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张殿义论文
黑龙江信息技术职业学院
毕业设计（论文）说明书
题目：
可编程控制器结构及工作原理
系部自动控制工程系
专业电气自动化
年级08级一班
姓名张殿义
指导教师胡琪
2010年5月28日
黑龙江信息技术职业学院
毕业设计（论文）任务书
题目：
可编程控制器结构及工作原理
学生姓名张殿义
系部名称自动控制工程系
专业电气自动化
学号0810304145
指导教师胡琪
职称助教
一、原始依据
PLC本身的模块化结构以及远程I/O模块功能的不断完善，使得PLC易于实现多级控制（分布控制、分散控制），通过不同级别的网络将PLC与PLC、PLC与远程I/O模块、PLC与人机界面以及PLC与PC机连接起来，形成管控一体化的网络结构。
二、参考文献
[3]冯建华赵亮编著单片机应用系统设计与产品开发人民邮电出版社2004年
[4]潘永雄等编著电子电路CAD实用教程（第二版）西安电子科技大学出版社2001年
[5]吴黎明编著单片机原理及运用技术科学出版社
[6]马光编著单片机原理及运用机械工业出版社
三、设计（研究）内容和要求
内容；
可编程控制器的基本结构，可编程控制器的工作原理，可编程控制器方法.
要求
1硬件是标准的.通用的。
2使计算机能完善,灵活，通用。
3通过软件编程实现工业要求。
指导教师（签字）
年月日
审题小组组长（签字）
年月日
黑龙江信息技术职业学院
毕业设计（论文）开题报告
课题名称
可编程控制器结构及工作原理
学院名称
黑龙江信息技术职业学院
专业名称
电气自动化
学生姓名
张殿义
指导教师
胡琪
研究背景：
自从1969年美国DEC公司研制出世界上第一台可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController：
PLC）以来，经过三十多年的发展与实践，其功能和性能已经有了很大的提高，从当初用于逻辑控制扩展到运动控制和过程控制领域。
可编程逻辑控制器（PLC）也改称为可编程控制器（ProgrammableController：
PC），由于个人计算机也简称PC，为了避免混淆，可编程控制器仍被称为PLC。
国内外发展状况：
1987年，国际电工委员会（IEC）颁布的可编程控制器标准第三稿中，对可编程控制器的定义如下：
可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境应用而设计。
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指令，并通过数字式、模拟式的输入/输出，控制各种机械或生产过程。
可编程控制器及其有关外部设备，都应按易于与工业控制系统联成一个整体、易于扩充其功能的原则来设计
研究手段：
大量的中小型企业属于混合型制造工业，这类制造业中既有运动控制又有过程控制，为了适应这些企业的需要，各厂家都在自己的PLC产品中推出了温度传感器模块、PID（比例、积分、微分）控制模块、A/D转换模块、D/A转换模块、闭环控制模块以及模糊控制模块等功能模块，用于温度、压力、流量以及液位等过程控制。
PLC最初用于逻辑控制和顺序控制，面对运动控制和过程控制，PLC必须扩展自己的功能，才能满足生产的需求。
机床工业、汽车工业等属于离散型制造工业，这类工业侧重于运动控制，如位置控制和速度控制。
为此，生产PLC的厂家相继推出了位置控制模块、伺服定位模块、运动控制模块、电子凸轮模块、A/D转换模块、D/A转换模块以及高速计数模块等功能模块，用于速度、加速度以及位置控制等运动控制。
参考文献：
[1]张毅刚编著《新编MCS-51单片机应用设计》哈尔滨工业大学出版社
[2]张大明主编《单片机微机控制应用技术》机械工业出版社
[3]何立民编著MCS51系列单片机应用系统设计北京航空航天大学出版社1999年
[4]赵晓安主编MCS-51单片机原理及应用天津大学出版社2001年
社
选题是否合适：
是□否□
课题能否实现：
能□不能□
指导教师（签字）
年月日
选题是否合适：
是□否□
课题能否实现：
能□不能□
审题小组组长（签字）
年月日
