PLC的硬件結(jié)構(gòu)與工作原理

1、第第3章章 PLC的硬件結(jié)構(gòu)與工作原理的硬件結(jié)構(gòu)與工作原理 PLC一般可從其一般可從其I/O點(diǎn)數(shù)、結(jié)構(gòu)形式和功能三方面進(jìn)行分類：點(diǎn)數(shù)、結(jié)構(gòu)形式和功能三方面進(jìn)行分類： 3.1 P LC3.1 P LC的分類的分類 1、根據(jù)、根據(jù)PLC的的I/O點(diǎn)數(shù)分點(diǎn)數(shù)分1）小型小型PLC I/O點(diǎn)數(shù)為點(diǎn)數(shù)為256點(diǎn)以下，點(diǎn)以下， I/O點(diǎn)數(shù)點(diǎn)數(shù)64點(diǎn)的為超小型點(diǎn)的為超小型2）中型中型PLC I/O點(diǎn)數(shù)為點(diǎn)數(shù)為2562048點(diǎn)點(diǎn)3）大型大型PLC I/O點(diǎn)數(shù)為點(diǎn)數(shù)為2048以上以上的，的，I/O點(diǎn)數(shù)超過(guò)點(diǎn)數(shù)超過(guò)8192點(diǎn)的為超大型點(diǎn)的為超大型PLC這個(gè)分類界限不是固定不變的，它隨這個(gè)分類界限不是固定不變的，它隨

2、PLC的發(fā)展而變化。的發(fā)展而變化。 具有邏輯運(yùn)算、定時(shí)、計(jì)數(shù)、移位等基本功能，主要用于具有邏輯運(yùn)算、定時(shí)、計(jì)數(shù)、移位等基本功能，主要用于邏輯控制、順序控制或少量模擬量控制的單機(jī)系統(tǒng)邏輯控制、順序控制或少量模擬量控制的單機(jī)系統(tǒng) 2、按功能分、按功能分 具有低檔具有低檔PLC功能外，具有較強(qiáng)的模擬量輸入功能外，具有較強(qiáng)的模擬量輸入/輸出、算術(shù)輸出、算術(shù)運(yùn)算、通信聯(lián)網(wǎng)等功能。有些還增設(shè)中斷、運(yùn)算、通信聯(lián)網(wǎng)等功能。有些還增設(shè)中斷、PID控制等功能。控制等功能。 具有中檔機(jī)功能外，增加矩陣運(yùn)算、平方根運(yùn)算及其它特具有中檔機(jī)功能外，增加矩陣運(yùn)算、平方根運(yùn)算及其它特殊功能函數(shù)運(yùn)算等。高檔殊功能函數(shù)運(yùn)算等。高

3、檔PLC機(jī)具有更強(qiáng)的通信聯(lián)網(wǎng)功能。機(jī)具有更強(qiáng)的通信聯(lián)網(wǎng)功能。 3、按結(jié)構(gòu)形式分、按結(jié)構(gòu)形式分1）整體式整體式PLC 電源、電源、CPU、I/O接口等部件都集中裝在一個(gè)機(jī)箱內(nèi)，接口等部件都集中裝在一個(gè)機(jī)箱內(nèi)， 具有結(jié)構(gòu)緊湊、具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、價(jià)格低的特點(diǎn)?；締卧蛿U(kuò)展單元之間一般用扁平電纜連接。體積小、價(jià)格低的特點(diǎn)。基本單元和擴(kuò)展單元之間一般用扁平電纜連接。 小型小型PLC一般采用這種整體式結(jié)構(gòu)，如一般采用這種整體式結(jié)構(gòu)，如S7-2002）模塊式模塊式PLC 各部分用搭積木的方式組成系統(tǒng)，由框架和模塊組成。模塊裝在框架上。各部分用搭積木的方式組成系統(tǒng)，由框架和模塊組成。模塊裝在框架上。大、

4、中型大、中型PLC一般采用模塊式結(jié)構(gòu)。如一般采用模塊式結(jié)構(gòu)。如S7-300，S7-4003） 還有一些還有一些PLC將整體式和模塊式的特點(diǎn)結(jié)合起來(lái)。將整體式和模塊式的特點(diǎn)結(jié)合起來(lái)。 CPU、電源、電源、I/O接口等也是各自獨(dú)立的模塊，但它們之間是用扁平電纜接口等也是各自獨(dú)立的模塊，但它們之間是用扁平電纜連接。連接。整體式PLC模塊式模塊式PLC1、PLC的基本結(jié)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu) PLC的組成與微機(jī)類似，是一種的組成與微機(jī)類似，是一種以微處理器為核心以微處理器為核心用于控制的特殊用于控制的特殊計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)。中央處理器（中央處理器（CPU）、）、存儲(chǔ)器、輸入接口、存儲(chǔ)器、輸入接口、 輸出接輸出接口、

