第二章 可编程序控制器的组成和工作原理 教学提示：要正确地应用PLC去完成各种不同的控制任务，必须了解PLC的工作原理和技术构成。PLC产品种类较多，不同型号的PLC在结构上有一定的区别，但它们的基本组成和工作原理却是基本相同的。了解PLC的基本组成和工作原理对后续课程的学习和系统设计很有必要。 教学要求：本章让学生了解PLC的基本结构、各部分的作用和I/O接口电路，熟悉PLC的基本工作原理，了解PLC在程序编制过程中所使用的几种编程语言，对PLC系统有一个基本和全面的认识。

第二章 可编程序控制器的组成和工作原理 2.1 PLC的组成及各部件的作用 2.2 PLC的输入与输出接口 2.3 PLC的工作原理 第二章 可编程序控制器的组成和工作原理 2.1 PLC的组成及各部件的作用 2..1.1 PLC的硬件组成 2.1.2 PLC的软件组成 2.2 PLC的输入与输出接口 2.2.1 PLC的开关量输入接口 2.2.2 PLC的开关量输出接口 2.3 PLC的工作原理 2.4 PLC的编程语言 2.4.1 PLC编程语言的国际标准 2.4.2 梯形图的特点

2.1 PLC的组成及各部件的作用 2.1.1 PLC的硬件组成 PLC的硬件系统由主机、输入/输出扩展单元及外部设备组成，如图2.1所示。

1.中央处理器（Central Processing Unit,CPU） PLC主要组成部件及其主要作用如下 ： 1.中央处理器（Central Processing Unit,CPU） CPU由微处理器和控制器组成，它可以实现逻辑运算和数学运算，协调控制系统内部各部分的工作。 PLC常用的CPU有通用微处理器、单片机和位片式微处理器。通用微处理器按其处理数据的位数可分为4位、8位、16位和32位等。PLC大多用8位和16位微处理器。 控制器的作用是控制整个微处理器的各个部件有条不紊的进行工作，它的基本功能就是从内存中读取指令和执行指令。

控制器的主要功能有以下几点： （1）采集由现场输入装置送来的状态或数据，通过输入接口存人输入映像寄存器或数据寄存器中，用扫描方式接收输入设备的状态信号，并存入相应的数据区(输入映像寄存器)。 （2）按用户程序存储器中存放的先后次序逐条读取指令，完成各种数据的运算、传递和存储等功能，进行编译解释后，按指令规定的任务完成各种运算和操作。 （3）把各种运算结果向外界输出。 （4）监测和诊断电源以及PLC内部电路工作状态和用户程序编程过程中出现的语法错误。 （5）根据数据处理的结果，刷新有关标志位的状态和输出状态寄存器表的内容，响应各种外部设备（如编程器、打印机、上位计算机、图形监控系统、条码判读器等）的工作请求，以实现输出控制、制表打印或数据通信等功能。

2．存储器 PLC的存储器主要包括： （1）只读存储器(Read Only Memory，ROM) （2）可编程只读存储器(Programmable Read Only Memory，PROM) （3）可擦除可编程只读存储器((Erasable Programmable Read Only Memory，EPROM) （4）电可擦除可编程只读存储器((Electrically Erasable Programmable Read Only Memory, EEPROM) （5）随机存取存储器(Random Access Memory, RAM)

3．输入/输出接口单元 4．输入/输出扩展单元 5．编程装置 输入／输出接口单元通常也称I／O单元或I／O模块，是PLC与工业过程控制现场之间的连接部件 4．输入/输出扩展单元 输入/输出扩展单元是用来扩展PLC的输入、输出点数 5．编程装置 （1）专用编程器 （2）配有专用编程软件包的通用计算机系统

外部设备接口是可编程序控制器主机实现人—机对话、机—机对话的通道 6．电源 PLC的电源是指把外部供应的交流电源经过整流、滤波、稳压处理后转换成满足PLC内部的CPU、存储器和I/O接口等电路工作所需要的直流电源电路或电源模块 7．通讯接口 PLC配有各种通信接口，这些通信接口一般都带有通信处理器 8．外部设备接口及特殊模块 外部设备接口是可编程序控制器主机实现人—机对话、机—机对话的通道