摘要
本文介绍plc的一般结构（由cpu.存储器和专门设计的输入输出的电路等组成）和基本工作原理
关键词:
可编程序控制器PLC；存储器
第一章可编程控制器结构
PLC是以微处理器为核心的一种特殊的工业用计算机，其结构与一般的计算机相类似，由中央处理单元（CPU）、存储器（RAM、ROM、EPROM、EEPROM等）、输入接口、输出接口、I/O扩展接口、外部设备接口以及电源等组成。
PLC通常分为模块式和整体式两种结构。
以日本OMRON（欧姆龙）公司的PLC为例。
C200H系列为模块式PLC，所谓模块，就是按照功能将电路进行分类，每一种功能制成一块电路板，通常称为模板，每块模板置于工程塑料外壳内，成为独立的单元，如CPU单元、输入单元、输出单元、特殊I/O单元、通信单元以及电源单元等。
各单元插在带有总线的CPU底板上，构成CPU机架。
如果CPU机架（或称主机架）的I/O点数不够用，或者需要增加新的特殊单元，可以增加扩展I/O机架，扩展I/O机架由扩展I/O底板、电源单元、I/O单元以及特殊I/O单元组成。
模块式PLC的特点是组态灵活、扩展方便以及维护简单。
模块式PLC结构示意图如图1-1所示。
图1-1模块式PLC结构示意图
CP1H系列为整体式PLC，其CPU单元中装配了20～40点的输入输出电路。
它将模块式的各个单元集成为一体，不如模块式灵活但是使用方便。
如果I/O点数不够用可用CPM1A系列扩展单元进行扩展，但最多不能超过7台。
另外，CP1HCPU单元的侧面连接有CJ单元适配器CP1W-EXT01，故可以连接CJ系列特殊I/O单元或CPU总线单元最多两个单元。
与模块式一样，它也可以增加扩展I/O机架。
该整体式PLC的结构原理图与图1-1类似。
其CPU机架结构图如图1-2所示。
图1-2CP1H的CPU机架结构图
1.1CPU单元
CPU单元是PLC的核心部件，它由微处理器、系统程序存储器、用户程序存储器以及工作数据存储器等组成。
对于小型、中型和大型PLC，其CPU单元的微处理器通常为1个、2个和3个，采用多处理器的目的是用来分割控制任务，进行协同处理，提高操作和响应速度。
此外，CPU单元上还有外设端口、通信端口，还可以加选通信板和扩展存储器板。
以下介绍日本OMRON（欧姆龙）公司整体式PLC中的CP1H-XA40DR-A型CPU单元。
CPU单元结构图如图1-3所示。
图1-3CPU单元结构图
现将其中各部分功能逐一简要说明如下：
（1）电池盖。
打开盖可将电池放入，用作RAM的后备电源，将保持继电器、数据内存、计数器（标志·当前值）进行电池备份。
（2）工作指示LED。
指示CP1H的工作状态。
作用如下：
POWER（绿）
灯亮
通电时
灯灭
未通电时
RUN（绿）
灯亮
CP1H正在运行或监视模式下执行程序
灯灭
程序模式下运行停止中，或因运行停止异常而处于运行停止中
ERR/ARM（红）
灯亮
发生运行停止异常（包含FAL指令执行），或发生硬件异常（WDT异常）。
此时CP1H停止运行，所有的输出都切断
ERR/ARM（红）
闪烁
发生异常继续运行（包含FAL指令执行）。
此时CP1H继续运行
灯灭
正常时
续表
INH（黄）
灯亮
输出禁止特殊辅助继电器（A500.15）为ON时灯亮，所有的输出都切断
灯灭
正常时
BKUP（黄）
灯亮
正在向内置闪存（备份存储器）写入用户程序、参数、数据内存或访问中。
此外将PLC本体的电源OFF
ON时，用户程序、参数、数据内存复位过程中也灯亮
灯灭
上述情况以外
PRPHL（黄）
闪烁
外围设备USB端口处于通信中（执行发送、接收的一种的过程中）时，闪烁
灯灭
上述情况以外
（3）外围设备USB端口。
与电脑连接，由CX-Programmer进行编程及监视。
（4）7段LED显示。
在2位的7段LED上显示CP1HCPU单元的异常信息及模拟电位器操作时的当前值等CPU单元的状态。
此外，可用梯形图程序显示任何代码。
（5）模拟电位器。
通过旋转电位器，可使A642CH的值在0～255范围内任意变更。
（6）外部模拟设定输入连接器。
通过外部施加0～10V电压，也可将A643CH的值在0～255范围内任意变更。
（7）拨动开关。
No.
