05 可编程控制器的结构和工作原理.ppt

第5章 可编程控制器的结构和工作原理,返回总目录,,,,,,,PLC的产品型号很多，发展非常迅速，应用日益广泛，不同的产品在硬件结构、资源配置和指令系统等方面各不相同但从总体来看，不同厂商的PLC在硬件结构和指令系统等方面大同小异对于初学者而言，只要熟悉一种PLC的组成和指令系统，在涉及其他PLC时就可以做到触类旁通，举一反三本章主要介绍PLC的硬件组成、工作原理和系统资源配置等内容本章内容,● 5.1 可编程控制器的基本结构● 5.2 可编程控制器的资源与编程语言● 5.3 可编程控制器的工作原理● 思考题与习题,5.1 可编程控制器的基本结构,PLC从组成形式上一般分为整体式和模块式两种，但在逻辑结构上基本上相同整体式PLC一般由CPU板、I/O板、显示面板、内存和电源等组成，一般按PLC性能又分为若干型号，并按I/O点数分为若干规格模块式PLC一般由CPU模块、I/O模块、内存模块、电源模块、底板或机架等组成无论哪种结构类型的PLC，都属于总线式的开放结构，其I/O能力可根据用户需要进行扩展与组合PLC的组成如图5.1所示图5.1 PLC的组成,5.1.1 CPU(中央处理器) 与通用计算机中的CPU一样，PLC中CPU也是整个系统的核心部件，主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的地址总线、数据总线和控制总线构成。

此外还有外围芯片、总线接口及有关电路CPU在很大程度上决定了PLC的整体性能，如整个系统的控制规模、工作速度和内存容量等 CPU中的控制器控制PLC工作，由它读取指令，解释并执行指令工作的时序(节奏)则由振荡信号控制 CPU中的运算器用于完成算术或逻辑运算，在控制器的指挥下工作 CPU中的寄存器参与运算，并存储运算的中间结果它也是在控制器的指挥下工作 作为PLC的核心，CPU的功能主要包括以下几个方面 (1) CPU接收从编程器或计算机输入的程序和数据，并送入用户程序存储器中存储 (2) 监视电源、PLC内部各个单元电路的工作状态 (3) 诊断编程过程中的语法错误，对用户程序进行编译 (4) 在PLC进入运行状态后，从用户程序存储器中逐条读取指令，并分析、执行该指令 (5) 采集由现场输入装置送来的数据，并存入指定的寄存器中5.1 可编程控制器的基本结构,(6) 按程序进行处理，根据运算结果，更新有关标志位的状态和输出状态或数据寄存器的内容 (7) 根据输出状态或数据寄存器的有关内容，将结果送到输出接口。

(8) 响应中断和各种外围设备(如编程器、打印机等)的任务处理请求 当PLC处于运行状态时，首先以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入相应的输入缓冲区然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后，按指令的规定执行逻辑或数据运算，将运算结果送入相应的输出缓冲区或数据寄存器内等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O缓冲区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置如此循环运行，直到PLC处于编程状态，用户程序停止运行 CPU模块的外部表现就是具有工作状态的显示、各种接口及设定或控制开关CPU模块一般都有相应的状态指示灯，如电源指示、运行指示、输入/输出指示和故障指示等箱体式PLC的面板上也有这些显示总线接口用于连接I/O模块或特殊功能模块，内存接口用于安装存储器，外设接口用于连接编程器等外部设备，通信接口则用于通信此外，CPU模块上还有许多设定开关，用以对PLC进行设定，如设定工作方式和内存区等 为了进一步提高PLC的可靠性，近年来对大型PLC还采用双CPU构成冗余系统，或采用3CPU的表决式系统。

这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行5.1 可编程控制器的基本结构,5.1.2 存储器 存储器(内存)主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元PLC中的存储器一般包括系统程序存储器和用户程序存储器两部分系统程序存储器用于存储整个系统的监控程序，一般采用只读存储器(Read Only Memory，ROM)，具有掉电不丢失信息的特性用户程序存储器用于存储用户根据工艺要求或控制功能设计的控制程序，早期一般采用随机读写存储器(Random Access Memory，RAM)，需要后备电池在掉电后保存程序目前则倾向于采用电可擦除的只读存储器(Electrical Erasable Programmable Read Only Memory，EEPROM或E2PROM)或闪存(Flash Memory)，免去了后备电池的麻烦有些PLC的存储器容量固定，不能扩展，多数PLC则可以扩展存储器 1. PLC常用的存储器类型 (1) RAM是一种读/写存储器(随机存储器)，存取速度最快，但掉电后信息就丢失，需要锂电池作为后备电源2) EPROM(Erasable Programmable Read Only Memory)是一种可擦除的只读存储器。

在断电情况下，存储器内的所有内容保持不变在紫外线连续照射下(约20分钟)可擦除存储器原来的内容，然后可以重新写入由于EPROM擦写不方便，目前已逐渐被EEPROM所取代5.1 可编程控制器的基本结构,(3) EEPROM是一种电可擦除的只读存储器，擦除时间很短，不需要专用的擦除设备使用编程器可以很方便地对其中所存储的内容进行修改 2. PLC中存储空间的分配 虽然各种PLC的CPU的最大寻址空间各不相同，但是根据PLC的工作原理，其存储空间一般包括系统程序存储区、系统RAM存储区(包括I/O缓冲区和系统软元件等)和用户程序存储区3个部分 1) 系统程序存储区 系统程序存储区中存放着相当于计算机操作系统的系统程序，包括监控程序、管理程序、命令解释程序、功能子程序、系统诊断子程序等，由制造商将其固化在ROM中，用户不能直接存取它和硬件一起决定了PLC的性能 2) 系统RAM存储区 系统RAM存储区包括I/O缓冲区以及各类软元件，如工作寄存器、内部继电器、定时器、计数器、数据寄存器、变址寄存器等1) I/O缓冲区 由于PLC投入到运行状态后，只是在输入采样阶段才依次读入各个输入信号的状态和数据，在输出刷新阶段才将输出的状态和数据送至相应的外设。

