第二章 PLC 软、硬件组成及工作原理

第二章 PLC 软、硬件组成及工作原理

2.1 PLC 概述

2.1.1 PLC 的定义 2.1.2 发展趋势 2.1.3 PLC 与其他工业系统的比较 2.1.4 PLC 的特点及应用领域

2.1.1 PLC 的定义

在 PLC 的发展历程中，有过几个不同的名称：可编程序矩阵控制器 PMC （ Programmable Matrix Control

ler ）可编程序顺序控制器 PSC （ Programmable Sequence Cont

roller ）可编程序逻辑控制器 PLC （ Programmable Logic Controlle

r ）可编程序控制器 PC （ Programmable Controller ） 1969 年美国数字设备公司（ DEC ）根据招标的要求，研制

出世界上第一台可编程序控制器，并在 GM 公司汽车生产线上首次应用成功。

1980 年美国电气制造商协会（ NEMA ）正式将其命名为编程序控制器（ Programmable Controller ），简称 PC 。

1969 年美国数字设备公司（ DEC ）根据招标的要求，研制出世界上第一台可编程序控制器，并在 GM 公司汽车生产线上首次应用成功。

1980 年美国电气制造商协会（ NEMA ）正式将其命名为编程序控制器（ Programmable Controller ），简称 PC 。

国际电工委员会（ IEC ）于 1982 年 11 月、 1985 年 1 月、 1987 年 2 月三次为 PLC 下定义，最终确定为：“可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的命令，并通过数字式模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。有关外围设备，都应按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充功能的原则而设计”。

2.1.2 PLC 的定义

2.1.2 PLC 的产生与发展趋势

1. PLC 的产生与发展 1968 年，美国最大的汽车制造商通用汽车公司（ GM ），为了适应

汽车型号不断更新的需要，提出了十条技术指标在社会上公开招标，制造一种新型的工业控制装置。这些功能是：

（ 1）容易编程（ 2）维修方便，采用模块式结构（ 3）可靠性高于继电 -接触器控制系统（ 4）体积小于继电 -接触器控制系统（ 5）具备与计算机通信的功能（ 6）成本具有竞争性（ 7）输入输出电源使用市电（ 115V ）（ 8）输出为 115V/2A ，驱动电磁阀和接触器（ 9）通用性强，能在恶劣环境下工作（ 10）存储设备可扩充至 4K个存储字节


1. PLC 的产生与发展1969 年美国研制出世界上第一台 PLC 以后，日本、德国、法国等国相继研制了各自的 PLC 。此阶段产品的主要特点是 CPU 由中小规模的数字集成电路构成，存储器为磁芯存储器；控制功能简单，只能完成定时、计数及逻辑功能。为继电 -接触器的替代品。70 年代中期， PLC进入了实用化阶段。 70 年代末和 80年代初， PLC进入了成熟阶段。主要特点：采用 CPU微处理器，存储器变为半导体存储器，具有数据处理能力，能实现对模拟量的控制，软件上开发出了自诊断功能，可靠性进一步提高。


80 年代中期： CPU 开始采用 8位 /16位微处理器，数据处理能力和速度大大提高， PLC 开始具备一定的通信能力，为 PLC 的分散控制、集中管理奠定了重要基础；软件开发出了面向对象的梯形图语言和逻辑助记符语言，为 PLC 的普及使用提供了必要条件。

80 年代中期至 90年代中期：超大规模集成电路促使 PLC完全计算机化， CPU 开始使用 32位机；数学运算、数据处理能力大大提高，增加了运动控制、模拟量 PID 控制网络通信功能，体积进一步减小，可靠性进一步加强。

20 世纪 90 年代中期至今： CPU 使用 16位 /32位微处理器，运算速度更快、功能更强能使用多种编程语言。

2. PLC 的国内外发展状况及主要产品厂家美国 PLC 发展得最快： 1984 年有 48家，生产 150多种 PLC； 1987 年有 63家，生产 243 种 PLC； 1996 年有 70余家，生产近 300 种 PLC 。著名厂家有 A—B（ Allen－ Bradley）艾伦一布拉德利公司， MODICON莫迪康公司， GE－ FSNUC 公司， TI（ Texas Instrument ）德州仪器公司， WESTHOUSE Electric 西屋电气公司， IPM （ International Parallel Machines）国际并行机器公司等。


