可编程控制器的组成与工作原理.docx

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可编程控制器的组成与工作原理可编程控制器的组成与工作原理可编程控制器的组成与工作原理可编程控制器的结构多种多样。

但其组成的般原理基本相向，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。

第一节可编程控制器的组成可编程控制器主要由中央处理单元（CPU）、存储器（RAM、ROM）、输入输出单元（IO）、电源和编程器等几部分组成,其结构框图如图2-1所示一、中央处理单元（C）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。

通用微处理器如080、806、8028、8385等、单片机如8031、809等、位片式微处理器（如AM200、AM20、AM2093等）。

可编程控制器的档次越高.CPU的位数也越多、运算进度也越快,功能指今越强.X2系列可编程控制器使用的微处理器是l6位的8096单片机。

二、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,用户存储器存放用户编制的控制程序.小型可编程控制器的存储器容量-般在8K字节以下。

常用的存储器有MOM和EPROM、EOM。

CMSRA是种可进行读写操作的随机存储器存放用户程序生成用户数据区，存放在RAM中的用户程序可方便地修改。

CMOSAM存储器是种高密度、低功耗、价格便宜的半导体存储器，可用锂电池作备用电源。

掉电时，可以有效地保持存储的信息.锂电他的寿命一般为（530）年,若经常带负载可维持

（2）年。

EPO、EEPM都是只读存储器。

往往用这些类型存储器固化系统管理程序和用户程序，EPROM存储器又可写成E2ROM，它是一种电可擦除可编程的只读存储器.既可按字节进行擦除。

又有可整片擦除的功能。

三、输入输出单元（IO单元）实际生产过程中的信号电平是多种多样的,外部执行机构所需的电平也是干差万别的，而可编程控制器的PU所处理的信号只能是标准电平。

正是通过输入输出单元实现了这些信号电平的转换。

O单元实际上是PC与被控对象间传递输入输出信号的接口部件。

I/单元有良好的电隔离和滤波作用。

接到L上输入接口的输人器件是各种开关、按钮、传感器等。

LC的各种输出控制器件往往是电磁阀、接触器、继电器,而继电器有交流型和直流型,高电压型和低电压型、电压型和电流型之分。

（一）输入接口电路各种PLC的输入电路大都相同,通常有三种类型:

一种是直流（122）v输入另一种是交流（10120）v、（40）输入，第三种是交直流12一24V输入。

外界输入器件可以是无源触点或者有源传感器的集电极开路的晶体管，这些外部输入器件是通道PLC输人端子与PLC相连的。

LC输人电路中有光耦合器隔离。

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当输入开关闭合时,一次电路中流过电流,输入指示灯亮光耦合器被激励三极管从截止状态变为饱和导通状态,这是一个数据输入过程.图2是一个直流输入端内部接线图。

（二）输出接口电路L的输出有三种形式：

继电器输出、晶体管输出、晶闸管输比.图2-3给出了PLC的输出电路图.继电器输出型最常用。

当PLC输出时接通或断开输出电路中继电器的线圈,继电器的接点闭合或断开，通过该接点控制外部负载电路的通断。

很显然，继电路输出是利用了继电器的接点和线圈将P的内部电路与外部负载电路进行了电气隔离。

晶体管输出型是通过LC光耦合使晶体管截止或饱和以控制外部负载电路、并同时对PL内部电路和输出晶体管电路进行了电气隔离。

第三种是双向晶闸管输出型,采用了光触发型双向晶闸管.三种输出形式以继电器型响应最慢。

输出电路的负载电源由外部提供。

负载电流一般不超过.实际应用中,输出电流额定值与负载性质有关。

例如X2型LC继电器输出的负载能力电源电压在250vAC以下时，对电阻负载为2A/点；对感性负载为80*;对灯负载为100W。

通常，LC的制造厂商为用户提供多种用途的I/O单元.从数据类型上看有开关量和模拟量;从电压等级上看有直流和交流;从速度上看有低速和高速,从点数上看有多种类型；从距离上看可分为本地I/O和远程I/O。

