二、輸入輸出接口24V直流由PLC內部提供1．開關量輸入接口圖4交流開關量輸入單元二、輸入輸出接口由PLC外部提供交流電源，交流信號經(jīng)整流、限流后再通過光耦傳入CPU。特點：a、1次電路與2次電路間用光電耦合器隔離。可防止輸入觸點抖動、輸入線混入的噪聲所引起的誤動作；b、光耦器初、次級間無電路直接聯(lián)系，絕緣電阻大，可耐高壓（＞1500V），將生產(chǎn)現(xiàn)場與PLC內部隔離，提高可靠性;c、單個模塊輸入點數(shù)：8、16、32點，各點電路相同。按輸入模塊與外部用戶設備接線，可分為匯點輸入接線和獨立輸入接線兩種基本形式。匯點輸入：各輸入元件共用一個公共端COM，可以是全部輸入點為一組，共用一個公共端和一個電源，也可將全部輸入點分為若干組，每組有一個公共端和電源。圖匯點輸入接線示意圖圖獨立輸入接線示意圖獨立輸入：每一個輸入元件有兩個接線端（圖中COM端在PLC中是彼此獨立的），由用戶提供的一個獨立電源供電，控制信號通過用戶輸入設備的觸點輸入。二、輸入輸出接口－輸入接口的接線方式開關量輸出接口，其作用是把PLC的內部信號轉換成現(xiàn)場執(zhí)行機構的各種開關信號。考慮負載的驅動電源時，還需選擇輸出器件的類型。繼電器型的輸出接口，可用于交流及直流兩種電源，接通和斷開的頻率低，帶負載能力強；晶體管型的輸出接口有較高的接通斷開頻率，但只適用于直流驅動的場合；可控硅型的輸出接口僅用于交流驅動的場合，適用快速、頻繁動作和大電流的場合。２．開關量輸出接口二、輸入輸出接口繼電器輸出：CPU控制繼電器KA線圈，由KA的一個常開觸點控制外部負載?？蓭Ы弧⒅绷髫撦d，用戶提供電源。

繼電器輸出電路晶體管輸出電路晶體管輸出：通過光耦合使開關晶體管VT通斷控制外電路。只能帶直流負載，用戶提供直流電源。二、輸入輸出接口晶閘管輸出：由光電耦合器中的雙向光敏二極管控制雙向晶閘管VT的通斷，從而控制外部負載。只能帶交流負載，交流電源由用戶提供。

雙向晶閘管輸出電路二、輸入輸出接口匯點輸出：全部輸出點匯集成一組，共用一個公共端COM和一個電源；或將輸出點分成若干組，每組一個公共端COM和一個獨立電源。兩種形式的電源均由用戶提供，可用直流或交流。獨立輸出：每個輸出點構成一個獨立回路，由用戶單獨提供一個電源，各個輸出點間相互隔離，負載電源按實際情況可用直流或交流。

匯點輸出接線示意圖獨立輸出接線示意圖輸出接口電路的幾項技術指標：a．響應時間繼電器輸出：最慢，約10ms；晶體管輸出：最快，約0．2ms以下；晶閘管輸出：較快，約1ms以下。b．輸出電流繼電器型：AC250V以下，可驅動負載：純電阻2A／1點；感性：80VA以下（AC100V或AC200V）；燈負載：100W以下（AC100V或AC200V）。直流感性負載要并聯(lián)分流二極管，最大電壓不超過DC30V。晶閘管型：每點輸出電流最大0．3A，考慮溫度上升因素，每4點總電流必須在0．8A以下（每點平均0．2A）。晶體管型：每點0．5A?？紤]溫度上升因素，每4點輸出總電流不得大于0．8A。c．開路漏電流繼電器型無開路漏電流；晶閘管型較大；晶體管型在100μA以下。輸出接口接線方式（分組式）圖7PLC的輸出接口二、輸入輸出接口３．模擬量輸入接口（A／D模塊）模擬量輸入接口把現(xiàn)場連續(xù)變化的模擬量信號轉換成適合可編程控制器內部處理的二進制數(shù)字信號。模擬量信號輸入后一般經(jīng)運算放大器放大后進行A／D轉換，再經(jīng)光電耦合后為可編程控制器提供一定位數(shù)的數(shù)字量信號。圖8模擬量輸入單元框圖二、輸入輸出接口４．模擬量輸出接口（D／A模塊）模擬量輸出接口將PLC運算處理后的數(shù)字信號轉換為相應的模擬量信號輸出，以滿足生產(chǎn)過程現(xiàn)場連續(xù)控制信號的需求。模擬量輸出接口一般由光電隔離、D／A轉換和信號驅動等環(huán)節(jié)組成。圖1.9模擬量輸出單元框圖二、輸入輸出接口為了適應更復雜的控制工作的需要，可編程控制器還有一些智能控制單元，如PID單元、高速計數(shù)器單元、溫度控制單元、通信單元、定位單元等。特殊功能模塊都是獨立的工作單元，它們和普通輸入輸出接口的區(qū)別在于都帶有獨立的CPU，有專門的處理能力。５．智能輸入輸出接口（特殊功能模塊）

