PLC模块结构图和工作原理
PLC基本组成及工作原理
无锡市梢品课程国礙示范皎校琏段项目机床电艺与如俸制项目四:PLC基础知识学习模块一：PLC基本组成及原理学习可编程序控制器(Programmable Controller )原本应简称PC,为了与个人计•算机专称PC 相区别，所以可编程序控制器简称定为PLC (Programmable Logic Controller),但并非说PLC 只能控制逻辑信号。
PLC是专门针对丄业环境应用设汁的，自带直观、简单并易于掌握编程语言环境的工业现场控制装置。
一* PLC基本组成PLC基本组成包括中央处理器(CPU)、存储器.输入/输出接口(缩写为I/O,包括输入接口、输出接口、外部设备接口、扩展接口等)、外部设备编程器及电源模块组成，见图4-1。
PLC内部各组成单元之间通过电源总线、控制总线、地址总线和数据总线连接，外部则根据实际控制对象配置相应设备与控制装置构成PLC控制系统。
计貝机*茨跟年4 rtT-rr£｝一电谡行拧只关-U-电谡aPLC系统程序决定了PLC的基本功能，该部分程序山PLC制造厂家编写并固化在系统程序存储器中，主要有系统管理程序、用户指令解释程序和功能程序与系统程序调用等部分。
系统管理程序主要控制PLC的运行，使PLC按正确的次序工作；用户指令解释程序将PLC的用户指令转换为机器语言指令，传输到CPU内执行；功能程序与系统程序调用则负责调用不同的功能子程序及其管理程序。
系统程序属于需长期保存的重要数据，所以其存储器采用ROM或EPROMo ROH是只读存储器，该存储器只能读出内容，不能写入内容，R0H具有非易失性，即电源断开后仍能保存已存储的内容。
EPER0M为可电擦除只读存储器，须用紫外线照射芯片上的透镜窗口才能擦除已写入内容，可电擦除可编程只读存储器还有E2PR0M、FLASH等。
2）用户程序存储器用户程序存储器用于存放用户载入的PLC应用程序，载入初期的用户程序因需修改与调试，所以称为用户调试程序，存放在可以随机读写操作的随机存取存储器RAM内以方便用户修改与调试。
PLC的基本组成和工作原理
⒊ OMRON中型PLC
• C200Hα(C200HX/C200HG/C200HE)系列
– 有11种型号的CPU模块 – 配置齐全的I/O模块和高功能模块 – 品种齐全的通信模块 – 可扩展2～3个机架，每个机架可插10个模块 – 可使用远程I/O单元，I/O可达640～1184点 – 指令系统丰富，具有较强的通信和网络功能
型号
CJ1H-CPU66H CJ1H-CPU65H CJ1G-CPU45H CJ1G-CPU44H CJ1G-CPU43H CJ1G-CPU42H CJ1G-CPU45 CJ1G-CPU44
最大 I/O 点数 2560
1280
960
1280
程序容 量
120K步 60K步 60K步 30K步 20K步 10K步 60K步 30K步
绪论EXIT
3.智能输入/输出模块 高速计数模块
• 用于脉冲或方波计数器、实时时钟、 脉冲发生器、编码器等输出信号的检 测和处理，及快速变化过程中的测量 或精确定位控制
绪论EXIT
运动控制模块
• 自带微处理器，用来控制物体的位置、 速度和加速度，可以控制直线运动或旋 转运动，也可以控制单轴或多轴运动
数据存 储器容
量 256K字 128K字 128K字
64K字
128K字 64K字
基本指令 内置端 处理速度 口
0.02µs
0.04µs
外设端 口和RS232C端 口
0.08µs
可选 件
存储 卡
绪论EXIT
基本I/O模块
基本 I/O模块
直流输入模块 交流输入模块 继电器输出模块 晶体管输出模块 晶闸管输出模块
❖ 目前新推出的微型PLC有CP1E系列， 带扩展I/O单元时最大达180点
第2章_PLC的硬件与工作原理(应用)
8k字左右
大型机：开关量和模拟量、2048点以上、容量16k字 以上，功能强大
2.1.1 PLC的物理结构
按结构形式分
整体式PLC
将电源、CPU、I/O接口等部件都集中 装在一个机箱内，具有结构紧凑、体积小、价格低 等特点。
1
2
西门子S7-200PLC
日本三菱FX系列PLC
S7-200 CPU模块的外形图
图2-8 扫描过程
• 工作方式——集中 输入、集中输出， 周期性循环扫描的 方式进行工作的。 • 工作过程——上电 处理、扫描过程、 出错处理（自诊断） 几个阶段。
写输出
读输入
执行程序 自诊断
处理通讯