欧洲 PLC 的厂家有 60余家 : 西门子（ Siemens）于 1973 年研制出第一台 PLC 。金钟默勒（ Klockner Moeller Gmbh）， AEG ，法国的 TE(Telemecanique ） ( 施耐德）瑞士的 Selectron 公司等。 1971 年，日本从美国引进 PLC 技术，由日立公司研制成

功日本第一台 PLC 。日本生产 PLC 的厂家有 40余家：三菱电机 (MITSUBISHI)，欧姆龙 (OMRON), 富士电机（ Fuji Electric） , 东芝（ TOSHIBA ） , 光洋（ KOYO),松下电工（ MEW） ,和泉（ IDEC ） , 安川等公司。


我国在 70 年代末和 80 年代初开始引进 PLC 。我国早期独立研制 PLC 的单位有：

北京机械工业自动化研究所，上海工业自动化仪表研究所，大连组合机床研究所，成都机床电器研究所，中科院北京计算机所及自动化所，长春一汽，上海起重电器厂，上海香岛机电公司，以上诸单位都没有形成规模化生产。

合资企业有辽宁无线电二厂引进德国西门子技术生产 PLC；无锡电器和日本光洋合资生产的 PLC; 中美合资的厦门 A—B公司生产的 PLC；上海香岛机电公司引进技术生产的 PLC; 上海 OMRON 公司 ; 西安 Siemens公司等。


3. PLC 的发展趋势 PLC两个发展方向一是向小型化、微型化发展；二是向大型化、网络化、多功能方向发展。主要体现：

（ 1 ）向高速度、大存储容量方向发展（ CPU处理速度 ns级；内存 2M字节）

（ 2）向多品种方向发展和提高可靠性 ( 超大型和超小型）（ 3）产品更加规范化、标准化（硬件、软件兼容的 PLC ）（ 4）分散型、智能型、与现场总线兼容的 I／ 0 （ 5）加强联网和通信的能力（ 6 ）控制的开放和模块化的体系结构 OMAC （ open Modul

ar Architecture for Control ）


主要著名品牌：美国 A－ B公司（ Allen－ Bradley）德国西门子公司（ Siemens）法国的 TE （ Telemecanique ） ( 施耐德）日本欧姆公司（ OMRON ）日本三菱电机株式会社（ MITSUBISHI ）日本富士电机株式会社（ Fuji Electric）日本东芝公司（ TOSHIBA ）日本的光洋电子（ KOYO）和中国的华光电子 (CKE ）日本松下电工株式会社（ MEW）：（ Matsushita Elec

tric Works Ltd）


1. 与继电 -接触器控制系统的比较（ 1）灵活性和可扩展性。继电系统灵活性和可扩展性差，

继电器触点数目有限， PLC 系统有软件和硬件构成，要改变控制功能只需要修改控制软件即可，其软继电器触点理论上可使用无数次，灵活性和可扩展性极佳。

（ 2）可靠性和可维护性（ 3）控制速度和稳定性分别为 ms 级和 s 级（ 4）延时的可靠精度和可调性（ 5）设计与施工（ 6）系统价格

2.1.3 PLC 与其他工业控制系统的比较


可编程控制器与工业控制计算机（简称工业 PC 机）都是用来进行工业控制，但二者相比仍有不同。

（ 1）硬件方面工业 PC 机是由通用微型计算机推广应用发展起来的，通常由微型

计算机生产厂家开发生产，在硬件方面具有标准总线结构，各种机型兼容性强。而 PLC 则是针对工业顺序控制，由电气控制厂家研制发展起来的，其硬件结构专用，各个厂家产品不通用，标准化程度较差。但是 PLC 的信号采集和控制输出的功率强，可不必再加信号变换和功率驱动环节，而直接和现场的测量信号及执行机构对接；在结构上， PLC 采取整体密封模板组合形式；在工艺上，对印刷版、插座、机架都有严密的处理；在电路上，又有一系列的抗干扰措施。因此， PLC 的可靠性更能满足工业现场环境的要求。


（ 2）软件方面工业 PC 机可借用通用计算机丰富的软件资源，对算法复杂，实时性强的控制任务能较好的适应。 PLC 在顺序控制的基础上，增加了 PID 等控制算法，它的编程采用梯形图语言，易于被熟悉电气控制线路而不太熟悉微机软件的工厂电气技术人员所掌握，但是，一般微型计算机的通用软件还不能直接在 PLC 上应用，还要经过二次开发。

