1、电气控制与电气控制与PLC技术及应用技术及应用第第6章章 PLC结构组成与工作原理结构组成与工作原理电气控制与电气控制与PLC技术及应用技术及应用第第6章章 PLC结构组成与工作原理结构组成与工作原理6.1.1 PLC的基本组成的基本组成 可编程序控制器主要由中央处理单元（CPU）、存储器（RAM、ROM）、输入/输出单元（I/O接口单元）、电源和编程器等组成。电气控制与电气控制与PLC技术及应用技术及应用第第6章章 PLC结构组成与工作原理结构组成与工作原理6.1.2 PLC各组成部分作用各组成部分作用1.中央处理单元（中央处理单元（CPU）中央处理单元（CPU）是PLC的核心，相当于人的大
2、脑，它主要由控制电路、运算器和寄存器组成，其主要作用是按PLC中系统程序赋予的功能控制整个系统协调一致地运行，它解释并执行用户及系统程序，通过执行用户及系统程序完成所有控制、处理、通信以及其它功能。主要任务包括：控制从编程器输入的用户程序和数据的接收与存储；用扫描方式通过I/O单元部件接收现场的状态或数据，并存入输入映象存储器或数据存储器中；PLC内部电路的故障和编程错误等的自诊断功能；PLC运行状态中从用户程序存储器读取用户指令，并经解释后按指令规定的任务执行数据传送、逻辑运算或算术运算；根据运算结果，更新有关标志位状态及输出映象存储器内容，然后经输出单元部件实现输出或数据通讯等功能。电气控
3、制与电气控制与PLC技术及应用技术及应用第第6章章 PLC结构组成与工作原理结构组成与工作原理6.1.2 PLC各组成部分作用各组成部分作用2.存储器（存储器（RAM、ROM）存储器主要功能是存放程序和数据。程序是PLC操作的依据，数据是PLC操作的对象。根据存储器在PLC系统中的作用，可分为用户存储器（RAM）和系统存储器（ROM）。1）系统存储器2）用户存储器 电气控制与电气控制与PLC技术及应用技术及应用第第6章章 PLC结构组成与工作原理结构组成与工作原理6.1.2 PLC各组成部分作用各组成部分作用3.输入输入/输出单元（输出单元（I/O接口单元）接口单元）可编程序控制器作为一种工业
4、控制计算机，它的控制对象是工业过程，它与工业生产过程的联系就是通过输入/输出单元（I/O接口单元）实现的，它是PLC与外界连接的接口。输入/输出单元的作用是将输入信号转换为CPU能够接收和处理的信号，将CPU送出的微弱信号转换为外部设备需要的强电信号。输入接口用来接收和采集两种类型的输入信号，一类是由按钮、选择开关、继电器触点、接近开关、光电开关、行程开关、数字拨码开关等开关量输入信号；另一类是由电位器、测速发电机和各种变送器等来的模拟量输入信号。输出接口一般分为继电器输出型、晶体管输出型和晶闸管输出型，用来连接被控对象中各执行元件，如接触器线圈、电磁阀线圈、指示灯、调节阀（模拟量）、调速装置
5、（模拟量）等。电气控制与电气控制与PLC技术及应用技术及应用第第6章章 PLC结构组成与工作原理结构组成与工作原理6.1.2 PLC各组成部分作用各组成部分作用4.电源电源 PLC的供电电源是一般市电，也有用直流24V供电的。PLC对电源稳定度要求不高，一般允许电源电压额定值在+10%15%的范围内波动。小型整体式可编程序控制器内部有一开关式稳压电源，一方面用于对PLC的CPU单元、I/O单元或扩展单元供电（DC5V），另一方面提供DC24V，可用作外部输入元件（传感器）的供电电源。电气控制与电气控制与PLC技术及应用技术及应用第第6章章 PLC结构组成与工作原理结构组成与工作原理6.1.2
