(9.1.2)--1-2项目1工作任务2PLC的组成与工作原理.pdf

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1、工作任务工作任务 2 PLC 的组成与工作原理的组成与工作原理 教学导航教学导航 能力和知识目标：能力和知识目标：1.熟悉 PLC 的组成结构；2.掌握 PLC 的工作过程和原理；3.了解 PLC 与继电器控制和单片机控制的区别。任务引入任务引入 用可编程控制器作为控制器的自动控制系统，就是工业计算机控制系统，它既可进行开关量的控制，也可实现模拟量的控制。PLC 采用典型的计算机结构，只不过与普通的计算机相比，它具有更强的与工业控制系统相连接的接口和更直接的适应于控制要求的编程语言。知识链接知识链接 一可编程控制器的组成一可编程控制器的组成 PLC 由中央处理器单元（CPU）、存储器、输入输出

2、（I/O）单元、电源、其它接口及外设等组成，如图 1-1 所示。图 1-1 系统结构组成 下面结合图 1-1 说明 PLC 各个组成部分的功能。1.中央处理器（CPU）CPU 是计算机的核心，因此它也是 PLC 的核心，起“心脏”作用。纵：当从编程器输入的程序存入到用户程序存储器中，然后 CPU 根据系统所赋予的功能（系统程序存储器的解释编译程序），把用户程序翻译成 PLC 内部所认可的用户编译程序。横：输入状态和输入信息从输入接口输进，CPU 将之存入工作数据存储器中或输入映象寄存器。然后由 CPU 把数据和程序有机地结合在一起。把结果存入输出映象寄存器或工作数据存储器中，然后输出到输出接口

3、、控制外部驱动器。组成：CPU 由控制器、运算器和寄存器组成。这些电路集成在一个芯片上。CPU通过地址总线、数据总线与 I/O 接口电路相连接。它按照系统程序赋予的功能完成的主要任务是：接收与存储用户由编程器键入的用户程序和数据。检查编程过程的语法错误，诊断电源及 PLC 内部的工作故障。用扫描方式工作，接收来自现场的输入信号，并输入到输入映像寄存器和数据存储器中。在进入运行方式后，从存储器中逐条读取并执行用户程序，完成用户程序所规定的逻辑运算、算术运算及数据处理等操作。根据运算结果，更新有关标志位的状态，刷新输出映像寄存器的内容，再经输出部件实现输出控制、打印制表或数据通信等功能。在模板式

4、PLC 中，CPU 是一个专用模板，一般 PLC 的 CPU 模板上还有存放系统程序的 ROM 或 EPROM、存放用户程序或少量数据的 RAM，以及译码电路、通信接口和编程器接口等。在整体式 PLC 中，CPU 是一块集成电路芯片，通常是通用的 8 位或 16 位的微处理器，如 Z80，Z80A，8085，6800 等。采用通用和微处理器（Z80A）作 CPU，其好处是这些微处理器及其配套的芯片普及、通用、价廉，有独立的 I/O 指令，且指令格式短，有利于译码及缩短扫描周期。随着大规模集成电路的发展，PLC 采用单片机作 CPU 的越来越多，在小型 PLC中，尤其以 Inter 公司的 MC

5、S-51，MCS-96 系列作 CPU 的居多，它以高集成度，高可靠性，高功能，高速度及低价格的优势，正在占领小型 PLC 的市场。目前，小型 PLC 均为单 CPU 系统，而大、中型 PLC 通常是双 CPU 或多 CPU 系统。所谓双 CPU 系统，是在 CPU 模板上装有两个 CPU 芯片，一个作字处理器，一个作为位处理器。字处理器是主处理器，它执行所有的编程器接口的功能，监视内部定时器（WDT）及扫描时间，完成字节指令的处理，并对系统总线和微处理器进行控制。位处理器是从处理吕，它主要完成对位指令的处理，双减轻字处理器负担，提高位指令的处理速度，并将面向控制过程的编程语言（如梯形图、流程

6、图）转换成机器语言。在高档的 PLC 中，常采用位片式微处理器（如 AM2900，AM2901，AM2903）作 CPU。由于位片式微处理器采用双及型工艺，所以比一般的 MOS 型微处理器在速度上快一个数量级。位片的宽度有 2 位、4 位、8 位等，用几个位片进行“级联”，可以组成任意字长的微机。另外在位片式微处理器中，都采用微程序设计，只要改变微程序存储器中的内容，就可以改变机器的指令系统，因此，其灵活性很强。位片式微处理器易于实现“流水线”操作，即重叠操作，能更有效地发挥其快速的特点。2存储器 可编程控制器存储器中配有两种存储系统，即用于存放系统程序的系统程序存储器和存放用户程序的用户存储

