PLC的基本结构和工作原理

教学课题：可编程控制器的基本结构和工作原理

教学目的：

1. 熟悉PLC的结构组成、内部等效电路；
2. 理解掌握PLC的工作方式和工作过程

教学重点：PLC可编程序控制器的组成和工作过程

教学难点：PLC可编程序控制器的工作过程

教学方法：讲授

教学时间：2课时

教学过程及内容：

{导入}

要实现PLC的控制需要：

输入设备、输出设备、PLC硬件和软件（控制程序）。

• PLC的基本组成

可编程控制器的结构多种多样，但其组成的一般原理基本相同，都是以微处理器为核心的结构，其功能的实现不仅基于硬件的作用，更要靠软件的支持，实际上可编程控制器就是一种新型的工业控制计算机。

1. PLC的硬件结构

主机

微处理器（CPU）——控制器的核心

存储器(RAM、ROM）

输入、输出部件 （I/O部件）——连接现场设备与CPU之间的接口电路

电源部件——为PLC内部电路提供能源

整体结构的PLC——四部分装在同一机壳内

模块式结构的PLC——各部件独立封装，称为模块，通过机架和总线连接而成

I/O的能力可按用户的需要进行扩展和组合（扩展机）

另外，还必须有编程器——将用户程序写进规定的存储器内

1. 中央控制处理单元(CPU)

可编程控制器中常用的CPU主要采用通用微处理器、单片机和双极型位片式微处理器三种类型。

通用微处理器有8080、8086、80286、80386等；单片机有8031、8096等；位片式微处理器的AM2900、AM2903等。FX2可编程控制器使用的微处理器是16位的8096单片机。

1. 存储器

可编程控制器配有两种存储器：系统存储器和用户存储器。

系统存储器：存放系统管理程序，用只读存储器实现。

用户存储器：存放用户编制的控制程序，一般用RAM实现或固化到只读存储器中。

1. 输入输出接口

作用：连接用户输入输出设备和PLC控制器，将各输入信号转换成PLC标准电平供PLC处理，再将处理好的输出信号转换成用户设备所要求的信号驱动外部负载。

对输入输出接口的要求：良好的抗干扰能力；对各类输入输出信号（开关量、模拟量、直流量、交流量）的匹配能力。

PLC输入输出接口的类型：模拟量输入输出接口、开关量输入输出接口（直流、交流及交直流）。用户应根据输入输出信号的类型选择合适的输入输出接口。

• 开关量输入接口电路

各种输入接口均采取了抗干扰措施。如带有光耦合器隔离使PLC与外部输入信号进行隔离；并设有RC滤波器，用以消除输入触点的抖动和外部噪声干扰。

通常有三种类型：直流(12∽24)V输入、交流(100∽120)V输入与交流(200∽240)V输入和交直流(12∽24)V输入。直流输入模块的电源一般由机内24v电源提供，输入信号接通时输入电流一般小于10mA；交流输入模块的电源一般由用户提供。

②开关量输出接口电路

有三种形式，即继电器输出、晶体管输出和晶闸管输出。开关量输出端的负载电源一般由用户提供，输出电流一般不超过2A。

开关量输出端的负载电源一般由用户提供，输出电流一般不超过2A。

输出端子的两种接法：

• 隔离式

输出各自独立，无公共点：各输出端子各自形成独立回路。

• 汇点式

全部输入点（输出点）共用一个公共点。或者将输入点（输出点）分成几组，组内各点共用一个公共点。各组的公共点之间相互隔离。组内的各点必须使用同一电压类型和同一电压等级，各组可使用不同电压类型和等级的负载。

1. 电源

PLC的供电电源一般是市电，也有用直流24V电源供电的。

1. 外围设备：编程器、打印机、演示板等

利用编程器可将用户程序输入PLC的存储器，还可以用编程器检查程序、修改程序；利用编程器还可以监视PLC的工作状态。

1. 用户输入输出设备:

用户输入器件有控制开关和检测元件，即各种开关、按钮、传感器等；用户输出设备主要有接触器、电磁阀、指示灯等。

1. PLC的软件结构

在可编程控制器中，PLC的软件分为两大部分：

1. 系统监控程序：用于控制可编程控制器本身的运行。主要由管理程序、用户指令解释程序和标准程序模块，系统调用。
2. 用户程序：它是由可编程控制器的使用者编制的，用于控制被控装置的运行。
3. PLC的内部等效电路

以两台电机的启动为例：

• PLC的输入端：用户输入设备-------输入端子（I接口）
• PLC的输出端：PLC内部--------输出端子（O接口）--------用户输出设备
• 内部控制（梯形图）可视为由继电器、接触器等组成的等效电路
• 输入COM端是机内电源24V的负极端，输出COM端接用户负载电源。
• 工作原理