远程I/O单元通过电缆与P单元连接、可放在距CPU单元数百米远的地力。

四、电源单元LC的供电电源是一般市电、也有用直流24供电的。

PC对电源稳定度要求不高，一般允许电源电压额定值在+1%15的范围内波动。

PC内有一个稳压电源用于对PC的CPU单元和I/单元供电.小型PLC电源往往和P单元合为体，中大型PLC都有专门电源单元，有些PLC电源部分还有以24vD输出,用于对外部传感器供电,但电流往往是毫安级。

五、编程器编程器是PLC的最重要外围设备，利用编程器将用户程序送入LC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C的工作状态。

编程器般分简易型编程器和智能型编程器，小型PL常用简易型编程器.大中型PLC多用智能型C编程器，除此以外，在个人计算机上添加适当的硬件接口和软件包。

即可用个人计算机为PL编程利用微机作为编程器,可以直接编制并显示梯形图。

第二节可编程控制器的编程语言PLC是一种工业控制计算机。

不光有硬件,软件也必不可少,一提到软件就必然和编程语言相联系。

不同厂家、甚至不同型号的LC的编程语言只能适应自己的产品。

目前C常用的编程语言有四种，梯形图编程语言、指令语句表编程语言、功能图编程语音、高级编程功能语言。

梯形图编程语形象直观，类似电气控制系统中继电器控制电路图,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，但有键入方便的优点;功能图编程语言和高级编程语言需要比较多的硬件设备。

一、梯形图编程语言该语言习惯上叫梯形图.梯形图沿袭了继电器控制电路的形式,也可以说，梯形图编程语言是在电气控制系统中常用的继电器.接触器逻辑控制基础下简化了符号演变而来的。

形象、直观、实用,电气技术人员容易接受,是目前用得最多的一种L编程语言。

继电器接触器电气控制电路图和PLC梯形图示于图2-4中，由图可见两种控制电路图逻辑含义是样的,但具体表达方法却有本质区别.PLC梯形图中的继电器、定时器、计数器不是物理继电器、物理定时器、物理计数器,这些器件实际上是存储器中的存储器，因此称为软器件。

相应位为“1”状态，表示继电器线圈通电或常开接点闭合或常闭接点断开。

PL的梯形图是形象化的编程语言，梯形图左右两端的母线是不接任何电源的。

梯形图中并没有真实的物理电流流动.而仅仅是概念电流虚电流或称为假想电流。

把P梯形图左边路线假想为电源相线而把右边母线假想为电源地线:

假想电流只能从左向右流动层次改变只能先上后下.假想电流是执行用户程序时满足输出执行条件的形象理解。

LC梯形图中每个网络由多个梯级组成。

每个梯级输出一个或多个支路组成.并出个输出入件构成，但右边的元件必须是输出元件。

例如图24b中梯形图由两个梯级组成，梯级1）中有4个编程元件（X、X2、Y和Y）,最右边的1是输出元件。

梯形图中每个编程元件应按一定的规则加标字母数字串,不同编程元件常用不同的字母符号和-定的数字串来表示，不同厂家的PC使用的符号和数字串往往是不一样的.二、指令语句表编程语言这种编程语言是一种与计算机汇编语言相类似的助汇符编程方式,用一系列操作指令组成的语句表将控制流程描述出来,并通过编程器送到LC中去。

需要指出的是，不同厂家的PL指令语句表使用的助记符并不相同.因此,一个相同功能的梯形图。

书写的语句表并不相同.表2是三菱电机公司F型PL指令语句完成图24b功能编写的程序.指令语句表是由若干条语句组成的程序。

语句是程序的最小独立单元。

每个操作功能由条或几条语句来执行.PC的语句表达形式与微机的语句表达式相类似.也是由操作码和操作数两部分组成。

操作码用助记符表不（如L1表示取、OR表示或等），用来执行要执行的功能,告诉PLC该进行什么操作,例如逻辑运算的与、或、非;算术运算的加、减、乘、除；时间或条件控制中的计时、计数、移位等功能。

