第 2章 可编程序控制器结构和工作原理
2.1 结构和工作原理
2.2 技术性能指标
2.3 编程语言
2.1 结构和工作原理
2.1.1 结构
2.1.2 工作原理返回本章首页
2.1.1 结构
PLC专为工业场合设计,采用了典型的计算机结构,主要是由 CPU,电源,存储器和专门设计的输入输出接口电路等组成 。 下图为一典型 PLC结构简图 。
C P U
存储器电源部分输入单元输出单元编程器或其他设备按钮 接触器电磁阀指示灯行程开关继电器触点整体式编程器外部设备中央处理单元电源存储器输入模块输出模块用户输出设备用户输入设备组合式
1,中央处理单元
中央处理单元（ CPU）一般由控制器、运算器和寄存器组成，这些电路都集成在一个芯片上。
（ 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 采用 8位微处理器中型 采用 16位微处理器大型 采用高速位片式微处理器
CPU的主要任务：
1）接收与存储用户由编程器键入的用户程序和数据
2）检查编程中的语法错误，诊断电源及 PLC
内部的工作故障
3）用扫描方式接收现场输入信号，并存入相应存储区
4） 从存储器中读取指令并 执行指令（顺序取指令）
5）处理中断
2,存储器存储器（ RAM/ROM）：
ROM：存系统程序（ CMOS固化监控程序和解释程序）
RAM：存用户程序和工作状态数据
RAM的经验计算：以字（ 16位）为单位逻辑控制 时,RAM=（ I+O） *10
有 AD时,RAM=AD*120
有 AD和 DA时,RAM=（ AD+DA） *250
3,输入输出单元是现场与 PLC间的桥梁开关量、模拟量、特殊量（远程、干结点）
（ 1）输入接口电路
（ 2）输出接口电路输入、输出接口,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。
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。
输入接口电路
通常 PLC的输入类型可以是 直流,交流和 交直流 。
输入电路的电源可由外部供给，有的也可由 PLC内部提供。
输入方式一般有以下三种：
直流汇点输入方式
交流汇点输入方式
分隔式输入方式内部电路
C O M
输入1
输入 n
直流汇点输入方式
（ 1）输入接口电路,采用 光电耦合器，防止强电干扰。
COM 光电三极管发光二极管直流电源输入端子
+ –
PLC
Xn
+
24V
–
内部电路
3,3 k
1 0 0 0 P F
4 7 0
内部电路发光二极管交流汇点输入方式滤波滤波输入选择器
I/O
总线
+9V
+9V
1
8
( 1 6 )
1 1 5 V A C
滤波滤波输入选择器总线
+9V
+9V
1 1 5 V A C
1 1 5 V A C
I/O
分隔式输入方式滤波滤波输入选择器
I/O
总线
+9V
+9V
1
8
( 1 6 )
1 1 5 V A C
滤波滤波输入选择器总线
+9V
+9V
1 1 5 V A C
1 1 5 V A C
I/O
输出接口电路
通常 PLC的输出类型可以是直流、交流和交直流。输出电路的电源可由外部供给，有的也可由 PLC内部提供。
一般有以下四种：
晶体管输出方式
场效应管输出方式
固体继电器输出方式
有触点继电器输出方式继电器输出
（ 2）输出接口电路：
以 继电器形式为例
：
PLC
内部电路内部电路
J
+
交流电源或直流电源
Y
COM
-
采用晶体管输出的多路汇点输出接口电路
+9V 24V
+9V
24V
24V
输出锁存器
I/O
总线
+9V + 2 4 V
+9V + 2 4 V
+ 2 4 V
输出锁存器总线
I/O
SSR
+
-
SSR
+
-
2 3 0 V A C
输出锁存器总线
I/O
采用场效应管输出的多路汇点输出接口电路
+9V + 2 4 V
+9V + 2 4 V
+ 2 4 V
输出锁存器总线
I/O
SSR
+
-
SSR
+
-
2 3 0 V A C
输出锁存器总线
I/O固体继电器输出方式其它
电源,DC24V； AC220V
编程器：手持式、计算机
PC
FP PROGRAMMER
(HELP)
CLR WRT
FN/P
FL
STK
IX/IY
NOT
DT/Ld
READ
OT
L?WL
OR
R?WR
AN
Y?WY
ST
X?WX
SRC
(-)
OP
(BIN)
K/H
SC
CT
C?EV
TM
T?SV
ACLR ENT
BA
FEDC
98
3210
7654
(DELT)
CLR
手持式的编程器
2.1.2 工作原理
1,循环扫描
