1第3章可編程限制器組成與

工作原理本章主要內(nèi)容可編程限制器的組成可編程限制器的工作原理可編程限制器的編程語言2§3-1可編程限制器的組成中心處理單元（CPU）、存儲(chǔ)器、輸入輸出電路、外部設(shè)備接口、電源幾大部分組成.3

一、中心處理單元（CPU）1)通用微處理器（如：8080、8086等）；2)單片微處理器(如Intel公司的MCS51／96系列單片機(jī))；3)位片式微處理器(如AM2900、AM2901、AM2903型位片式微處理器）。通過并行聯(lián)結(jié)構(gòu)成隨意字長(zhǎng)的一種微處理器。小型PLC為8位微處理器；中型PLC多接受16位微處理器。PLC的檔次越高，微處理器的位數(shù)越多、運(yùn)算速度越快、功能越強(qiáng)。4

CPU的主要功能：（1）接收、存儲(chǔ)用戶通過編程器等輸入設(shè)備輸入的程序和數(shù)據(jù)。（2）以掃描方式接收來自輸入單元的輸入變量、狀態(tài)數(shù)據(jù)，并存入相應(yīng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)（輸入映像寄存器）。（3）利用錯(cuò)誤校驗(yàn)技術(shù)自診斷。（4）執(zhí)行用戶程序，完成各種數(shù)據(jù)的處理、傳輸和存儲(chǔ)，并依據(jù)數(shù)據(jù)處理結(jié)果，刷新有關(guān)標(biāo)記位的狀態(tài)和輸出狀態(tài)寄存器的內(nèi)容，產(chǎn)生相應(yīng)的內(nèi)部限制信號(hào)，以完成用戶指令規(guī)定的各種操作。（5）響應(yīng)各種外圍設(shè)備（如編程器、打印機(jī)等）的懇求。

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二、存儲(chǔ)器1．存儲(chǔ)器種類（1）系統(tǒng)存儲(chǔ)器，存放系統(tǒng)管理程序。（2）用戶存儲(chǔ)器，存放用戶編制的限制程序。6

2．常用存儲(chǔ)器（1）RAM：隨機(jī)存儲(chǔ)器,又叫讀/寫存儲(chǔ)器。它是易失性的存儲(chǔ)器，將它的電源斷開后，存儲(chǔ)的信息將會(huì)丟失。特點(diǎn)：速度快、密度高、價(jià)格低、功耗低、價(jià)格便宜、改寫便利。為了在關(guān)斷可編程限制器外部電源后，保存RAM中的用戶程序和某些數(shù)據(jù)，為RAM配備了一個(gè)鋰電池，用鋰電池供電（鋰電池壽命一般為2～10年（空載）帶載：2～5年）。（2）ROM：只讀存儲(chǔ)器，內(nèi)容只能讀出，不能寫入。它是非易失性的，它的電源消逝后，仍能保存儲(chǔ)存的內(nèi)容。通常用于存放可編程限制器的系統(tǒng)程序。7