7、器。系统程序存储器主要用来存储可编程控制器内部的各种信息。在大型可编程控制器中，又可分为寄存器存储器、内部存储器和高速缓存存储器。在中、小型可编程控制器中，常把这 3 种功能的存储器混合在一起，统称为功能存储器，简称存储器。一般系统程序是由 PLC 生产厂家编写的系统监控程序，不能由用户直接存取。系统监控程序主要由有关系统管理、解释指令、标准程序及系统调用等程序组成。系统程序存储器一般用 PROM 或 EPROM 构成。由用户编写的程序称为用户程序。用户程序存放在用户程序存储器中，用户程序存储器的容量不大，主要存储可编程控制器内部的输入输出信息，以及内部继电器、移位寄存器、累加寄存器、数据寄存

8、器、定时器和计数器的动作状态。小型可编程控制器的存储容量一般只有个 K 字节的容量（不超过 8KB），中型可编程控制器的存储能力为264KB，大型可编程控制器的存储能力可达到几百KB以上。我们一般讲 PLC 的内存大小，是指用户程序存储器的容量，用户程序存储器常用 RAM 构成。为防止电源掉电时 RAM 中的信息丢失，常采用锂电池做后备保护。若用户程序已完全调试好，且一段时期内不需要改变功能，也可将其固化到 EPROM 中。但是用户程序存储器中必须有部分 RAM，用以存放一些必要的动态数据。用户程序存储器一般分为两个区，程序存储区和数据存储区。程序存储区用来存储由用户编写的、通过编程器输入的程

9、序。而数据存储区用来存储通过输入端子读取的输入信号的状态、准备通过输出端子输出的输出信号的状态、PLC 中各个内部器件的状态，以及特殊功能要求的有关数据。当用户程序很长或需存储的数据较多时，PLC 基本组成中的存储器容量可能不够用，这时可考虑选用较大容量的存储器或进行存储器扩展。很多 PLC 都提供了存储器扩展功能，用户可将新增加的存储器扩展模板直接插入 CPU 模板中，也有的 PLC 机是将存储器扩展模板插在中央基板上。在存储器扩展模板上通常装有可充电的锂电池（或超级电容），如果在系统运行过程中突然停电，RAM立即改由锂电池（或超级电容）供电，使 RAM 中的信息不因停电而丢失，从而保证复电

10、后系统可从掉电状态开始恢复工作。目前，常用的存储器有 CMOS-SRAM，EPROM 和 EEPROM。（1）CMOS-SRAM 可读写存储器 CMOS-SRAM 是以 CMOS 技术制造的静态可读写存储器，用以存放数据。读写时间小于 200ns，几乎不消耗电流。用锂电池作后备电源，停电后可保存数据 35年不变。静态存储器的可靠性比动态存储器 DRAM 高，因为 SRAM 不必周而复始地刷新，只有在片选信号（脉冲）有效、写操作有效时，从数据总线进入的干扰信号才能破坏其存储的内容，而这种概率是非常小的。（2）EPROM 只读存储器 EPROM 是一种可用紫外光擦除、在电压为 25V 的供电状态下

11、写入的只读存储器。使用时，写入脚悬空或接+5V（窗口盖上不透光的薄箔），其内容可长期保存。这类存储器可根据不同需要与各种微处理器兼容，并且可以和 MCS-51 系列单片机直接兼容。EPROM 一个突出的优点是把输出元件控制（OE）和片选控制（CE）分开，保证了良好的接口特性，使其在微机应用系统中的存储器部分修改、增删设计工作量最小。由于 EPROM 采用单一+5V 电源、可在静态维持方式下工作以及快速编程等特点，使 EPROM 在存储系统设计中，具有快速、方便和经济等一系列优点。使用 EPROM 芯片时，要注意器件的擦除特性，当把芯片放在波长约为 4000埃的光线下暴露在照明日光灯下，约需三年

12、才能擦除，而在直射日光下，约一周就可擦除，这些特性在使用中要特别注意。为延长 EPROM 芯片的使用寿命，必须用不透明薄箔，贴在其窗口上，防止无意识擦除。如果真正需要对 EPROM 芯片进行擦除操作时，必须将芯片放在波长为 2537 埃的短波紫外线下曝光，擦除的总光量（紫外光光强曝光时间）必须大于 15Ws/cm2。用 12000W/cm2 紫外线灯，擦除的时间约为 1520min，擦除操作时，需把芯片靠近灯管约 1 英寸处。有些灯在管内放有滤色片，擦除前需把滤色片取出，才能进行擦除。EPROM 用来固化完善的程序，写入速度为毫秒级。固化是通过与 PLC 配套的专用写入器进行的，不适宜多次反复

13、的撰写。（3）EEPROM 电可擦除可编程的只读存储器 EEPROM 是近年来被广泛重视的一种只读存储器，它的主要优点是能在PLC 工作时“在线改写”，既可以按字节进行擦除和全新编程，也可进行整片擦除，且不需要专门的写入设备，写入速度也比 EPRPM 快，写入的内容能在断电情况下保持不变，而不需要保护电源。它具有与 RAM 相似的高度适应性，又保留了 ROM 不易失的特点。3输入/输出接口单元（1）数字量输入接口：来自现场的主令元件、检测元件的信号经输入接口进入到 PLC。主令元件的信号是指由用户在控制键盘（或控制台、操作台）上发出的控制信号（如开机、关机、转换、调整、急停等信号）。检测元件的

