PLC的結構組成及工作原理

硬件軟件存儲器CPUI/O口編程器電源系統程序用戶程序15.1PLC硬件結構組成PLC由三個基本部分組成：輸入部分、邏輯處理部分、輸出部分。基本結構示意圖參見圖5-1所示。圖5-1PLC的基本組成框圖輸入部分輸出部分2輸入部分：是指各類按鈕、行程開關、傳感器等接口電路，它收集并保存來自被控對象的各種開關量、模擬量信息和來自操作臺的命令信息等。邏輯處理部分：用于處理輸入部分取得的信息，按一定的邏輯關系進行運算，并把運算結果以某種形式輸出。輸出部分：是指驅動各種電磁線圈、交/直流接觸器、信號指示燈等執行元件的接口電路，它向被控對象提供動作信息。

為了使用方便，PLC還常配套有編程器等外部設備，它們可以通過總線或標準接口與PLC連接。不同廠家不同類型的PLC指令系統的指令符號、指令內容、指令條數也是不同；關于軟器件和I/O口的相應規定也不一樣。雖然PLC方方面面都有很多不同，但是這種裝置都稱為可編程序控制器，它們在基本內涵上一定同多異少。3PLC硬件系統結構組成外部設備現場用戶輸出設備微處理器（CPU）運算器控制器輸出部件輸入部件系統存儲器用戶存儲器I/O擴展接口通訊及編程接口編程設備計算機打印機等傳感器按鈕、開關現場信號電磁閥中間繼電器執行器現場用戶輸入設備擴展設備擴展單元通訊模塊功能模塊電源變換器～110V/220V市電PLC基本單元PLC系統結構示意圖4主ＣＰＵ單元(10/20/30/40/60)擴展單元（特殊功能,通訊.)數字量輸入輸出單元

:Max2模擬量輸入輸出單元

:Max2通訊單元

:Max1模擬量定時器

:Max3開關量擴展單元6點輸入(24Vdc),4點輸出(繼電器方式)模擬量輸入／輸出模擬量輸入

2通道,0-10Vdc,0-20mA,12bits(0-4,000),精度

:小于

0.5%(全程)

模擬量輸出1通道,0-10Vdc,0-20mA,12bits(0-4,000),精度

:小于0.5%(全程)模擬定時器4點(范圍

:0-200),用電位器改變

通訊RS-422,RS-232C(forModem),MODBUS(Master/Slave,RTU,ASCII形式),用戶自定義(應用參數可以和所有的設備通訊

(PLC.INV,等..))全部可擴展單元

:3擴展單元MASTERK系列PLC硬件配置5MODBUS內置通訊功能MASTER-K系列利用內置通訊口及MODBUS協議，可以實現組態軟件對PLC的遠程監控實現PLC與其他具有MODBUS協議設備間的通訊6MODEMG7LCUEB外接MODEM外接MODEM電話線KGL-WIN編程軟件G7LCUEBCNET通訊功能MASTER-K系列

利用MODEM實現KGL-WIN

軟件的遠程下載、監控外接MODEM7KGL-WIN編程軟件G7LFUEAG7LFUEAFNET通訊功能MASTER-K系列1、FNET既有計算機卡，又有PLC擴展模塊2、通過FNET協議，可以實現遠程KGL-WIN軟件程序下載、監控等通訊3、通過FNET還可實現PLC間的快捷通訊8PLC主要部件組成CPU開關量I/O接口RAM、ROM

模擬量I/O接口EPROM/E2ROM通迅接口編程器電源PLC組成的原理框圖PLC由5個主要部件組成：

①CPU②存儲器③I/O部分④編程器⑤電源9微處理器（CPU）接收并存儲用戶程序和數據；診斷電源、PLC工作狀態及編程的語法錯誤；接收輸入信號，送入數據寄存器并保存；運行時順序讀取、解釋、執行用戶程序，完成用戶程序的各種操作；將用戶程序的執行結果送至輸出端。