5、通信接口、電源等組成口、通信接口、電源等組成編程編程器器電電 源源輸入單元輸入單元輸出單元輸出單元CPU通信接口通信接口擴(kuò)展接口擴(kuò)展接口存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器3.2 PLC3.2 PLC的組成的組成 CPU的作用的作用1）接收、存儲(chǔ)用戶程序或數(shù)據(jù)）接收、存儲(chǔ)用戶程序或數(shù)據(jù)2）檢查、校驗(yàn)用戶程序，如編程中的語(yǔ)法錯(cuò)誤等）檢查、校驗(yàn)用戶程序，如編程中的語(yǔ)法錯(cuò)誤等3）接收、存儲(chǔ)從輸入接口得到現(xiàn)場(chǎng)輸入信息）接收、存儲(chǔ)從輸入接口得到現(xiàn)場(chǎng)輸入信息4）執(zhí)行用戶程序，將執(zhí)行結(jié)果送輸出端口，驅(qū)動(dòng)負(fù)載）執(zhí)行用戶程序，將執(zhí)行結(jié)果送輸出端口，驅(qū)動(dòng)負(fù)載5）故障診斷）故障診斷2、CPU模塊模塊 1）通用微處理器通用微處理器（如（如8

6、086、80286等）等） 2） 單片微處理器單片微處理器（如（如8031、8096等）等） 3） 位片式微處理器位片式微處理器(如如AMD29W等等)存儲(chǔ)器的作用存儲(chǔ)器的作用： 存儲(chǔ)器主要用于存放存儲(chǔ)器主要用于存放系統(tǒng)程序、用戶程序、數(shù)據(jù)系統(tǒng)程序、用戶程序、數(shù)據(jù) 分為系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器、用戶程序存儲(chǔ)器分為系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器、用戶程序存儲(chǔ)器 存儲(chǔ)器的類型存儲(chǔ)器的類型： 可讀可讀/寫(xiě)操作的隨機(jī)存儲(chǔ)器寫(xiě)操作的隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM 只讀存儲(chǔ)器只讀存儲(chǔ)器ROM、PROM、EPROM和和EEPROM主要由主要由CPU與存儲(chǔ)器組成，與存儲(chǔ)器組成，CPU有：有：系統(tǒng)程序系統(tǒng)程序: 用戶程序用戶程序:是用戶根據(jù)控制對(duì)象生

7、產(chǎn)工藝及控制要求而編制的應(yīng)用程序。是用戶根據(jù)控制對(duì)象生產(chǎn)工藝及控制要求而編制的應(yīng)用程序。 3、輸入、輸入/輸出模塊輸出模塊 輸入（輸入（Input）/輸出（輸出（Output）模塊，簡(jiǎn)稱）模塊，簡(jiǎn)稱I/O模塊，是模塊，是CPU與工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)之與工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)之間連接的通道。是系統(tǒng)的眼、耳、手、腳，是間連接的通道。是系統(tǒng)的眼、耳、手、腳，是CPU與外部聯(lián)系的橋梁。與外部聯(lián)系的橋梁。 輸入模塊用來(lái)接收和采集輸入信號(hào)，輸入信號(hào)有：輸入模塊用來(lái)接收和采集輸入信號(hào)，輸入信號(hào)有： 1）開(kāi)關(guān)量輸入信號(hào)）開(kāi)關(guān)量輸入信號(hào) 按鈕、選擇開(kāi)關(guān)、行程開(kāi)關(guān)、接近開(kāi)關(guān)、光電開(kāi)關(guān)按鈕、選擇開(kāi)關(guān)、行程開(kāi)關(guān)、接近開(kāi)關(guān)、光電開(kāi)關(guān) 分主令元件