PLC采用 循环扫描工作方式 。 这个工作过程一般包括五个阶段：内部处理,与编程器等的通信处理,输入扫描,用户程序执行,输出处理,其工作过程如图所示 。
PLC
工作过程公共部分扫描时间 T1
外设扫描时间 T3
用户程序执行时间 T4
I／ 0扫描时间 T5
通信服务扫描时间 T2
PLC执行的五个阶段,称为一个扫描周期,
PLC完成一个周期后,又重新执行上述过程,扫描周而复始地进行 。
PLC的扫描周期 T =公共部分扫描时间 T1
(几十毫秒 ) +通信服务 T2
+外设扫描时间 T3
+用户程序执行时间 T4
+ I／ 0扫描时间 T5
PLC的 I／ 0响应时间：输入触点闭合到输出触点闭合的时间。
PLC的 I／ 0响应时间 =输入延迟时间
+扫描周期
+等待刷新时间
+输出延迟时间
PLC I/O处理示意图一 个 扫 描 周 期输 入端 子输 入 滤 波电 路 输 出输 出端 子最 短 I / O 响 应 时 间执 行 指 令 执 行 指 令一 个 扫 描 周 期输 入 延 迟 时 间输 出 延 迟 时 间
CPU读输入输入输出延迟时间 —— 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 +输出延迟时间按钮 接触器按钮输入电路输入映象寄存器输出映象寄存器输出电路（ ）
程序执行图 2.5 程序执行原理图注意：输入信号的宽度必须大于一个扫描周期，否则就检测不到该信号。
一 个 扫 描 周 期输 入端 子输 入 滤 波电 路 输 出输 出端 子最 长 I / O 响 应 时 间执 行 指 令 执 行 指 令一 个 扫 描 周 期输 入 延 迟 时 间输 出 延 迟 时 间
CPU读输入输入 /输出刷新时间输入输出延迟时间 —— 最长响应时间最长响应时间 =输入延迟时间 +两个扫描时间 +输出延迟时间
2,与计算机的异同
相同点：
（ 1）基本结构相同
（ 2）程序执行原理相同
不同点：
（ 1） 工作方式不同 。
（ 2） 可工作环境不同 。
（ 3） 编程语言不同 。
3,与继电接触器的异同
相同点：
图形结构和逻辑关系相同。
不同点：
（ 1） 实现原理不同 （ 硬继电器,
软继电器 ）
（ 2） 工作方式不同
（ 3） 安装,维护量不同举例 有三个开关 S1,S2,S3
控制要求,S1,S2都接通，灯 HL1亮,2s后灯 HL2亮。当开关 S3接通，两个灯同时灭。
V1-
V2-
V1+继电器控制
S1 S2 S3 K1
S3KT0 K2
K1 KT0
K1
K2
HL1
HL2
V1+
V2+
V2+PLC控制
PLC
V2-
V1-
HL1
HL2
S1
S2
S3
I0.0
I0.1
I0.2
Q0.0
Q0.1
输入输出
I0.0 I0.1 I0.2 Q0.0
Q0.0 I0.2
Q0.1
T32
EN
PT2000
T32
梯形图程序继电器控制
S1 S2 S3 K1
S3KT0 K2
K1 KT0
K1
K2
HL1
HL2
V1+
V2+
V1-
V2-
2.3 技术性能指标
1,外形尺寸
2,输入输出点数
3.速度
4.存储器容量
5.指令系统
6.扩展性
7.通信功能
PLC组成控制系统所能介入的最大数量以执行 1000字指令所需的时间来衡量
ms/千字指令长度或指令条数允许扩展的模块个数
2.4 编程语言
IEC-1131标准规定 PLC的 5种编程语言：
1.FBD(Function Block Diagram)功能图块语言（功能块）
2.SFC(Sequence Function Chart)顺序功能图语言（流程图）
3.LD(Ladder Diagram)梯形图语言
4.ST(Structure Text)结构化文本语言（类似 Pascal等 )
5.IL(Instruction List)语句表语言 STL
梯形图编程 语句表（助记符）
LD I0,0 // 装入常开触点
O I0,1 // 或常开触点
A I0,2 // 与常开触点
= Q 0,0 // 输出触点
// 如果本梯级中将 I0,1 的触点改
// 为 Q 0,0 的常开触点，则成为电
// 机起动停止控制环节的梯形图。
L D N I0,0 // 装入常闭触点
ON I0,1 // 或常闭触点
AN I0,2 // 与常闭触点
= Q 0,1 //
LD I0,0 //
O I0,1 //
A I0,2 //
NOT // 取非，即输出反相
= Q 0,3 //
逻辑符号图编程
PLC高级语言编程
PASCAL
BASIC
C
汇编
了解,PLC结构
掌握,PLC工作原理
PLC输入、输出电路接线方式本章小结
2.1 结构和工作原理