分別介紹PLC部件組成單元10系統存儲器——系統程序存儲器+系統數據存儲器存放系統工作程序（監控程序）；存放模塊化應用功能子程序；存放命令解釋程序；存放功能子程序的調用管理程序；存放存儲系統參數。用戶存儲器——RAM/EPROM/E2PROM存放用戶工作程序；存放工作數據。11輸入單元——帶光電隔離電路多種輔助電源類型：AC電源DC24V輸入

DC電源DC24V輸入

DC電源DC12V輸入接收開關量及數字量信號（數字量輸入單元）；接收模擬量信號（模擬量輸入單元）；接收按鈕或開關命令（數字量輸入單元）；接收傳感器輸出信號。12注意：光電耦合器的作用(1)實現現場與PLC主機的電氣隔離，以提高抗干擾性。(2)避免外部強電侵人主機而損壞主機。(3)電平變換，光電耦合器將現場各種開關信號變換成PLC主機要求的標準邏輯電平。13PLC輸入接口電路動畫演示14輸出單元——帶光電隔離器及濾波器多種輸出方式：晶體管晶閘管繼電器驅動直流負載（晶體管輸出單元）；驅動非頻繁動作的交/直流負載（繼電器輸出單元）；驅動頻繁動作的交/直流負載（晶閘管輸出單元）。15通訊及編程接口——采用RS-485或RS-422串行總線連接專用編程器；連接個人電腦（PC），實現編程及在線監控；連接工控機，實現編程及在線監控；連接網絡設備（如調制解調器），實現遠程通訊；連接打印機等計算機外設。16I/O擴展接口——采用并行通訊方式擴展I/O模塊；擴展位置控制模塊；擴展通訊模塊；擴展模擬量控制模塊。175.2PLC軟件系統組成系統監控程序

運行管理

生成用戶元件系統內部自檢管理程序

解釋程序標準程序模塊、系統調用用戶程序自動化系統控制程序數據表格軟件系統一、軟件組成18二、PLC的編程語言

PLC編程語言是多種多樣的，對于不同生產廠家、不同系列的PLC產品采用的編程語言的表達方式也不相同，但基本上可歸納兩種類型：

一是采用字符表達方式的編程語言，如語句表等；

二是采用圖形符號表達方式編程語言，如梯形圖等。1.梯形圖語言(LAD)

梯形圖語言是在傳統電器控制系統中常用的接觸器、繼電器等圖形表達符號的基礎上演變而來的。它與電器控制線路圖相似，繼承了傳統電器控制邏輯中使用的框架結構、邏輯運算方式和輸入輸出形式，具有形象、直觀、實用的特點。19

因此，這種編程語言為廣大電氣技術人員所熟知，是應用最廣泛的PLC的編程語言，是PLC的第一編程語言。如圖5-8所示是PLC梯形圖。

從圖中可看出，與傳統電器控制圖表示思想是一致的，具體表達方式有一定區別。

PLC的梯形圖使用的是內部繼電器，定時／計數器等，都是由軟件來實現的，使用方便，修改靈活，是原電器控制線路硬接線無法比擬的。圖5-8PLC的梯形圖202.語句表語言（STL）

這種編程語言是一種與匯編語言類似的助記符編程表達方式。在PLC應用中，經常采用簡易編程器，而這種編程器中沒有CRT屏幕顯示，或沒有較大的液晶屏幕顯示。因此，就用一系列PLC操作命令組成的語句表將梯形圖描述出來，再通過簡易編程器輸入到PLC中。

雖然各個PLC生產廠家的語句表形式不盡相同，但基本功能相差無幾。以下是與圖5-8中梯形圖對應的語句表程序。圖5-9PLC的語句表21

助記符是用若干個容易記憶的字符來代表PLC的某種操作功能。各PLC生產廠家使用的助記符不盡相同，表5-1列出了5種PLC的常見指令符號。功能或邏輯運算OMRONC系列三菱K系列西門子S5系列GE-1西屋起點常開觸點LDLDASTRRD常閉觸點LDNOTLDIANSTRNOTRDNOT與ANDANDUANDAND與非ANDNOTANIUNANDNOTANDNOT或OROROOROR或非ORNOTORIONORNOTORNOT輸出OUTOUT=OUTWR與括弧ANDLDANBA（

