1、2可编程序控制器等效电路在介绍 PLC 等效电路之前，通过一个实例来认识一下 PLC的控制原理。图4-4是一个简单继电器控制电路。KT 是时间继电器；KM 1、KM 2是两个接触器，分别控制电机 M1、M 2的运转；SB1为起动按钮，SB 2为停止按钮。控制功能如下：按下 SB1，电机 M1开始运转，过10后，电机 M2开始运转；按停止按钮SB2，电机 M1、M 2同时停止。 图4-4的继电器控制原理如下：在控制线路中，当按下 SB1时，KM 1、KT 的线圈同时通电，KM 1的一个常开触点闭合并自锁，M1开始运转；KT 线圈通电后开始延时，10后 KT 的延时常开触点闭合，KM 2线圈通电，
2、M 2开始运转。当按下 SB2时，KM 1、KT 1线圈同时断电，KM 2线圈也断电，M 1、M 2随之停转。现在用 PLC 实现上述控制功能，图4-5为 PLC 控制的接线图。PLC 控制系统的主电路和继电器控制系统完全相同。在小型 PLC 的面板上，有一排输入和输出端子，输入端子和输出端子各有自己的公共接线端子 COM，输入端子的编号为00000，00001，输出端至编号为01000，01001，。将启动按钮 SB1、停止按钮 SB2接到输入端子上，输入公共端子COM 上接 DC24V 的输入电源；接触器 KM1、KM 2的线圈接到输出端子上，输出公共端子 COM 上接 AC220V 的负
3、载驱动电源。图4-5 PLC 控制接线图PLC 是如何工作的呢？看一下图4-6 PLC 控制的等效电路。PLC控制的等效电路由三部分组成：（1）输入控制部分。该部分接收操作指令（如：启动按钮、停止按钮等）和被控对象的各种状态信息（如：行程开关、接近开关等） 。PLC 的每一个输入点对应一个内部输入继电器，当输入点与输入 COM 端接通时，输入继电器线圈通电，它的常开触点闭合、常闭触点断开；当输入点与输入 COM 断开时，输入继电器线圈断电，它的常开触点断开、常闭触点闭合。（2）控制部分。这一部分是用户编制的控制程序，通常用梯形图表示，如图4-6所示。控制程序放在 PLC 的用户程序存储器中。系
4、统运行时，PLC 依次读取用户存储器中的程序语句，对它的内容进行解释并执行，又将输出的结果送到 PLC 的输出端子，以控制外部负载的工作。（3）输出部分。该部分根据程序执行的结果直接驱动负载。在 PLC 内部有多个输出继电器，每个输出继电器对应一个硬触点，当程序执行的结果使输出继电器线圈通电时，对应的硬输出触点闭合，控制外部负载的动作。例如，图4-6的输出触点01000，01001 ，分别连结接触器 KM1、KM 2的线圈，控制两个线圈通电或断电。图4-6 PLC 控制的等效电路图梯形图是从继电器控制电路原理图演变而来的。PLC 内部的继电器并不是实际的硬继电器，每个内部继电器都是 PLC 内
5、部存储单元。因此，称为“软继电器” ，梯形图是由这些“软继电器”组成的控制线路，他们并不是真正的物理连接，而是逻辑关系的连接，称为“软连接” 。PLC 内部继电器线圈用表示，常开触点用 表示，常闭触点用 表示。当存储单元某位状态为1时，相当于某个继电器线圈得电；当该位状态为0时，相当于该继电器线圈断电。软继电器的常开触点、常闭触点可以在程序中使用次数不受限制。PLC 为用户提供的继电器一般有：输入继电器、输出继电器、辅助继电器、特殊功能继电器、移位继电器、定时器/计数器等。其中，输入、输出继电器一般与外部输入输出继电器相连接，而其它继电器与外部设备没有直接联系。现在看一下图4-6的控制原理：当