设定
设定内容
用途
初始值
SW1
ON
不可写入用户存储器
在需要防止由外围工具（CX-Programmer）导致的不慎改写程序的情况下使用
OFF
OFF
可写入用户存储器
SW2
ON
在电源为ON时，可将保存在存储盒内的程序、数据内存、参数向CPU单元展开
OFF
OFF
SW3
未使用
OFF
SW4
ON
在用工具总线的情况下使用
需要通过工具总线来使用选件板槽位1上安装的串行通信选件板时置于ON
OFF
OFF
根据PLC系统设定
SW5
ON
在用工具总线的情况下使用
需要通过工具总线来使用选件板槽位2上安装的串行通信选件板时置于ON
OFF
OFF
根据PLC系统设定
SW6
ON
A395.12为ON
在不使用输入单元而用户需要使某种条件成立时，将该SW6置于ON或OFF，在程序上应用A395.12
OFF
OFF
A395.12为OFF
（8）内置模拟输入/输出端子台。
模拟输入4点、模拟输出2点。
后面将详述。
（9）内置模拟输入切换开关。
将各模拟输入在电压输入下使用还是电流输入下使用间切换。
No.
设定
设定内容
出厂时的设定
SW1
ON
模拟输入1电流输入
OFF
OFF
模拟输入1电压输入
SW2
ON
模拟输入2电流输入
OFF
模拟输入2电压输入
SW3
ON
模拟输入3电流输入
OFF
模拟输入3电压输入
SW4
ON
模拟输入4电流输入
OFF
模拟输入4电压输入
（10）存储器盒槽位。
安装CP1W-ME05M（512千字）。
可将CP1HCPU单元的梯形图程序、参数、数据内存（DM）等传送并保存到存储器盒。
（11）电源、接地、输入端子台。
电源端子
供给电源（AC100～240V或DC24V）
接地端子
功能接地：
为了强化抗干扰性、防止电击，必须接地
保护接地：
为了防止触电，必须进行D种接地（第3种接地）
输入端子
连接输入设备
（12）选件板槽位。
可分别将选件板安装到槽位1和槽位2上。
包括RS-232C选件板CP1W-CIF01和RS-422A/485选件板CP1W-CIF11。
（13）内置输入端子及其指示灯LED。
内置输入24点。
（14）扩展I/O单元连接器。
可连接CPM1A系列的扩展I/O单元（输入输出40点/输入输出20点/输入8点/输出8点）及扩展单元（模拟输入输出单元、温度传感器单元、CompoBus/SI/O连接单元、DeviceNetI/O连接单元），最大7台。
（15）、（16）外部供给电源/输出端子台及输出指示灯LED。
DC24V，最大300mA的外部电源供给，内置输出16点。
（17）CJ单元适配器用连接器。
CP1HCPU单元的侧面连接要用CJ单元适配器CP1W-EXT01，故可以连接CJ系列特殊I/O单元或CPU总线单元最多合计两个单元。
但是注意CJ系列的基本I/O单元不可以连接。
连接框图如图1-10所示。
除了一般的内置规格外，CP1H-XA40DR-A型CPU单元最显著的特点是它的内置模拟输入输出规格，模拟输入输出端子台排列及引脚功能如图1-4所示。
内置模拟输入输出规格如表1-1所示。
图1-4模拟输入输出端子台排列及引脚功能
项目
电压输入输出*1
电流输入输出*1
模拟输入部
模拟输入点数
4点（占用200～203CH，共4CH）
输入信号量程
0～5V、1～5V、0～10V、-10～10V
0～20mA、4～20mA
最大额定输入
±15V
±30mA
外部输入阻抗
1M以上
约250
分辨率
1/6000或1/12000（FS：