14、信号是指用检测元件（如各种传感器、继电器的触点，随位开关、行程开关等元件的触点）对生产过程中的参数（如压力、流量、温度、速度、位置、行程、电流、电压等）进行检测时产生的信号。这些信号有的是开关（或数字量）量，有的是模拟量，有的是直流信号，有的是交流信号，要根据输入信号的类型选择合适的输入接口。直流输入单元 直流输入电路如图 1-2 所示。为提高系统的抗干扰能力，各种输入接口均采取了抗干扰能力，各种输入接口均采取了抗干扰措施，如在输入接口内带有光电耦合电路，使 PLC 与外部输入信号进行隔离。为消除信号噪声，在输入接口内还设置了多种滤波电路。为便于 PLC 的信号处理，输入接口内有电平转换及信号

15、锁存电路。为便于与现场信号的连接，在输入接口的外部设有接线端子排。图 1-2 直流输入电路 光电耦合器由两个发光二极管和光电三极管组成。发光二级管：在光电耦合器的输入端加上变化的电信号，发光二极管就产生与输入信号变化规律相同的光信号。光电三级管：在光信号的照射下导通，导通程度与光信号的强弱有关。在光电耦合器的线性工作区内，输出信号与输入信号有线性关系。输入接口电路工作过程：当开关合上，二极管发光，然后三极管在光的照射下导通，向内部电路输入信号。当开关断开，二极管不发光，三极管不导通。向内部电路输入信号。也就是通过输入接口电路把外部的开关信号转化成 PLC 内部所能接受的数字信号。交流输入单元

16、交流输入单元外接交流电源，电路如图 1-3 所示。其中电容 C 为隔直电容，R1 和 R2 构成分压电路，光电耦合器中有两个反向并联的发光二极管。这个电路可以接收外部的交流输入电压，其工作原理与直流输入电路基本相同。图 1-3 交流输入电路（2）数字量输出接口 由 PLC 产生的各种输出控制信号经输出接口去控制和驱动负载（如指示灯的亮或灭、电动机的启动、停止或正反转、设备的转动、平移、升降、阀门的开闭等）。因为 PLC 的直接输出带负载能力有限，所以 PLC 输出接口所带的负载，通常是接触器的线圈、电磁阀的线圈、信号指示灯等。同输入接口一样，输出接口的负载有的是直流量，有的是交流量，要根据负载

17、性质选择合适的输出接口。数字量输出模板的接线方式 数字量输出模板与外问用户输出设备的接线方式，可分为汇点式输出接线和隔离式输出接线两种形式。数字量输出接口的输出方式 对数字量输出接口，其输出方式分为晶体管输出型，双向晶阐管（可控硅）输出型及继电器输出型。晶体管输出型适用直流负载或 TTL 电路，双向晶阐管（可控硅）输出型适用于交流负载，而继电器输出型，既可用于直流负载，又可用于交流负载。使用时，只要外接一个与负载要求相符的电源即可，因而采用继电器输出型，对用户显得方便和灵活，但由于它是有触点输出，所以它的工作频率不能很高，工作寿命不如无触点的半导体元件长。同样，为保证工作的可靠性，提高抗干扰能

18、力，在输出接口内也要采用相应的隔离措施如光隔离和电磁隔离或隔离放大器等措施。1）晶体管输出单元 晶体管输出电路如图 1-4 所示。输出电路采用三极管作为开关器件。图 1-4 晶体管输出电路 2）双向晶闸管输出单元 双向晶闸管输出电路如图 1-5 所示。输出电路采用光控双向晶闸管作为开关器件。图 1-5 双向晶闸管输出电路 3）继电器输出单元 继电器输出电路如图 1-6 所示。工作过程：当内部电路输出数字信号 1，有电流流过，继电器线圈有电流，然后常开触点闭合，提供负载导通的电流和电压。当内部电路输出数字信号 0，则没有电流流过，继电器线圈没有电流，然后常开触点断开，断开负载的电流或电压。也就是

19、通过输出接口电路把内部的数字电路化成一种信号使负载动作或不动作。图 1-6 继电器输出电路 三种类型比较：继电器输出：有触点、寿命短、频率低、交直流负载 晶体管输出：无触点、寿命长、直流负载 晶闸管输出：无触点、寿命长、交流负载（3）模拟量输入/输出接口 小型 PLC 一般没有模拟量输入/输出接口模板，或者只有通道数有限的 8 位A/D，D/A 模板。大、中型 PLC 可以配置成百上千的模拟量通道，它们的 A/D，D/A 转换器一般是 10 位或 12 位的。模拟量 I/O 接口模板的模拟输入信号或模拟输出信号可以是电压，也可以是电流。可以是单极性的，如 05V，010V，15V，420mA，