6、按下 SB1时，输入继电器00000的线圈通电，00000常闭触点闭合，使输出继电器01000线圈得电，01000对应的硬输出触点闭合，KM 1得电，M 1开始运转。同时，01000的一个常开触点闭合并自锁，时间继电器 TIM 000的线圈通电开始延时，10后 TIM 000的常开触点闭合，输出继电器01001的线圈得电，01001对应的硬输出触电闭合，KM 2得电，M 2开始运转。当按下 SB2时，输入继电器00001的线圈通电，00001的常闭触电断开，01000、TIM 000的线圈均断电，01001的线圈也断电，01000，01001的两个硬输出点随之断开，KM1、KM 1断电，M 1
7、、M 2停转。二、PLC 工作原理1. PLC 内外部电路1）外部电路接线图 4-3 是电动机全压起动控制的接触器电气控制线路，控制逻辑由交流接触器 KM 线圈、指示灯 HL1、HL2、热继电器常闭触头 FR、停止按钮 SB2、起动按钮 SB1 及接触器常开辅助触头 KM 通过导线连接实现。合上 QS 后按下起动按钮 SB1，则线圈 KM 通电并自锁，接通指示灯 HL1 所在支路的辅助触头 KM 及主电路中的主触头， HL1 亮、电动机 M 起动；按下停止按钮 SB2，则线圈 KM 断电，指示灯 HL1 灭，M 停转。图 4-4 是采用 SIEMENS 的一款 S7 系列 PLC 实现电动机全
8、压起动控制的外部接线图。主电路保持不变，热继电器常闭触头 FR、停止按钮 SB2、起动按钮 SB1 等作为 PLC 的输入设备接在 PLC 的输入接口上，而交流接触器 KM 线圈、指示灯 HL1、HL2 等作为 PLC的输出设备接在 PLC 的输出接口上。按制逻辑通过执行按照电动机全压控制要求编写并存入程序存储器内的用户程序实现。 图4-3 电动机全压起动电气控制线路a)主电路 b)控制线路图4-4 电动机全压起动 PLC 控制接线图a)主电路 b)I/O 实际接线图2）建立内部 I/O 映像区在 PLC 存储器内开辟了 I/O 映像存储区，用于存放 I/O 信号的状态，分别称为输入映像寄存器
9、和输出映像寄存器，此外 PLC 其它编程元件也有相对应的映像存储器，称为元件映像寄存器。I/O 映像区的大小由 PLC 的系统程序确定，对于系统的每一个输入点总有一个输入映像区的某一位与之相对应，对于系统的每一个输出点也都有输出映像区的某一位与之相对应，且系统的输入输出点的编址号与 I/O 映像区的映像寄存器地址号也对应。PLC 工作时，将采集到的输入信号状态存放在输入映像区对应的位上，运算结果存放到输出映像区对应的位上，PLC 在执行用户程序时所需描述输入继电器的等效触头或输出继电器的等效触头、等效线圈状态的数据取用于 I/O 映像区，而不直接与外部设备发生关系。I/O 映像区的建立使 PL
10、C 工作时只和内存有关地址单元内所存的状态数据发生关系，而系统输出也只是给内存某一地址单元设定一个状态数据。这样不仅加快了程序执行速度，而且使控制系统与外界隔开，提高了系统的抗干扰能力。3）内部等效电路图 4-5 是 PLC 的内部等效电路，以其中的起动按钮 SB1 为例，其接入接口 I0.0 与输入映像区的一个触发器 I0.0 相连接，当 SB1 接通时，触发器 I0.0 就被触发为“1” 状态，而这个“1”状态可被用户程序直接引用为 I0.0 触头的状态，此时 I0.0 触头与 SB1 的通断状态相同，则 SB1 接通，I0.0 触头状态为“1”，反之 SB1 断开，I0.0 触头状态为“