操作数一般由标识符和参数组成。

标识符表示操作数的类别,例如表明是输入继电器、输出继电器、定时器、计数器、数据寄存器等。

参数表明操作数的地址或一个预先设定值.三、功能图编程语言这是一种较新的编程方法。

它是用像控制系统流程图一样的功能图表达一个控制过程，目前国际电工协会（IEC）正在实施发展这种新式的编程标准。

不同厂家的LC对这种编程语言所用的符号和名称也不一样。

三菱PL叫功能图编程语言,而西门子L叫控制系统流程图编程语言。

图25是一个先”与”后“或操作的功能图编程语言图。

四、高级语言编程近几年推出的PLC,尤其是大型PC，已开始用高级语言进行编程,有的PL采用类似PASCAL语言的专用语言，系统软件具有这种专用语言的自动编译程序采用高级语言编程后，用户可以象使用普通微型计算机一样操作PL除了完成逻辑功能外，还可以进行PI调节、数据采集和处理以及与上位机通信等第三节可编程控制器的工作原理一、P的编程器件概述PC内部有多具有不同功能的插件，实际上这些器件是由电子电路和存储器组成的。

例如输入继电器X是由输人电路和映象输入接点的存储器组成;输出继电器Y是由输出电路和映象输出接点的存储器组成；定时器T,计数器C、辅助继电器M、状态器、数据寄存器D、变址寄存器/Z等都是由存储器组成的。

为了把它们与通常的硬器件区分开，我们通常把上面的器件称为软器件,是等效概念抽象模拟的器件。

并非实际的物理器件从工作过程看,我们只注重器件的功能按器件的功能给名称,例如输入继电器x、输出继电器Y等、而且每个器件都有确定的地址编号这对编程十分重要；需要特别指出的是,不同厂家、甚至同厂家的不同型号的LC编程器件的数量和种类都不一样，下面我们以FX小型LC为蓝本,介绍编程器件。

二、FX2系列C编程器件

（一）输入继电器（0一X177输入继电器与PC的输入端相连、是PLC接收外部开关信号的接口。

与输人端子连接的输入继电器是光电隔离的电子继电器,其线圈、常开接点、常间接点与传统硬继电器表示方法一样,如图2-左边所示.这里常开接点、常闭接点的使用次数不限，这些接点在PLC内可以自由使用，F2型PLC输入继电器采用八进制地址编号,X0X17最多可达128点。

输入继电器必须有外部信号来驱动.不能用程序驱动。

（二）输出继电器Y0Y17输出继电器的外部输出接点连接到PC的输出端子上,输出继电器是是用来传送信号到外部负载的元件，如图2-右边所示。

每一个输出继电器有一个外部输出的常开接点.而内部的软接点，不管是常开还是常闭都可以无限次的自由使用.输出继电器的地址编号也是八进制。

YY177,最多可达12点.

（二）辅助继电器MPC内部有很多辅助继电器,它的常开常闭接点在C内部编程时可以无限次的自由使用但是这些接点不能直接驱动外部负载外部负载必须由输出继电器的外部接点来驱动。

在逻辑运算中经常需要些利用继电器作为辅助运算用，这些器件持往用作状态暂存、移位等运算。

另外，辅助继电器还具有一些特殊功能。

下面是几种常见的辅助继电器。

1.通用辅助继电器M0-9通用辅助继电器按十进制地址编号M0M499共的00点（在X型PLC中除输入输出继电器外，其它所有器件都是十进制编号）。

2.断电保持辅助继电器M500M3（524点）LC在运行中若发生停电.输出继电器相通用辅助继电器全部成为断开状态。

上电后,除了PL运行时被外部输入信号接通的以外,其它仍断开。

不少控制系统要求保持断电瞬间状态。

断电保持辅助继电器就是用于此场合,断电保持是由PLC内装锂电池支持的.3特殊辅助继电器8008255（256点）PLC内有6个特殊辅助继电器,这些特殊辅助继电器各自具有特定的功能下面两大类：