20、也可以是双极性的，如50mV，5V，10V，20mA。一个模拟量 I/O 接口模板的通道数，可能有 2，4，8，16 个。也有的模板既有输入通道，也有输出通道。模拟量输入接口模板 模拟量输入接口模板的任务是把现场中被测的模拟量信号转变成 PLC 可以处理的数字量信号。通常生产现场可能有多路模拟量信号需要采集，各模拟量的类型和参数都可能不同，这就需要在进入模板前，对模拟量信号进行转换和预处理，把它们变换成输入模板统一处理的电信号，经多路转换开关进行多中选一，再将已选中的那路信号进行 A/D 转换，转换结束进行必要处理后，送入数据总线供 CPU 存取，或存入中间寄存器备用。模拟量输出接口模板 模拟

21、量输出模板的任务是将 CPU 模板送来的数字量转换成模拟量，用以驱动执行机构实现对生产过程或装置的闭环控制。CPU 对某一控制回路经采样、计算，得出一个输出信号。在模拟量输出模板的控制单元的指挥下，这个输出信号以数字量形式由数据总线经缓冲器存入中间寄存器。这个数字量再经光电耦合器送给 D/A 转换器。D/A 转换器是模拟量输出模板的核心器件，它决定着该模板的工作耦合精度和速度。经 D/A 转换后，控制信号已变为模拟量。通常，一个模拟量输出模板控制多个回路，即模板具有多个输出通道，经 D/A 转换后的信号要送到哪个通道，由 CPU 控制多路开关来实现这一选择。4智能单元 为适应和满足更加复杂控制

22、功能的需要，PLC 生产厂家均生产了各种不同功能的智能 I/O 接口，这些 I/O 接口板上一般都有独立的微处理器和控制软件，可以独立地工作，以便减少 CPU 模板的压力。在众多的智能 I/O 接口中，常见的有满足位置控制需要的位置闭环控制接口模块；有快速 PID 调节器的闭环控制接口模板；有满足计数频率高达 10kHz 甚至兆赫兹以上的高速计数器接口模板。用户可根据控制系统的特殊要求，选择相应的智能 I/O 接口。5扩展接口 PLC 的扩展接口现在有两个含义：一个是单纯的 I/O（数字量或模拟量 I/O）扩展接口，它是为弥补原系统中 I/O 口有限而设置的，用于扩展输入、输出点数，当用户的

23、PLC 控制系统所需的输入、输出点数超过主机的输入、输出点数时，就要通过 I/O 扩展接口将主机与 I/O 扩展单元连接起来。另一个含义是 CPU 模板的扩充，它是在原系统中只有一块 CPU 模板而无法满足系统工作要求时使用的。这个接口的功能是实现扩充 CPU 模板与原系统 CPU 模板，以及扩充 CPU 模板之间（多个 CPU 模板扩充）的相互控制和信息交换。6通信接口 通信接口是专用于数据通信的一种智能模板，它主要用于“人机”对话或“机机”对话。PLC 通过通信接口可以与打印机、监视器相连，也可与其他的PLC 或上位计算机相连，构成多机局部网络系统或多级分布式控制系统，或实现管理与控制相结

24、合的综合系统。通信接口有串行接口和并行接口两种，它们都在专用系统软件的控制下，遵循国际上多种规范的通信协议来工作。用户应根据不同的设备要求选择相应的通信方式并配置的通信接口。7编程器 编程器分为两种，一种是手持编程器，方便。二种是通过 PLC 的 RS232 口与计算机相连。然后敲击键盘。通过编程软件向 PLC 内部输入程序。编程器用于用户程序的输入、编辑、调试和监视，还可以通过其键盘去调用和显示 PLC 的一些内部继电器状态和系统参数。它经过编程器接口与 CPU 联系，完成“人机”对话。可编程控制器的编程器一般由 PLC 生产厂家提供，它们只能用于某一生产厂家的某些 PLC 产品，可分为简易

25、编程器和智能编程器。（1）简易编程器 简易编程器一般由简易键盘、发光二极管阵列或液晶显示器（LCD）等组成。它的体积小，价格便宜，可以直接插在 PLC 的编程器插座上，或者用电缆与 PLC相连。它不能直接输入和编辑梯形图程序，只能通过联机编程的方式，将用户的梯形图语言程序转化成机器语言的助记符（语句表）的形式，再用键盘将语句表程序一条一条地写入 PLC 的存储器中。当用户程序已正确输入到 PLC 中后，可将编程器的工作方式选择为运行状态（RUN）或监控状态（MONITOR），也可将简易编程器从主机上拿下来，这样在 PLC 送电后，直接进入到运行状态。（2）智能编程器 智能编程器又称图形编程器，