满量程）＊2
综合精度
25℃±0.3%FS/0～55℃±0.6%FS
25℃±0.4%FS/0～55℃±0.8%FS
A/D转换数据
-10～10V时：
满量程值F448（E890）～0BB8（1770）Hex
上述以外：
满量程值0000～1770（2EE0）Hex
平均化处理
有（通过PLC系统设定来设定各输入）
断线检测功能
有（断线时的值8000Hex）
模拟输出部
模拟输出点数
2点（占用210～211CH，共2CH）
输出信号量程
0～5V、1～5V、0～10V、-10～10V
0～20mA、4～20mA
外部输出允许负载电阻
1k以上
600以下
外部输出阻抗
0.5以下
分辨率
1/6000或1/12000（FS：
满量程）＊2
综合精度
25℃±0.4%FS/0～55℃±0.8%FS
D/A转换数据
-10～10V时：
满量程值F448（E890）～0BB8（1770）Hex
上述以外：
满量程值0000～1770（2EE0）Hex
转换时间
1ms/点＊3
隔离方式
模拟输入输出与内部电路间：
光电耦合器隔离（但模拟输入输出间为不隔离）
表1-1内置模拟输入输出规格
*1：
电压输入/电流输入的切换由内置模拟输入切换开关来完成。
（出厂时设定为电压输入）
*2：
分辨率1/6000、1/12000的切换由PLC系统设定来进行。
所有的输入输出通道通用分辨率的设定。
不可以进行输入输出通道的逐个设定。
*3：
合计转换时间为所使用的点数的转换时间的合计。
使用模拟输入4点+模拟输出2点时为6ms。
另外该CPU单元还具有中断功能、快速响应功能（50μs）、高速计数功能（100kHz）、速度控制功能、定位控制功能，以及占控比可变的脉冲即脉冲宽度调制（PWM）等功能，使用该CPU单元就可以构成定位控制系统。
各功能的规格如表1-2～表1-5所示。
项目
规格
中断输入和快速响应输入点数
共用内置输入端子，共8点
中断输入
输入中断直接模式
在输入信号的上升沿或下降沿，中断CPU单元的循环程序，并且执行相应I/O中断任务。
响应时间0.3ms
输入中断计数器模式
输入信号的上升（沿）或下降（沿）的次数被增量或减量计数，当计数值达到时，相应的中断任务开始执行。
输入响应频率为5kHz以下
快速响应输入
小于循环时间（最小为50μs）的信号可作为ON信号的一个周期处理
表1-2中断输入和快速响应输入
项目
规格
高速计数器点数
4点（高速计数器0～3）
计数模式
相差输入
（相A、B和Z）
升和降脉冲输入（增量脉冲、减量脉冲和复位输入）
脉冲＋方向输入
（脉冲、方向及复位输入）
增量脉冲输入
（增量脉冲及复位输入）
响应频率
24VDC输入
50kHz
100kHz
100kHz
100kHz
计数器类型
线性计数器或循环计数器
计数范围
线性计数器：
80000000～7FFFFFFF16进制
循环计数器：
00000000～循环计数器设定值
高速计数器当前值储存字
高速计数器0：
A270（低4位）和A271（高4位）
高速计数器1：
A272（低4位）和A273（高4位）
高速计数器2：
A316（低4位）和A317（高4位）
高速计数器3：
A318（低4位）和A319（高4位）
可用这些值作为目标值比较输入和区域比较输入
控制方式
目标值比较
最多可登录48个目标和中断任务编号
区域比较
最多可登录8个高限、低限和中断任务编号
计数器复位方式
Z相信号＋软件复位：
当复位位为ON及Z相输入转为ON时，计数器复位
软件复位：