（一）基本工作模式：PLC有运行模式和停止模式。

1. 运行模式：分为内部处理、通信操作、输入处理、程序执行、输出处理五个阶段。

2.  停止模式

当处于停止工作模式时，PLC只进行内部处理和通信服务等内容。

（二）PLC工作过程：

1. 内部处理阶段：

在此阶段，PLC检查CPU模块的硬件是否正常，复位监视定时器，以及完成一些其它内部工作。

1. 通信服务阶段

在此阶段，PLC与一些智能模块通信、响应编程器键入的命令，更新编程器的显示内容等，当PLC处于停状态时，只进行内容处理和通信操作等内容。

1. 输入处理阶段

输入处理也叫输入采样。在此阶段顺序读取所有输入端子的通断状态，并将所读取的信息存到输入映象寄存器中，此时，输入映像寄存器被刷新。

1. 程序处理阶段

按先上后下，先左后右的步序，对梯形图程序进行逐句扫描并根据采样到输入映像寄存器中的结果进行逻辑运算，运算结果再存入有关映像寄存器中。但遇到程序跳转指令，则根据跳转条件是否满足来决定程序的跳转地址。

1. 输出刷新阶段

程序处理完毕后，将所有输出映象寄存器中各点的状态，转存到输出锁存器中，再通过输出端驱动外部负载。

在运行模式下，PLC按上述五个阶段进行周而复始的循环工作，称为循环扫描工作方式。

（三）PLC工作方式与特点：集中采样、集中输出、周期性循环扫描，“串行”工作方式

1．扫描周期：PLC 的工作方式是一个不断循环的顺序扫描工作方式。每一次扫描所用的时间称为扫描周期或工作周期。

PLC 运行正常时，扫描周期的长短与CPU 的运算速度有关，与I/O 点的情况有关，与用户应用程序的长短及编程情况等均有关。通常用PLC 执行1K 指令所需时间来说明其扫描速度( 一般1~10ms/K) 。

2． 输出滞后：指从PLC的外部输入信号发生变化至它所控制的外部输出信号发生变化的时间间隔。一般为几十—100ms.

引起输出滞后的因素：输入模块的滤波时间、输出模块的滞后时间、扫描方式引起的滞后。

3.  由于PLC是集中采样，在程序处理阶段即使输入发生了变化，输入映象寄存器中的内容也不会变化，要到下一周期的输入采样阶段才会改变。

4. 由于PLC是串行工作，所以PLC的运行结果与梯形图程序的顺序有关。

这与继电器控制系统“并行”工作有质的区别。避免了触点的临界竞争，减少繁琐的联锁电路。

• FX系列可编程控制器

三菱公司的PLC是最早进入中国市场的产品。小型机FX2N是近几年推出的高功能整体式小型机。

FX系列PLC具有庞大的家族。基本单元(主机)有FX₀、FX_0S、FX_ON、FX₁、FX₂、FX_2C、FX_1S、FX_2N、FX_2NC9个系列。每个系列又有14、16、32、48、64、80、128点等不同输入输出点数的机型，每个系列还有继电器输出、晶体管输出、晶闸管输出三种输出形式。

1. FX系列PLC型号的含义

FX系列可编程控制器型号命名的基本格式为：

说明：

系列序号：0,0S，0N，1,2,2C，1S，2N，2NC。

I/O总点数：14～256。

单元类型：M-----基本单元；                      E----输入输出混合扩展模块；

          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

特殊品种区别：

          D-----DC电源，DC输入；             AI---AC电源，AC输入；

          H-----大电流输出扩展模块(1A/1点)；  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。

例如：FX_2N---32MRD含义是：FX_2N系列，输入输出总点数为32点，继电器输出、DC电源，DC输入的基本单元。

1. 主要性能指标

(1)硬件指标：

硬件指标包括一般指标、输入特性和输出特性。

(2)软件指标：

软件指标包括运行方式、速度、程序容量、元件种类和数量、指令类型等。

1. FX系列PLC的一般技术指标

FX系列PLC的一般技术指标包括基本性能指标、输入技术指标及输出技术指标，如下表：

表1 FX系列PLC的基本性能指标

表2 FX系列PLC的输入技术指标

表3 FX系列PLC的输出技术指标

• 思考及作业：
  1. PLC 的硬件结构由哪几部分组成？各有什么作用？
  2. CPU模块由哪几部分组成？
  3. 开关量输入输出接口有哪几种类型？
  4. 简述PLC的扫描周期。引起PLC输出滞后响应的因素有哪些？
  5. PLC运行模式下的工作过程分为哪几个阶段？
  6. PLC的工作特点有哪些？为什么说PLC的运行结果与梯形图程序的顺序有关？
  7. FX-----4EYSAI含义是什么？