8、，檢測(cè)元件分主令元件，檢測(cè)元件 2）模擬量輸入信號(hào)）模擬量輸入信號(hào) 電位器、熱電偶、測(cè)速發(fā)電機(jī)等電位器、熱電偶、測(cè)速發(fā)電機(jī)等 輸出模塊，控制外部對(duì)象，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件輸出模塊，控制外部對(duì)象，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件 接觸器、電磁閥、調(diào)節(jié)閥等執(zhí)行元件。指示燈、數(shù)碼顯示器、報(bào)警裝置接觸器、電磁閥、調(diào)節(jié)閥等執(zhí)行元件。指示燈、數(shù)碼顯示器、報(bào)警裝置 相當(dāng)于相當(dāng)于PC機(jī)的操作系統(tǒng)，由廠家設(shè)計(jì)并已固化在機(jī)的操作系統(tǒng)，由廠家設(shè)計(jì)并已固化在ROM中，用戶不能更中，用戶不能更改。包括系統(tǒng)監(jiān)控程序、解釋程序、程序模塊等。改。包括系統(tǒng)監(jiān)控程序、解釋程序、程序模塊等。 匯點(diǎn)式匯點(diǎn)式所有所有I/O點(diǎn)共用一個(gè)電源，一個(gè)公共點(diǎn)點(diǎn)共用一個(gè)電源

9、，一個(gè)公共點(diǎn)分組式分組式分成若干組，每組有自己的電源及公共點(diǎn)分成若干組，每組有自己的電源及公共點(diǎn)分隔式分隔式每個(gè)每個(gè)I/O點(diǎn)使用單獨(dú)的電源點(diǎn)使用單獨(dú)的電源輸入輸入/輸出模塊的外部接線方式：輸出模塊的外部接線方式： 輸入有輸入有RC濾波電路，光電耦合器濾波電路，光電耦合器直流輸入直流輸入 交流輸入交流輸入 輸入模塊的接線輸入模塊的接線 S合上，光電耦合器亮，輸入到合上，光電耦合器亮，輸入到PLC為為“1”S斷開(kāi)，光電耦合器滅，輸入到斷開(kāi)，光電耦合器滅，輸入到PLC為為“0”R1為限流電阻，為限流電阻，C、R2為濾波電路，為濾波電路，LED為狀態(tài)發(fā)光管，為狀態(tài)發(fā)光管，電源極性可改變電源極性可改變直

10、流輸入直流輸入 輸入模塊的接線（交流）輸入模塊的接線（交流） 交流輸入交流輸入繼電器輸出型（繼電器輸出型（R R） 響應(yīng)速度慢、動(dòng)作頻率低，可驅(qū)動(dòng)交流或直流負(fù)載響應(yīng)速度慢、動(dòng)作頻率低，可驅(qū)動(dòng)交流或直流負(fù)載晶體管輸出型（晶體管輸出型（T T） 響應(yīng)速度快、動(dòng)作頻率高，只能用于驅(qū)動(dòng)直流負(fù)載響應(yīng)速度快、動(dòng)作頻率高，只能用于驅(qū)動(dòng)直流負(fù)載晶閘管輸出型（晶閘管輸出型（S S） 響應(yīng)速度快、動(dòng)作頻率高，響應(yīng)速度快、動(dòng)作頻率高， 只能用于驅(qū)動(dòng)交流負(fù)載只能用于驅(qū)動(dòng)交流負(fù)載 輸出模塊的接線輸出模塊的接線 輸出電流輸出電流0.52A，負(fù)載電源由外部提供，負(fù)載電源由外部提供繼電器輸出型繼電器輸出型繼電器起隔離、放大作

11、用繼電器起隔離、放大作用外部可用交、直流電源外部可用交、直流電源是有觸點(diǎn)輸出，動(dòng)作慢一些是有觸點(diǎn)輸出，動(dòng)作慢一些RCRC、壓敏電阻用來(lái)消除觸點(diǎn)動(dòng)、壓敏電阻用來(lái)消除觸點(diǎn)動(dòng)作電弧作電弧T1T1為光電耦合器，為光電耦合器，LEDLED指示輸出狀態(tài)指示輸出狀態(tài)T2T2為輸出晶體管，為輸出晶體管，D D為保護(hù)二極管，保護(hù)為保護(hù)二極管，保護(hù)T2T2，關(guān)斷時(shí)的過(guò)電壓和外部浪涌電壓，關(guān)斷時(shí)的過(guò)電壓和外部浪涌電壓注意外接電源的極性，不能接反注意外接電源的極性，不能接反 輸出模塊的接線輸出模塊的接線 晶體管輸出型晶體管輸出型內(nèi)部用光控雙向晶閘管實(shí)現(xiàn)隔離內(nèi)部用光控雙向晶閘管實(shí)現(xiàn)隔離RCRC構(gòu)成阻容吸收電路，和壓敏電

