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1、第二章 PLC的结构与工作原理,计算机科学与工程学院,2.1 可编程控制器的硬件系统 2.2 可编程控制器的软件及编程语言 2.3 可编程控制器的工作原理 2.4 CPM-2A系统配置 2.5 PLC中的几个基本概念 思考题与习题二,2.1 可编程控制器的硬件系统,PLC实质上是一种工业控制计算机, 只不过它比一般计算机具有更强的与工业过程相连接的接口和更直接的适应于控制要求的编程语言,故PLC与计算机的组成十分相似。从硬件结构看, 它也有中央处理器(CPU)、存储器、输入/输出(I/O)接口、电源等, 其硬件结构如图2 - 1所示。,图2 - 1 PLC的硬件结构框图,图2. 1 PLC的基
2、本组成,整体式 PLC的基本组成框图,组合式 PLC的基本组成框图, 输入并存储用户程序、显示输入内容和地址；,CPU指挥PLC完成各种预定的功能, 检查、校验用户程序，发现错误即报警；, 执行用户程序、驱动外部输出设备动作；, 诊断故障、记忆故障信息并报警。,1. CPU单元,系统程序存储器 存储系统系统程序,用户程序存储器 存储系统用户程序,工作数据存储器 存储工作数据,2. 存储器,PLC与外部设备联系的桥梁,开关量输入单元,开关量输出单元,3. 输入/输出单元,直流输入电路,光电耦合,外部开关,输入点的状态显示,输入点,公共端,交流输入电路,光电耦合,输入点的状态显示,外部开关,输入点
3、,晶体管输出电路,光电耦合,输出点的状态显示,公共端,输出点,晶闸管输出电路,光电耦合,输出点的状态显示,公共端,输出点,继电器输出电路,输出点的状态显示,继电器,机械触点,公共端,输出点,PLC由开关式稳压电源为内部电路供电,抗干扰性能好,有的PLC能向外部提供24V的直流电源,可作为输入单元连接的外部设备的电源,开关电源,输入电压范围宽,体积小,重量轻,效率高,4. 电源单元,I/O扩展端口,5. I/O扩展端口,C28P,I/O扩展端口,CPM1A的外设端口和I/O扩展端口,I/O扩展单元,A/D转换单元,I/O扩展端口可以连接的设备举例,I/O扩展端口连接扩展器的示意图,CPM1A主机
4、与I/O扩展器的连接,主机,I/O扩展器,连接电缆,6. 外设端口,外设端口,编程器是对PLC进行操作的工具,专 用 编 程 器,在装有专用编程软件的计算机上编程,简易编程器,直插式、便携式,计算机辅助编程,图形编程器,7. 编程工具,显示屏,工作方式选择开关,编程位,主机,监控位,运行位,编程器,直插式编程器,键盘,指令键,数字键,编辑键,清除键,直插式编程器,便携式编程器,键盘,显示屏,工作方式选择开关,CPM1A主机与编程器的连接,CPM1A主机与编程器的连接,计算机辅助编程,智能单元本身是一个独立的系统,CPU、系统程序、存储器、与外界相连的接口,它们有自己的：,对组合式PLC：,智能
5、单元是PLC系统的一个模块,与CPU单元通过系统总线相连接,在CPU单元的协调管理下独立地进行工作,对整体式PLC：,主机通过I/O扩展接口与智能单元连接,8. 智能单元,2.2 可编程控制器的软件及编程语言,2.2.1 PLC的软件系统,1. 系统软件,1) 系统管理程序,2) 用户指令解释程序,3) 标准程序模块和系统调用,2. 用户程序,2.2.2 PLC的编程语言,1. 梯形图编程,3. 顺序功能流程图编程,2. 指令语句表编程,顺序功能流程图编程(SFC)是一种较新的编程方法。它的作用是用功能图来表达一个顺序控制过程。,梯形图表达式是在原电器控制系统中常用的接触器、继电器梯形图基础上
6、演变而来的。它的最大优点是形象、直观和实用,为广大电气技术人员所熟知, 是PLC的主要编程语言。,指令语句表语言类似于微机中的助记符语言。它是可编程控制器最基础的编程语言。 所谓指令语句表编程, 是用一个或几个容易记忆的字符来代表可编程控制器的某种操作功能。,2.2.2 PLC的编程语言,一、 梯形图编程语言,1. 梯形图编程语言,两种梯形图的继电器符号图对照,梯形图编程语言是一种图形语言,2. 两种控制的梯形图比较,线圈,线圈,图示是用OMRON公司CPM1型机的自保持电路梯形图。这里01000的触点与启动触点00000并联。当00000接通, 01000工作后, 01000线圈可由自己的触