二、輸入輸出接口圖10特殊功能模塊三、電源可編程控制器的電源包括:*為可編程控制器各工作單元供電的開關電源*為掉電保護電路供電的后備電源，一般為電池四、外部設備可編程控制器一般可配備的外部設備：編程器盒式磁帶機，用以記錄程序或信息打印機，用以打印程序或制表EPROM寫入器，用以將程序寫入用戶EPROM中高分辨率大屏幕彩色圖形監(jiān)控系統(tǒng)，用以顯示或監(jiān)視有關部分的運行狀態(tài)編程器2.2可編程序控制器的軟件構成一、可編程序控制器的系統(tǒng)軟件二、可編程序控制器的應用軟件三、可編程序控制器的編程元件四、可編程序控制器的編程軟件2.2可編程控制器的軟件構成PLC軟件系統(tǒng)軟件應用軟件系統(tǒng)管理程序用戶指令解釋程序專用標準程序模塊系統(tǒng)軟件包括系統(tǒng)管理程序，用戶指令解釋程序和供系統(tǒng)調用的專用標準程序塊等。系統(tǒng)管理程序用于運行管理、存儲空間分配管理和系統(tǒng)的自檢，控制整個系統(tǒng)的運行；用戶指令解釋程序是把應用程序（梯形圖）的輸入翻譯成機器能夠識別的機器語言；

專用標準程序模塊是由許多獨立的程序塊組成，各自能完成不同的功能。系統(tǒng)程序由PLC生產(chǎn)廠家提供，并固化在EPROM中，用戶不能直接讀寫。

一、可編程序控制器的系統(tǒng)軟件二、可編程序控制器的應用軟件

1、應用軟件是用戶為達到某種控制目的，采用PLC廠家提供的編程語言自主編制的程序。使用PLC實現(xiàn)某種控制目的，用存儲在計算機中的程序實現(xiàn)控制功能，就是人們所指的存儲邏輯。應用程序是一定控制功能的表述。同一臺PLC用于不同的控制目的時就需要編制不同的應用軟件。用戶軟件存入PLC后如需改變控制目的可多次改寫。2、繼電接觸器與PLC控制方案的比較例1用繼電接觸器實現(xiàn)電動機啟／?？刂芉SFRFUKMM3~工作原理:

合刀開關QS按SB1→KM線圈得電按SB2→KM線圈失電M3~M3~→KM輔助觸頭閉合自鎖→KM主觸頭閉合→M運轉→KM輔助觸頭解除自鎖→KM主觸頭斷開→M停轉KMSB1KMSB2FR主電路控制電路QSFRFUKMM3~M3~M3~KMFRX0X1COMY0COM1Y0X0Y0~220VSB1SB2PLCX1例2用PLC實現(xiàn)電動機啟／停控制主電路控制電路用戶程序二、可編程控制器的應用軟件