6、PLC各组成部分作用各组成部分作用5.编程器编程器 编程器是PLC重要的外围设备。利用编程器可以将用户程序送入PLC的用户存储器，还可以利用编程器检查程序、修改程序；利用编程器还可以监视PLC的工作状态。编程器按结构可分为三种类型：1）手携式编程器 2）带有显示屏的编程器 3）通用计算机作为编程器6.其它设备其它设备 PLC还配有其它外围设备，如盒式磁带机、EPROM写入器、存储器卡等。电气控制与电气控制与PLC技术及应用技术及应用第第6章章 PLC结构组成与工作原理结构组成与工作原理 PLC提供了完整的编程语言，但不同的厂家、甚至不同型号的提供了完整的编程语言，但不同的厂家、甚至不同型号的P
7、LC的编程语的编程语言只能适应自己的产品。言只能适应自己的产品。目前目前PLC常用的编程语言有四种：常用的编程语言有四种：梯形图编程语言（梯形图编程语言（LAD）、指令语句表编）、指令语句表编程语言（程语言（STL）、功能图编程语言（）、功能图编程语言（SFC）、高级语言编程。）、高级语言编程。梯形图编程语言形梯形图编程语言形象直观，类似电气控制系统中继电接触器控制电路图，逻辑关系明显；指令语象直观，类似电气控制系统中继电接触器控制电路图，逻辑关系明显；指令语句表编程语言虽然不如梯形图编程语言直观，但键入方便；功能图编程语言是句表编程语言虽然不如梯形图编程语言直观，但键入方便；功能图编程语言是
8、一种较新的编程方法，适合于一种较新的编程方法，适合于“步进控制步进控制”；高级语言编程需要比较多的计算；高级语言编程需要比较多的计算机知识。机知识。利用利用PLC编程语言，用户按照不同的控制要求编制不同的控制任务用户程序，编程语言，用户按照不同的控制要求编制不同的控制任务用户程序，相当于设计和改变继电接触器控制的相当于设计和改变继电接触器控制的“硬接线硬接线”控制线路，只不过这里采用了控制线路，只不过这里采用了“软继电器软继电器”等逻辑部件等逻辑部件“软接线软接线”来实现输入信号与输出被控对象之间的逻来实现输入信号与输出被控对象之间的逻辑关系，这就是辑关系，这就是PLC的的“可编程序可编程序”
9、。程序既可由编程器方便地送入到。程序既可由编程器方便地送入到PLC内部内部存储器中，也能方便地读出、检查和修改。存储器中，也能方便地读出、检查和修改。电气控制与电气控制与PLC技术及应用技术及应用第第6章章 PLC结构组成与工作原理结构组成与工作原理 6.2.1 梯形图编程语言（梯形图编程语言（LAD）该语言习惯上称作“梯形图”，它是在继电接触器控制系统中常用的接触器、继电器逻辑控制基础上演变而来的。“用户第一语言”梯形图按“从左到右、自上而下”的顺序排列，最左边的竖线称为“起始母线”或“左母线”，然后按一定的控制要求和规则连接各个“软触点”，最后以继电器“软线圈”结束，称为一逻辑行或一“梯级
10、”，一般在最右边还加上一条竖线，这一竖线称为“右母线”。通常一个梯形图中有若干逻辑行或梯级，形似梯子，如图6-3（b）所示，梯形图由此得名。其主要特点是形象直观、实用方便、修改灵活，深受技术人员厚爱，是目前使用最多的一种PLC编程语言，因此又被称为“用户第一语言”。电气控制与电气控制与PLC技术及应用技术及应用第第6章章 PLC结构组成与工作原理结构组成与工作原理 6.2.1 梯形图编程语言（梯形图编程语言（LAD）PLC梯形图编程原则如下：梯形图中的触点为“软触点”，只有常开触点（）和常闭触点（），它可以是与PLC输入端相连的外部开关（按钮、行程开关、传感器等）对应触点，但通常是PLC内部继
11、电器触点或内部寄存器、计数器等的状态。PLC内各触点都有自己特殊的编号，以示区别。同一编号的触点有常开的和常闭的，可多次使用，便于编程。梯形图中的输出线圈为“软线圈”，用圆圈（）表示，它包括输出继电器线圈、辅助继电器线圈以及计数器、定时器逻辑运算结果。只有线圈接通后，对应的触点才动作。梯形图中触点可以任意串联或并联，但线圈只能并联不可串联。内部继电器、计数器、移位寄存器等均不能控制外部被控负载，只能作中间结果供PLC使用，只有输出继电器才能驱动外部负载。PLC是按循环扫描的工作方式沿梯形图的先后顺序执行程序的，在同一扫描周期中的结果保留在输出状态暂存器中，所以输出点的值在用户程序中可以当作条件
