第2章 可编程控制器的系统构成和工作原理(石群)

第二章可编程控制器的系统构成和工作原理 2.1 可编程控制器的基本组成2.2 可编程控制器的基本工作原理2.3 可编程控制器的分类2.4 可编程控制器的系统配置2.1 可编程控制器的基本组成可编程控制器的基本组成可以划分为两大部分，即硬件系统和软件系统。

2.1.1 可编程控制器的硬件系统2.1.2 可编程控制器的软件系统2.1.1 可编程控制器的硬件系统世界各国生产的可编程控制器外观各异，但作为工业控制计算机，其硬件系统都大体相同，主要由中央处理器模块、存储器模块、输入输出模块、编程器和电源等几部分构成。

PLC的各个组成部分：中央处理器模块存储器模块输入输出模块编程器电源PLC的硬件系统结构图三菱FX2N系列PLC的外形图输入端子I/O状态指示灯工作指示灯输出端子中央处理器模块（CPU）CPU功能接收并存储从编程器输入的用户程序和数据；诊断电源、PC内部电路的工作状态和编程的语法错误；用扫描的方式接收输入信号，送入PC的数据寄存器保存起来；PC进入运行状态后，根据存放的先后顺序逐条读取用户程序，进行解释和执行，完成用户程序中规定的各种操作；将用户程序的执行结果送至输出端。

中央处理器模块（CPU）可编程控制器通常使用以下几类CPU芯片：通用微处理器单片微处理器位片式微处理器其中小型PLC的CPU多采用单片机或专用CPU，大型PLC的CPU多采用位片式结构，具有高速数据处理能力。

存储器模块根据存储器在系统中的作用可以把它们分成三类： 系统程序存储器:用来控制和完成PLC各种功能的程序用户程序存储器:用户根据工程现场的生产过程和工艺要求编写的控制程序存储器有以下几种类型：随机存储器RAM；只读存储器ROM；可擦除可编程序的只读存储器EPROM；可电擦除的EPROM（EEPROM或E2PROM）。

输入输出模块输入输出模块是可编程控制器和工业控制现场各类信号连接的部分。

由于可编程控制器在工业生产现场工作，对输入输出模块有两个主要的要求：一是要有良好的抗干扰能力，二是能满足工业现场各类信号的匹配要求。

常用的I/O单元开关量输入单元（1）直流输入单元（2）交流输入单元开关量输出单元，（1）晶体管输出单元（2）双向晶闸管输出单元（3）继电器输出单元（1）直流输入电路（2）交流输入电路（1）晶体管输出电路（2）双向晶闸管输出电路（3）继电器输出电路编程器主要用来编辑程序、调试程序和监控程序的执行，还可以在线测试PC的内部状态和参数，与PC进行人机对话。

编程器一般有两类：专用编程器和个人计算机。

专用编程器:(1)手持编程器：FX-10P-E,FX-20P-E(2)图形编程器个人计算机：安装相关编程软件电源可编程控制器使用220V交流电源或24V直流电源，内部配有一个专用开关式稳压电源，将交流/直流供电电源转化为PLC内部电路需要的工作电源（5V直流）。

2.1.2 可编程控制器的软件系统PLC软件系统分为系统程序和用户程序两大类。

系统程序含系统的管理程序、用户指令的解释程序，另外还包括一些供系统调用的专用标准程序块等。

用户程序是用户为达到某种控制目的，采用PLC厂家提供的编程语言的程序，是一定控制功能的表述。

个人计算机程序开发系统的软件：1、编程软件2、文件编制软件3、数据采集和分析软件4、实时操作员软件5、仿真软件6、其他软件2.2 可编程控制器基本工作原理继电器控制系统：硬逻辑并行运行的方式计算机控制系统：采用等待命令的工作方式，如键盘扫描方式或I/O扫描方式。

可编程控制器控制系统：循环扫描工作方式，即系统工作任务管理及应用程序执行都是按循环扫描方式完成的2.2 可编程控制器基本工作原理开机内部处理通讯服务输入刷新程序执行输出刷新编程控制器有两种基本的工作状态：运行（RUN）状态与停止（STOP）状态。

可编程控制器在开机后，完成内部处理、通信处理、输入刷新、程序执行、输出刷新五个工作阶段，称为一个扫描周期。

完成一次扫描后，又重新执行上述过程，可编程控制器这种周而复始的循环工作方式称为扫描工作方式。

内部处理阶段PLC接通电源后，在进行循环扫描之前，首先确定自身的完好性，若发现故障，除了故障灯亮之外，还可判断故障性质：一般性故障，只报警不停机，等待处理；严重故障，则停止运行用户程序，此时PLC切断一切输出联系。

确定内部硬件正常后，进行清零或复位处理，清除各元件状态的随机性；检查I/O连接是否正确；启动监控定时器，执行一段涉及到各种指令和内存单元的程序，然后监控定时器复位，允许扫描用户程序。

通讯服务阶段PLC在通信服务阶段检查是否有与编程器和计算机的通信请求，若有则进行相应处理，如接收由编程器送来的程序、命令和各种数据，并把要显示的状态、数据、出错信息等发送给编程器进行显示。

如果有与计算机等的通信要求，也在这段时间完成数据的接收和发送任务。

可编程控制器处于停止状态时，只执行以上的操作。

可编程控制器处于运行状态时，还要完成下面三个阶段的操作。

输入处理、程序执行、输出处理输入端输入电路输入映像寄存器a.输入刷新阶段---CPU 从输入电路的输出端读出各路状态，并将其写入输入映像寄存器；SB0SB1b.程序执行阶段--CPU 从输入映像寄存器和元件映像寄存器中读出各继电器的状态，并根据此状态执行用户程序，执行结果再写入元件映像寄存器中；c. 紧接着的输出刷新阶段---将输出映像寄存器的状态写入输出锁存电路，再经输出电路传递输出端子，从而控制外接器件动作。