1.只能利用其接点的持殊辅助继电器.线圈由PL自动驱动，用户只可以利用其接口。

例如:

M8000为运行监控用P运行时M000接通.M002为仅在运行开始瞬间接通的初始脉冲特殊辅助继电器.M812为产生100时钟脉冲的特殊辅助继电器。

2.可驱动线圈型特殊辅助继电器，用户激励线圈后，LC作特定动，例如：

M8030为锂电池电压指示灯特殊辅助继电器,当锂电池电压跌落时,灯亮,提醒PC维修人员,需要赶快调换锂电池了.M8033为PL停止时输出保持特殊辅助继电器。

83为禁止全部输出特殊辅助继电器.为定时扫描特殊辅助继电器。

需要说明的是未定义的特殊辅助继电器不可在用户程序中使用。

辅助继电器的常开常闭接点在L内部可无限次的自由使用。

（四）状态器S状态器是构成状态转移图的重要软器件它与后述的步进顺控指令配合使用.通常状态器软器件有下面五种类型:

1.初始状态器SS9共0点。

2.回零状态器S9共1点。

3。

通用状态器04共48点.4。

保持状态器00S9共点。

5。

报警用状态器S099共00点。

这1个状态器器件可用作外部故障诊断输出。

状态器的常开和常闭接点在C内可以自由使用，且使用次数不限。

不用步进顺控指令时,状态器S可以作为辅助继电器M在程序中使用。

（五）定时器0T255定时器在LC中的作用相当于一个时间继电器，它有一个设定值寄存器（-个字长）,一个当前值寄存器（-个字长）以及无限个接点（一个位）。

对于每-个定时器,这三个量使用同地址编号名称但使用场合不一样,其所指也不样.通常在一个PC中有几十至数百个定时器T。

1。

定时器的动作及地址编号在PLC内定时器是根据时钟脉冲累积计时的.时钟脉冲有1ms,、0ms、lm三档当所计时间到达设定位时,输出接点动作.定时器可以用用户程序存储器内的常数K作为设定值，也可以用后述的数据台存器D的内存作为设定值。

这里使用的数据寄存器应有断电功能。

定时器的地址编号、设定值是这样规定的:

（1）常规定时器02510ms定时器T一T199共200点,每个设定值范围为0.1376.7；1ms定时器T20T25共46点,每个设定值范围（0.0127。

6）s。

图27是定时器的工作原理图。

当驱动输入0接通时，地址编号为00的当前值计数器对0ms时钟脉冲进行累积计数,当该值与没定值相等时,定时器的输出接点就接通,即输出接点是在驱动线圈后的130011.2s时动作。

驱动输入x0断开或发生断电时,计数器就复位、输出接点也复位.

（2）积算定时器T6一T251m积算定时器T246一T24共4点.每点设定值范围为（。

001一32.767）s；10s积算定时器250一T25共6点.每点设定值范围（。

13276.）s.图2.8是积算定时器工作原理图。

当定时器线圈25的驱动输入X1接通时，T25的当前值计数器开始累积10ms的时钟脉冲的个数当该值与设定值K34对相等时，定时器的输出接点接通。

当计数中间驱动输入Xl断开或停电时、当前值可保持。

输入X1再接通或复电时计数继续进行,当累积时间为（0145）s3。

5s时.输出接点动作。

当复位输入2接通时,计数器就复位，接点也复位。

接点的动作时序接点动作次序如图9所示、定时器在其线圈被驱动后开始计时,到达设定值后，在执行第个线圈指令时、其输出接点动作。

从驱动定时器线圈到其接点动作称为定时器接点动作精度时间t，+T0。

式中,为定时器设定时间单位为;T0为扫描周期。

单位为s；a为定时器的时钟周期,s、0ms、l0s的定时器对应为0.001,0.1，0。

单位为s。

如果编程时定时器接点指令写在线圈指令之前。

在最坏的情况下,定时器输出接点动作误差为+2T.当定时器的设走值为零时。

在下一扫描周期执行线圈指令时输出接点动作。

另外,1m定时器在执行线圈指今后，以中断方式对ms时钟脉冲计数。

（六）计数器C021.内部信号计数器内部信号计数器是在执行扫描操作时对内部器件（如、Y、M、T、C）的信号进行计数的计数器,其接通时间和断开时间应比PL的扫描周期稍长