12、阻一起用來(lái)抑制可控硅關(guān)斷時(shí)的過(guò)電壓構(gòu)成阻容吸收電路，和壓敏電阻一起用來(lái)抑制可控硅關(guān)斷時(shí)的過(guò)電壓和外部浪涌電壓和外部浪涌電壓 輸出模塊的接線輸出模塊的接線 雙向可控硅輸出型雙向可控硅輸出型通信與擴(kuò)展接口的連接實(shí)例通信與擴(kuò)展接口的連接實(shí)例與電器控制系統(tǒng)的比較與電器控制系統(tǒng)的比較電器控制系統(tǒng)組成電器控制系統(tǒng)組成PLC控制系統(tǒng)組成控制系統(tǒng)組成PLC等效電路等效電路單向運(yùn)行控制單向運(yùn)行控制 PLC控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)PLC控制系統(tǒng)與電器控制系統(tǒng)的區(qū)別控制系統(tǒng)與電器控制系統(tǒng)的區(qū)別控制方法上：控制方法上： 硬硬 ： 軟軟工作方式上：工作方式上： 并行工作方式并行工作方式 ： 串行工作方式串行工作方式控制速度上：

13、控制速度上： 速度速度 慢慢 ： 快快 定時(shí)和計(jì)數(shù)控制上：定時(shí)和計(jì)數(shù)控制上： 精度精度 低低 ： 高高 可靠性和可維護(hù)性上：可靠性和可維護(hù)性上： 可靠性可靠性 低低 ： 高高 解決的辦法：解決的辦法：采用分時(shí)操作原理采用分時(shí)操作原理 由于由于CPUCPU的運(yùn)算處理速度很快，所以從宏觀上來(lái)看，的運(yùn)算處理速度很快，所以從宏觀上來(lái)看，PLCPLC外部出現(xiàn)的結(jié)果似外部出現(xiàn)的結(jié)果似乎是同時(shí)完成的。乎是同時(shí)完成的。 這種分時(shí)操作的方法稱為這種分時(shí)操作的方法稱為掃描工作方式掃描工作方式 例如：用戶程序的執(zhí)行（例如：用戶程序的執(zhí)行（用戶程序的掃描工作過(guò)程）用戶程序的掃描工作過(guò)程） 掃描是從第一條程序開(kāi)始，在無(wú)

14、中斷或跳轉(zhuǎn)控制的情況下，按程序存掃描是從第一條程序開(kāi)始，在無(wú)中斷或跳轉(zhuǎn)控制的情況下，按程序存儲(chǔ)順序的先后，逐條執(zhí)行程序，直到程序結(jié)束。然后再?gòu)念^開(kāi)始掃描執(zhí)行，儲(chǔ)順序的先后，逐條執(zhí)行程序，直到程序結(jié)束。然后再?gòu)念^開(kāi)始掃描執(zhí)行，周而復(fù)始地重復(fù)進(jìn)行。周而復(fù)始地重復(fù)進(jìn)行。3.3 P LC3.3 P LC的工作原理的工作原理 當(dāng)當(dāng)PLC運(yùn)行時(shí)，需要進(jìn)行眾多的操作運(yùn)行時(shí)，需要進(jìn)行眾多的操作 而而 PLC的的CPU不可能同時(shí)去執(zhí)行多個(gè)操作，不可能同時(shí)去執(zhí)行多個(gè)操作， 每一刻只能執(zhí)行一個(gè)操作每一刻只能執(zhí)行一個(gè)操作 。檢查檢查CPU等內(nèi)部硬件，對(duì)監(jiān)視定時(shí)等內(nèi)部硬件，對(duì)監(jiān)視定時(shí)器（器（WDT）復(fù)位以及其它工作復(fù)位

15、以及其它工作 與其它智能裝置（如編程器、與其它智能裝置（如編程器、計(jì)算機(jī)等）實(shí)現(xiàn)通信計(jì)算機(jī)等）實(shí)現(xiàn)通信 按順序?qū)λ休斎攵说臓顟B(tài)進(jìn)按順序?qū)λ休斎攵说臓顟B(tài)進(jìn)行采樣，并存入相應(yīng)寄存器行采樣，并存入相應(yīng)寄存器對(duì)用戶程序掃描執(zhí)行對(duì)用戶程序掃描執(zhí)行 ，并將結(jié)，并將結(jié)果存入相應(yīng)的寄存器果存入相應(yīng)的寄存器將寄存器中與輸出有關(guān)狀態(tài)，轉(zhuǎn)到將寄存器中與輸出有關(guān)狀態(tài)，轉(zhuǎn)到輸出鎖存器，輸出驅(qū)動(dòng)外部負(fù)載輸出鎖存器，輸出驅(qū)動(dòng)外部負(fù)載 PLC的掃描工作過(guò)程的掃描工作過(guò)程 掃描周期掃描周期PLC的掃描工作過(guò)程的掃描工作過(guò)程PLC執(zhí)行程序的過(guò)程執(zhí)行程序的過(guò)程 集中采樣：集中采樣： 在一個(gè)掃描周期中，對(duì)輸入狀態(tài)的采樣只在輸入處