（3）EPROM：紫外線可擦除的只讀存儲(chǔ)器。非易失性的，用戶程序調(diào)試好后，可用廠家供應(yīng)的EPROM寫入器或編程器將它寫入（固化）EPROM，以防止偶然緣由遭到敗壞。用紫外線照射芯片上的透鏡窗口，可以擦除已寫入的內(nèi)容，再重新寫入新內(nèi)容?，F(xiàn)已很少運(yùn)用EPROM。（4）EEPROM（或?qū)懗蒃2PROM）：電擦除的只讀存儲(chǔ)器。它是非易失性的，但是可以用編程器對(duì)它進(jìn)行編程，兼有ROM的非易失性和RAM的隨機(jī)存取的優(yōu)點(diǎn)，但是它比RAM和EPROM的價(jià)格高一些，寫入信息所需的時(shí)間比RAM長(zhǎng)?？梢杂秒姴脸褜懭氲膬?nèi)容，再重新寫入新內(nèi)容。8三、輸入輸出模塊（I/O單元）輸入模塊作用：用來接收和采集輸入信號(hào)。輸入信號(hào)有兩類：一類是開關(guān)量輸入信號(hào)，如按鈕開關(guān)、行程開關(guān)、數(shù)字撥碼開關(guān)、接近開關(guān)、光電開關(guān)、壓力繼電器等。另一類是模擬量輸入信號(hào)，如電位器、熱電、測(cè)速電機(jī)、各種變送器送來的連續(xù)變更的模擬量輸入信號(hào)。9輸出模塊的作用：是接收中心處理器處理過的數(shù)字信號(hào)，并把它轉(zhuǎn)換成現(xiàn)場(chǎng)的執(zhí)行部件能接收的信號(hào)，用來限制接觸器、電磁閥、調(diào)整閥、調(diào)速裝置等，限制的另一類負(fù)載是指示燈、數(shù)字顯示器和報(bào)警裝置等。提高抗干擾實(shí)力：一般的輸入/輸出單元都有光電隔離裝置。在數(shù)字量I/O模塊中廣泛接受由發(fā)光二極管和光電三極管組成的光電耦合器，在模擬量I/O模塊中通常接受隔離放大器。10（1）開關(guān)量I/O模塊的外部接線方式開關(guān)量I/O模塊的外部接線方式有匯點(diǎn)式、分組式和分隔式

留意：開關(guān)量I/O模塊的點(diǎn)數(shù)一般是2的n次方，如4、8、16點(diǎn)11（2）輸入接口電路

PLC的輸入電路有：直流輸入、交直流輸入。1213（3）輸出接口電路繼電器輸出、晶體管輸出、晶閘管輸出

輸出電流典型值為0.5~2A，負(fù)載電源由外部現(xiàn)場(chǎng)供應(yīng)。14繼電器輸出特點(diǎn)：有觸點(diǎn)式輸出，帶載實(shí)力強(qiáng)，但相應(yīng)速度慢。15晶閘管輸出特點(diǎn)：無觸點(diǎn)輸出，響應(yīng)速度快。只能帶溝通負(fù)載。16（3）晶體管輸出特點(diǎn)：無觸點(diǎn)輸出，相應(yīng)速度快，只能帶直流負(fù)載174．特殊功能模塊（1）模擬量輸入輸出模塊；輸出信號(hào)可以是電壓或電流；可以是單極性的如0~5V、0~10V、1~5V、4~20mA，也可以是雙極性的如±5V、±10V和±20mA，模塊一般可輸入多種量程的電流或電壓184．特殊功能模塊（2）高速計(jì)數(shù)模塊；把過程限制變量（如位置信號(hào)、速度值、流量值累計(jì)等）的方波信號(hào)送入可編程限制器。這些參量的變更速度很快，運(yùn)用獨(dú)立計(jì)數(shù)的高速計(jì)數(shù)器對(duì)這些參量進(jìn)行計(jì)數(shù)。高速計(jì)數(shù)模塊可對(duì)幾十KHZ甚至上MHZ的脈沖計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)器的當(dāng)前值等于或大于預(yù)置值時(shí)，輸出被驅(qū)動(dòng)。194．特殊功能模塊（3）PID過程限制模塊；實(shí)現(xiàn)對(duì)連續(xù)變更的模擬量閉環(huán)限制的智能模塊，可將PID模塊看作一個(gè)過程調(diào)整器。在PID模塊上有輸入/輸出接口和進(jìn)行閉環(huán)限制運(yùn)算的CPU，模塊一般可以限制多個(gè)閉環(huán)。204．特殊功能模塊（4）運(yùn)動(dòng)限制模塊：常用于數(shù)控技術(shù)方面；運(yùn)動(dòng)限制模塊通過輸出脈沖限制位置移動(dòng)量和移動(dòng)速度，可分為單坐標(biāo)限制和雙坐標(biāo)限制，雙坐標(biāo)限制可實(shí)現(xiàn)兩坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)，這事實(shí)上是通過可編程限制器運(yùn)動(dòng)限制模塊實(shí)現(xiàn)的數(shù)控技術(shù)。214．特殊功能模塊（5）中斷輸入模塊與快速響應(yīng)模塊：用于快速響應(yīng)的限制系統(tǒng)；中斷過程：接收到中斷輸入信號(hào)后，暫停正在運(yùn)行的主程序，轉(zhuǎn)而執(zhí)行中斷程序，執(zhí)行完后返回接著執(zhí)行主程序。224．特殊功能模塊（5）通信模塊；網(wǎng)絡(luò)接口，通過通信數(shù)據(jù)模塊總線和可編程限制器的主機(jī)連接，用硬件和軟件一起來實(shí)現(xiàn)通信協(xié)議。可編程限制器的通信模塊一般配有多種接口，可以通過通信模塊上的選擇開關(guān)進(jìn)行接口選擇，實(shí)現(xiàn)與別的可編程限制器、智能限制設(shè)備或計(jì)算機(jī)之間的通信。23四、電源單元