（1）6位递加计数器，设定值为52767.其中,0-C9共10点是通用型,C10一19共100点是断电保持型图210表示了递加计数器的动作过程.图20a是梯形图,图0b是时序表。

X1是计数输人,每当11接通一次,计数器当前值加。

当计数器的当前为l0时（也就是说计数输入达到第1次时）、计数器C0的输出接点接通。

之后即使输人11再接通,计数器的当前值也保持不变，当复位输入10接通时,执行RS复位指令，计数器当前值复位为,输出接点也断开计数器的设定值除了可由常数K设定外,还可间接通过指定数据寄存器来设定。

（2）32位双向计数器设定值为21147868-+214748347，共中C00一C1共0点是通用型,C0一234共1点是断电保持型计数器。

2位双向计数器是递加型还是递减型计数由特殊辅助继电器M82008234设定.特殊辅助继电器接通（置1）时,为递减计数;特殊辅助继电器断开（置0）时为递加计数.与16位计数器一样.可直接用常数K或间接用数据寄存器D的内容作为设定值.间接设定时,要用器件号紧连在一起的两个数据寄存器。

图211示出了递加，递减计数器的动作原理用X作为计数输入，驱动200计数器线图进行计数操作。

当计数器的当前值由-6-（增大）时,其接点接通（置）；当计数器的当前值由一-6（减小）时,其接点断开（置0）。

当复位输入X13接通时,计数器的当前值就为0、输出接点也复位。

使用断电保持计数器,其当前值和输出接点均能保持断电时的状态。

32位计数器可当作32位数据寄存器使用,但不能用作16位指令中的操作目标器件.高速计数器高速计数器共1点,地址编号C25一C25。

但适用高速计数器输入的PLC输入端只有6点X0X。

如果这6个输入端中的一个已被某个高速计数器占用,它就不能再用于其它高速计数器（或其它用途）.也就是说,由于只有个高速计数输入端，最多只能用个高速计数器同时工作高速计数器的选择并不是任意的,它取决于所需计数器的类型及高速输入端子数器的类型如下：

1相无启动/复位端子高速计数器C5一C2；1相带启动复位端子高速计数器C241一C245；相2输入（双向）高速计数器C246一C25;2相输入（AB相型）高速计数器251一255.上面所列计数器均为32位递增递减型计数器端子的名称。

X6和X也是高速输入.但只能用作启动信号而不能用于高速计数。

不同类型的计数器可同时使用但它们的输人不能共用。

高速计数器是按中断原则运行的，因而它独立于扫描周期,选定计数器的线圈应以连续方式驱动.以表示这个计数器及其有关输入连续有效,其它高速处理不能再用其输入端子。

图2表明了高速计数器的输入。

当X20接通时,选中高速计数器3，而由表2-中对查出,23对应的计数器输入端为C,计数器输入脉冲应为X0而不是X2。

当X20断开时,线圈C5断开,同时C236接通,选中计数器C23，其计数脉冲输入端为1.持别注意。

不要用计数器输入端接点作计数器线圈的驱动接点,下面分别对类高速计数器加以说明。

（1）l相1输人无启动/复位端高速计数器C3一C24计数方式及接点动作与前述普通32位计数器相同。

递加计数器时,当计数值达到设定值时接点动作并保持；作递减计数时,到达计数值则复位相输入计数方向取决于其对应标志B（X为对应的计数器地址号）。

C235C240高速计数器各有一个计数输入端,如图213所示现以C25为例说明此类计数器的动作过程。

10接通，方向标志M23置位,计数器C递减计数;反之递加计数.当X1接通,（C5复位为,接点C235断开。

当X2接通，C23选中,从表2-可知.对应计数器C23的输入为X0，C235对X0输入的脉冲信号进行计数.