）ANDSTRANDMEM或括弧ORLDORBO（

）ORSTRORMEM主控ILCMCMCRMCSWRMCR取消主控ILCMCKMCR（E）MCRWRNOTMCR223.功能塊圖(FBD)

這是一種建立在布爾表達式之上的圖形語言。實質上是一種將邏輯表達式用類似于“與”、“或”、“非”等邏輯電路結構圖表達出來的圖形編程語言。

這種編程語言及專用編程器也只有少量PLC機型采用。例如西門子公司的S5系列PLC采用STEP編程語言，它就有功能塊圖編程法。4.順序功能表圖（SFC）

功能表圖語言是一種較新的編程方法，又稱狀態轉移圖語言。它將一個完整的控制過程分為若干階段，各階段具有不同的動作，階段間有一定的轉換條件，轉換條件滿足就實現階段轉移，上一階段動作結束，下一階段動作開始。是用功能表圖的方式來表達一個控制過程，對于順序控制系統特別適用。235.高級語言

隨著PLC技術的發展，為了增強PLC的運算、數據處理及通信等功能，以上編程語言無法很好地滿足要求。

近年來推出的PLC，尤其是大型PLC，都可用高級語言，如BASIC語言、C語言、PASCAL語言等進行編程。采用高級語言后，用戶可以像使用普通微型計算機一樣操作PLC，使PLC的各種功能得到更好的發揮。24工作方式：周期循環掃描工作方式工作過程：自診斷、輸入采樣、程序掃描、輸出刷新幾個階段。掃描周期

T=自檢時間+讀入一點時間×輸入點數+程序步數×運算速度+輸出一點時間×輸出點數。5.3PLC的基本原理及主要性能指標

一、PLC的基本原理25PLC的工作原理—建立I/O映像區輸入點總有輸入映象區的某一位與之相對應I/O映象區的大小與系統控制的規模有關PLC工作時，將采集到的輸入信號狀態存放在輸入映象區對應的位上；將運算的結果存放到輸出映象區對應的位上。PLC在執行用戶程序時所需“輸入繼電器”、“輸出繼電器”的數據取用于I/O映象區，而不直接與外部設備發生關系。26PLC工作過程定期檢查用戶程序存儲器、I/O單元的連接、I/O總線是否正常，定期復位監控定時器WDTPLC之間以及PLC與PC之間；PLC與其他帶微處理器的智能裝置通信編程器、終端設備、彩色圖形顯示器、打印機以掃描的方式按順序逐句掃描處理，運算結果存入輸出映象區對應位中掃描的方式輸入信號的狀態存入輸入映象區；結果存入輸出映象區，直至傳送到外部被控設備。清除內部繼電器區，復位定時器等，并進行自診斷，對電源、PLC內部電路、用戶程序的語法進行檢查。開機內部處理通訊服務輸入刷新程序執行輸出刷新27用戶程序的循環掃描過程

信號傳遞過程(從輸入到輸出)輸入端輸入電路輸入映像寄存器輸入刷新階段---CPU從輸入電路的輸出端讀出各路狀態，并將其寫入輸入映像寄存器；X0X1b.程序執行階段--CPU從輸入映像寄存器和元件映像寄存器中讀出各繼電器的狀態，并根據此狀態執行用戶程序，執行結果再寫入元件映像寄存器中；c.緊接著的輸出刷新階段---將輸出映像寄存器的狀態寫入輸出鎖存電路，再經輸出電路傳遞輸出端子，從而控制外接器件動作。X0Y0Y0Y1元件映像寄存器讀寫輸出鎖存器輸出電路輸出端Y0Y1讀寫28I/O滯后現象的原因