7、点保持。若00001通, 则01000断。,物理继电器,继电器需硬接线连接,触点个数有限,PLC继电器,继电器用程序软连接,触点个数无限,继电器的接线改变控制功能改变,PLC的用户程序改变 控制功能改变,3. 两种控制中继电器的区别,二、 语句表编程语言,用助记符表示指令的功能,多条指令语句的组合构成了语句表 程序,指令语句是PLC用户程序的基础元素,LD 00000 OR 01000 AND NOT 00001 OUT 01000,梯形图程序 语句表程序,PLC的指令语句为 操作码操作数 或 操作码标识符参数 其中, 操作码用来指定要执行的功能,告诉CPU应该进行什么操作; 操作数内包含执行
8、该操作所必需的信息,告诉CPU用什么地方的东西来执行此操作。具体指令的说明在后面的章节有详细的介绍。 表2-1是图2-2所示梯形图相对应的指令表。,2.3 可编程控制器的工作原理,2.3.1 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三部分, 即输入部分、 内部控制电路和输出部分。输入部分采集输入信号, 输出部分就是系统的执行部件。这两部分与继电器控制电路相同。 内部控制电路通过编程方法实现控制逻辑, 用软件编程代替继电器电路的功能。其等效工作电路如图5 - 4所示。 ,图 2 - 4 PLC控制系统的等效工作电路,5.3.2 扫描工作方式 这种分时操作的过程称为CPU对
9、程序的扫描。扫描是一种形象化的术语, 用作描述CPU是如何完成分配给它的各种任务的方式。,扫描从0000号存储地址所存放的第一条用户程序开始, 在无中断或跳转控制的情况下,按存储地址号递增的方向顺序逐条扫描用户程序,也就是顺序逐条执行用户程序, 直到程序结束。每扫描完一次程序就构成一个扫描周期, 然后再从头开始扫描, 并周而复始地重复。,5.3.3 PLC的工作过程 PLC的工作过程就是程序执行过程。PLC投入运行后, 便进入程序执行过程。 它分为三个阶段进行, 即输入采样(或输入处理)阶段、程序执行(或程序处理)阶段和输出刷新(或输出处理)阶段, 如图5-5所示。,图 2 - 5 PLC程序
10、执行的过程,读,读,读,写,写,执行用户程序,PLC执行用户程序的过程,2.3.4 PLC对输入/输出的处理规则 总结上面分析的程序执行过程, 可以得出PLC对输入输出的处理规则, 如图2-6所示。对应于图中的数字标号说明如下: ,图 2 - 6 PLC对输入/输出的处理规则,2.4 OMRON公司CPM2A型机的系统配置,2.4.1 CPM2A型机的系统组成 用OMRON公司CPM2A型机组成PLC控制系统, 最小配置为一台基本单元和一台编程器。在整体式PLC中, 输入、输出继电器的点数及接线端子是固定的。因此,首先应当明确哪些外部端子是可用的。 ,CPM1A系列的继电器区及数据区,内部继电
11、器区（IR）,特殊辅助继电器区（SR）,暂存继电器区（TR）,保持继电器区（HR）,辅助记忆继电器区（AR）,链接继电器区（LR）,定时器/计数器区（TC）,数据存储区（DM）, CPM1A内部器件的编号,内部器件以通道形式的编号,通道编号为2、3、4位数不等,每个通道内有16个继电器（0015）,例：某继电器的编号为01006。,则：该继电器的通道编号为010、,位编号为06。,1. 内部继电器区（IR）,IR 区 （000231）分为 两 部 分,输入/输出继电器区：000019 (可以直接对外输出）,内部辅助继电器区: 200231(不能直接对外输出),000、001 ：用于主机的输入通
12、道的编号,002009 ：I/O 扩展单元的输入通道编号,010011 ：用于主机的输出通道的编号,012019 ： I/O 扩展单元的输出通道编号,没被使用的IR通道，可作为内部辅助继电器使用。,例：30点的主机，连接三个20点的扩展器。,其I/O点编号分配：,0000000011,0100001007,0010000105,0110001103,0020000211,0120001207,0030000311,0130001307,0040000411,0140001407,2. 特殊辅助继电器区（SR）,SR区（231255）分为前、后两部分,232251 ：常以通道为单位使用,2522