16、理階段進(jìn)行。當(dāng)在一個(gè)掃描周期中，對(duì)輸入狀態(tài)的采樣只在輸入處理階段進(jìn)行。當(dāng)PLC進(jìn)入程序處理階段后輸入端將被封鎖，直到下一個(gè)掃描周期的輸入處理階進(jìn)入程序處理階段后輸入端將被封鎖，直到下一個(gè)掃描周期的輸入處理階段才對(duì)輸入狀態(tài)進(jìn)行重新采樣。段才對(duì)輸入狀態(tài)進(jìn)行重新采樣。集中輸出：集中輸出： 在一個(gè)掃描周期內(nèi)，只在輸出階段才將輸出狀態(tài)輸出，刷新。在其它在一個(gè)掃描周期內(nèi)，只在輸出階段才將輸出狀態(tài)輸出，刷新。在其它階段輸出狀態(tài)一直保存在輸出映象寄存器中。因此，在用戶程序中如果對(duì)階段輸出狀態(tài)一直保存在輸出映象寄存器中。因此，在用戶程序中如果對(duì)輸出結(jié)果多次賦值，只有最后一次有效。輸出結(jié)果多次賦值，只有最后一次有

17、效。PLCPLC掃描工作方式的特點(diǎn)掃描工作方式的特點(diǎn) 提高了抗干擾能力，增強(qiáng)了系統(tǒng)可靠性提高了抗干擾能力，增強(qiáng)了系統(tǒng)可靠性 PLCPLC工作時(shí)大多數(shù)時(shí)間與外部輸入工作時(shí)大多數(shù)時(shí)間與外部輸入/ /輸出設(shè)備隔離，從根本上提高了系輸出設(shè)備隔離，從根本上提高了系統(tǒng)的抗干擾能力，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性。統(tǒng)的抗干擾能力，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性。 降低了系統(tǒng)的響應(yīng)速度降低了系統(tǒng)的響應(yīng)速度 PLCPLC輸入輸出響應(yīng)滯后輸入輸出響應(yīng)滯后：當(dāng)：當(dāng)PLCPLC輸入端輸入信號(hào)發(fā)生變化到輸入端輸入信號(hào)發(fā)生變化到PLCPLC輸出端輸出端對(duì)該輸入變化作出反應(yīng)，需要一段時(shí)間。對(duì)該輸入變化作出反應(yīng)，需要一段時(shí)間。 對(duì)于小型對(duì)于小型PL

18、C:PLC: 一般采用一般采用集中采樣、集中輸出集中采樣、集中輸出的工作方式的工作方式 對(duì)于大中型對(duì)于大中型PLCPLC采用定期或中斷采樣、輸出方式采用定期或中斷采樣、輸出方式 電機(jī)電器控制電路電機(jī)電器控制電路PLC外部接線與梯形圖外部接線與梯形圖電器控制與電器控制與PLC電路電路PLCPLC控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)接線圖（控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)接線圖（I I） （b）內(nèi)部寄存器）內(nèi)部寄存器SB1SB1：正轉(zhuǎn)啟動(dòng)按鈕：正轉(zhuǎn)啟動(dòng)按鈕SB2SB2：反轉(zhuǎn)啟動(dòng)按鈕：反轉(zhuǎn)啟動(dòng)按鈕SB3SB3：停止按鈕：停止按鈕KM1KM1：正轉(zhuǎn)接觸器：正轉(zhuǎn)接觸器KM2KM2：反轉(zhuǎn)接觸器：反轉(zhuǎn)接觸器 （a）PLC接口圖接口圖(c)梯形圖梯形圖PLCPLC控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)接線圖（控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)接線圖（IIII） 梯形圖梯形圖指令表指令表梯形圖以指令的形式存儲(chǔ)在梯形圖以指令的形式存儲(chǔ)在PLCPLC的用的用戶程序存儲(chǔ)器中，其指令表為：戶程序存儲(chǔ)器中，其指令表為：序號(hào)序號(hào) 助記符助記符 操作數(shù)操作數(shù) 0 LD X00 LD X0 1 OR Y0 1 OR Y0 2 ANI X2