（1）輸入濾波器有時間常數

（2）輸出繼電器有機械滯后

（3）PC循環操作時，進行公共處理、I/O刷新和執行用戶程序等產生掃描周期

（4）程序語句的安排，也影響響應時間29PLC輸入輸出響應時間說明:輸入信號在第一個掃描周期的輸入采樣階段之后才出現，故在第一個掃描周期內，各映像寄存器的均為“0”狀態，使Y0、Y1、Y2輸出端的狀態為OFF（“0”）狀態Y1Y0X0Y1Y0Y2輸入信號X0Y1Y2Y0輸入采樣程序執行輸出處理出現信號第一周期輸入采樣程序執行輸出處理第二周期說明:在第二個掃描周期的輸入采樣階段，輸入繼電器X0的狀態為ON（“1”）狀態，程序執行階段，Y1、Y2依次接通，故Y1、Y2輸出端的狀態為ON（“1”）狀態。輸入采樣程序執行輸出處理第三周期說明:在第三個掃描周期的程序執行階段，由于Ｙ１的接通使Ｙ０接通，可見從外部輸入觸點接通到Ｙ０驅動的負載接通，程序執行階段，響應延遲達兩個多掃描周期．30針對掃描周期循環工作制的優缺點提兩點建議：注意：★

對于小型PLC:

I/O點數較少、用戶程序較短一般采用集中采樣、集中輸出的工作方式

對于大中型PLC:

I/O點數較多，控制功能強，用戶程序較長，為提高系統響應速度，采用定期采樣、定期輸出方式或中斷輸入、輸出方式以及采用智能I/O接口等多種方式31二、輸出模塊的主要技術指標有：

工作電壓：指輸出觸點所能承受的外部負載電壓。

最大通斷能力：指輸出觸點在一定的電壓下，能通過的最大電流。漏電流：指當輸出點斷開時(邏輯“O”)，觸點所流過的最大電流。回路數：等于公共點的個數。獨立式模塊，等于輸出點數。接通壓降OFF→ON響應時間

ON→OFF響應時間

內部功耗

同輸入模塊

32三、PLC的使用和設計步驟

一般是按控制要求，編寫好梯形圖程序，或寫出語句指令程序，用編程器（或計算機）將程序輸入下載到PLC中，接好PLC的外部輸入輸出電路，接通電源，操縱相應的按鈕或開關，PLC就會按照預定的程序使輸出點導通或關斷，控制執行部件工作。PLC的使用33

1．系統設計

通過系統設計確定被控制對象的動作及動作順序。

例如

電動機的起、保、停控制。按啟動按鈕SBl電動機起動，運轉并保持；按停車按鈕SB2電動機停止；過載時熱繼電器FR動作電動機停止。

2．I/O分配

通過I/O分配確定哪些信號是送到PLC的，并分配給相應的輸入端號，哪些信號是由PLC送到被控對象的，并分配給相應的輸出端號。此外，對用到的PLC內部的計數器、定時器等也要進行分配。PLC是通過編號來識別信號的。PLC的設計步驟34I/O點分配及PLC控制接線起動按鈕SBlP001停機按鈕SB2P002熱保護FRP003電機控制接觸器KMlP02035

例題的梯形圖和語句表程序3．梯形圖和語句表程序36

4．編輯程序

編輯程序檢查程序中每條語句是否有語法錯誤，若有則修改。這項工作在編程器上進行。

5．調試程序調試程序檢查程序是否能正確完成邏輯要求，若不合要求，可以在編程器上修改。程序設計(包括畫梯形圖、寫助記符程序、編輯、甚至調試)也可在別的工具上進行。如IBM-PLC機，只要這個計算機配有相應編程的軟件。

6．保存程序調試通過的程序，可利用寫入器固化在EPROM中或保存在磁帶上備用。37四、PLC的基本安裝與接線一）系統的安裝1．環境要求環境溫度操作：0～45℃儲存：-20～65℃濕度相對溫度35%～85%(無凝固)空氣遠離以下物質·腐蝕性氣體·溫度的突變·陽光直射·聚集的灰塵、鹽、金屬微粒·濺上水、油和其他化學物質振動16.7，X、Y、Z