X0Y0Y0Y1元件映像寄存器读写输出锁存器输出电路输出端KM0KM1读写X0X1Y0Y1映像寄存器在PLC的存储器中，有一个专门存放输入输出信号状态的区域，称为输入映像寄存器和输出映像寄存器，可编程控制器梯形图中别的编程元件也有对应的映像存储区，它们统称为元件映像寄存器。

外接的输入触点电路接通时，对应的输入映像寄存器为“1”，梯形图中对应的输入继电器的常开触点接通，常闭触点断开。

外接的输入触点电路断开时，对应的输入映像寄存器为“0”，梯形图中对应的输入继电器的常开触点断开，常闭触点接通。

输入处理阶段在输入处理阶段，可编程控制器把所有外部输入电路的接通/断开（ON/OFF）状态读入输入映像寄存器。

注意：在采样时刻，输入映像寄存器中的内容才与输入信号一致，而其它时间范围内输入信号的变化是不会影响输入映像寄存器中的内容的，输入信号变化了的状态只能在下一个扫描周期的输入处理阶段被读入。

因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。

程序执行阶段可编程控制器的用户程序由若干条指令所组成，指令在存储器中按步序号顺序排列。

在没有跳转指令时，CPU从第一条指令开始，逐条顺序地执行用户程序，直到用户程序结束之处。

在执行指令时，各编程元件的映像寄存器（输入映像寄存器除外）的内容随着程序的执行而变化。

注意：当程序执行过程中因某种干扰使扫描失控或进入死循环时，WDT会发出超时报警信号，使程序重新开始执行；若由于偶然因素造成超时，而重新扫描程序不会再遇到“偶然干扰”，系统便转入正常运行；若出现不可恢复的确定性故障，则系统会自动停止执行用户程序，切断外部负载，发出故障信号，等待处理。

输出处理阶段在输出处理阶段，CPU将输出映像寄存器的0/1状态传送到输出锁存器。

梯形图中某一输出继电器的线圈“通电”时，对应的输出映像寄存器为“1”状态（或称该编程元件为ON ）。

信号经输出模块隔离和功率放大后，继电器型输出模块中对应的硬件继电器的线圈通电，其常开触点闭合，使外部负载通电工作。

2.2.2 扫描周期可编程控制器在运行工作状态时，执行一次扫描操作所需要的时间称为扫描周期，其典型值为1~100ms。

没有外部设备与可编程控制器连接时该段时间为0；输入/输出处理的执行时间≤1ms。

指令执行所需的时间与用户程序的长短、指令的种类和CPU执行指令的速度有很大的关系。

当用户程序较长时，指令执行时间在扫描周期中占相当大的比例。

2.2.3 I/O滞后时间I/O滞后时间又称为系统响应时间，是指可编程控制器外部输入信号发生变化的时刻起至它控制的有关外部输出信号发生变化的时刻之间的间隔。

I/O滞后现象的原因（1）输入滤波器有时间常数（2）输出继电器有机械滞后（3）PC循环操作时，进行公共处理、I/O刷新和执行用户程序等产生扫描周期（4）程序语句的安排，也影响响应时间2.2.3 I/O滞后时间2.3 可编程控制器的分类按硬件的结构类型分类:整体式、模块式、叠装式。

按I/O点数的多少分类：小型PLC、中型PLC、大型PLC。

2.4 可编程控制器的系统配置FX2N系列可编程控制器型号格式如下： FX2N—□□□□-□系列名I/O总点数单元功能特殊品种区别输出类型R：继电器输出S：晶体管输出T：晶闸管输出M：基本单元E：输入输出混合扩展单元与扩展模块EX：输入专用扩展模块EY：输出专用扩展模块FX2N是FX系列中功能最强、速度最高的微型可编程控制器。

它的基本指令执行时间高达0.08s，远远超过了很多大型可编程控制器。

用户存储器容量可扩展到16K步，最大可以扩展到256个I/O点，有5种模拟量输入/输出模块、高速计数器模块、脉冲输出模块、4种位置控制模块、多种RS-232C/RS-422/RS-485串行通信模块或功能扩展板，以及模拟定时器功能扩展板，使用特殊功能模块和功能扩展板，可以实现模拟量控制、位置控制和联网通信等功能。

可编程控制器的技术性能指标1.输入/输出点数输入/输出点数指的是外部输入、输出端子数量的总和，又称为主机的开关量输入/输出点数，它是描述可编程控制器大小的一个重要参数。

2.存储容量可编程控制器存储容量通常指用户程序存储器和数据存储器容量之和，表征系统提供给用户的可用资源，是系统性能的一项重要技术指标。

3.扫描速度可编程控制器采用循环扫描方式工作，完成一次扫描所需的时间叫做扫描周期，扫描速度与扫描周期成反比。

4.指令系统指令系统是指可编程控制器所有指令的总和。

可编程控制器的编程指令越多，软件功能就越强，但掌握应用也相对较复杂。

5.可扩展性小型可编程控制器的基本单元（主机）多为开关量I/O接口，模拟量处理、高速处理、温度控制、通信等智能扩展模块的多少及性能也已成为衡量可编程控制器产品水平的标志。

6.通信功能可编程控制器的组网和通信能力也已成为可编程控制器产品水平的重要衡量指标之一。