当复位位为ON时，计数器复位
复位位：
A531.00（高速计数器0）；A531.01（高速计数器1）；A531.02（高速计数器2）；A531.03（高速计数器3）
表1-3高速计数器输
项目
规格
输出模式
连续模式（速度控制用）或单独模式（位置控制用）
输出频率
1Hz～100kHz（单位1Hz）2点（脉冲输出0，1）；1Hz～30kHz（单位1Hz）2点（脉冲输出2，3）
频率加速/减速
1Hz～2kHz（每4ms），设定以1Hz为单位，加速速率和减速速率可单独设定
指令执行中改变设定值
可以改变目标频率、加速/减速速率及目标位置。
目标频率和加速/减速速率只能在恒速定位时改变
脉冲输出方式
CW/CCW或脉冲＋方向，固定占空比50%
输出脉冲数
相对坐标规格：
00000000～7FFFFFFF16进制（2147483647）
绝对坐标规格：
80000000～7FFFFFFF16进制（-2147483647～2147483647）
原点搜索/复位
ORG（ORIGINSEARCH）：
用于执行原点搜索或按设定值复位
定位及速度控制指令
PLS2（PULSEOUTPUT）：
用于分别设定加速和减速速率进行梯形定位控制的输出脉冲
PULS（SETPULSES）：
用于设定输出脉冲数
SPED（SPEEDOUTPUT）：
用于无加速或减速作用的输出脉冲
ACC（ACCELERATIONCONTROL）：
用于控制加速/减速速率
INI（MODECONTROL）：
用于停止脉冲输出
脉冲输出当前值储存区
AR区字
脉冲输出0：
A276（低4位数）和A277（高4位数）
脉冲输出1：
A278（低4位数）和A279（高4位数）
脉冲输出2：
A322（低4位数）和A323（高4位数）
脉冲输出3：
A324（低4位数）和A325（高4位数）
作为公共处理的一部分，当前值将被每次循环更新
表1-4定位及速度控制功能
项目
规格
占空比
0.0%～100.0%，设定单位0.1%
频率
0.1～6553.5Hz，设定单位0.1Hz
PWM用指令
PWM（可变占空比的脉冲）：
用于输出指定占空比的脉冲
输出点数
2点。
PWM输出0：
位地址101.00；PWM输出1：
位地址101.01
表1-5占空比可变的脉冲（PWM）输出功能
1.2存储器
PLC的存储器包括系统程序存储器、用户程序存储器以及数据存储器。
1．系统程序存储器
系统程序是永久存储的程序，包括管理程序、标准子程序、调用程序、监控程序、检查程序以及用户指令解释程序，一般存储在ROM或EPROM之中。
2．用户程序存储器（应用程序存储器）
用户程序是用户使用编程器输入的编程指令或用户使用编程软件由计算机下载的梯形图程序，一般存储在随机存储器RAM中。
用户数据一般也存放在RAM中，这部分存储器称为数据存储器。
为了防止RAM中的信息在断电时丢失，通常用后备锂电池作保护，保存用户程序和用户数据。
有些PLC，如欧姆龙公司的CPM1A整体式PLC，采用快闪内存作为内存后备，保护用户程序和数据，不需要后备电池。
此外，还使用超级电容作为内存后备，可使数据内存（读/写）、保持继电器、辅助记忆继电器以及计数器的信息保持20天/25℃。
EEPROM存储器盒不需要后备电池。
CP1H系列整体式PLC，可选外置快闪存储卡容量达512K字，并含有内置闪存，用户程序和参数区（如PLC设置）是自动备份和自动恢复的。
3．PLC内置存储器容量的确定
PLC通常以字（16位/字）为单位来表示存储器容量。