11、0” ，由于 I0.0 触发器功能与继电器线圈相同且不用硬连接线，所以 I0.0 触发器等效为 PLC 内部的一个 I0.0软继电器线圈，直接引用 I0.0 线圈状态的 I0.0 触头就等效为一个受 I0.0 线圈控制的常开触头（或称为动合触头） 。图4-5 PLC 内部等效电路同理，停止按钮 SB2 与 PLC 内部的一个软继电器线圈 I0.1 相连接，SB2 闭合，I0.1 线圈的状态为“1”，反之为“0” ，而继电器线圈 I0.1 的状态被用户程序取反后引用为 I0.1触头的状态，所以 I0.1 等效为一个受 I0.1 线圈控制的常闭触头（或称动断触头） 。而输出触头 Q0.0、Q0.1
12、 则是 PLC 内部继电器的物理常开触头，一旦闭合，外部相应的 KM 线圈、指示灯 HL1 就会接通。PLC 输出端有输出电源用的公共接口 COM。 2）建立内部 I/O 映像区在 PLC 存储器内开辟了 I/O 映像存储区，用于存放 I/O 信号的状态，分别称为输入映像寄存器和输出映像寄存器，此外 PLC 其它编程元件也有相对应的映像存储器，称为元件映像寄存器。I/O 映像区的大小由 PLC 的系统程序确定，对于系统的每一个输入点总有一个输入映像区的某一位与之相对应，对于系统的每一个输出点也都有输出映像区的某一位与之相对应，且系统的输入输出点的编址号与 I/O 映像区的映像寄存器地址号也对应
13、。PLC 工作时，将采集到的输入信号状态存放在输入映像区对应的位上，运算结果存放到输出映像区对应的位上，PLC 在执行用户程序时所需描述输入继电器的等效触头或输出继电器的等效触头、等效线圈状态的数据取用于 I/O 映像区，而不直接与外部设备发生关系。I/O 映像区的建立使 PLC 工作时只和内存有关地址单元内所存的状态数据发生关系，而系统输出也只是给内存某一地址单元设定一个状态数据。这样不仅加快了程序执行速度，而且使控制系统与外界隔开，提高了系统的抗干扰能力。3）内部等效电路图 4-5 是 PLC 的内部等效电路，以其中的起动按钮 SB1 为例，其接入接口 I0.0 与输入映像区的一个触发器
14、I0.0 相连接，当 SB1 接通时，触发器 I0.0 就被触发为“1” 状态，而这个“1”状态可被用户程序直接引用为 I0.0 触头的状态，此时 I0.0 触头与 SB1 的通断状态相同，则 SB1 接通，I0.0 触头状态为“1”，反之 SB1 断开，I0.0 触头状态为“0” ，由于 I0.0 触发器功能与继电器线圈相同且不用硬连接线，所以 I0.0 触发器等效为 PLC 内部的一个 I0.0软继电器线圈，直接引用 I0.0 线圈状态的 I0.0 触头就等效为一个受 I0.0 线圈控制的常开触头（或称为动合触头） 。图4-5 PLC 内部等效电路同理，停止按钮 SB2 与 PLC 内部的
15、一个软继电器线圈 I0.1 相连接，SB2 闭合，I0.1 线圈的状态为“1”，反之为“0” ，而继电器线圈 I0.1 的状态被用户程序取反后引用为 I0.1触头的状态，所以 I0.1 等效为一个受 I0.1 线圈控制的常闭触头（或称动断触头） 。而输出触头 Q0.0、Q0.1 则是 PLC 内部继电器的物理常开触头，一旦闭合，外部相应的 KM 线圈、指示灯 HL1 就会接通。PLC 输出端有输出电源用的公共接口 COM。 2. PLC 控制系统用 PLC 实现电动机全压起动电气控制系统，其主电路基本保持不变，而用 PLC 替代电气控制线路。1）PLC 控制系统构成图4-6是电动机全压起动的