13、55 用于存储工作状态、产生脉冲信号等。,232249 没作表中指定功能时，可作内辅助继电器用,250、251 只能按表中的功能使用，不能另作他用。,除25200外，252255 的状态只可利用、不可改变。,前,后,3. 暂存继电器区（TR）,4. 保持继电器区（HR）,该区继电器（HR00HR19）编号要冠以HR。,该区继电器（TR0TR7）编号要冠以TR。,用于存储梯形图中分之点之前的 ON/OFF 状态。,同一程序中，某一编号的TR继电器不可重复使用。,保持继电器具有掉电保持功能。,该区继电器可以通道或位为单位使用。,5. 辅助记忆继电器区（AR）,该区继电器（AR00AR15）编号要冠
14、以AR。,AR区继电器具有掉电保持功能,AR区继电器用于保存PLC的各种工作状态。,根据该区某些继电器的状态，可了解PLC的工作状况。,6. 链接继电器区（LR）,该区通道（LR00LR15）编号要冠以LR,CPM1A与本系列或本公司其他PLC进行1：1链接通信时，要用使用LR区进行数据链接。,不作1：1链接通信时，LR区可作内部辅助继电器用。,7. 定时器/计数器区（TR）,000127,定时器分类,普通定时器,高速定时器,计数器分类,普通计数器,可逆计数器,计数器有掉电保持功能，定时器没有此功能。,同一程序中，计数器和定时器不能使用同一编号。,8. 数据存储区（DM）,DM0000DM10
15、23,DM6144DM6655, 该区继电器只能以通道为单位使用！, 该区继电器具有掉电保持功能。,该区继电器分为三部分, 可读写区： DM0000DM0999、 DM1022DM1023,故障履历存储区： DM1000DM1021,不作该用途时，可作普通数据存储器用。, 只读存储区： DM6144DM6599, 系统设定区：DM6600DM6655,系统设定区的设定内容见表2.5。,若系统设定区的设定出错，则辅助记忆继电器的对应位为ON。,系统设定区的设定内容，可在指定时间读取。,系统设定区的设定错误，只能用初始化来处理。,系统设定区的设定内容可用编程工具写入。,所谓通道，在此处泛指信号进入
16、或流出PC的通路，以及信号在PC内部存放的地点。一般给这些通路或地点赋以编号，称为通道号。一旦一台PC上的通道号规定下来，用户就必须遵守其编号规则，这样PC才能正确识别信息，进行工作。事实上，PC真正能识别的是通道号，PC真正操作的是每个通道的数字，而不是信号本身，正如计算机中外设要有通道号，内存要有地址一样。,2.4.2 通道,通道分配是指对PLC的每个通道或每个继电器都分配给一个地址号，以便PLC能够识别。一般PLC都将通道号标注在相应的接线端子旁，且标明是输入还是输出。,PLC中通道可分两大类，一类是外部的输入/输出通道，简称I/O通道，它对应于PLC机外部的接线端子，直接与PLC外部的
17、设备打交道，也有人称之为输入/输出继电器。另一类是内部通道，或称内部继电器，它不直接与外部设备打交道，而是作为控制其他继电器的数据存储单元或数据处理区，在功能上相当于继电控制系统的内部继电器，即所谓的“内部输出”，这类继电器的种类和功能稍复杂一些。,CPM2A型机的通道号由三位十进制组成，在通道号后边再加两位十进制数就组成了通道中的点地址。例如010是010通道的通道号，01000则是010通道中第一位的地址。,2.4.3CPM2A型机的通道分配,内部继电器可以分为三大部分： 000009共10个通道作为输入通道即输入继电器区，其中000和001通道用于CPU单元，其余8个通道用于扩展单元。,
18、1) 内部继电器(IR),010019共10个通道作为输出通道即输出继电器区，其中010和011通道用于CPU单元，其余8个通道用于扩展单元。,CPM2A的CPU单元有30点、40点和60点三种。I/O点数还可以通过最多三台扩展单元进行扩展。扩展单元有20点输入输出、8点输入和8点输出三种类型可供选用。以20点I/O扩展单元为例，系统扩展后的输入输出通道分配如表2.5.5所示。,020049和200227共58个通道928点为内部辅助继电器区。除了没有实际输入输出端子与之相联系故不能用于实际输入输出操作外，它的使用与输入输出继电器相同。在输入输出通道中没有连接I/O设备的点在程序中也可以作为内