（1）梯形圖（Ladderdiagram）3、應用軟件編程語言表達方式梯形圖語言是一種以圖形符號及圖形符號在圖中的相互關系表示控制關系的編程語言，是從繼電接觸器控制電路演變過來的。梯形圖與繼電-接觸器控制系統(tǒng)的電路圖很相似，其中的編程元件沿用了“繼電器”名稱。梯形圖的基本結構主母線．副母線觸點編程線圈（）節(jié)點（）1.編程元件：用戶使用的每一個輸入、輸出端子及內部的存貯單元稱為元件。元件數(shù)量由監(jiān)控程序規(guī)定，它的多少決定PLC整個系統(tǒng)的規(guī)模及數(shù)據(jù)處理能力。梯形圖的幾點說明2.梯形圖自上而下,從左向右排列3.梯形圖中的繼電器不是物理繼電器,是變量存儲器中的位觸發(fā)器4.梯形圖中的某個繼電器只能出現(xiàn)一次5.梯形圖是PLC的形象化編程6.輸入繼電器用于接PLC的外部輸入信號.梯形圖中只出現(xiàn)輸入繼電器的觸點而無其線圈.7.輸出繼電器PLC的輸出控制,不能直接驅動現(xiàn)場執(zhí)行部件8.PLC的內部繼電器不能做輸出控制用,只是一些邏輯運算用中間存儲單元的狀態(tài).梯形圖的幾點說明語句表類似于計算機匯編語言的形式，用指令的助記符來進行編程。它通過編程器按照語句表的語句順序逐條寫入PLC并可直接運行。語句表的指令助記符比較直觀易懂，編程也簡單，便于工程人員掌握，因此得到廣泛的應用。每條語句CPU一個操作指令指令語句:操作碼+操作數(shù)操作碼:指示CPU完成的某種操作------編程指令，包括邏輯運算,算術、定時、計數(shù)、移位、傳遞等操作數(shù)：給出的是操作碼指定的某種操作對象或執(zhí)行操作所需的數(shù)據(jù)，通常是編程元件的編號或常數(shù)。LDX000ORX002ANIX001OUTY000LDX002OUTY001（2）指令表（Instructionlist）(3）順序功能圖（Sequentialfunctionchart）順序功能圖常用來編制順序控制類程序。它包含步、動作、轉換三個要素。二、可編程控制器的應用軟件（4）功能塊圖（Functionblockdiagram）功能塊圖是一種類似于數(shù)字邏輯電路的編程語言，熟悉數(shù)字電路的人比較容易掌握。該編程語言用類似與門、或門的方框來表示邏輯運算關系，方框的左側為邏輯運算的輸入變量，右側為輸出變量，輸入端、輸出端的小圓點表示“非”運算，信號自左向右流動。就像電路圖一樣，它們被“導線”連接在一起，如下圖所示。二、可編程控制器的應用軟件（5）結構文本（Structuredtext）隨著PLC技術的飛速發(fā)展，如果許多高級功能還使用梯形圖來表示，會很不方便。為了增強PLC的數(shù)學運算、數(shù)據(jù)處理、圖表顯示、報表打印等功能，方便用戶的使用，許多大中型PLC都配備了PASCAL、BASIC、C等高級編程語言。這種編程方式叫結構文本。與梯形圖相比，結構文本有兩個很大的優(yōu)點，其一是能實現(xiàn)復雜的數(shù)學運算，其二是非常簡潔和緊湊，用結構文本編制極其復雜的數(shù)學運算程序可能只占一頁紙。結構文本用來編制邏輯運算程序也很容易。

PLC可看成是由各種功能元器件（軟元件）組成的工業(yè)控制器。利用編程語言，按照一定的邏輯關系對這些軟元件進行編程（調用），就可實現(xiàn)某種控制要求。

PLC的編程軟元件實質上是存儲器單元，每個單元都有惟一的地址。在系統(tǒng)軟件的安排下，不同的軟元件具有不同的功能。編程元件的編號規(guī)則：以英文字母開頭字母表示編程元件的的功能后跟數(shù)字。三、可編程控制器的編程元件四、可編程序控制器的編程軟件三菱SWOPC-FXGP／WIN-C編程軟件是用于FX系列PLC的編程軟件。2.3可編程控制器的工作原理一、掃描工作方式二、程序執(zhí)行過程三、輸入／輸出的處理規(guī)則四、信息刷新方式五、輸入／輸出滯后時間

一、掃描工作方式掃描：從0000號存貯地址開始，在無中斷或跳轉控制的情況下，按存貯地址號遞增的方向順序逐條掃描用戶程序直到程序結束。完成一次掃描程序后，再從頭開始掃描，并周而復始地重復。一個循環(huán)掃描過程稱為掃描周期。掃描過程分為三個階段進行：即輸入采樣（輸入處理）階段，程序執(zhí)行（程序處理）階段，輸出刷新（輸出處理）階段。輸入采樣程序執(zhí)行輸出刷新輸入采樣程序執(zhí)行輸出處理一個掃描周期●●●Y0Y1Yn輸入映像寄存器①采樣元件映像寄存器③寫⑤寫④讀X0Y0Y0M0●●●●●●輸出鎖存電路輸出端子輸入端子●●●二、程序執(zhí)行過程②讀圖11