存储容量的大小随PLC规模的大小而变化，PLC的规模取决于用户系统的规模。
PLC通常分为小型机、中型机和大型机3种机型。
PLC的规模通常以输入和输出（I/O）点数来表示，例如，欧姆龙公司的CPM1A型整体式PLC，有10点、20点、30点和40点共4种机型。
C200H系列模块式PLC，I/O最大点数从640点到1184点。
I/O点数取决于用户系统的具体组成，如按钮开关、行程开关、位置开关、波段开关、接近开关、光电开关以及拨码开关等属于输入元件，其中，位置开关占用两个输入点，光电开关占用两个输入点，拨码开关占用4个输入点，1刀6掷波段开关占用6个输入点，其他开关各占用1个输入点。
信号灯占用1个输出点。
双线圈电磁阀占用3个输入点和两个输出点。
需要正反向运行的交流异步电动机占用5个输入点和两个输出点。
对于特殊功能单元，随型号的不同，I/O点数也不同，例如，4通道模拟量输入（A/D）单元占用14个输入点；2通道模拟量输出（D/A）单元占用7输入点；定位单元占用20个输入点和24个输出点。
计算出I/O总点数后，考虑到控制系统在研制过程中可能增加控制功能，还应该增加30%左右的备用量。
有5种根据I/O总点数估算内存容量（字数）的经验公式，其中的一种经验公式是：
M=Km[（10DI）+（5DO）+（200AI）]（1.1）
式中，M为内存字数；Km为每个节点所占内存字数；DI为数字（开关量）输入点数；DO为数字（开关量）输出点数；AI为模拟量输入通道（路）数。
实际上，内存容量还与用户编写的程序的长度和编程人员的水平有关，通常，在估算出内存字数后，再留出25%～30%余量。
如果有条件，可在实验室中利用已有的设备，通过调试完成控制系统PLC的编程，从而获得准确的内存容量，然后再购置PLC。
1.3输入/输出（I/O）单元
输入/输出单元是PLC与用户现场设备相互连接的接口，输入单元接收需要输入到PLC的各种控制信号，如按钮开关、行程开关、位置开关、波段开关、接近开关、光电开关以及拨码开关等元件的开关量信号，可使用开关量输入单元接收这些开关量信号；接收来自速度传感器和位置传感器的运动控制信号；接收来自温度传感器、压力传感器、流量传感器、液位传感器、成分传感器以及相应变送器的过程控制信号。
上述传感器及相应变送器发出的信号，有的是脉冲信号，如增量式旋转编码器发出的脉冲信号，可使用高速计数单元接收脉冲信号；有的是数字量信号，如10位绝对值旋转编码器发出的10位格雷码数字信号，可使用快速响应的开关量输入单元接收二进制格雷码信号；有的是模拟信号，如温度传感器及变送器发出的直流电压信号，称重传感器及变送器发出的直流电压信号，可使用模拟量输入（A/D）单元接收这些模拟信号。
有的公司生产的输入单元，可直接连接传感器，如连接Pt100铂电阻温度传感器，省去了变送器。
输入单元将接收到的各种现场信号转换成CPU能够接收和处理的信号。
输出单元通常有开关量输出、脉冲输出和模拟量输出3种输出单元。
开关量输出单元用于驱动控制继电器、接触器、电磁阀以及指示灯等。
脉冲输出单元用于连接步进电机驱动器，驱动步进电机，构成定位控制系统；也可以连接具有脉冲输入端口的交流伺服驱动器，驱动交流永磁同步电动机，构成位置闭环控制系统。
模拟量（D/A）输出单元可用于连接具有模拟量输入端口的直流驱动器，驱动直流电动机构成直流调速系统或位置控制系统；也可用于连接具有模拟量输入端口的交流伺服驱动
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