（ 3）使用环境（ 4 ）工作方式 PLC 采用扫描方式工作，有利于实现顺

序控制；工业计算机采用中断方式处理外部信号请求。（ 6） PLC 易于掌握，而工业计算机需要专门人员。

2.1.4 PLC 的分类

（ 1）按 I／ O点数分类 I／ O点数小于 32为微型 PLC； I／ O点数在 32～ 128 为微小型 PLC； I／ O点数在 128～ 256 为小型 PLC； I／ O点九在 256～ 1024 为中型 PLC； I／ O点数大于 1024 为大型 PLC； I／ O点数在 4000 以上为超大型 PLC 。以上划分不包括模拟量 I／ 0 点数，且划分界限不是固定

不变的。（ 2）按控制性能进行分类高档机 S7-400 、中档机 S7-300 和低档机 S7-200

2.1.4 PLC 的分类

（ 3）按结构形式分类整体式 PLC ：又称单元式或箱体式。整体式 PLC 是将电

源、 CPU 、 I／ 0 部件都集中装在一个机箱内。一般小型 PLC 采用这种结构。

模块式 PLC ：将 PLC 各部分分成若干个单独的模块，如 CPU 模块、 I／ 0 模块、电源模块和各种功能模块。模块式 PLC 由框架和各种模块组成。模块插在插座上。一般大、中型 PLC 采用模块式结构，有的小型 PLC也采用这种结构。

有的 PLC 将整体式和模块式结合起来，称为叠装式 PLC 。

模块式

Power in a Small Package!!Power in a Small Package!!

电源模块

CPU 模块 IO 模块

底板

2.1.4 PLC 的分类

2.1.5 PLC 的特点及应用领域

① 可靠性高 (平均无故障时间 3--5万小时）硬件方面主要模块均采用大规模或超大规模集成电路，大量开关动作由无触点的电子存储器完成， I/O系统设计有完善的通道保护和信号调理电路；软件方面具有极强的自检及保护功能。

② 编程简单可采用电气工程技术人员比较熟悉的梯形图语言，易学易懂。

③ 通用性强 ④ 体积小、结构紧凑、安装、维护方便 ⑤ 重量轻、价格低

主要是 PLC 的软、硬件体系结构是封闭而不是开放的：如专用总线、专家通信网络及协议， I/O模板不通用，甚至连机柜、电源模板亦各不相同。

编程语言虽多数是梯形图，但组态、寻址、语言结构均不一致，因此各公司的 PLC互不兼容。

SIEMENS等公司已经开发出以个人计算机为基础，在 Windows平台下，结合 IEC1131－ 3 国际标准的新一代开放体系结构的 PLC 。

应用领域（ 1 ）开关量逻辑控制；（ 2 ）运动控制；（ 3 ）闭环

过程控制；（ 4）数据处理；（ 5）联网通信


PLC 的应用领域 PLC 在工业自动化中起着举足轻重的作用，在国内外已广泛应用于机械、冶金、石油、化工、轻工、纺织、电力、电子、食品、交通等行业。经验表明， 80 ％以上的工业控制可以使用 PLC 来完成。

在日本，凡 8 个以上中间继电器组成的控制系统都已采用PLC 来取代。


2.2 PLCPLC 的硬件组成的硬件组成

本节主要内容包括： PLC 的硬件组成和工作原理 PLC 的基本组成 PLC 的工作原理 PLC 控制系统主要有 CPU 模块、输入输出模块、电源模

块和外部设备组成。其结构图可由下图表示。

接受现场信号

输入接口部件

中央处理单元（CPU）模块

电源模块

外部设备

输出接口部件

驱动受控元件

接触器线圈

电磁阀

指示灯

小型 PLC 其各种部件都是集成在一起的，只有大中型的 PLC 其各部分才会比较明显。

2.2.1 CPU2.2.1 CPU 模块模块

CPU 模块主要由微处理器（ CPU ）芯片和存储器组成。它的功能是不断地采集输入信号，执行用户程序，刷新系统的输出。

硬件类型：（ 1）通用处理器： 8086 、 80286 、 80386（ 2）单片机芯片： 8031 、 8096（ 3）位片式微处理器： AMD-2900小型 PLC多采用 8位微处理器或单片机作为 CPU中型 PLC多采用 16位微处理器或单片机作为 CPU大型 PLC多采用高速位片式微处理器


与位片式微处理器相对应的是单片式微处理器。位片式微处理器通常只包含算术逻辑单元 (ALU)、寄存器、多路选择器和随机存储器等部件（见图）。

http://dict.youdao.com/wiki/%E5%8D%95%E7%89%87%E5%BC%8F%E5%BE%AE%E5%A4%84%E7%90%86%E5%99%A8/

