可编程控制器的工作原理与输入输出

可编程控制器的工作原理与输入输出
一、可编程控制器的工作原理与输入输出的处理原则
任何一种继电器控制系统是由三个部分组成的，即输入部分，逻辑部分，输出部分，其中输入部分是指各类按钮、开关等；逻辑部分是指由各种继电器及其触点组成的实现一定逻辑功能的控制线路；输出部分是指各种电磁阀线圈，接通电动机的各种接触器以及信号指示灯等执行电器。

如图1所示，是一种简单的继电器控制系统。

图中X1、X2是两个按钮开关，Y1、Y2是两个继电器，T1•是时间继电器。

其工作是过程是：当X1、X2任何一个按钮按下，线圈Y1接通，Y1的常开触点闭合，指示灯红灯亮。

此时时间继电器T1同时接通并开始延时，当延时到2S后，线圈Y2接通，常开触点闭合，绿灯亮。

从上面这个例子可以知道，•继电器控制系统是根据各种输入条件去执行逻辑控制线路，•这些逻辑控制线路是根据控制对象的需要以某种固定的线路连接好的，所以不能灵活变更。

和继电器控制系统类似，PLC也是由输入部分、逻辑部分和输出部分组成。

如图2所示：
各部分的主要作用是：
输入部分：收集并保存被控对象实际运行的数据的信息（被控对象上的各种开关量信息或操作命令等）。

逻辑部分：处理输入部分报取得的信息，并按照被控对象的实际动作要求正确的反映。

输出部分：提供正在被控制的装置中，哪几个设备需要实施操作处理。

用户程序通过编程器或其它输入设备输入并存放在PLC的用户存储器中。

当PLC开始运行时，CPU根据系统监控程序的规定顺序，通过扫描，完成各输入点的状态采集或输入数据采集、用户程序的执行、各输出点状态更新、编程器键入响应和显示更新及CPU自检等功能。

PLC扫描既可按固定的程序进行，也可按用户程序规定的可变顺序进行。

PLC采用集中采样、集中输出的工作方式，减少了外界的干扰。

由以上分析，可以把PLC的工作过程为三个阶段，即输入采样阶段、程序执行阶段和输出刷新阶段。

（1）输入采样阶段
PLC在输入采样阶段，首先扫描所有输入端子，并将各输入存入内存中各对应的输入映象寄存器。

此时，输入映象寄存器被刷新。

接着进入程序执阶段，在程序执行阶段或输出阶段，输入映象寄存器与外界隔离，无论信号如何变化，其内容保持不变直到下一个扫描周期的输入采样阶段，才重新写入输入端的新内容。

（2）程序执行阶段
根据PLC的程序扫描原则，PLC先左后右，先上后下的步序语句逐句扫描。

当指令涉及到输入、输出状态时，PLC从输入映象寄存器中“读入”对应输入映象寄存器的当前状态，然后，进行相应的运算，运算结果再存入元件映象寄存器中，对元件映象寄存器来说，每一个元件会随着程序执行过程而变化。

（3）输出刷新阶段
在所有指令执行完毕后，输出映象寄存器中所有输出继电器的状态在输出刷新阶段转存到输出锁存寄存器中，通过一定方式输出，驱动外部负载。

采用集中采样，集中输出工作方式的特点是：在采样周期中，将所有输入信号（不管该信号当时是否采用），一起读入，此后在整个程序处理过程中PLC系统与外界隔绝，直到输出控制信号到下一个工作周期再与外界交涉，从根本上提高了系统的抗干扰扰提高了工作的可靠性。

PLC在输入输出的处理方面必须尊守以下原则：
①输入映象寄存器的数据，取决于输入端子板上各输入端子在上一个周期间的接通、断开状态。

②程序如何执行取决于用户所编程序和输入输出映象寄存器的内容。

③输出映象寄存器的数据取决于输出指令的执行结果。

④输出锁存器中的数据，•由上一次输出刷新期间输出映象寄存器中数据决定。

⑤输出端子的接通断开状态，由输出锁存器决定。

二、可编程控制器的硬件系统组成
可编程控制器的构成框图和计算机是一样的，都由中央处理器（CPU）、存贮器和输入/输出接口等构成。

因此，从硬件结构来说，可编程控制器实际上就是计算机，图1是其硬件系统的简化框图。

从图中可以看出PLC内部主要部件有:
（1）CPU（Central Process Unit）
CPU是PLC的核心组成部分，与通用微机的CPU一样，它在PLC系统中的作用类似于人体的神经中枢，故称为“电脑”。

其功能是：
a、按PLC中系统程序赋予的功能，•接收并存储从编程器输入的用户程序和数据。

b、用扫描方式接收现场输入装置的状态式数据，并存入映象寄存器或数据寄存器中。

c、诊断电源、PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误。

d、在PLC进入运行状态后，从存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令规定的任务，产生相应的信号，去启闭有关控制门电路。