16、PLC 控制系统基本构成图，可将之分成输入电路、内部控制电路和输出电路三个部分。输入电路图4-6 PLC 控制系统基本构成框图 输入电路的作用是将输入控制信号送入 PLC，输入设备为按钮 SB1、SB2及 FR 常闭触头。外部输入的控制信号经 PLC 输入到对应的一个输入继电器，输入继电器可提供任意多个常开触头和常闭触头，供 PLC 内容控制电路编程使用。输出电路输出电路的作用是将 PLC 的输出控制信号转换为能够驱动 KM 线圈和 HL1指示灯的信号。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 PLC 内部控制电路提供编程用的常开触头和常闭触头外，还为输出电路提供一个常开触头
17、与输出端口相连，该触头称为内部硬触头，是一个内部物理常开触头。通过该触头驱动外部的 KM 线圈和 HL1指示灯等负载，而 KM 线圈再通过主电路中 KM 主触头去控制电动机 M 的起动与停止。驱动负载的电源由外电部电源提供，PLC 的输出端口中还有输出电源用的 COM 公共端。内部控制电路内部控制电路由按照被控电动机实际控制要求编写的用户程序形成，其作用是按照用户程序规定的逻辑关系，对输入、输出信号的状态进行计算、处理和判断，然后得到相应的输出控制信号，通过控制信号驱动输出设备：电动机 M、指示灯 HL1等。用户程序通过个人计算机通信或编程器输入等方式，把程序语句全部写到 PLC 的用户程序存
18、储器中。用户程序的修改只需通过编程器等设备改变存储器中的某些语句，不会改变控制器内部接线，实现了控制的灵活性。2）PLC 控制梯形图梯形图是一种将 PLC 内部等效成由许多内部继电器的线圈、常开触头、常闭触头或功能程序块等组成的等效控制线路。图4-7是 PLC 梯形图常用的等效控制元件符号。图4-7 梯形图常用等效控制元件符号a)线圈 b)常开触头 c)常闭触头图 4-8 是电动机全压起动的 PLC 控制梯形图，由 FR 常闭触头、SB2 常闭按钮、KM常开辅助触头与 SB1 常开按钮的并联单元、KM 线圈等零件对应的等效控制元件符号串联而成。电动机全压起动控制梯形在形式上类似于接触器电气控制
19、线路图，但也与电气控制线路图存在许多差异。图4-8 电动机全压起动控制梯形图梯形图中继电器元件物理结构不同于电气元件PLC 梯形图中的线圈、触头只是功能上与电气元件的线圈、触头等效。梯形图中的线圈、触头在物理意义上只是输入、输出存储器中的一个存储位，与电气元件的物理结构不同。梯形图中继电器元件的通断状态不同于电气元件梯形图中继电器元件的通断状态与相应存储位上的保存的数据相关，如果该存储位的数据为“1”，则该元件处于“通”状态，如果该位数据为“0”，则表示处于“断”状态。与电气元件实际的通断状态不同。梯形图中继电器元件状态切换过程不同于电气元件梯形图中继电器元件的状态切换只是 PLC 对存储位的
20、状态数据的操作，如果 PLC 对常开触头等效的存储位数据赋值为“1”，就完成动合操作过程，同样如对常闭触头等效的存储位数据赋值为“0”，就可完成动断操作过程，切换操作过程没有时间延时。而电气元件线圈、触头进行动合或动断切换时，必定有时间延时，且一般要经过先断开后闭合的操作过程。梯形图中继电器所属触头数量与电气元件不同如果 PLC 从输入继电器 I0.0 相应的存储位中取出了位数据“0”，将之存入另一个存储器中的一个存储位，被存入的存储位就成了受 I0.0 继电器控制的一个常开触头，被存入的数据为“0”；如在取出位数据“0”之后先进行取反操作，再存入一个存储器的一个存储位，则该位存入的数据为“1