位片式微处理器的运算操作和数据流程，由外部输入的微指令码控制。当用位片式微处理器构成一个中央处理单元时，除用一定数量的位片并行联接以扩大字长外，还要配以控制微指令的微程序序列器和存放微指令的可编程序存储器等电路。这样的结构使位片式微处理器有了另一个很突出的特点：用位片式微处理器构成的中央处理单元的指令系统不是事先确定的，而是由使用者通过微程序自行编制的。位数可扩展和指令系统可自行编制这两个特点，使位片式微处理器具有很大的灵活性。


单片式微处理器采用 MOS 集成电路制成 ,而位片式微处理器则采用双极型集成电路制成。位片式微处理器的结构和工艺，使其具有高速的特点。但是，它的集成度较低，成本高而且使用不便。因此，位片式微处理器主要用于构成大型计算机的中央处理单元和要求实现高速实时信号处理的各种专用处理器 ,这一点正好补充了 MOS 单片微处理器的不足。位片式微处理器要求速度高而功耗又为封装所限，因而低功耗肖特基箝位抗饱和的晶体管 -晶体管逻辑电路和发射极耦合逻辑电路在位片式微处理器技术中占主导地位。


http://dict.youdao.com/wiki/%E5%8F%8C%E6%9E%81%E5%9E%8B%E9%9B%86%E6%88%90%E7%94%B5%E8%B7%AF/

http://dict.youdao.com/wiki/%E6%99%B6%E4%BD%93%E7%AE%A1-%E6%99%B6%E4%BD%93%E7%AE%A1%E9%80%BB%E8%BE%91%E7%94%B5%E8%B7%AF/



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1. 中央处理单元（ CPU ）：作用：接收与存储用户由编程器键入的用户程序和数据；检查编程过程中的语法错误、诊断电源及 PLC 内部的工作故障；