分时分渠道地去执行数据的存取、传送、组合、比较和变换等操作，完成用户程序中规定的逻辑式算术运算等任务。

根据运算结果，更新有关标志位的状态和输出映象寄存器的内容，再由输出映象寄存器的位状态式数据寄存器的有关内容，实现输出控制、制表、打印式数据通讯等。

PLC常用的CPU主要采用通用微处理器、单片机或双极型位片式微处理器。

通用的微处理器常用的是8位机和16位机，如Z80A、8085、8086、6502、M6800、M6809、M68000等。

单片机常用的有8039、8049、8031、8051等。

双极型位片式微处理器常用的有AMD2900、AMD2903等。

①用通用微处理器作CPU
在低档PLC中，用Z80A做CPU较为普遍，Z80A用于PLC有如下长处：Z80（或Z80A）CPU及其配套的芯片廉价、普及、通用，用这套芯片制成的PC，给维修及推广普及带来方便。

Z80有独立的输入/输出指令,而且指令格式较短，•执行时间也较短，这样有利于扫描周期的缩短。

Z80输入/输出指令格式较短，相应的输入/输出设备编码也较短，所以相应的译码硬件器较简单。

由于Z80的信息是采用输入/输出映射方式，因而设计流程序时，对输入/输出与存储器寻址容易区别。

②用单片机作CPU
自从1974年出现单片机以来，•已有不少产品采用单片机做可编程序控制器。

日本三菱F系列PLC就采用美国INTEL公司MES－48系列的单片机8049和8039做处理器，8039单片机在一块片子上集成了8位的CPU，•128×8的数据存储器。

27条输入/输出线，T0、T1、INT测试线及8位定时器/计数器，时钟振荡电路等。

自80年代以来，出现了集成度更高。

功能更强，并带有“布尔机”而又便于作数据通信的MCS-51系列单片机以及功能更高的16位单片机，大有取代MCS－48系列之势。

日本三菱的F2系列PLC即采用CPU8031。

MCS－51系列单片机是美国INTEL公司在MCS－48单片机基础上，于80年代初推出的产品，具有高集成度、高可靠性、高功能、高速度、低价格等特点。

它有三个代表产品：8051、8751和8031，它们分别有不同的应用特性。

8051是以4K字节EPR0M代替4K字节的R0M的8051；8031是内部无R0M8051。

必须外接EPR0M；INTEL公司的96系列的单片机，字长为16，运算速度比51系列更高，这必将为高档次的PLC开发和应用带来美好的远景。

用单片机制成的PLC有以下显著特点：为机电设备一体化创造了条件，因为由单片机制成PLC，体积更小。

同时PLC逻辑功能很强，并且具有数值运算和通信接口。

③用位片式微处理器作CPU
位片式微处理器的主要特点是：速度快、灵活性强、•效率高等特点。

可以进行“级联”，易于“流水线”操作。

（2）系统程序存储器
它用以存放系统工作程序（监控程序）、模块化应用功能子程序、命令解释功能子程序的调用管理程序，•以及对应定义（I/0、内部继电器、计时器、计数器、移位寄存器等存储系统）参数等功能。