19、部继电器应用。,表2.5.5 CPM2A的I/O及其通道分配,2) 特殊继电器(SR),228255共有28个通道。 228231是在CPM1基础上新加的内容 232251通道通常是以通道为单位使用的。 除了25200之外，对所有的SR，用户只能使用其状态而不能改变其状态。,表3.4.6 CPM2A为特殊继电器一览表,表3.4.6 CPM2A为特殊继电器一览表,表3.4.6 CPM2A为特殊继电器一览表,HR00HR19共有20个通道320点。用标志HR后的两位数据表示通道号，再加两位数据指定点号。在程序中的使用方法同IR，但HR具有断电保持功能。,3) 暂存继电器(TR),暂存继电器用于复杂
20、逻辑梯形图中的分支点暂存，合理使用可以简化程序。CPM2A共有按TR0TR7顺序编号的8个暂存继电器。其具体使用可参阅有关章节。,4) 保持继电器(HR),AR00AR23共有28个通道384点。 用户可以通过AR中相应位的状态了解系统的运行情况 如：AR15中为四位BCD的扫描周期当前值，单位是0.1ms，在系统运行中将不断的自动写入最新周期值，当运行停止时该通道并不复位，数据仍可以使用。,5) 辅助继电器(AR),表3.4.7 CPM2A辅助继电器一览表,表3.4.7 CPM2A辅助继电器一览表,表3.4.7 CPM2A辅助继电器一览表,定时器和计数器在CPM2A中是统一编号的，00012
21、7共有128个。系统断电时，定时器复位，计数器保持断电前的状态不变。,6) 链接继电器(LR),LR00LR15共16个通道256点。在PC联网系统中作为数据交换的接口。在没有联网的系统中也可以作为IR使用。,7) 定时器/计数器(TIM/CNT),用于存储内部数据，操作中只能以通道为单位，不能以点为单位 通道地址分为三部分：DM0000DM2447为程序读写区，用户程序可以自由使用。 DM6144DM6559为只读区，用户不能用程序改写其中内容。 DM6600DM6655为系统设置区，用来设定各种系统参数。系统设定区的内容只能用编程器写入，不能用程序改写。,8) 数据存储区(DM),表3.4
22、.8 CPM2A系统设置区一览表,表3.4.8 CPM2A系统设置区一览表,2.5 PLC中的几个基本概念,(2) 定时器：它的作用与继电器控制中的延时继电器或时间继电器相同。常见的定时单位有0.1 s、0.2 s、1 s几种，其符号因型号不同各异。日本立石公司C系列机用下列符号表示：,TIM 02,TIM ,#,#0142,(定时预置值),符号 例子,其中圆内“”表示定时器(TIM)的编号，圆外#号后的“”表示定时预置值，定时时间=定时预置值定时单位。例中的定时器为02号，若PC内部规定的定时单位为0.1 s，则定时时间1420.1 s=14.2 s。,(3) 计数器：它的作用是每当其计数输
23、入端由断开(OFF)到接通(ON)时，计一个数，即计数器记录的是其输入由断到通的次数。当计数值与预置值相等时，计数器导通。有的PC(如C40P)计数端由断到通时，自动减一个数，当计数值由预置值减到0时，计数器导通，其相应的触点接通或断开，可用来控制其他元件。C系列PC常用下列符号表示计数器：,计数端,复位端,CP CNT R,#(计数预置值),(4) 其他元件：如时序器、加法器、编码器、减法器、译码器等。 上述元件在PC内部都是由软件实现的，并不存在它们的物理实体，因此常称之为“虚拟元件”或“软元件”。将它们相互连接构成复杂控制逻辑的过程称为“软连接”，放入PLC后则是一段程序,(5) 梯形图(Ladder Diagram)：,思考题与习题二,2-1 PLC的硬件系统由哪些基本部件组成？ 各部件的主要作用是什么？ 2-2 PLC的软件包括几部分？各部分的作用是什么？ 2-3 PLC目前常用的编程语言有哪几种？ 各有何特点？ 2-4 简述PLC的工作方式及其工作过程。,返回,谢谢！,