用扫描方式工作，接收来自现场的输入信号，并输入到输入映像寄存器和数据储存器中；

在运行方式下，从存储器中逐条读取并执行用户程序，完成用户程序所规定的逻辑运算、算术运算及数据处理；

根据运算结果，更新有关标志位的状态，刷新输出映像寄存器的内容，再经输出部件实现输出控制、打印制表或数据通信。


2. 存储器存储器的作用是存放系统程序、用户程序和工作状态数

据。系统程序相当于个人计算机的操作系统。 RAM ：存储各种暂存数据、中间结果、用户正调试的程

序。 ROM ：存放监控程序和用户已调试好的程序。 E2PROM 具有非易失性，可以用编程装置对其进行编程，

用来存放用户程序和数据。闪存（ FLASH）具有断电后保护数据的功能，作用同 E2PROM 。

PLC 内存的大小常用 RAM 构成，为防止电源掉电使 RAM 中的信息丢失，常用锂电池做后备保护


2.2.2 2.2.2 输入输入 // 输出模块输出模块

输出接口作用：将主机向外输出的信号转换成可以驱动外部执行电路的信号，以便控制接触器线圈等电器通断电；另外输出电路也使计算机与外部强电隔离。

输出三种形式：继电器 -- 低速大功率可控硅 -- 高速大功率晶体管 -- 高速小功率

输入接口作用：将按钮、行程开关或传感器等产生的信号，转换成数字信号送入主机。

采用光电隔离，实现了 PLC 的内部电路与外部电路的电气隔离，减小了电磁干扰。

1. 数字量输入模块——直流输入模块

COM

光电耦合器

直流电源

输入端子

发光二极管

内部电路

3.3k

滤波

1000PF 470

5V

COM

S


分析： R1（ 3.3KΩ）与 C1（ 1000PF）组成 RC低通滤波器，抑

制输入信号的高频干扰， R2（ 470Ω)是 C1上的电荷泄放电阻，当 SB断开时， C1上的电荷通过 R2泄放。

采用光电耦合器，防止强电干扰。

内部电路

3.3k

滤波

1000PF 470

5V

COM

S


R1

C1

R2

1. 数字量输入模块——交流输入模块 C 为隔离电容，对于交流相当于短路， R1 和 R2 构成分压

电路，该电路接受外部输入电压时，其工作原理基本与直流输入模块类同。


内部电路

滤波C

5V

COM

S R1

R2

R3

～

2. 数字量输出模块——直流输出模块


内部电路负载

VL

+5V

COM

R1

R2

R3

FU

输出模块的作用是将内部电平信号转换为外部所需的电平等级的输出信号，并传给外部负载。根据电源为直流电可称为直流输出模块。

2. 数字量输出模块——交流晶闸管输出模块


采用双向光控晶闸管驱动的。工作原理是：当输出锁存器的对应位为 1 时，发光二极管导通发光，使双向晶闸管触发导通从而使负载得电。

内部电路

负载

VL

COMR1

~

VLC

R2

2. 数字量输出模块——交直流继电器输出模块


采用固体继电器驱动的。工作原理是：当输出锁存器的对应位为 1 时，使线圈得电，常开触点吸合，使负载得电。带负载能力较强，频率较低。

内部电路

负载

VL

COM

R

~VD

K

3. 模拟量输入模块模拟量输入模块是把模拟信号转换成 PLC 的 CPU 可以处理

的数字量。又称 A/D转换模块，一般模拟输入信号都为标准的传感器信号。模拟量输入模块把模拟信号转换成数字，一般为 12位二进制数。

4. 模拟量输出模块模拟量输出模块是把 PLC 的 CPU 要输出的数字量转换成外

部设备需要的模拟量（电压或电流），又称为 D/A转换模块。

5. 扩展接口模块扩展接口模块的作用是扩大 PLC 的控制规模。 6. 通信接口模块


2.2.3 2.2.3 电源模块电源模块

把外部供应的电源（一般为单相 85～ 260V 、 50/60HzAC电源）变换成系统内部各单元所需的电源（ 5V和±15VDC电源 )。

有的电源单元还向外提供 24V隔离直流电源，可供开关量输入单元连接的现场无源开关等使用。

可编程序控制器的电源一般采用开关式电源，其特点是输入电压范围宽、体积小、重量轻、效率高、抗干扰性能好。

2.2.4 2.2.4 各种接口、高性能模块各种接口、高性能模块

便于扩展小型机：一体机，有接口可扩展。

电源模块

CPU 模块 IO 模块

底板

中、大型机：模块式，可根据需要在主板上随意组合。


编程设备可以是专用的手持式的编程器；也可以是安装了专门的编程通讯软件的个人计算机。

用户可以通过键盘输入和调试程序；另外在运行时，还可以对整个控制过程进行监控。

PCFP PROGRAMMER

(HELP)CLR WRT

FN/PFL

STKIX/IY

NOTDT/Ld

READ

OTLWL

ORRWR

ANYWY

STXWX

SRC

(-)OP

(BIN)K/H

SC

CTCEV

TMTSV

ACLR ENT

BA

FEDC

98

3 2 1 0

7 6 5 4

(DELT)CLR


其他外围设备显示器、操作面板、打印机等。

1. PLC 的基本配置根据 PLC 的结构类型，基本配置分为 3种：（ 1 ）整体式结构—— S7-200 ，各组成部分均紧凑的封装在一个机壳内。

（ 2 ）模块式结构—— S7-300/400 这种结构的 PLC 控制点数比较多、功能比较强。各模块功能是独立的，外形尺寸一致，安装时将这些框架或基板上即可。

2.2.5 PLC2.2.5 PLC 的配置的配置

（ 3 ）混合式结构混合式 PLC 由 PLC 主机和扩展模块组成。其中 PLC 主机由 CPU 、存储器、通信电路、基本输入 / 输出模块、电源等基本模块组成，相当于一个整体式的 PLC ，可以单独完成控制功能。

2. PLC 的扩展配置如果控制系统的输入 /输出点数比较多，而控制规律又

不是很复杂，采用大型 PLC 成本上不经济，可以采用扩展配置方式，即主机带扩展机的配置。

（ 1）近程扩展配置—近程扩展机主要用于扩大控制规模，在主机上使用模块，除 CPU 模块外，均可在扩展机上使用。

2.2.5 PLC2.2.5 PLC 的配置的配置

（ 2 ）当有部分现场信号比较集中，而又与其他现场信号相距较远时，可采用远程扩展方式。远程扩展机主要用于扩大控制距离。 I/O模块和部分功能模块可在远程机上使用，远程站上需要电源模块。