（3）用户存储器
用以存放用户程序即存放通过编程器输入的用户程序。

PLC的用户存储器通常以字（16位/字）为单位来表示存储容量。

同时，由于前面所说的系统程序直接关系到PLC的性能，
不能由用户直接存取。

因而通常PLC产品资料中所指的存储器型式或存储方式及容量，是对用户程序存储器而言。

常用的用户存储方式及容量型式或存储方式有CM0SRAM，EPR0M和EEPR0M。

信息储存常用盒式磁带和磁盘。

CM0SRAM存储器是一种中高密度、低功能、价格便宜的半导体存储器，可用锂电池作为备用电源。

•一旦交流电源停电，用锂电池来维持供电，可保存RAM内停电前的数据。

•锂电池寿命一般为1―5年左右。

EPR0M存储器是一种常的只读存储器，定入时加高电平，擦除时用紫外线照射。

•PLC 通过写入器可将RAM区的用户程序固化到R0M盒中的EPR0M中去。

在PLC机中插入R0M盒，PLC则执行R0M盒中用户程序；反之，不插上R0M盒，•PLC则执行RAM区用户程序。

EEPR0M存储器是一种可用电改写的只读存储器。

（4）输入输出组件（I/0模块）
I/•0模块是CPU与现场I/0装置或其它外部设备之间的连接部件。

PLC提供了各种操作电平与驱动能力的I/0模块和各种用途的I/0组件供用户选用。

如输入/输出电平转换、电气隔离、串/并行转换数据、•误码较验、A/D或D/A转换以及其它功能模块等。

I/0模块将外界输入信号变成CPU能接受的信号，或将CPU的输出信号变成需要的控制信号去驱动控制对象（包括开关量和模拟量），以确保整个系统正常工作。

输入的开关量信号接在IN端和0V端之间，PLC内部提供24V电源，输入信号通过光电隔离，通过R/C滤波进入CPU控制板，CPU发出输出信号至输出端。

PLC输出有三种型式：继电器方式、晶体管方式和晶闸管方式。

（5）编程器
编程器是用于用户程序的编制、编辑、调试检查和监视等。

还可以通过其键盘去调用和显示PLC的一些内部状态和系统参数。

它通过通讯端口与CPU联系，完成人机对话连接。

编程器上有供编程用的各种功能键和显示灯以及编程、监控转换开关。

编程器的键盘采用梯形图语言键符式命令语言助记符，也可以采用软件指定的功能键符，通过屏幕对话方式进行编程。

编程器分为简易型和智能型两类。

前者只能连机编程，而后者既可连机编程又可脱机编程。

同时前者输入梯形图的语言键符，后者可以直接输入梯形图。

根据不同档次的PLC产品选配相应的编程器。

（6）外部设备
一般PLC都配有盒式录音机、打印机、EPR0M写入器、•高分辨率屏幕彩色图形监控系统等外部设备。

（7）电源
根据PLC的设计特点，它对电源并无特别要求，可使用一般工业电源。

三、可编程控制器的软件系统组成
由图1可见，PLC实质上是一种工业控制用的专用计算机。

PLC系统也是由硬件系统和软件系统两大部分组成。

其软件主要有以下几个逻辑部件：
（1）继电器逻辑
为适应电气控制的需要，PLC为用户提供继电器逻辑，用逻辑与或非等逻辑运算来处理各种继电器的连接。

PLC内部有储单元有“1”和“0”两种状态，•对应于“0N”和“0FF”两种状态。

因此PLC中所说的继电器是一种逻辑概念的，而不是真正的继电器，有时称为“软继电器”。

这些“软继电器”与通常的继电器相比有以下特点：
①体积小、功耗低
②无触点、速度快、寿命长
③有无数个触点，使用中不必考虑接点的容量
PLC一般为用户提供以下几种继电器（以FX2N系列PLC为例）：
输入继电器（X）：把现场信号输入PLC，同时提供无限多个常开、常闭触点供用户编程使用。

在程序中只有触点没有线圈，信号由外部信号驱动。

编号采用八进制，分别为X000—X007，X010-X017等。

输出继电器（Y）：具备一对物理接点，可以串接在负载回路中，对应物理元件有继电器、晶闸管和晶体管。

外部信号不能直接驱动，只能在程序中用指令驱动。

编号采用八进制，分别为Y000—Y007，Y010-Y017等。

内部继电器（M）：与外界没有直接联系，仅作运算的中间结果使用。

有时也称为辅助继电器或中间继电器。

和输出继电器一样，只能由程序驱动。

每个辅助继电器有无限多对常开、常闭触点，供编程使用。

地址号按十进制分配，通用型辅助继电器有M0-M499共500点，保持型辅助继电器有M500-M1023共524点，特殊型辅助继电器有M8000-M8255共157点。

(2)定时器逻辑
PLC一般采用硬件定时中断，•软件计数的方法来实现定时逻辑功能，定时器一般包括：定时条件：控制定时器操作。

定时语句：指定所使用的定时器，给出定时设定值。

定时器的当前值：记录定时时间。

定时继电器：定时器达到设定的值时为“1“（0N）状态，未开始定时或定时未达到设定值时为“0”（0FF）状态。

•
其逻辑功能如下表所示:
定时器：T
a.功能：该元件是定时用的，范围为0.001～32.767（1ms定时器）秒、0.01～327.67秒（10ms定时器）、0.1～3276.7秒（100ms定时器）。

元件范围按十进制分配如下：
T246～T249：1ms定时器
T200～T245：10ms定时器
T0～T199：100 ms定时器
b.举例：
②程序清单
LD X000
OUT T0 K123
LD T0
OUT y000
END
③波形图
(3)计数器逻辑
PLC为用户提供了若干计数器，它们是由软件来实现的，一般采用递减计数，一个计数器有以下几个内容：
计数器的复位信号R
计数器的计数信号（CP单位脉冲）
计数器设定值的记忆单元
计数器当前计数值单元
计数继电器，计数器计数达到设定值时为0N，•复位或未到计数设定值时为0FF。

其逻辑功能如下表：
（4）计数器：C
a.功能：该元件完成记数功能。

内部计数用的16位向上计数器（1～32767）和计数旋转编码器的输出等用的32位高速（向上、向下）计数器（-2，147，483648～+2，147，483，647）。

该元件范围按十进制分配如下：
16位向上计数器：
C0～C99：一般用（非停电保持）；
C100～C199：保存用（停电保持）；
32位向上、向下高速计数器：
C200～C219：一般用（非停电保持）； C220～C234：保存用（停电保持）；
b.举例：①梯形图：
②程序清单：
LD X000
RST C0
LD X001
OUT C0 K5
LD C0
OUT Y000
END
③波形图：
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PLC除能进行位运算外，还能进行字运算。

•PLC为用户提供了若干个数据寄存器，以存储有效数据。