26、一般由微处理器、键盘、显示器及总线接口组成，它可以直接生成和编辑梯形图程序。图形编程器可分为液晶显示的图形编程器和用 CRT 作显示器的图形编程器。液晶显示的图形编程器一般是手持式的，它有一个大型的点阵式液晶显示屏，可以显示梯形图或语句表程序，它一般还能提供盒式磁带录音机接口和打印机接口。用 CRT 作显示器的图形编程器是一种台式编程器，它实际上是一台专用计算机，它的显示屏一般比液晶显示的要大得多，功能也强得多，使用起来很方便。用 CRT 作显示器的编程器既可联机在线编程，也可用助记符编程，并将用户程序存储在编程器自己的存储器中。它既可以用梯形图编程，也可用助记符编程（有的也可以用高级语言编程

27、），可通过屏幕进行人机对话。程序可以很方便地与PLC 的 CPU 模板互传，也可以将程序写入 EPROM，并提供磁带录音机接口和磁盘驱动器接口，有的编程器本身就带有磁盘驱动器。它还有打印机接口，能快速清楚地打印梯形图，包括图中的英文注释，也可以打印出语句表程序清单和编程元件表等。这些文件对程序的调试和维修是非常有用的。智能编程器体积大、成本高，适用于在实验室或大型 PLC 控制系统中，对应用程序进行开发和研制。（3）用 PC 作编程器 由 PLC 生产厂家生产的专用编程器使用范围有限，价格一般也比较高。在个人计算机不断更新换代的今天，出现了使用以个人计算机（IBM PC/AT 及其兼容机）为基

28、础的编程系统。PLC 的生产厂家可能把工业标准的个人计算机作为程序开发系统的硬件提供给用户，大多数厂家只向用户提供编程软件，而个人计算机则由用户自己选择。由 PLC 生产厂家提供的个人计算机做了改装，以适应工业现场相当恶劣的环境，如对键盘和机箱加以密封，并采用密封型的磁盘驱动器，以防止外部赃物进入计算机，使敏感的电子元件失效。这样，被改装的 PC 就可以工作在较高的温度和湿度条件下，能够在类似于 PLC 的运行环境中长期可靠地工作。这种方法的主要优点是使用了价格较便宜的、功能很强的通用的个人计算机，有的用户还可以使用现有的个人计算机，因此，以用最少的投资获取高性能的PLC 程序开发系统。对于不

29、同厂家和型号的 PLC，只需要更换编程软件即可。这种系统的另一个优点是可以使用一台个人计算机所有的工业智能控制设备编程，还可以作为 CNC、机器人、工业电视系统和各种智能分析仪器的软件开发工具。个人计算机的 PLC 程序开发系统的软件一般包括以下几个部分。编程软件。这是最基本的软件，它允许用户生成、编辑、存储和打印梯形图程序及其他形式的程序。文件编制软件。它与程序生成软件一起，可以对梯形图中的每一个触点和线圈加上文字注释（英文或中文），指出它们在程序中的作用，并能在梯形图中提供附加的注释，解释某一段程序的功能，使程序容易阅读和理解。数据采集和分析软件。在工业控制计算机中，这一部分软件功能已相当

30、普遍。个人计算机可以从 PLC 控制系统中采集数据，并可用各种方法分析这些数据。然后将结果用条形统计图或扇形统计图的形式显示在 CRT 上，这种分析处理过程是非常快的，几乎是实时的。实时操作员接口软件。这一类软件对个人计算机提供实时操作的人-机接口装置，使个人计算机被用来作为系统的监控装置，通过 CRT 告诉操作人员系统的状况和可能发生的各种报警信息。操作员可以通过操作员接口键盘（有时也可能直接用个人计算机的键盘）输入各种控制指令，处理系统中出现的各种问题。仿真软件。它允许工业控制计算机对工厂过程做系统仿真，过去这一功能只有大型计算机系统才有。它可以对现有的系统有效地检测、分析和调试，也允许系

31、统的设计者在实际系统建立之前，反复地对系统仿真，用这个方法，及时发现系统中存在的问题，并加以修改。还可以缩短系统设计、安装和调试的总工期，避免不必要的浪费和因设计不当造成的损失。8电源 PLC 的外部工作电源一般为单相 85260V 50/60Hz AC 电源，也有采用2426V DC 电源的。使用单相交流电源的 PLC，往往还能同时提供 24V 直流电源，供直流输入使用。PLC 对其外部工作电源的稳定要求不高，一般可允许15%左右。对于在PLC的输出端子上接的负载所需的负载工作电源，必须由用户提供。PLC 的内部电源系统一般有三类：第一类是供 PLC 中的 TTL 芯片和集成运算放大器使用的

