第1章 可编程控制器的硬件 构成及工作原理 1.1 可编程控制器的硬件构成 1.2 可编程控制器的工作原理

1.1 可编程控制器的硬件构成 1.1.1 CPU模块 1.1.2 输入输出接口电路 1.1.3 电源 1.1.4 外部设备

1.1 可编程控制器的硬件构成 可编程控制器主机 可编程控制器编程器 图1.1 可编程控制器及编程器

1.1 可编程控制器的硬件构成 PLC由CPU、存储器、输入/输出接口、内部电源和编程设备几部分构成 图1.2 PLC的硬件结构

1.1.1 CPU模块 CPU模块（中央处理器+存储器） CPU是PLC的运算控制中心，它在系统程序的控制下，完成逻辑运算、数学运算、协调系统内部各部分的工作，其具体作用是： 接受、存储用户程序； 按扫描工作方式接收来自输入单元的数据和信息，并存入相应的数据存储区； 执行监控程序和用户程序，完成数据和信息的逻辑处理，产生相应的内部控制信号，完成用户指令规定的各种操作； 响应外部设备的请求。

1.1.1 CPU模块 存储器用于存放系统程序、用户程序和运行中的数据。包括只读存储器(ROM)和随机存取存储器(RAM)。 EPROM：可擦除程序的只读存储器，用紫外线照射芯片上的透镜窗口，可以擦除已写入的内容，而写入新的程序。 EEPROM：可电擦除的只读存储器，兼有ROM的非易失性和RAM的随机存取的优点。 ROM存放系统程序 RAM存放用户程序

1.1.2 输入输出接口 输入输出接口是PLC与工业控制现场各类信号连接的部分。 输入接口用来接受生产过程的各种参数（输入信号）。 1.1.2 输入输出接口 输入输出接口是PLC与工业控制现场各类信号连接的部分。 输入接口用来接受生产过程的各种参数（输入信号）。 输出接口用来送出可编程控制器运算后得出的控制信息（输出信号），并通过机外的执行机构完成工业现场的各类控制。 为了适应可编程控制器在工业生产现场的工作，对输入输出接口有二个主要的要求： 良好的抗干扰能力 能满足工业现场各类信号的匹配要求

1.1.2 输入输出接口 可编程控制器为不同的接口需求设计了不同的接口单元： 1.1.2 输入输出接口 可编程控制器为不同的接口需求设计了不同的接口单元： 开关量输入接口 其作用是把现场的开关量信号变成可编程控制器内部处理的标准信号。 开关量输入接口按可接纳的外部信号电源的类型不同，分为直流输入单元和交流输入单元。 开关量输出接口 其作用是把可编程内部的标准信号转换成现场执行机构所需的开关量信号。 开关量输出接口按可编程控制器机内使用的器件不同，分为继电器型、晶体管型和可控硅型。

1.1.2 输入输出接口 1．开关量输入接口 图1.3 直流开关量输入单元

1.1.2 输入输出接口 1．开关量输入接口 图1.3 交流开关量输入单元

1.1.2 输入输出接口 输入接口的接线方式（汇点式） 图1.4 输入电路的连接

1.1.2 输入输出接口 ２．开关量输出接口 开关量输出接口，其作用是把PLC的内部信号转换成现场执行机构的各种开关信号。 1.1.2 输入输出接口 ２．开关量输出接口 开关量输出接口，其作用是把PLC的内部信号转换成现场执行机构的各种开关信号。 考虑负载的驱动电源时，还需选择输出器件的类型。 继电器型的输出接口，可用于交流及直流两种电源，接通和断开的频率低，带负载能力强； 晶体管型的输出接口有较高的接通断开频率，但只适用于直流驱动的场合； 可控硅型的输出接口仅用于交流驱动的场合，适用快速、频繁动作和大电流的场合。