周期性循环扫描，集中输入、集 中输出，与单片机系统的区别？ 怎样增强抗干扰能力？
输入采样阶段
PLC的扫描过程
第2章 PLC的硬件与工作原理
2.1 2.2 2.3 2.4 PLC的硬件 PLC的工作原理 S7-200CN系列PLC I/O地址分配与外部接线
学习目标
熟悉PLC的硬件、分类，工作原理，IO模块， 外部接线等。
2.1 PLC的硬件
PLC按结构形式分类
整体式
模块式 按I/O容量分 小型机：开关量、I/O256点以下、容量4k字左右 中型机：开关量和模拟量、256~2048点之间、容量
KF SF1
电 源 母 线
KF KF
QA1
QA2 KF
电 源 母 线
PLC梯形图：串行工作方式
PLC梯形图：串行工作方式
SF2 I0.0 I0.1 I0.0 M0.0
（）
Q0.0 M0.0 M0.0 Q0.0
~
பைடு நூலகம்QA1
第二章 PLC的基本组成及工作原理
2.2 PLC的工作原理
继电器控制与 PLC控制的比较：
➢为了消除二者之间由于运行方式不同而造成的差异， 考虑到继电器控制装置各类触点的动作时间一般在 100ms以上，而PLC扫描用户程序的时间一般均小 于100ms。这样在对于I/O响应要求不高的场合， PLC与继电器控制装置的处理结果上就没有什么区别 了。
2.1 PLC的基本组成
3)输入/输出模块
（1）输入接口作用：将按钮、行程开关或传感器等产生 的信号，转换成数字信号送入主机。
内内1
内
内
.
内
输入n
内
COM
2.1 PLC的基本组成
3)输入/输出模块
（2）输出接口作用：将主机向外输出的信号转换成可以 驱动外部执行电路的信号，以便控制接触器线圈等电 器通断电；另外输出电路也使计算机与外部强电隔离。
并通过显示器显示出程序的内容和存储地址。 （ 2 ）检查、校验用户程序。 （ 3 ）接收现场数据。 （ 4 ）执行用户程序。 （ 5 ）故障诊断。
注意：PLC通常以字而不是以字节为单位存储和处理数 据。
描述PLC性能的几个术语
位：二进制的一位，仅有1、0 数字：4位二进制数构成一个数字 字节：2个数字或8位二进制数构成一个字节 字：两个字节构成一个字。
• 继电器输出特点：低速大功率， 用于用于直流、交流负载（隔离、功率放大）。
• 晶体管集电极输出特点：高速小功率， 用于直流负载。
• 双向可控硅（晶闸管的一种）输出特点：高速大功率， 用于交流负载。
2.1 PLC的基本组成
3)输入/输出模块-继电器输出
继电器输出
PLC
内
内
部
部
电
电J
PLC模块结构图和工作原理
PLC结果框图PLC的基本工作原理一．PLC采用“顺序扫描，不断循环”的工作方式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。
二．PLC与继电器控制系统、微机区别1．PLC与继电器控制系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与微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”PLC 编程方式PLC最突出的优点采用“软继电器”代替“硬继电器”。
用“软件编程逻辑”代替“硬件布线逻辑”。
PLC编程语言有梯形图、布尔助记符语言，等等。
尤其前两者为常用。
PLC的输入/输出过程1、PLC的工作方式是周期扫描方式，所以其输入/输出过程是定时进行的。
对用户程序而言，要处理的输入信号是输入信号状态暂存区的信号，而不是实际的信号。
运算处理后的输出信号被放入输出信号状态暂存区中，而不是直接输出到现场的。
2 ．扫描循环时间循环时间（Cycle Time ）是指操作系统执行一次循环操作所需的时间，包括执行程序段和中断该循环的系统操作的时间，循环时间又称为扫描循环时间（Scan Cycle Time ）或扫描周期。
循环时间与用户程序的长短、指令的种类和CPU 执行指令的速度有很大的关系。
当用户程序较长时，指令执行时间在循环时间中占相当大的比例。
循环时间会因为下述事件而延长：中断处理、诊断和故障处理、测试和调试功能、通信、传送和删除块、压缩用户程序存储器、读／写微存储器卡MMc 等。
第二章S7-200PLC硬件结构和工作原理
系统基本构成
1. 硬件 （1）基本单元 （2）扩展单元 （3）特殊功能模块 （4）相关设备 2. 工业软件 工业软件是为更好地管理和使用这些设备而开发的 与之相配套的程序、文档及其规则的总和，它主要 由标准工具、工程工具、运行软件和人机接口等几 大类构成。