32、基本电源（+5V 和15VDC 电源）；第二类电源是供输出接口使用的高压电流的功率电源；第三类电源是锂电池及其充电电源。考虑到系统的可靠性及光电隔离器的使用，不同类电源具有不同的地线。此外，根据 PLC 的规模及允许扩展的接口模板数，各种 PLC 的电源种类和容量往往是不同的。9总线 总线是沟通 PLC 中各个功能模板的信息通道，它的含义并不单是各个模板插脚之间的连线，还包括驱动总线的驱动器及其保证总线正常工作的控制逻辑电路。对于一种型号的 PLC 而言，总线上各个插脚都有特定的功能和含义，但对于不同型号的 PLC 而言，总线上各个插脚的含义不完全相同（到目前为止，国际上尚没有统一的标准）。总

33、线上的数据都是以并行方式传送的，传送的速度和驱动能力与 CPU 模板上的驱动器有关。10PLC 的外部设备 PLC 控制系统的设计者可根据需要配置一些外部设备。如人-机接口装置（HMI）.外存储器,打印机和 EPROM 写入器等 二二.PLC 的基本工作原理的基本工作原理 可编程控制器是一种专用的工业控制计算机，因此，其工作原理是建立在计算机控制系统工作原理的基础上。但为了可靠地应用在工业环境下，便于现场电气技术人员的使用和维护，它有着大量的接口器件，特定的监控软件，专用的编程器件。所以，不但其外观不像计算机，它的操作使用方法、编程语言及工作过程与计算机控制系统也是有区别的。PLC 采用“顺序

34、扫描，不断循环”的工作方式。图 1-7 PLC 工作方式 1)每次扫描过程。集中对输入信号进行采样。集中对输出信号进行刷新。2)输入刷新过程。当输入端口关闭时，程序在进行执行阶段时，输入端有新状态，新状态不能被读入。只有程序进行下一次扫描时，新状态才被读入。3)一个扫描周期分为输入采样，程序执行，输出刷新。4)元件映象寄存器的内容是随着程序的执行变化而变化的。5)扫描周期的长短由三条决定。（1）CPU 执行指令的速度（2）指令本身占有的时间（3）指令条数 6)由于采用集中采样。集中输出的方式。存在输入/输出滞后的现象，即输入/输出响应延迟。1、PLC 控制系统的等效工作电路 PLC 控制系统的

35、等效工作电路可分为 3 部分，即输入部分、内部控制电路和输出部分。输入部分就是采集输入信号，输出部分就是系统执行部件。这两部分与继电器控制电路相同。内部控制电路是通过编程方法实现的控制逻辑，用软件编程代替继电器电路功能。1)输入部分 输入部分由外部输入电路、PLC 输入接线端子和输入继电器组成。外部输入信号经 PLC 输入接线端子去驱动输入继电器的线圈。每个输入端子与其相同编号的输入继电器有着惟一确定的对应关系。当外部的输入元件处于接通状态时，对应的输入继电器线圈“得电”（注意：这个输入继电器是 PLC 内部的“软继电器”，就是在前面介绍过的存储器中的某一位，它可以提供任意多个动合触点或动断触

36、点供 PLC 内部控制电路编程使用。）为使输入继电器的线圈“得电”，即让外问输入元件的接通状态写入与其对应的基本单元中去，输入回路要有电源。输入回路所使用的电源，可以用 PLC 内部提供的 24V 直流电源（其带负载能力有限）。也可由 PLC 外部的独立的交流或直流电源供电。需要强调的是，输入继电器的线圈只能是由来自现场的输入元件（如控制按钮、行程开关的触点、晶体管的基极-发射极电压、各种检测及保护器件的触点或动作信号等）的驱动，而不能用编程的方式去控制。因此，在梯形图程序中，只能使用输入继电器的触点，不能使用输入继电器的线圈。2)内部控制电路 所谓内部控制电路是由用户程序形成的用“软继电器”

37、来代替继电器控制逻辑。它的作用是按照用户程序规定的逻辑关系，对输入信号和输出信号的状态进行检测、判断、运算和处理，然后得到相应的输出。一般用户程序是用梯形图语言编制的，它看起来很像继电器控制线路图。在继电器控制线路中，继电器的触点可瞬时动作，也可延时动作，而 PLC 梯形图中的触点是瞬时动作的。如果需要延时，可由 PLC 提供的定时器来完成。延时时间可根据需要在编程时设定，其定时精度及范围远远高于时间继电器。在 PLC 中还提供了计数器、辅助继电器（相当于继电器控制线路中的中间继电器）及某些特殊功能的继电器。PLC 的这些器件所提供的逻辑控制功能，可在编程时根据需要选用，且只能在 PLC 的内