PLC的工作過程●●●X0X1Xn⑥刷新輸入采樣階段：PLC以掃描方式按順序將所有輸入端的輸入信號狀態(tài)（開或關、即ON或OFF、“1”或“0”）讀入到輸入映像寄存器中寄存起來，稱為對輸入信號的采樣，或稱輸入刷新。接著轉入程序執(zhí)行階段，在程序執(zhí)行期間，即使輸入狀態(tài)變化，輸入映像寄存器的內容也不會改變。輸入狀態(tài)的變化只能在下一個工作周期的輸入采樣階段才被重新讀入。二、程序執(zhí)行過程二、程序執(zhí)行過程程序執(zhí)行階段：程序執(zhí)行階段，PLC對程序按順序進行掃描；如果程序用梯形圖表示，則總是按先左后右、先上后下的順序進行掃描；每掃描到一條指令時，所需要的輸入元件狀態(tài)或其它元件的狀態(tài)分別由輸入映像寄存器和元件映像寄存器中讀出，而將執(zhí)行結果寫入到元件映像寄存器中；元件映像寄存器中寄存的內容，隨程序執(zhí)行的進程而動態(tài)變化。輸出刷新階段：程序執(zhí)行完后，進入輸出刷新階段。此時，將元件映像寄存器中所有輸出繼電器的狀態(tài)轉存到輸出鎖存寄存器，再去驅動用戶輸出設備（負載），這就是PLC的實際輸出。掃描周期：

PLC重復執(zhí)行上述三個過程，每重復一次的時間就是一個工作周期（或掃描周期）。工作周期的長短與程序的長短、指令的種類和CPU執(zhí)行的速度有關。一個掃描過程中，執(zhí)行指令程序的時間占了絕大部分。

PLC在每次掃描中，對輸入信號采樣一次，對輸出信號刷新一次。這就保證了PLC在執(zhí)行程序階段，輸入映像寄存器和輸出鎖存寄存器的內容或數(shù)據(jù)保持不變。二、程序執(zhí)行過程掃描工作方式的特點：簡單直觀，簡化了程序的設計，并為PLC的可靠運行提供了保證；所掃描到的指令被執(zhí)行后，其結果馬上就可以被將要掃描到的指令所利用；系統(tǒng)監(jiān)視定時器WDT可監(jiān)視每次掃描的時間，并在每個掃描周期內都要對WDT進行復位操作。如果系統(tǒng)的硬件或用戶軟件發(fā)生了故障，WDT就會超時自動報警，并停止PLC的運行，從而避免了程序進入死循環(huán)的故障。二、程序執(zhí)行過程三、輸入／輸出的處理規(guī)則輸入映像寄存器的數(shù)據(jù)，取決于輸入端子在輸入采樣階段所刷新的狀態(tài)；輸出映像寄存器的狀態(tài)，由程序中輸出指令的執(zhí)行結果決定；輸出鎖存寄存器中的數(shù)據(jù)，由上一個工作周期輸出刷新階段存入到輸出鎖存電路中的數(shù)據(jù)來確定；輸出端子的輸出狀態(tài)，由輸出鎖存寄存器中的數(shù)據(jù)來確定；程序執(zhí)行中所需的輸入、輸出狀態(tài)（數(shù)據(jù)），從輸入映像寄存器或輸出映像寄存器中讀出。四、信息刷新方式信息刷新的方式有多種。一般來說，輸入刷新是在輸入采樣階段進行，輸出刷新是在輸出采樣階段進行。有的PLC其信息刷新的方式則與上述不同，輸入刷新除了在輸入采樣階段進行外，在程序執(zhí)行階段每隔一定時間還要刷新一次。同樣，輸出刷新除了在輸出處理階段進行外，在程序執(zhí)行階段，凡是程序中有輸出指令的地方，該指令執(zhí)行后又立即進行一次輸出刷新。這種形式的PLC