主机结构
1. 各CPU介绍及I/O系统 （1）主机外形 SIMATIC S7-200系统CPU 22X系列PLC主机（CPU模块）的外形如 图所示：
晶闸管输出方式。 其特点是输出启动 电流大。当PLC有信 号输出时，光电二 极管导通，通过光 电耦合使双向可控 硅(晶闸管)导通，交 流负载在外部交流 电源的激励下得电。 发光二极管VL点亮， 指示输出有效。
R1 内 部 电 路 (AC SSR) VL 压 敏 U 电 阻 C
OUT R2负载Fra bibliotekCOM
第12页图2-9中:
Q0.0最小滞后SB1按钮几个扫描周期？ 最大滞后几个扫描周期？
思考：
M100(上) Y1
X2
M100
M100(下)
Y2
Y1最小、最大滞后X2按钮几个扫描周期？
3.5 S7-200系列PLC程序概念
3.4.1 梯形图编辑器（LAD） 3.4.2 语句表编辑器（STL） 3.4.3 功能块图编辑器（FBD）
I/O模块
输出模块 ：第8页图2-3 输出模块：分晶体管、晶闸管、继电器三种方式 数字量输出模块的每一个输出点能控制一个用 户的离散型（ON/OFF）负载。典型的负载包括：继 电器线圈，接触器线圈、电磁阀线圈、指示灯等。 每一个输出点与一个且仅与一个输出电路相连， 输出电路把CPU运算处理的结果转换成能够驱动现 场执行机构的各种大功率的开关信号。PLC的输出 端子是PLC向外部负载发出控制命令的窗口。
PLC2
图2-14 PLC的等效工作电路
2. 可编程序控制器的工作过程
小型PLC的工作过程有两个显著特点:周期性顺序 扫描和集中批处理。 PLC上电后，就在系统程序的监控下，周而复始 地按固定顺序对系统内部的各种任务进行查询、 判断和执行，这个过程实质上是一个不断循环的 顺序扫描过程。 PLC的工作过程（周期性扫描过程）分为4个扫描 阶段。
数字量输入部件及接口
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。指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)。检测元件的信号 是指用检测元件(如各种传感器、继电器的接点，限 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。
1.PLC控制系统的等效工作电路 1.PLC控制系统的等效工作电路
PLC控制系统的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 就是系统的执行器件。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 代替继电器电路的功能。
图2-15 小型PLC的工作过程流程图
1）公共处理扫描阶段 公共处理包括PLC自检、执行来自外设命令、对 警戒时钟又称监视定时器或看门狗定时器WDT （Watch Dog Timer）清零等。 2）输入采用扫描阶段 这是第一个集中批处理过程。在当前的扫描周期 内，用户程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阶段去读取。
plc基本结构及原理
plc基本结构及原理plc基本结构及原理PLC的基本组成可分为两大部分:硬件系统和软件系统。
一、硬件系统：（一）CPU 运算和控制中心：起“心脏”作用。
1、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。
2、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像寄存器。
然后由CPU把数据和程序有机地结合在一起。
把结果存入输出映像寄存器或工作数据存储器中，然后输出到输出接口、控制外部驱动器。
3、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。
（二）存储器具有记忆功能的半导体电路。
分为系统程序存储器和用户存储器。
1、系统程序存储器用以存放系统程序，包括管理程序，监控程序以及对用户程序做编译处理的解释编译程序。
由只读存储器、ROM组成。
厂家使用的，内容不可更改，断电不消失。
2、用户存储器: 分为用户程序存储区和工作数据存储区。
由随机存取存储器(RAM)组成。
用户使用的。
断电内容消失。