12、使用。程序结束时要有结束标志“END”。若利用通用计算机作为编程器进行梯形图编程时，只要按梯形图的先后顺序把逻辑行输入到计算机，最后用“END”结束符表示程序结束，计算机就可以自动地将梯形图转换成PLC所能接收的机器语言并存入内存单元。电气控制与电气控制与PLC技术及应用技术及应用第第6章章 PLC结构组成与工作原理结构组成与工作原理 6.2.2 指令语句表编程语言（指令语句表编程语言（STL）指令语句表编程语言又称为助记符语言，是可编程序控制器最基础的编程语言。它类似于计算机中的汇编语言，采用一些容易记忆的助记符来表示PLC的某种操作，也是由操作符和操作数两部分组成，但比汇编语言更直观易懂。
13、操作符用助记符表示，用来执行要实现的功能，告诉CPU该进行什么操作。操作数一般由标识符和参数组成，表示被操作的对象或目标。电气控制与电气控制与PLC技术及应用技术及应用第第6章章 PLC结构组成与工作原理结构组成与工作原理 6.2.3 功能图编程语言（功能图编程语言（SFC）功能图编程语言是一种较新的编程方法，目前国际电工协会（IEC）正在实施发展这种新的编程标准。它是用象控制系统流程图一样的功能图表达一个顺序控制过程，我们将在后面的内容中详细介绍这种方法。不同厂家的PLC对这种编程语言所用的符号和名称也不一样，三菱PLC叫做功能图编程语言（图6-4（a），而西门子PLC则叫控制系统流程图编程
14、语言（图6-4（b）电气控制与电气控制与PLC技术及应用技术及应用第第6章章 PLC结构组成与工作原理结构组成与工作原理1）输入接口电路）输入接口电路 开关量输入模块的作用开关量输入模块的作用是将生产现场各种开关量信号转换成是将生产现场各种开关量信号转换成CPU能接收能接收的的TTL标准电平的数字量信号，传送到内部总线的输入接口模块。标准电平的数字量信号，传送到内部总线的输入接口模块。6.3.1 PLC的等效电路的等效电路 电气控制与电气控制与PLC技术及应用技术及应用第第6章章 PLC结构组成与工作原理结构组成与工作原理 输入模块与外部输入模块与外部 用户设备的用户设备的接线形式：接线形式：
15、汇点输入接线，独立输入接线。汇点输入接线，独立输入接线。6.3.1 PLC的等效电路的等效电路 1）输入接口电路）输入接口电路电气控制与电气控制与PLC技术及应用技术及应用第第6章章 PLC结构组成与工作原理结构组成与工作原理2）输出接口电路）输出接口电路 开关量输出模块的作用：开关量输出模块的作用：将将CPU执行用户程序所输出的执行用户程序所输出的TTL电平的控制信电平的控制信号转化为生产现场所需的，能驱动特定设备的信号，以驱动执行机构的动作。号转化为生产现场所需的，能驱动特定设备的信号，以驱动执行机构的动作。开关量输出模块的形式：开关量输出模块的形式：继电器输出、晶体管输出和双向晶闸管输出
16、。继电器输出、晶体管输出和双向晶闸管输出。l 继电器输出可接直流或继电器输出可接直流或交流负载。当开关量输交流负载。当开关量输出的频率低于出的频率低于1000Hz时，时，一般选用继电器输出。一般选用继电器输出。6.3.1 PLC的等效电路的等效电路 电气控制与电气控制与PLC技术及应用技术及应用第第6章章 PLC结构组成与工作原理结构组成与工作原理l 晶体管输出属直流输出，晶体管输出属直流输出，只能接直流负载。当开只能接直流负载。当开关量输出的频率大于关量输出的频率大于1000Hz时，一般选用晶时，一般选用晶体管输出。体管输出。l 晶闸管输出属交流输出，晶闸管输出属交流输出，只能接交流负载。只