因此，它需要一定数量的存储单元(RAM)来暂时存放I/O的状态和数据，这些单元称作I/O缓冲区一个开关量I/O占用存储单元中的一位(bit),5.1 可编程控制器的基本结构,，一个模拟量I/O占用存储单元中的一个字(16位)整个I/O缓冲区可以看作是由开关量I/O缓冲区和模拟量I/O缓冲区两个部分组成的2) 系统软元件存储区 除了I/O缓冲区以外，系统RAM存储区还包括PLC内部各类软元件(内部继电器、定时器、计数器、数据寄存器和工作寄存器等)的存储区该存储区又分为具有掉电保存的存储区域和掉电不保存的存储区域前者在PLC断电时，由内部的锂电池供电，数据不会丢失；后者在PLC断电时，数据被清零 ① 内部继电器 与开关输出一样，每个内部继电器占用系统RAM存储区中的一位，但不能直接驱动外部负载，只供用户在编程中使用其作用类似于电气控制线路中的继电器另外，不同的PLC还提供数量不等的特殊内部继电器，具有不同的特殊功能 ② 数据寄存器 与模拟量I/O一样，每个数据寄存器占用系统RAM存储区中的一个字(16位)，主要用于模拟量处理、数据运算和通信等另外，PLC还提供数量不等的特殊数据寄存器，用于存储系统中某些特定的数据或信息。

5.1 可编程控制器的基本结构,③ 定时器和计数器 PLC提供了许多定时器和计数器，数量从几十个到几千个不等，用于满足工业生产中定时控制和计数控制的要求用户程序存储区存放用户根据实际控制要求或生产工艺流程编写的具体控制程序不同类型的PLC，其存储容量各不相同5.1 可编程控制器的基本结构,5.1.3 输入/输出模块 输入模块和输出模块通常称为I/O模块或I/O单元PLC提供了各种工作电平、连接形式和驱动能力的I/O模块，有各种功能的I/O模块供用户选用，如电平转换、电气隔离、串/并行变换、开关量输入/输出、模数(A/D)和数模(D/A)转换以及其他功能模块等按I/O点数确定模块的规格及数量，I/O模块可多可少，但其最大数受PLC所能管理的配置能力，即底板或机架槽数的限制 PLC的对外功能主要是通过各种I/O接口模块与外界联系来实现的输入模块和输出模块是PLC与现场I/O装置或设备之间的连接部件，起着PLC与外部设备之间传递信息的作用I/O模块分为开关量输入(Digital Input，DI)、开关量输出(Digital Output，DO)、模拟量输入(Analog Input，AI)和模拟量输出(Analog Output，AO)等模块。

通常I/O模块上还有I/O接线端子排和状态显示，以便于连接和监视I/O模块既可通过底板总线与主控模块放在一起，构成一个系统，又可通过插座用电线引出远程放置，实现远程控制及联网 开关量模块按电压水平分有220 VAC、110 VAC、24 VDC等规格；按隔离方式分有继电器输出、晶闸管输出和晶体管输出等类型 模拟量模块按信号类型分有电流型(4mA～20mA、0mA～20mA)、电压型(0V～10V、0V～5V、－10V～10V)等规格；按精度分有12位、14位、16位等规格5.1 可编程控制器的基本结构,5.1.4 智能模块 除了上述通用的I/O模块外，PLC还提供了各种各样的特殊I/O模块，如热电阻、热电偶、高速计数器、位置控制、以太网、现场总线、远程I/O控制、温度控制、中断控制、声音输出、打印机等专用型或智能型的I/O模块，用以满足各种特殊功能的控制要求I/O模块的类型、品种与规格越多，系统的灵活性越高模块的I/O容量越大，系统的适应性就越强5.1 可编程控制器的基本结构,5.1.5 编程设备 常见的编程设备有简易手持编程器、智能图形编程器和基于PC的专用编程软件。

编程设备用于输入和编辑用户程序，对系统作一些设定，监控PLC及PLC所控制的系统的工作状况编程设备在PLC的应用系统设计与调试、监控运行和检查维护中是不可缺少的部件，但不直接参与现场的控制5.1 可编程控制器的基本结构,5.1.6 电源 PLC中不同的电路单元需要不同的工作电源，如CPU和I/O电路要采用不同的工作电源因此，电源在整个PLC系统中起着十分重要的作用如果没有一个良好的、可靠的电源，系统是无法正常工作的PLC的制造商对电源的设计和制造十分重视 PLC一般都配有开关式稳压电源，用于给PLC的内部电路和各模块的集成电路提供工作电源有些机型还向外提供24V的直流电源，用于给外部输入信号或传感器供电，避免了由于电源污染或电源不合格而引起的问题，同时也减少了外部连线，方便了用户有些PLC中的电源与CPU模块合二为一，有些是分开的输入类型上有220V或110V的交流输入，也有24V的直流输入对于交流输入的PLC，电源电压为AC100 V～240 V一般交流电压波动在－15%～+10%的范围内，可以不采取其他措施而将PLC直接连接到交流电网上去对于直流输入的PLC，电源的额定电压一般为24VDC。

当电源在额定电压的－15%～+10%范围内波动时，PLC都可以正常工作。