PLC的供電電源是一般的市電，開關(guān)電源供電，允許電源電壓在額定值的+10%～-15%的范圍內(nèi)波動(dòng)，內(nèi)部有一個(gè)穩(wěn)壓電源。也有用直流24V供電的。另外PLC還有24VDC輸出，用于對(duì)外部傳感器供電。

24五．外部設(shè)備接口接口是PLC實(shí)現(xiàn)人-機(jī)對(duì)話、機(jī)-機(jī)對(duì)話的通道。通過它，彩色圖形顯示器、打印機(jī)、I/O擴(kuò)展單元、上位機(jī)等相連接。接口：RS—232C、RS—422A、RS—485串行通信接口。該接口的功能是串行/并行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換、通信格式的識(shí)別、數(shù)據(jù)傳輸?shù)某鲥e(cuò)校驗(yàn)、信號(hào)電平的轉(zhuǎn)換等25六．輸入輸出擴(kuò)展單元當(dāng)所需的輸入輸出點(diǎn)數(shù)或類型超出主機(jī)輸入輸出單元所允許的點(diǎn)數(shù)或類型時(shí)——通過加接輸入輸出擴(kuò)展單元來解決。簡(jiǎn)潔型和智能型——簡(jiǎn)潔型不帶中心處理單元，智能型帶中心處理單元26七、編程器（1）輸入程序；（2）檢查程序；（3）修改程序；（4）監(jiān)視PLC的工作狀態(tài)。另外還有:(1)外部設(shè)備接口，用于與編程器、顯示器、打印機(jī)等外部設(shè)備連接。

(2)輸入、輸出擴(kuò)展單元。272.1.2PLC軟件系統(tǒng)：

系統(tǒng)程序——由PLC廠家供應(yīng)，固化在EPROM中。系統(tǒng)程序可分為管理程序、編譯程序、標(biāo)準(zhǔn)程序模塊和系統(tǒng)調(diào)用三部分。282.1.2PLC軟件系統(tǒng)：

用戶程序——用戶依據(jù)須要，用PLC的程序語言編寫的限制程序。。29§3-2可編程限制器的等效電路接線程序限制——將繼電器、接觸器、電子元件等若干分立器件用導(dǎo)線連接在一起，形成滿足限制對(duì)象動(dòng)作要求的限制“程序”存儲(chǔ)程序限制——將限制邏輯以程序語言的形式存放在存儲(chǔ)器中．通過執(zhí)行存儲(chǔ)器中的程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的限制要求?？删幊滔拗破鳌且环N存儲(chǔ)程序限制器30§3-2可編程限制器的等效電路31一、可編程限制器的等效電路可編程序限制器構(gòu)成的存儲(chǔ)程序限制系統(tǒng)，由如下三部分組成32