38、部控制电路中使用。3)输出部分（以继电器输出型 PLC 为例）输出部分是由在 PLC 内部且内部控制电路隔离的输出继电器的外部动合触点、输出接线端子和外部驱动电路组成，用来驱动外部负载。PLC 的内部控制电路中有许多输出继电器，每个输出继电器除了有为内部控制电路提供编程用的任意多个动合、动断触点外，还为外部输出电路提供了一个实际的动合触点与输出接线端子相连。驱动外部负载电路的电源必须由外部电源提供，电源种类及规格可根据负载要求去配备，只要在 PLC 允许的电压范围内工作即可。综上所述，我们可对 PLC 的等效电路做进一步简化而深刻的理解，即将输入等效为一个继电器的线圈，将输出等效为继电器的一个

39、动合触点。2、可编程控制器的工作过程 虽然可编程控制器的基本组成及工作原理与一般微型计算机相同，但它的工作过程与微型计算机有很大差异（这主要是由操作系统和系统软件的差异造成的）。小型 PLC 的工作过程有两个显著特点：一个是周期性顺序扫描，一个是集中批处理。周期性顺序扫描是可编程控制器特有的工作方式，PLC 在运行过程中，总是处在不断循环的顺序扫描过程中。每次扫描所用的时间称为扫描时间，又称为扫描周期或工作周期。由于可编程控制器的 I/O 点数较多，采用集中批处理的方法，可以简化操作过程，便于控制，提高系统可靠性。因此可编程控制器的另一个主要特点就是对输入采样、执行用户程序、输出刷新实施集中批

40、处理。这同样是为了提高系统的可靠性。当 PLC 启动后，先进行初始化操作，包括对工作内存的初始化、复位所有的定时器、将输入/输出继电器清零，检查 I/O 单元接是否完好，如有异常则发出报警信号。初始化之后，PLC 就进入周期性扫描过程。小型 PLC 的工作过程流程如图 1-8 所示。图 1-8 PLC 工作扫描过程 根据图 1-3，可将 PLC 的工作过程分为三个阶段。1)输入采样阶段 这是第一个集中批处理过程。在这个阶段中，PLC 按顺序逐个采集所有输入端子上的信号，不论输入端子上是否接线，CPU 顺序读取全部输入端，将所有采集到的一批输入信号写到输入映像寄存器中。去当前的扫描周期内，用户程

41、序依据的输入信号的状态（ON 或 OFF），均从输入映像寄存器中去读取，而不管此时外部输入信号的状态是否变化。即使此时外部输入信号的状态发生了变化，也只能在下一个扫描周期的输入采样扫描阶段去读取，对于这种采集输入信号的批处理，虽然严格上说每个信号被采集的时间有先有后，但由于 PLC 的扫描周期很短，这个差异对一般工程应用可忽略，所以可认为这些采集到的输入信息是同时的扫描周期很短，这个差异对一般工程应用可忽略，所以可认为这些采集到的输入信息是同时的。2)执行用户程序阶段 这是第二个集中批处理过程。在执行用户程序阶段，CPU 对用户程序按顺序进行扫描。如果程序用梯形图表示，则总是按先上后下，从左至

42、右的顺序进行扫描。每扫描到一条指令，所需要的输入信息的状态均从输入映像寄存器中去读取，而不是直接使用现场的立即输入信号。对其他信息，则是人 PLC 的元件映像寄存器中读取。在执行用户程序中，每一次运算的中间结果都立即写入元件映像寄存器中，这样该元素的状态马上就可以被后面将在扫描到的指令所利用。对输出继电器的扫描结果，也不是马上去驱动外部负载，而是将其结果写入元件映像寄存器中的输出映像寄存器中，待输出刷新阶段集中进行批处理，所以执行用户程序阶段也是集中批处理过程。输入端子 输入映像寄存器 程序执行 输出映像寄存器 输出锁存器 输出端子 输入 样式 输出 刷新 读 读 写 输出 在这个阶段，除了输

43、入映像寄存器外，各个元件映像寄存器的内容是随着程序的执行而不断地变化。3)输出处理阶段 这是第三个集中批处理过程。当 CPU 对全部用户程序扫描结束后，将元件映像寄存器中各输出继电器的状态同时送到输出锁存器中，再由输出锁存器经输出端子去驱动各输出继电器所带的负载。在输出刷新阶段结束后，CPU 进入下一个扫描周期。3、PLC 的扫描周期及滞后响应 PLC 的扫描周期与 PLC 的时钟频率、用户程序的长短及系统配置有关。一般PLC 的扫描时间为几十毫秒，在输入采样和输出刷新阶段只需 12ms。做公共处理也是在瞬间完成的，所以扫描时间的长短主要由用户程序来决定。从 PLC 的输入端有一个输入信号发生

44、变化到 PLC 的输出端对该输入变化做出反应，需要一段时间，这段时间称为响应时间或滞后时间。这种输出对输入在时间上的滞后现象，严格地说，影响了控制的实时性，但对于一般的工业控制，这种滞后是完全允许的。如果需要快速响应，可选用快速响应模板、高速计数模板及采用中断处理功能来缩短滞后时间。响应时间的快慢与以下因素有关。1)输入滤波器的时间常数（输入延迟）因为 PLC 的输入滤波器是一个积分环节，因此，输入滤波器的输出电压（即CPU 模板的输入信号）相对现场实际输入元件的变化信号，有一个时间延迟，这就导致了实际输入信号在进入输入映像寄存器前就有一个滞后时间。另外，如果输入导线很长，由于分布参数的影响，