21、”，该存储位就成了受继电器 I0.0 控制的一个常闭触头。只要 PLC 内部存储器足够多，这种位数据转移操作就可无限次进行，而每进行一次操作，就可产生一个梯形图中的继电器触头，由此可见，梯形图中继电器触头原则上可以无限次反复使用。但是 PLC 内部的线圈通常只能引用一次，如需重复使用同一地址编号的线圈应慎之又慎。与 PLC 不同的是电气元件中触头数量是有限的。梯形图每一行画法规则为从左母线开始，经过触头和线圈（或功能方框） ，终止于右母线。一般并联单元画在每行的左侧、输出线圈则画在右侧，其余串联元件画在中间。 3. PLC 工作过程PLC 上电后，在系统程序的监控下周而复始地按一定的顺序对系统
22、内部的各种任务进行查询、判断和执行等，见图4-9所示。图4-9 PLC 顺序循环过程1）上电初始化PLC 上电后，首先对系统进行初始化，包括硬件初始化，I/O 模块配置检查、停电保持范围设定及清除内部继电器、复位定时器等。2）CPU 自诊断在每个扫描周期须进行自诊断，通过自诊断对电源、PLC 内部电路、用户程序的语法等进行检查，一旦发现异常，CPU 使异常继电器接通，PLC 面板上的异常指示灯 LED 亮，内部特殊寄存器中存入出错代码并给出故障显示标志。如果不是致命错误则进入 PLC 的停止（STOP ）状态；如果是现致命错误时，则 CPU 被强制停止，等待错误排除后才转入STOP 状态。3）
23、与外部设备通信与外部设备通信阶段，PLC 与其他智能装置、编程器、终端设备、彩色图形显示器、其他 PLC 等进行信息交换，然后进行 PLC 工作状态的判断。PLC 有 STOP 和 RUN 两种工作状态，如果 PLC 处于 STOP 状态，则不执行用户程序，将通过与编程器等设备交换信息，完成用户程序的编辑、修改及调试任务；如果 PLC 处于RUN 状态，则将进入扫描过程，执行用户程序。4）扫描过程以扫描方式把外部输入信号的状态存入输入映像区，再执行用户程序，并将执行结果输出存入输出映像区，直到传送到外部设备。PLC 上电后周而复始地执行上述工作过程，直至断电停机。 4. 用户程序循环扫描PLC
24、 对用户程序进行循环扫描分为输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段，见图4-10。图4-10 PLC 用户程序扫描过程1）输入采样阶段CPU 将全部现场输入信号，如按钮、限位开关、速度继电器的通断状态经 PLC 的输入接口读入映像寄存器，这一过程称为输入采样。输入采样结束后进入程序执行阶段后，期间即使输入信号发生变化，输入映像寄存器内数据不再随之变化，直至一个扫描循环结束，下一次输入采样时才会更新。这种输入工作方式称为集中输入方式。2）程序执行阶段PLC 在程序执行阶段，若不出现中断或跳转指令，就根据梯形图程序从首地址开始按自上而下、从左往右的顺序进行逐条扫描执行，扫描过程中分别从输入映像寄存器
25、、输出映像寄存器以及辅助继电器中将有关编程元件的状态数据“0”或“1” 读出，并根据梯形图规定的逻辑关系执行相应的运算，运算结果写入对应的元件映像寄存器中保存。而需向外输出的信号则存入输出映像寄存器，并由输出锁存器保存。3）输出处理阶段CPU 将输出映像寄存器的状态经输出锁存器和 PLC 的输出接口传送到外部去驱动接触器和指示灯等负载。这时输出锁存器保存的内容要等到下一个扫描周期的输出阶段才会被再次刷新。这种输出工作方式称为集中输出方式。4）PLC 扫描过程示例梯形图将以指令语句表的形式存储在 PLC 的用户程序存储器中。指令语句表是 PLC的另一种编程语言，由一系列操作指令组成的表描述 PL