2.3.1 PLC 的系统程序系统程序有 PLC 制造者采用汇编语言编写的，固化与 RO

M 型系统程序存储器中，用于控制 PLC 本身的运行，用户不能更改。包括下述三部分：

（ 1 ）系统管理程序——系统程序最重要的部分，整个都由它主管：运行管理、存储空间管理、系统自检。

（ 2 ）用户指令解释和编辑程序——解释程序将用户程序编译成相应的一串机器码语言，然后通过 CPU完成任务，为提高解释速度，用户程序是以内码形式存放的。

（ 3）标准程序模块和系统调用这部分是由许多独立的程序块组成的，各自完成不同的功能，如有些完成输入、输出功能，有些完成运算功能等。

2.3 PLC2.3 PLC 的软件系统的软件系统

2.3.2 PLC 的用户程序用户程序又称为应用程序，是用户为完成某一控制任务

而利用 PLC 的编程语言编制的程序。存储在系统程序指定的存储区域内。

与微机的编程一样，用户程序需要一个编程环境、一个程序结构和一个编程方法。

（ 1 ）用户环境——由系统程序生成，包括数据结构、用户元件区、用户程序存储区、用户参数等。

（ 2）用户程序结构线性程序、分块程序、结构化程序。（ 3）用户的编程语言梯形图、语句表、功能块图。

2.3 PLC2.3 PLC 的软件系统的软件系统

2.4 PLC2.4 PLC 的工作原理的工作原理

2.4.1 接线程序控制与存储程序控制

K1

K2

KT1

S1 S2 S3

KT1 S3

K1

V1+ V1-

HL2

HL1

K2

V2+ V2-

K1

继电 - 接触器控制系统是通过电器元件的固定接线来实现控制逻辑，完成控制任务的。见下图，只有 S1 和 S2两个开关都闭合后，灯 HL1才能亮； HL1亮 2s后， HL2亮。


2.4.1 接线程序控制与存储程序控制在 PLC 控制系统中，用户根据控制要求编制出相应的控制

程序，并写入 PLC 的程序存储器中，控制系统运行时， PLC依次读取程序存储器中的程序语句，对其内容进行解释并加以执行， PLC 将执行的结果输出给相应的设备。

PLC

I0.0

S2

S3

V1+ V1-V2+

HL2

HL1

I0.1 I0.2 Q0.0

Q0.1

Q0.0 I0.2 T1

#2s

T1

S1

V2-

PLC 控制系统的软继电器的解释（ 1 ）输入部分：外部输入信号由外部输入电路， PLC

输入接线端子和“输入继电器”组成。理解：外部输入信号经 PLC 接线端子去驱动输入继电器

的线圈，每个输入端子与其相同编号的输入继电器有唯一确定的对应关系。

当外部的输入元件处于接通状态时，对应的输入继电器线圈得电，在程序中其常开触点闭合，常闭触点断开，编程时应注意“输入线圈”只能由外部信号驱动，不能在程序内部用指令来驱动，因此，在用户编程的梯形图中，只能出现“输入继电器”的触点，而不应出现“输入继电器”的线圈。


PLC 控制系统的软继电器的解释实质：见输入模板图当外部输入信号的状态为“ 1”或

“ 0” 对应 D触发器为“ 1”或“ 0” 当外部输入信号是闭合回路时对应的 D 中为“ 1” ，相当于常开触点闭合（接通）

当外部输入信号是断开回路时对应的 D 中为“ 0” ，相当于常开触点断开。

故在梯形图中可取用无数次常开或常闭触点，即可以提供任意多个动合或动断触点供 PLC 控制电路编程使用。

结论： PLC 中的输入继电器是“软继电器”，它本质上是存储单元，用于存储单元可无限次的读取，所以有无数对常开常闭触点供编程时使用。


（ 2 ）内部控制电路：由用户程序形成，即用软继电器代替硬继电器的控制逻辑，由梯形图语言编制。梯形图由触点、线圈或功能方框等构成，画梯形图时，从左母线开始，经过触点、线圈（或功能方框）终止于右母线（ s7-200右母线省略）。读梯形图时，可把左母线看作是提供能量的母线，触点闭合可以使能流流过，触点断开，阻止能流流过，线圈代表逻辑输出的结果，实际上，并不存在这种能流，只是为仿继电器的读法而已。

PLC

I0.0

S2

S3

V1+ V1-V2+

HL2

HL1

I0.1 I0.2 Q0.0

Q0.1

Q0.0 I0.2 T1

#2s

T1

S1

V2-


（ 3 ）输出部分（以继电器输出型 PLC 为例）由在 PLC 内部且与内部控制电路隔离的输出继电器的外部动合触点、输出接线端子和外部驱动电路组成，用于驱动外部负载，输出继电器线圈的通断状态只能在程序内部用指令驱动。 PLC 内部控制电路中有许多输出继电器，每个输出继电器除了有为内部控制电路提供编程用的任意多个动合、动断触点外，还为外部负载电路提供了一个实际的动合触点与外部接线端子相连，驱动外部负载，负载电路必须由外部电源提供。