2.2 技术性能指标
2.3 编程语言
2.1 结构和工作原理
2.1.1 结构
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2.1.1 结构
PLC专为工业场合设计,采用了典型的计算机结构,主要是由 CPU,电源,存储器和专门设计的输入输出接口电路等组成 。 下图为一典型 PLC结构简图 。
C P U
存储器电源部分输入单元输出单元编程器或其他设备按钮 接触器电磁阀指示灯行程开关继电器触点整体式编程器外部设备中央处理单元电源存储器输入模块输出模块用户输出设备用户输入设备组合式
1,中央处理单元
中央处理单元（ CPU）一般由控制器、运算器和寄存器组成，这些电路都集成在一个芯片上。
（ 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 采用 8位微处理器中型 采用 16位微处理器大型 采用高速位片式微处理器
CPU的主要任务：
1）接收与存储用户由编程器键入的用户程序和数据
2）检查编程中的语法错误，诊断电源及 PLC
内部的工作故障
3）用扫描方式接收现场输入信号，并存入相应存储区
4） 从存储器中读取指令并 执行指令（顺序取指令）
5）处理中断
2,存储器存储器（ RAM/ROM）：
ROM：存系统程序（ CMOS固化监控程序和解释程序）
RAM：存用户程序和工作状态数据
RAM的经验计算：以字（ 16位）为单位逻辑控制 时,RAM=（ I+O） *10
有 AD时,RAM=AD*120
有 AD和 DA时,RAM=（ AD+DA） *250
3,输入输出单元是现场与 PLC间的桥梁开关量、模拟量、特殊量（远程、干结点）
（ 1）输入接口电路
（ 2）输出接口电路输入、输出接口,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。
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。
输入接口电路
通常 PLC的输入类型可以是 直流,交流和 交直流 。
输入电路的电源可由外部供给，有的也可由 PLC内部提供。
输入方式一般有以下三种：
直流汇点输入方式
交流汇点输入方式
分隔式输入方式内部电路
C O M
输入1
输入 n
直流汇点输入方式
（ 1）输入接口电路,采用 光电耦合器，防止强电干扰。
COM 光电三极管发光二极管直流电源输入端子
+ –
PLC
Xn
+
24V
–
内部电路
3,3 k
1 0 0 0 P F
4 7 0
内部电路发光二极管交流汇点输入方式滤波滤波输入选择器
I/O
总线
+9V
+9V
1
8
( 1 6 )
1 1 5 V A C
滤波滤波输入选择器总线
+9V
+9V
1 1 5 V A C
1 1 5 V A C
I/O
分隔式输入方式滤波滤波输入选择器
I/O
总线
+9V
+9V
1
8
( 1 6 )
1 1 5 V A C
滤波滤波输入选择器总线
+9V
+9V
1 1 5 V A C
1 1 5 V A C
I/O
输出接口电路
通常 PLC的输出类型可以是直流、交流和交直流。输出电路的电源可由外部供给，有的也可由 PLC内部提供。
一般有以下四种：
晶体管输出方式
场效应管输出方式
固体继电器输出方式
有触点继电器输出方式继电器输出
（ 2）输出接口电路：
以 继电器形式为例
：
PLC
内部电路内部电路
J
+
交流电源或直流电源
Y
COM
-
采用晶体管输出的多路汇点输出接口电路
+9V 24V
+9V
24V
24V
输出锁存器
I/O
总线
+9V + 2 4 V
+9V + 2 4 V
+ 2 4 V
输出锁存器总线
I/O
SSR
+
-
SSR
+
-
2 3 0 V A C
输出锁存器总线
I/O
采用场效应管输出的多路汇点输出接口电路
+9V + 2 4 V
+9V + 2 4 V
+ 2 4 V
输出锁存器总线
I/O
SSR
+
-
SSR
+
-
2 3 0 V A C
输出锁存器总线
I/O固体继电器输出方式其它
电源,DC24V； AC220V
编程器：手持式、计算机
PC
FP PROGRAMMER
(HELP)
CLR WRT
FN/P
FL
STK
IX/IY
NOT
DT/Ld
READ
OT
L?WL
OR
R?WR
AN
Y?WY
ST
X?WX
SRC
(-)
OP
(BIN)
K/H
SC
CT
C?EV
TM
T?SV
ACLR ENT
BA
FEDC
98
3210
7654
(DELT)
CLR
手持式的编程器
2.1.2 工作原理
1,循环扫描