2.1.2 PLC的软件组成 1. 系统程序 （1）系统管理程序 （2）用户指令解释程序 （3）标准模块和系统调用 2. 用户程序 运行管理 存储空间的分配管理 系统自检程序 （2）用户指令解释程序 （3）标准模块和系统调用 2. 用户程序 PLC的用户程序是用户利用PLC厂家提供的编程语言，根据工业现场的控制目的来编制的程序

2.2 PLC的输入与输出接口 2.2.1 PLC的开关量输入接口 开关量输入接口的作用是把现场的开关量信号转变成PLC内部可处理的标准信号 常用的开关量输入接口按其使用电源不同可以分成三种类型 ： 直流输入接口 交流输入接口 交/直流输入接口

图2.2是FX1N基本单元直流输入电路的示意图，COM是各输入信号的公共点

2.2.2 PLC的开关量输出接口 1. 晶体管输出型接口 图2.3 晶体管型输出电路 晶体管输出单元的驱动电路一般采用三极管进行驱动放大，其输出方式一般为集电极输出，外加直流负载电源，电路如图2.3所示 图2.3 晶体管型输出电路

2. 继电器输出型接口 图2.4 继电器型输出电路

3.晶闸管型输出电路 图2.5 晶闸管型输出电路

2.3 PLC的工作原理 1．循环扫描的工作原理 PLC的—个工作过程主要分三个阶段进行 输入采样阶段 程序执行阶段 输出刷新阶段 PLC的工作方式是一种串行循环工作方式 ，如图2.6所示

图2.6 PLC的循环扫描过程

2. PLC的工作状态 3. 扫描周期和响应时间 PLC有两种工作状态 运行(RUN)状态 停止(STOP)状态 扫描周期的长短主要取决于子以下几个因素 CPU执行指令的速度 执行每条指令占用的时间 程序中指令条数的多少 响应时间可以分为 最短响应时间 最短响应时间

2.4 PLC的编程语言 2.4.1 PLC编程语言的国际标准 1. 梯形图语言(Ladder Diagram，LD) 进行梯形图编程过程中涉及到以下几个基本概念： 能流 母线 软触点 图2.8 梯形图和能流

2. 功能图块(FBD) 图2.9 功能图块 3. 状态转移图(SFC) 图2.10 状态转移图

4. 指令语言（IL） PLC的指令是一种与微机的汇编语言中的指令相似的助记符表达式 。把图2.9所示梯形图程序用指令语言编写如下： 序号 操作码 操作数 1 LD X0 2 OR M0 3 ANDI X1 4 OUT Y0 5. 结构文本（ST）

2.4.2 梯形图的特点 梯形图设计语言有以下几个基本特点： 2.4.2 梯形图的特点 梯形图设计语言有以下几个基本特点： 1. PLC梯形图与电气操作原理图相对应，具有直观性和对应性，并与传统的继电器逻辑控制技术相一致 2. 梯形图中的“能流”(Power Flow)不是实际意义的电流，而是“概念”电流，是用户程序解算中满足输出执行条件的形象表示方式 3. 梯形图中各编程元件所描述的常开触点和常闭触点可在编制用户程序时无限引用，不受次数的限制，既可常开又可常闭 4. 梯形图格式中的继电器与物理继电器是不同概念

5. 梯形图中输入继电器的状态唯一地取决于对应的外部输入电路的通断状态，因此在梯形图中没有输入继电器的线圈 6. 根据梯形图中各触点的状态和逻辑关系，可以求出与图中各线圈对应的编程元件的ON／OFF状态，称为梯形图的逻辑解算 7. 梯形图中的用户逻辑解算结果，马上可为后面用户程序的解算所利用 8. 梯形图语言与其它程序设计语言有一一对应关系，便于相互的转换和对程序的检查

小 结 PLC是一种工业控制计算机，由硬件和软件组成。硬件有CPU、存储器、输入输出接口、编程器、特殊功能模块等；软件由系统软件和用户（应用）软件构成 在系统程序的管理下，PLC以循环扫描的方式通过运行应用程序，对控制要求进行处理判断，并通过执行用户程序来实现控制任务 PLC的编程语言有梯形图、状态转移图、功能图块、指令语言和结构文本