26、C 的控制流程，不同的 PLC 指令语句表使用的助记符并不相同。采用 SIEMENS S7-300 系列 PLC 指令语句表编写的电动机全压起动梯形图的功能程序如下：A（O I0.0 /取 I0.0，存入运算堆栈；O Q0.0 /Q0.0 和堆栈内数据进行或运算，结果存入堆栈；）AN I0.1 /I0.1 取非后和堆栈内数据进行与运算，结果存入堆栈；AN I0.2 /I0.2 取非后和堆栈内数据进行与运算，结果存入堆栈；= Q0.0 /将堆栈内数据送到输出映像寄存器 Q0.0；A Q0.0 /取出 Q0.0 数据存入堆栈；= Q0.1 /将堆栈内数据送到输出映像寄存器 Q0.1；MEND /主
27、程序结束。指令语句表是由若干条语句组成的程序，语句是程序的最小独立单元。每个操作功能由一条或几条语句执行。PLC 语句由操作码和操作数两部分组成。操作码用助记符表示（如 A 表示“取”、O 表示“ 或”等） ，用于说明要执行的功能，即告之 CPU 应执行何种操作。操作码主要的功能有逻辑运算中的与、或、非，算术运算中的加、减、乘、除，时间或条件控制中的计时、计数、移位等功能。操作数一般由标识符和参数组成。标识符表示操作数的类别，例如输入继电器、输出继电器、定时器、计数器、数据寄存器等；而参数表示操作数的地址或一个预先设定值。以电动机全压起动 PLC 控制系统为例，在输入采样阶段， CPU 将 S
28、B1、SB2 和 FR 的触头状态读入相应的输入映像寄存器，外部触头闭合时存入寄存器的是二进制数“1”，反之存入“0”。输入采样结束进入程序执行阶段，见图 4-11。执行第 1、2 条指令时，从 I0.0 对应的输入映像寄存器中取出信息“1” 或“0”，并存入称为“堆栈”的操作器中。执行第 3 条指令时，取出 Q0.0 对应的输出映像寄存器中的信息“1” 或“0”，并与堆栈中的内容相“或”，结果再存入堆栈中（电路的并联对应“ 或” 运算） 。执行第 4 条、第 5 条指令时，先取出 I0.1 的状态数据进行非运算，再和堆栈中的数据相“与”后存入堆栈，然后取出 I0.2 的状态数据进行取非运算，
29、再和堆栈中的数据相 “与”后再次存入堆栈（电路中的串联对应“与”运算） 。执行第 6 条时，将堆栈中的二进制数据送入 Q0.0 对应的输出映像寄存器中。执行第 7 条指令时，取出 Q0.0 输出映像寄存器中的二进制数据存入堆栈。执行第 8 条指令时，取出堆栈中的二进制数据送入 Q2.0 对应的映像寄存器中。执行第 9 条指令，结束用户程序的一次循环扫描过程，开始下一次扫描过程。在输出处理阶段，CPU 将各输出映像寄存器中的二进制数传送给输出锁存器。如果Q0.0、Q0.1 对应的输出映像寄存器存放的二进制数为“1”，则外接的 KM 线圈、指示灯HL1 通电，反之，将断电。 图4-11 电动机全压
30、起动 PLC 控制扫描过程5）继电器控制与 PLC 控制的差异PLC 程序的工作原理可简述为由上至下、由左至右、循环往复、顺序执行。与继电器控制线路的并行控制方式存在差别，见图4-12。图4-12a) 控制图中，如果为继电器控制线路，由于是并行控制方式，首先是线圈 Q0.0与线圈 Q0.1均通电，然后因为常闭触头 Q0.1的断开，导致线圈 Q0.0断电。如果为梯形图控制线路，当 I0.0接通后，线圈 Q0.0通电，然后是 Q0.1通电，完成第1次扫描；进入第2次扫描后，线圈 Q0.0因常闭触头 Q0.1断开而断电，而 Q0.1通电。图4-12b) 控制图中，如果为继电器控制线路，线圈 Q0.0与线圈 Q0.1首先均通电，然后 Q0.1断电。如果为梯形图控制线路，则触头 I0.0接通，所以线圈 Q0.1通电，然后进行第2行扫描，结果因为常闭触头 Q0.1断开，所以线圈 Q0.0始终不能通电。图4-12 梯形图与继电器图控制触头通断状态分析a)触头通断无差异 b)触头通断有差异