PLC采用 循环扫描工作方式 。 这个工作过程一般包括五个阶段：内部处理,与编程器等的通信处理,输入扫描,用户程序执行,输出处理,其工作过程如图所示 。
PLC
工作过程公共部分扫描时间 T1
外设扫描时间 T3
用户程序执行时间 T4
I／ 0扫描时间 T5
通信服务扫描时间 T2
PLC执行的五个阶段,称为一个扫描周期,
PLC完成一个周期后,又重新执行上述过程,扫描周而复始地进行 。
PLC的扫描周期 T =公共部分扫描时间 T1
(几十毫秒 ) +通信服务 T2
+外设扫描时间 T3
+用户程序执行时间 T4
+ I／ 0扫描时间 T5
PLC的 I／ 0响应时间：输入触点闭合到输出触点闭合的时间。
PLC的 I／ 0响应时间 =输入延迟时间
+扫描周期
+等待刷新时间
+输出延迟时间
PLC I/O处理示意图一 个 扫 描 周 期输 入端 子输 入 滤 波电 路 输 出输 出端 子最 短 I / O 响 应 时 间执 行 指 令 执 行 指 令一 个 扫 描 周 期输 入 延 迟 时 间输 出 延 迟 时 间
CPU读输入输入输出延迟时间 —— 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 +输出延迟时间按钮 接触器按钮输入电路输入映象寄存器输出映象寄存器输出电路（ ）
程序执行图 2.5 程序执行原理图注意：输入信号的宽度必须大于一个扫描周期，否则就检测不到该信号。
一 个 扫 描 周 期输 入端 子输 入 滤 波电 路 输 出输 出端 子最 长 I / O 响 应 时 间执 行 指 令 执 行 指 令一 个 扫 描 周 期输 入 延 迟 时 间输 出 延 迟 时 间
CPU读输入输入 /输出刷新时间输入输出延迟时间 —— 最长响应时间最长响应时间 =输入延迟时间 +两个扫描时间 +输出延迟时间
2,与计算机的异同
相同点：
（ 1）基本结构相同
（ 2）程序执行原理相同
不同点：
（ 1） 工作方式不同 。
（ 2） 可工作环境不同 。
（ 3） 编程语言不同 。
3,与继电接触器的异同
相同点：
图形结构和逻辑关系相同。
不同点：
（ 1） 实现原理不同 （ 硬继电器,
软继电器 ）
（ 2） 工作方式不同
（ 3） 安装,维护量不同举例 有三个开关 S1,S2,S3
控制要求,S1,S2都接通，灯 HL1亮,2s后灯 HL2亮。当开关 S3接通，两个灯同时灭。
V1-
V2-
V1+继电器控制
S1 S2 S3 K1
S3KT0 K2
K1 KT0
K1
K2
HL1
HL2
V1+
V2+
V2+PLC控制
PLC
V2-
V1-
HL1
HL2
S1
S2
S3
I0.0
I0.1
I0.2
Q0.0
Q0.1
输入输出
I0.0 I0.1 I0.2 Q0.0
Q0.0 I0.2
Q0.1
T32
EN
PT2000
T32
梯形图程序继电器控制
S1 S2 S3 K1
S3KT0 K2
K1 KT0
K1
K2
HL1
HL2
V1+
V2+
V1-
V2-
2.3 技术性能指标
1,外形尺寸
2,输入输出点数
3.速度
4.存储器容量
5.指令系统
6.扩展性
7.通信功能
PLC组成控制系统所能介入的最大数量以执行 1000字指令所需的时间来衡量
ms/千字指令长度或指令条数允许扩展的模块个数
2.4 编程语言
IEC-1131标准规定 PLC的 5种编程语言：
1.FBD(Function Block Diagram)功能图块语言（功能块）
2.SFC(Sequence Function Chart)顺序功能图语言（流程图）
3.LD(Ladder Diagram)梯形图语言
4.ST(Structure Text)结构化文本语言（类似 Pascal等 )
5.IL(Instruction List)语句表语言 STL
梯形图编程 语句表（助记符）
LD I0,0 // 装入常开触点
O I0,1 // 或常开触点
A I0,2 // 与常开触点
= Q 0,0 // 输出触点
// 如果本梯级中将 I0,1 的触点改
// 为 Q 0,0 的常开触点，则成为电
// 机起动停止控制环节的梯形图。
L D N I0,0 // 装入常闭触点
ON I0,1 // 或常闭触点
AN I0,2 // 与常闭触点
= Q 0,1 //
LD I0,0 //
O I0,1 //
A I0,2 //
NOT // 取非，即输出反相
= Q 0,3 //
逻辑符号图编程
PLC高级语言编程
PASCAL
BASIC
C
汇编
了解,PLC结构
掌握,PLC工作原理
PLC输入、输出电路接线方式本章小结