輸入回路由外部輸入電路、PLC輸入接線端子和輸入繼電器組成。

（1）輸入回路（2）內(nèi)部限制電路內(nèi)部限制電路是由用戶程序形成的用“軟繼電器”來代替硬繼電器的限制邏輯。（3）輸出回路

輸出回路是由PLC內(nèi)部的輸出繼電器的接點(diǎn)、輸出接線端子和外部驅(qū)動(dòng)電路組成，用來驅(qū)動(dòng)外部負(fù)載。33PLC工作過程3.3、PLC工作原理（1）PLC接受循環(huán)掃描的工作方式；（2）PLC有兩種工作狀態(tài)，運(yùn)行（RUN）和停止（STOP）。在STOP狀態(tài)，只執(zhí)行1、2；在RUN狀態(tài)，1、2、3、4、5，五個(gè)過程。3435１．內(nèi)部處理階段2．通信操作（1）與另外PLC交換數(shù)據(jù)；（2）響應(yīng)編程器輸入的吩咐，更新編程器的顯示。（1）自檢：檢查CPU模塊內(nèi)部硬件是否正常；（2）喂狗：將監(jiān)控定時(shí)器復(fù)位。3．輸入處理（1）依次讀入全部輸入端子的通斷狀態(tài)；（2）將讀入的信息存入對(duì)應(yīng)的映象寄存器中。364．程序執(zhí)行PLC依據(jù)掃描原則，按先左后右，先上后下的步序，逐句掃描，逐句執(zhí)行。具體工作：將輸入映像寄存器或其它映像寄存器的狀態(tài)（0/1）讀出，進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)算，并將運(yùn)算結(jié)果存入對(duì)應(yīng)的映像寄存器中。5．輸出處理（1）將輸出映象寄存器Y的狀態(tài)輸出到輸出鎖存器中；（2）通過隔離電路、驅(qū)動(dòng)功率放大電路，輸出限制信號(hào)。37ＰＬＣ工作原理38391、PLC的工作方式循環(huán)掃描2、PLC的工作過程四個(gè)階段周期性掃描、集中批處理公共掃描輸入采樣用戶程序輸出刷新40PLC工作方式的特點(diǎn)：

集中采樣、集中輸出、循環(huán)掃描。（1）集中采樣：對(duì)輸入階段的掃描只在輸入采樣階段進(jìn)行。即在其它階段輸入映像寄存器中的內(nèi)容不會(huì)變更，直到下一個(gè)掃描周期的采樣階段才能讀入新的內(nèi)容；（2）集中輸出：將輸出映像寄存器的內(nèi)容集中送給輸出端口。在其它階段端口狀態(tài)不變。（3）循環(huán)掃描：周而復(fù)始，不停地循環(huán)。41（1）掃描工作方式的優(yōu)點(diǎn)：