17、能接交流负载。2）输出接口电路）输出接口电路 6.3.1 PLC的等效电路的等效电路 电气控制与电气控制与PLC技术及应用技术及应用第第6章章 PLC结构组成与工作原理结构组成与工作原理 输出模块与外部输出模块与外部 用户设备的用户设备的接线形式：接线形式：汇点输出接线，独立输出接线汇点输出接线，独立输出接线。2）输出接口电路）输出接口电路 6.3.1 PLC的等效电路的等效电路 电气控制与电气控制与PLC技术及应用技术及应用第第6章章 PLC结构组成与工作原理结构组成与工作原理PLC的软件的软件(1)系统监控程序系统监控程序 由生产厂家编制，用于管理、协调由生产厂家编制，用于管理、协调PLC
18、各部分工作，方便用户使用的通用各部分工作，方便用户使用的通用程序。程序。1）系统配置登记及初始化；）系统配置登记及初始化；2）系统自诊断）系统自诊断；3）命令识别与处理）命令识别与处理；4）用户程序编译）用户程序编译；5）模块化子程序及调用管理）模块化子程序及调用管理。(2)用户程序用户程序 用户程序又用户程序又 称为应用程序，由用户根据控制需要用称为应用程序，由用户根据控制需要用PLC的编程语言（梯的编程语言（梯形图、形图、指令表、指令表、高级语言高级语言、汇编语言等）汇编语言等）编制而成。编制而成。6.3.1 PLC的等效电路的等效电路 电气控制与电气控制与PLC技术及应用技术及应用第第6
19、章章 PLC结构组成与工作原理结构组成与工作原理 6.3.1 PLC的等效电路的等效电路 PLC等效电路主要由输入部分、输出部分和内部控制电路组成。输入部分的作用是收集被控设备的信息或操作指令，图中若干个输入端外接按钮、开关等的触点通过硬接线与PLC输入端相连，而在PLC内部连接到输入继电器X的“软线圈”（图中X1为输入继电器）。输出部分的作用是驱动外部被控负载，PLC输出端外部通过硬接线接到用户被控设备，而在PLC内部则连接输出继电器Y的“硬触点”（图中Y0Y3为输出继电器）。内部控制电路的作用是对从输入部分得到的信息，进行运算、处理，并判断哪些功能应输出，这部分建立起从PLC输入端信号到P
20、LC输出端负载之间的联系，通过用户根据控制任务要求编写的用户程序来实现逻辑控制的“软接线”。电气控制与电气控制与PLC技术及应用技术及应用第第6章章 PLC结构组成与工作原理结构组成与工作原理 6.3.1 PLC的等效电路的等效电路 电气控制与电气控制与PLC技术及应用技术及应用第第6章章 PLC结构组成与工作原理结构组成与工作原理 6.3.2 PLC的工作过程的工作过程1.初始化2.内部处理阶段3.通信信息处理阶段4.输入处理阶段5.程序执行阶段6.输出处理阶段 PLC周而复始地循环扫描，执行上述整个过程，直至停机。图6-8为用户程序在PLC循环扫描工作方式下的工作过程，分为三个阶段：输入采
21、样阶段、程序处理阶段和输出刷新阶段。电气控制与电气控制与PLC技术及应用技术及应用第第6章章 PLC结构组成与工作原理结构组成与工作原理 6.3.2 PLC的工作过程的工作过程扫描扫描：CPU依次对各种规定的操作项目进行访问和处理。依次对各种规定的操作项目进行访问和处理。扫描周期：扫描周期：每扫描一个循环所用的时间。每扫描一个循环所用的时间。PLC 的基本工作方式：的基本工作方式：循环扫描工作方式。循环扫描工作方式。电气控制与电气控制与PLC技术及应用技术及应用第第6章章 PLC结构组成与工作原理结构组成与工作原理 6.3.2 PLC的工作过程的工作过程 循环扫描的工作方式是PLC的一大特点，
22、也可以说PLC是“串行”工作的，这和传统的继电接触器控制系统“并行”工作有质的区别。PLC的串行工作方式避免了继电接触器控制系统中触点竞争和时序失配的问题，大大改善系统的性能。因PLC是采用扫描工作方式，则输入/输出状态会保持一个扫描周期，或者说，全部输入/输出状态的改变，都需要一个扫描周期。扫描周期是PLC一个很重要的指标，小型PLC的扫描周期一般为十几毫秒到几十毫秒，PLC的扫描时间取决于扫描速度和用户程序长短。毫秒级的扫描时间对于一般工业设备通常是可以接受的，PLC的响应滞后是允许的。但是对于某些要求I/O快速响应的设备，则应采取相应的处理措施，如选用高速CPU提高扫描速度、采用快速响应