问题：1 、梯形图中的常开、常闭触点是现场的物理开关触点吗？2 、梯形图中的输出线圈是物理线圈吗？


PLC 与继电器控制的比较： PLC 的程序控制中，广泛应用梯形图，并使用简单的指令系统将梯形图变成 PLC 能接受的程序，由编程器键入 PLC 内部的用户存储器，为了便于应用和推广，梯形图与继电器控制图有许多类似之处，同时，由于 PLC 的结构、工作原理与继电器控制系统截然不同，故二者又存在许多差异。

相同之处：（ 1）电路结构形式基本相同；（ 2 ）梯形图大致沿用了继电器控制电路元件符号，仅个别处有些不同；

（ 3）信号输入 /输出形式及控制的功能相同。不同之处：（ 1 ）组成器件不同：继电器控制线路是由许多真正的硬件继电器组成，而梯形图则由许多“软继电器”组成，它们实质是存储器中的每一个触发器，硬件继电器易磨损，而“软继电器”无磨损现象。


（ 2 ）工作方式不同：在继电器控制线路中，当电源接通时，线路中各继电器都处于受制约状态，即该吸合的继电器都同时吸合，不该吸合的继电器都因受某种条件限制不能吸合；在梯形图的控制线路中 , 图中各软继电器都处于周期性循环扫描接通中，受同一条件制约的各个继电器的动作次序由程序扫描顺序决定。

（ 3 ）触点数量不同：硬继电器的触点数量有限，用于控制的继电器的触点一般只有 4～ 8对，而梯形图中每只软继电器供编程使用的触点数量有无限对，因为存储器中的触发器状态（电平）可去用任意次。

（ 4 ）编程方式不同：在继电器控制线路中，为了达到某种控制目的，要求安全可靠，节约触点使用量，因此设置了许多制约关系连锁环节。在梯形图中，用于是扫描工作方式，不存在几个并列支路同时动作的因素，大大简化了电路的设计。


PLC 控制系统等效电路图


PLC 的工作原理——建立 I/O映像区

输入点总有输入映象区的某一位与之相对应

I/O映象区的大小与系统控制的规模有关。

PLC 工作时，将采集到的输入信号状态存放在输入映象区对应的位上；将运算的结果存放到输出映象区对应的位上。 PLC 在执行用户程序时所需“输入继电器”、“输出继电器”的数据取用于 I/O映象区，而不直接与外部设备发生关系。


2.4.2 PLC2.4.2 PLC 的循环扫描工作过程的循环扫描工作过程

定期检查用户程序存储器、 I/O 单元的连接、 I/O 总线是否正常，定期复位监控定时器 WDT

PLC 之间以及 PLC 与 PC 之间； PLC 与其他带微处理器的智能装置通信

编程器、终端设备、彩色图形显示器、打印机

以扫描的方式按顺序逐句扫描处理，运算结果存入输出映象区对应位中

扫描的方式输入信号的状态存入输入映象区；结果存入输出映象区，直至传送到外部被控设备。

清除内部继电器区，复位定时器等，并进行自诊断，对电源、 PLC 内部电路、用户程序的语法进行检查。

初始化

CPU自诊断

通信信息处理

与外设交换信息

执行用户程序

输入输出信息处理

输入映象寄存器

（）

（）

输入端子

用户程序执行输出映象寄存器

输出锁存器

输出端子

输入采样阶段程序执行阶段输出刷新阶段

（集中输入）（集中输出）

输出

可编程序控制器对用户程序进行循环扫描可分为三个阶段进行，即输入采样阶段，程序执行阶段和输出刷新阶段。

对用户编程者来说，没有必要了解 PLC 系统的动作过程，但对 PLC 在运行状态执行用户指令的动作过程比了解。


PLC 的工作过程举例

I0.0

SB2

I0.1 Q0.0

Q0.0

输入采样阶段

SB1

CPU224

FR I0.2

I0.0

I0.1

L+

I0.2

Q0.0

~Q

每个周期刷新一次

与常开触点状态保持一致

I0.0I0.1

启动

停止

KM

输出刷新阶段

随时刷新

Q0.0


如果热继电器 FR动作（其常闭触点断开）后需要手动复位，可将 FR的常闭触点与接触器的线圈串联，这样，可以少用一个 PLC 的输入点，梯形图 I0.0 、 I0.1 、 I0.2是输入量， Q0.0 是输出量，它们是梯形图的编程元件。