45、也会产生一个“隐形”滤波器的效果。在对实时性要求很高的情况下，可考虑采用快速响应输入模板。2)输出继电器的机械滞后（输出延迟）因为 PLC 的数字量输出经常采用继电器触点的形式输出，由于继电器固有的动作时间，导致继电器的实际动作相对线圈的输入电压的滞后效应。如果采用双向可控硅（双向晶阐管）或晶体管的输出方式，则可减少滞后时间。3)PLC 的循环扫描工作方式 这是由 PLC 的工作方式决定的，要想减少程序扫描时间，必须优化程序结构，在可能的情况下，应采用跳转指令。4)、PLC 对输入采样、输出刷新的集中批处理方式 这也是由 PLC 的工作方式决定的。为加快响应，目前有的 PLC 的工作方式采取直

46、接控制方式，这种工作方式的特点是：遇到输入便立即读取进行处理，遇到输出则把结果予以输出。还有的 PLC 采取混合工作方式，这种工作方式的特点是：它只是在输入采样阶段，进行集中读取（批处理），而在执行程序时，遇到输出时便直接输出。这只占方式由于对输入采用的是集中读取，所以在一个扫描周期内，同一个输入即使在程序中有多处出现，也不会像直接控制方式那样，可能出现不同的值；又由于这种方式的程序执行与输出采用直接控制方式，所以又具有直接控制方式输出响应快的优点。由于 PLC 的循环扫描工作方式，因此响应时间与收到输入信号的时刻有关。这里对采用三个批处理工作方式的 PLC，分析一下最短响应时间和最长响应时间

47、。最短响应时间：在一个扫描周期刚结束时就收到了有关输入信号的变化状态，则下一扫描周期一开始这个变化信号就可以被采样到，使输入更新，这时响应时间最短。最短响应时间=输入延迟时间+1 个扫描周期+输出延迟时间 最长响应时间：如果在 1 个扫描周期刚开始收到一个输入信号的变化状态，由于存在输入延迟，则在当前扫描周期内这个输入信号对输出不会起作用，要到下一个扫描周期快结束时的输出刷新阶段，输出才会做出反应，这个响应时间最长。最长响应时间=输入延迟时间+两个扫描周期+输出延迟时间 如果用户程序中的指令语句安排得不合理，则响应时间还要增大。4PLC 与继电器控制系统、单片机区别 1)PLC 与继电器控制系

48、统区别 前者工作方式是“串行”，后者工作方式是“并行”。前者用“软件”，后者用“硬件”。2)PLC 与单片机机区别 前者工作方式是“循环扫描”。后者工作方式是“待命或中断”。可编程控制器与其它控制装置的比较如表 1-1 所示。表 1-1 可编程控制器与其它控制装置的比较 控制装置名称 特 点 可编程控制器 由 CPU、存储器及输入输出接口电路组成；采用程序控制方式且编程容易，可靠性极强；安装、使用、维护、维修方便；系统更新换代容易 继电器控制系统 由开关、继电器、接触器等组成，靠硬件接线实现逻辑运算；连线多而复杂，体积大，功耗大，易出现故障，且排障困难；系统更新换代不容易 单片机控制系统 控制

49、电路需人工设计、焊接，抗干扰能力差；采用程序控制方式，但程序设计较难；维护、使用需较强的专业知识；系统更新换代周期长 三可编程控制器的编程语言三可编程控制器的编程语言 PLC 是专为工业控制而开发的通用控制设备，主要使用者是广大工厂电气技术人员及操作维护人员。为了适应他们的传统习惯和掌握能力，通常采用面向控制过程、面向问题的“自然语言”编程。这些编程语言有梯形图 LAD（Ladder Diagram）语句表 STL（Statement List）、逻辑功能图 LFD（Logical Function Diagram）等。此外，为了满足熟悉计算机知识、熟悉高级编程语言人们的需求，有些大型的 PL

50、C 也采用高级语言（如 BASIC 语言、C 语言等）编程。1.1.梯形图（梯形图（LADLAD）梯形图语言是 PLC 最常用的一种编程语言，是从原电气控制系统中常用的继电器、接触器控制电路梯形图演变而来的，沿用了电气工程师比较熟悉的电气控制原理图的形式，如继电器的触点、线圈以及串并联术语等，形象、直观且编程容易。图 1-9 为两种梯形图的比较。PLCI0.00I0.01I0.02COMQ100.00Q100.01COM停止正转反转正转KM1反转KM2DC24VAC220VI0.00I0.00I0.01I0.02Q100.00Q100.00Q100.01Q100.01Q100.00KM2KM1