1.1.2 输入输出接口 1.继电器型输出接口 图1.6 继电器型输出单元

1.1.2 输入输出接口 输出接口接线方式（分组式） 图1.7 PLC的输出接口

1.1.2 输入输出接口 ３．模拟量输入接口（A／D模块） 1.1.2 输入输出接口 ３．模拟量输入接口（A／D模块） 模拟量输入接口把现场连续变化的模拟量信号转换成适合可编程控制器内部处理的二进制数字信号。 模拟量信号输入后一般经运算放大器放大后进行A／D转换，再经光电耦合后为可编程控制器提供一定位数的数字量信号。 图1.8 模拟量输入单元框图

1.1.2 输入输出接口 ４．模拟量输出接口（ D／A模块） 1.1.2 输入输出接口 ４．模拟量输出接口（ D／A模块） 模拟量输出接口将PLC运算处理后的数字信号转换为相应的模拟量信号输出，以满足生产过程现场连续控制信号的需求。模拟量输出接口一般由光电隔离、D／A转换和信号驱动等环节组成。 图1.9 模拟量输出单元框图

1.1.2 输入输出接口 ５．智能输入输出接口（特殊功能模块） 1.1.2 输入输出接口 ５．智能输入输出接口（特殊功能模块） 为了适应更复杂的控制工作的需要，可编程控制器还有一些智能控制单元，如PID单元、高速计数器单元、温度控制单元、通信单元、定位单元等。特殊功能模块都是独立的工作单元，它们和普通输入输出接口的区别在于都带有独立的CPU，有专门的处理能力。

1.1.3 电源 可编程控制器的电源包括: * 为可编程控制器各工作单元供电的开关电源 * 为掉电保护电路供电的后备电源，一般为电池

1.1.4 外部设备 可编程控制器一般可配备的外部设备： 编程器 盒式磁带机，用以记录程序或信息 打印机，用以打印程序或制表 　 编程器 盒式磁带机，用以记录程序或信息 打印机，用以打印程序或制表 EPROM写入器，用以将程序写入用户EPROM中 高分辨率大屏幕彩色图形监控系统，用以显示或监视有关部分的运行状态 编程器

1.2 可编程控制器的工作原理 1.2.1 扫描工作方式 1.2.2 程序执行过程 1.2.3 输入／输出的处理规则 1.2 可编程控制器的工作原理 1.2.1 扫描工作方式 1.2.2 程序执行过程 1.2.3 输入／输出的处理规则 1.2.4 信息刷新方式 1.2.5 输入／输出滞后时间

1.2.1 扫描工作方式 扫描： 从0000号存贮地址开始，在无中断或跳转控制的情况下，按存贮地址号递增的方向顺序逐条扫描用户程序直到程序结束。 完成一次扫描程序后，再从头开始扫描，并周而复始地重复。一个循环扫描过程称为扫描周期。扫描过程分为三个阶段进行：即输入采样（输入处理）阶段，程序执行（程序处理）阶段，输出刷新（输出处理）阶段。 输入采样 程序执行 输出刷新

1.2.2 程序执行过程 输入端子 输入映像寄存器 元件映像寄存器 输出锁存电路 输出端子 ②读 ③写 ①采样 ⑥刷新 X0 Y0 M0 ●●● 输入映像寄存器 元件映像寄存器 输出锁存电路 输出端子 ●●● X0 X1 Xn ●●● Y0 Y1 Yn ●●● ④读 ●●● ⑤写 输入采样 程序执行 输出处理 一个扫描周期 图1.11 PLC 的扫描工作过程

1.2.2 程序执行过程 输入采样阶段： PLC以扫描方式按顺序将所有输入端的输入信号状态（开或关、即ON或OFF、“1”或“0”）读入到输入映像寄存器中寄存起来，称为对输入信号的采样，或称输入刷新。 接着转入程序执行阶段，在程序执行期间，即使输入状态变化，输入映像寄存器的内容也不会改变。输入状态的变化只能在下一个工作周期的输入采样阶段才被重新读入。