常用高效的锂电池作为后备电源，寿命一般为3~5 年。
（三）输入/输出(I/O )模块输入输出模块简称I/O模块，相当于人的眼睛、跺、鼻子手、脚是联系外部信息和大脑(CPU )的桥梁。
1、输入接口：光电耦合器由两个发光二极度管和光电三极管组成。
发光二极管: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。
光电三极管: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。
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PLC结果框图
PLC的基本工作原理
一．PLC采用“顺序扫描，不断循环”的工作方式
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。
二．PLC与继电器控制系统、微机区别
1．PLC与继电器控制系统区别
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与微机区别
前者工作方式是“循环扫描”。
后者工作方式是“待命或中断”
PLC 编程方式
PLC最突出的优点采用“软继电器”代替“硬继电器”。
用“软件编程逻辑”代替“硬件布线逻辑”。
PLC编程语言有梯形图、布尔助记符语言，等等。
尤其前两者为常用。
PLC的输入/输出过程
1、PLC的工作方式是周期扫描方式，所以其输入/输出过程是定时进行的。
对用户程序而言，要处理的输入信号是输入信号状态暂存区的信号，而不是实际的信号。
运算处理后的输出信号被放入输出信号状态暂存区中，而不是直接输出到现场的。
2 ．扫描循环时间循环时间（Cycle Time ）是指操作系统执行一次循环操作所需的时间，包括执行程序段和中断该循环的系统操作的时间，循环时间又称为扫描循环时间（Scan Cycle Time ）或扫描周期。
循环时间与用户程序的长短、指令的种类和CPU 执行指令的速度有很大的关系。
当用户程序较长时，指令执行时间在循环时间中占相当大的比例。
循环时间会因为下述事件而延长：中断处理、诊断和故障处理、测试和调试功能、通信、传送和删除块、压缩用户程序存储器、读／写微存储器卡MMc 等。
3．输入／输出滞后时间
输入愉出滞后时间又称为系统响应时间，是指PLC的外部输入信号发生变化的时刻至它控制的外部输出信号发生变化的时刻之间的时间间隔，它由输入电路滤波时间、输出电路的滞后时间和因扫描工作方式产生的滞后时间这三部分组成。
输入模块的RC滤波电路用来滤除由输入端引入的干扰噪声，消除因外接输入触点动作时产生的抖动引起的不良影响，滤波电路的时间常数决定了输入滤波时间的长短，其典型值为l0ms左右。
输出模块的滞后时间与模块的类型有关，继电器型输出电路的滞后时间一般在10ms左右；双向晶闸管型输出电路在负载通电时的滞后时间约为lms，负载由通电到断电时的最大滞后时间为l0ms；
晶体管型输出电路的滞后时间一般在lms以下。
由扫描工作方式引起的滞后时间最长可达两三个扫描周期。
PLC总的响应延迟时间一般只有几毫秒到几十毫秒，PLC周期性的输入/输出处理方式对一般控制对象而言是能够满足的，但是对那些要求响应时间小于扫描周期的控制系统则不能满足，这时可以用智能型输入/输出单元或专门的软件指令，通过与扫描周期脱离的方式来解决。
PLC的中断输入处理过程
PLC的中断输入处理方法同一般计算机系统是基本相同的，即当有中断申请信号输入后，系统要中断正在执行的相关程序而转向执行中断子程序；当有多个中断源时，它们将按中断的优先级有一个先后顺序的排队处理。
系统可以通过程序设定允许中断或禁止中断。
PLC的中断源信息是通过输入单元进入系统的。
PLC的中断源有优先顺序，一般无嵌套关系。
PLC的工作原理
1、PLC的工作原理与计算机的工作原理是基本一致的。
PLC执行的任务是串行的，与继电器逻辑控制系统中控制任务的执行有所不同。
2、从PLC的工作过程可以看到，整个工作过程是以循环扫描的方式进行的。
循环扫描方式是指在程序执行过程的周期中，程序对各个过程输入信号进行集中采样，对采样的信号进行运算和处理，并把运算结果输出到生产过程的执行机构中。
3、逻辑运算
在数字量（开关量）控制系统中，变量仅有两种状态。
可以分别用逻辑代数中的0和1表示。
使用继电器电路或PLC的梯形图都可以实现数字量的逻辑运算。
下面是PLC的梯形图对应的数字门电路。