23、模块、高速计数模块以及不同的中断处理等措施减少滞后时间。对于用户来说，选择合适的PLC、合理地编制程序是缩短响应的关键。电气控制与电气控制与PLC技术及应用技术及应用第第6章章 PLC结构组成与工作原理结构组成与工作原理三菱三菱FX2N可编程序控制器简介可编程序控制器简介 6.4.1 FX2N系列可编程序控制器的主要特点系列可编程序控制器的主要特点 1.整体式结构2.扩展灵活3.通信功能4.专用特殊功能单元5.编程语言6.高速处理能力 7.全面的应用指令 电气控制与电气控制与PLC技术及应用技术及应用第第6章章 PLC结构组成与工作原理结构组成与工作原理三菱三菱FX2N可编程序控制器简介可编程
24、序控制器简介 6.4.2 FX2N系列可编程序控制器系统配置系列可编程序控制器系统配置 1.FX系列可编程序控制器型号说明系列可编程序控制器型号说明FX系列可编程序控制器型号命名的基本格式为：FX 说明：可编程序控制器系列名称，其中为系列序号：0、2、0N、2C、2N、3U等。输入/输出总点数；单元类型：M：基本单元；E：输入/输出混合扩展单元及扩展模块；EX：输入专用扩展模块；EY：输出专用扩展模块；输出形式：R：继电器输出；T：晶体管输出；S：晶闸管输出；特殊区别：若特殊区别一项无符号，说明通指AC电源，DC输入，横式端子排。D：DC电源，DC输入；A：AC电源，AC输入；H：大电流输出扩
25、展模块；V：立式端子排的扩展模块；C：接插口输入输出方式；F：输入滤波器1ms的扩展模块；L：TTL输入型扩展模块；S：独立端子（无公共端）扩展模块。2.FX2N系列可编程序控制器概况系列可编程序控制器概况 电气控制与电气控制与PLC技术及应用技术及应用第第6章章 PLC结构组成与工作原理结构组成与工作原理三菱三菱FX2N可编程序控制器简介可编程序控制器简介 6.4.3 FX2N系列可编程序控制器外围设备系列可编程序控制器外围设备适合FX2N系列PLC使用的外围设备有：1.编程器编程器2.文本显示器文本显示器3.存储卡存储卡/写入器写入器 电气控制与电气控制与PLC技术及应用技术及应用第第6章
26、章 PLC结构组成与工作原理结构组成与工作原理PLC的主要性能指标的主要性能指标 1描述描述PLC性能的几个术语性能的几个术语 位位指二进制的一位，仅有指二进制的一位，仅有0、1两种取值。一个位对应两种取值。一个位对应PLC一个继电器，某一个继电器，某位的状态为位的状态为0，对应继电器线圈断电；状态为，对应继电器线圈断电；状态为1，则对应继电器线圈通电。，则对应继电器线圈通电。4位二进制数构成一个位二进制数构成一个数字数字，这个数字可以是，这个数字可以是00001001（十进制），也可（十进制），也可以是以是00001111（十六进制）。（十六进制）。两个数字或两个数字或8位二进制数构成一个位
27、二进制数构成一个字节字节。两个字节构成一个两个字节构成一个字字。在。在PLC术语中，字称为通道。一个字含术语中，字称为通道。一个字含16位，或者位，或者说一个通道含说一个通道含16个继电器。个继电器。电气控制与电气控制与PLC技术及应用技术及应用第第6章章 PLC结构组成与工作原理结构组成与工作原理2PLC的主要性能指标的主要性能指标（1）存储器容量）存储器容量（2）I/O点数点数（3）扫描速度）扫描速度（4）内部寄存器）内部寄存器（5）指令系统）指令系统（6）特殊功能及模块）特殊功能及模块（7）扩展能力）扩展能力 电气控制与电气控制与PLC技术及应用技术及应用第第6章章 PLC结构组成与工作原理结构组成与工作原理