（2）1相带启动/复位高速计数器241一C24这类高速计数器的计数方式接点动作、计数方向与C一24类似。

C241C24高速计数器各有个计数输入和一个复位输入。

计数器C244和4还有-个启动输入,现以图2所示的C25为例说明此类高速计数器的动作过程.当方向标志M8245为通时,C25递减计数;245为断时C24递加计数。

当X4接通.C245高速计数器像普通2位计数器一样复位。

从表22中可知,C45还能由外部输入X3复位。

计数器C245还有外部启动输人端X7.7接通,C4开始计数;X7断开,C45停止计数。

当X1;选通25，对X2输人端的脉冲进行计数。

需要说明的是对C45设置D0，实际上是设置D0Dl，因为计数器为位。

而外部控制启动7和复位3是立即响应的,它不受程序扫描周期的影响。

（3）相2输入双向高速计数器246一C20这5个高速计数器合两个输入端,一个递加、一个递减。

有的还具有复位和启动输入。

现以C246为例,用图2-15说明它们的计数动作过程。

当Xl0接通,C6像普通2位加/减计数器样的方式复位从表22可知，对C26,X0为递加计数端,X为递减计数端.X1接通时,选中C246，使0、X输入有效。

0由OF一ON,C26加1；Xl由F一N,246减l.图是以C0为例说明带复位和启动端的1相2输入高速计数器的动作过程。

查表22可知,对C255为复位输入,X7为启动输入，因此可由外部复位，而不必用RSC250指令,要选通C250,必须接通X1,启动输人X7接通时开始计数，X7断开时停止计数递加计数输人为X，递减计数输人为X4。

而计数方向由特殊辅助继电器M决定（为计数器地址编号）。

M8为ON，表示递减计数,M8为OF时,表示递加计数（4）相输入（AB相）计数器C251C255在2相输入计数器中,最多可有两个2相32位二进制递加递减计数器,其计数的动作过程与前面所讲的普通型32位递加递减型相同,对这些计数器，只有表2中所示的输入端可用于计数。

A相和相信号决定计数器是加计数还是减计数。

当A相为ON状态时，B相输人为OFFON，为递加计数,而B相输入ON一OFF,为递减计数。

图17为以25l和C255为例的此类计数器的计数过程。

在1接通时C2对输入0（相）、1（相）的ONOFF过程计数。

选通信号X13接通时,一旦X7接通,C25立即开始计数，计数输入为X3（相）和4（B相）。

X5接通，C25复位检查对应的持殊辅助继电器M8加计数还是减计数。

（5）计数频率计数器最高计数频率受两个因素限制。

一是各个输入端的响应速度,主要是受硬件的限制,其中X0、X、X3最高频率为1kHz，而1、4、X5最高频率为kHz。

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二是全部高速计数器的处理时间，这是高速计数器计数额定受限制的主要因素。

因为高速计数器操作是采用中断方式，故计数器用的越少,则可计数频率就需高.如果某些计数器用比较低的频率计数,则其它计数器可用较高的频率计数。

（七）指针（P/I）分支指令用指针0P3,共64点。

指针P0P63作为标号,用来指定条件跳转，子程序调用等分支指令的跳转目标中断用指针I口口一I8口口共9点.中断指针的格式表示如下：

例如，001为输入X从OFF一N变化时，执行由该指针作为标号后面的中断程序,并根据IET指令返回。

例如,I6l,即为每隔l0ms就执行标号为I10后面的中断程序，并根据IE指令返回。

（八）常数（K）常数也作为器件对待,它在存储器中占有一定的空间，十进制常数用表示，如8，表示为;十六制常数用H表示,如18表示为H12。

（九）数据寄存器在进行输入输出处理、模拟量控制、位置控制时,需要许多数据寄存器存储数据和参数。

数据寄