1.2.2 程序执行过程 程序执行阶段： 程序执行阶段，PLC对程序按顺序进行扫描； 如果程序用梯形图表示，则总是按先左后右、先上后下的顺序进行扫描； 每扫描到一条指令时，所需要的输入元件状态或其它元件的状态分别由输入映像寄存器和元件映像寄存器中读出，而将执行结果写入到元件映像寄存器中； 元件映像寄存器中寄存的内容，随程序执行的进程而动态变化。

1.2.2 程序执行过程 输出刷新阶段： 程序执行完后，进入输出刷新阶段。此时，将元件映像寄存器中所有输出继电器的状态转存到输出锁存寄存器，再去驱动用户输出设备（负载），这就是PLC的实际输出。 扫描周期： PLC重复执行上述三个过程，每重复一次的时间就是一个工作周期（或扫描周期）。工作周期的长短与程序的长短、指令的种类和CPU执行的速度有关。一个扫描过程中，执行指令程序的时间占了绝大部分。 PLC在每次扫描中，对输入信号采样一次，对输出信号刷新一次。这就保证了PLC在执行程序阶段，输入映像寄存器和输出锁存寄存器的内容或数据保持不变。

1.2.1 扫描工作方式 扫描工作方式的特点： 简单直观，简化了程序的设计，并为PLC的可靠运行提供了保证； 所扫描到的指令被执行后，其结果马上就可以被将要扫描到的指令所利用； 系统监视定时器WDT可监视每次扫描的时间，并在每个扫描周期内都要对WDT进行复位操作。如果系统的硬件或用户软件发生了故障，WDT就会超时自动报警，并停止PLC的运行，从而避免了程序进入死循环的故障。

1.2.3 输入／输出的处理规则 输入映像寄存器的数据，取决于输入端子在输入采样阶段所刷新的状态； 1.2.3 输入／输出的处理规则 输入映像寄存器的数据，取决于输入端子在输入采样阶段所刷新的状态； 输出映像寄存器的状态，由程序中输出指令的执行结果决定； 输出锁存寄存器中的数据，由上一个工作周期输出刷新阶段存入到输出锁存电路中的数据来确定； 输出端子的输出状态，由输出锁存寄存器中的数据来确定； 程序执行中所需的输入、输出状态（数据），从输入映像寄存器或输出映像寄存器中读出。

1.2.4 信息刷新方式 信息刷新的方式有多种。一般来说，输入刷新是在输入采样阶段进行，输出刷新是在输出采样阶段进行。 1.2.4 信息刷新方式 信息刷新的方式有多种。一般来说，输入刷新是在输入采样阶段进行，输出刷新是在输出采样阶段进行。 有的PLC其信息刷新的方式则与上述不同，输入刷新除了在输入采样阶段进行外，在程序执行阶段每隔一定时间还要刷新一次。同样，输出刷新除了在输出处理阶段进行外，在程序执行阶段，凡是程序中有输出指令的地方，该指令执行后又立即进行一次输出刷新。这种形式的PLC尤其适合于输入输出要求快速响应的场合。

1.2.5 输入／输出滞后时间 输入输出滞后时间又称为系统响应时间，是指从PLC外部输入信号发生变化的时刻起至它所控制的有关外部输出信号发生变化的时刻止之间的时间间隔。 输入输出滞后时间由输入电路的滤波时间、输出模块的滞后时间和因扫描工作方式产生的滞后时间三部分所组成。 输入模块的RC滤波电路用来滤除由输入端引起的干扰噪声，消除因外接输入触点动作时产生抖动引起的不良影响。滤波时间常数决定了输入滤波时间的长短,其典型值为10ms左右。

1.2.5 输入／输出滞后时间 输出模块的滞后时间与模块开关元件的类型有关： 继电器型输出电路的滞后时间一般最大值在10ms左右。 双向可控硅型输出电路的滞后时间在负载被接通时的滞后时间约为1ms，负载由导通到断开时的最大滞后时间为10ms。 晶体管型输出电路的滞后时间一般在1ms左右。