提高了系統(tǒng)的抗干擾實(shí)力。集中采樣、集中輸出的循環(huán)掃描方式使PLC在工作的大部分時(shí)間與外界隔離，從根本上提高了抗干擾實(shí)力，提高了牢靠性。（2）掃描工作方式的缺點(diǎn)：響應(yīng)滯后，降低了系統(tǒng)速度。42LPC接受掃描工作方式，輸入/輸出信號(hào)存在著原理上的滯后；電氣限制：KM1、KM2同步；PLC限制Y1、Y2不同步4344解決方法（1）變更信息刷新方式I/O馬上刷新、I/O干脆刷新方式（2）接受中斷技術(shù)（3）調(diào)整輸入濾波器456．掃描周期的計(jì)算掃描周期（時(shí)間）=接點(diǎn)掃描時(shí)間（T1）+程序執(zhí)行時(shí)間（T2）+自診斷時(shí)間（T3）+通信時(shí)間（T4）46舉例例3-1：三菱公司FX2—40MR，配置開關(guān)量輸入24點(diǎn)，開關(guān)量輸以16點(diǎn)，用戶程序?yàn)?000步，不包含特殊功能指令，PLC運(yùn)行時(shí)不連接上位計(jì)算機(jī)等外設(shè)。I/O的掃描速度為0．03ms／8點(diǎn)，用戶程序的執(zhí)行速度為0．74μs/步，自診斷所需的時(shí)間為0．96ms，試計(jì)算一個(gè)掃描周期所須要的時(shí)間為多少?47解：掃描40點(diǎn)I／O所須要的時(shí)間為：T1＝O．03ms／8點(diǎn)×40點(diǎn)=0．15ms1000步程序所須要的時(shí)間為：T2＝0.74μs/步×1000步＝0.74ms自診斷所須要的時(shí)間為：T3＝０.96ms因PLC運(yùn)行時(shí)，不與外設(shè)通信，所以通信時(shí)間為:T4=0這樣一個(gè)掃描周期T為：T＝T1+T2+T3+T4=0.15ms十0.74ms十0.96ms＝1.85ms48當(dāng)Fx2系列PLC投入運(yùn)行后，CPU將最大掃描周期、最小掃描周期和當(dāng)前掃描周期的值分別存入D8012、D8011、D80l0三個(gè)特殊數(shù)據(jù)寄存器中(計(jì)時(shí)單位：1ms)，還供應(yīng)一種以恒定的掃描周期掃描用戶程序的運(yùn)行方式。用戶可將通過計(jì)算或?qū)嶋H測(cè)定的最大掃描周期再留一些余量，作為恒定掃描周期的值存放在特殊數(shù)據(jù)寄存器D8039中(計(jì)時(shí)單位：1ms)；當(dāng)特殊協(xié)助繼電器M8039線圈被接通時(shí)，PLC依據(jù)D8039中存放的數(shù)據(jù)以恒定周期掃描用戶程序。49§3-3可編程限制器的編程語言一、可編程限制器的性能指標(biāo)1.輸入、輸出接點(diǎn)數(shù)(1)三菱FX2N系列輸入/輸出為3:2；(2)OMRON系列的輸入/輸出為1:1。

2、掃描速度(1)執(zhí)行1000步所須要的時(shí)間，毫秒/千步；(2)執(zhí)行1步所須要的時(shí)間，單位：微秒/步。50§3-3可編程限制器的編程語言3.存儲(chǔ)器容量指用戶存儲(chǔ)器容量，通常用“字”、“步”描述；三菱FX2N系列的容量為8K步（可擴(kuò)展到16K步）；OMRON公司的CPM1A系列的容量為2048字。

注：1步=4byte

51（一）梯形圖編程語言（LAD）梯形圖

二、可編程限制器的編程語言52梯形圖與繼電器電氣限制圖的區(qū)分電氣限制圖中的繼電器、定時(shí)器、計(jì)數(shù)器是物理器件；而梯形圖的繼電器、定時(shí)器、計(jì)數(shù)器是非物理器件，又稱軟器件。電氣限制圖中母線中有電流通過；梯形圖中的左右母線不接電源，其中的電流為虛電流（即假想電流）梯形圖最右邊必需為輸出元件；電氣限制圖無此要求。梯形圖中的每個(gè)編程元件用字母加數(shù)字串表示，不同的元件用不同的字母表示，例如：輸入元件為：X；輸出元件為Y等。梯形圖格式及特點(diǎn)（1）左右母線，多層梯級(jí)，起始于左母線，通過繼電器線圈終止于右母線。有些省略右母線。53（2）假想“能流”自左向右流淌。（3）繼電器線圈一般狀況下只能出現(xiàn)一次。繼電器常開觸點(diǎn)、常閉觸點(diǎn)則可被無限次運(yùn)用。梯形圖格式及特點(diǎn)（4）執(zhí)行從上到下、從左到右的依次進(jìn)行的梯形圖中每一梯級(jí)的運(yùn)算結(jié)果，可馬上被其后的梯級(jí)所利用。54（5）梯形圖中只出現(xiàn)輸入繼電器的觸點(diǎn)，而不出現(xiàn)輸入繼電器的線圈。梯形圖格式及特點(diǎn)（8）動(dòng)作依次繼電器限制電路中——接通電源，整個(gè)電路中繼電器常閉觸點(diǎn)同時(shí)閉合，常開觸點(diǎn)同時(shí)斷開。繼電器動(dòng)作的依次與它在電路圖上的位置和依次