I0.0 与接在输入端子 0.0 的 SB1常开触点相对应， I0.1与接在输入端子 0.1 的 SB2常开触点相对应， I0.2 与接在输入端子 0.1 的 FR 常开触点相对应， Q0.0 与接在输出端子 0.0 的 PLC地输出电路和输出继电器 Q的 Q0.0 相对应；

梯形图是以指令的形式存储在 PLC 的用户存储器中，在输入采样阶段， CPU 将 SB1 、 SB2 的常开触点的 ON/OFF 状态读入响应的输入映像寄存器Ｉ，当外部触点接通时，将“１”送入Ｉ中，反之存入“０”。


PLC举例分析（续）：执行第一条指令时，从Ｉ中的Ｉ 0.0 中取二进制数，并

存入堆栈的栈顶，执行第二条指令时，从Ｑ的Ｑ 0.0 中取出二进制数并与栈顶中的二进制数相或，运算结果存入栈顶，运算结束后，只保留运算结果，不保留参与运算的数据。执行第三条指令时，因为是常闭触点，取Ｉ的Ｉ０ .１的二进制数后，将它取反后与前面的运算结果相“与”，然后存入栈顶，执行第四条指令时，将栈顶中的二进制数复制到Ｑ的 Q0.0 中；

在输出刷新阶段， CPU 将各 Q中的二进制数送到输出模块并锁存起来，若 Q0.0 的二进制数是 1 ，外接的 KM 线圈将通电，反之，将断开。


输入、输出延迟响应 ① 输入电路滤波时间，它由 RC滤波电路的时间常数决定。改变时间常数可调整输入延迟时间。

③ PLC循环扫描的工作方式

⑤ 用户程序中语句的安排 ④ PLC对输入采样、输出刷新的集中处理方式

② 输出电路的滞后时间，它与输出电路的输出方式有关。继电器输出方式的滞后时间为 10ms左右；双向晶闸管输出方式，在接通负载时滞后时间约为 1ms，切断负载时滞后时间小于 10ms ；晶体管输出方式的滞后时间小于 1ms。


CPU 读输入

输入输出延迟时间——最短响应时间输入输出延迟时间——最短响应时间输入 / 输

出刷新时间

最短响应时间 = 输入延迟时间 + 一个扫描周期 + 输出延迟时间

输出刷新

CPU 读输入

输入 / 输

出刷新时间

输入输出延迟时间——最长响应时间输入输出延迟时间——最长响应时间

最长响应时间 = 输入延迟时间 + 两个扫描时间 + 输出延迟时间

输出刷新

Q0. 0 M2. 1

输入采样

输出刷新

程序执行

输入采样

程序执行

输入采样

程序执行

输出刷新

输入采样

程序执行

输出刷新

3第周期1第周期 2第周期

I 0. 2输入端子

I 0. 2输入映象寄存器

Q0. 0输出映象寄存器

Q0. 0输出端子

M2. 0位存储器

M2. 1位存储器

I 0. 2 Q0. 0

M2. 0Q0. 0

输入输出延迟时间——最长响应时间输入输出延迟时间——最长响应时间

2.5 PLC2.5 PLC 的循环扫描工作过程的循环扫描工作过程

2.5 PLC2.5 PLC 的主要性能指标的主要性能指标

PLC 的技术指标有很多种，主要可以从以下几个方面衡量一个产品的技术性能。

1. 输入 /输出（ I/O）点数 2. 存储器容量 3.扫描速度 4. 指令种类和条数 5. 特殊 I/O 单元 6.支持软件 7. 联网能力和网络通信能力 8. 适应环境能力

小结小结

PLC 作为一种工作控制标准设备，尽管厂家和种类繁多，但是他们都具有相同的工作原理，使用方法也大同小异。

1.PLC 是计算机技术与继电 -接触器控制技术相结合的产物。它为工业环境下的应用而设计，可靠性高、使用方便。

2.PLC 的功能不断增强，使 PLC 的应用领域不断扩大，使用方式也更加丰富。

3.PLC 的组成主要有 CPU 模块、 I/O模块、电源模块和外部设备等，按集中采样、集中输出、按周期循环扫描方式工作。

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第二章 PLC 软、硬件组成及工作原理