第二講--PLC的硬件組成和結(jié)構(gòu)

1、第二講可編程控制器的工作原理一.基本結(jié)構(gòu)二.工作原理三.輸入/輸出設(shè)備四.輸入/輸出模塊（重點(diǎn)）一.基本結(jié)構(gòu) PLC采用了典型的計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)，主要是由CPU、存儲器、輸入輸出、電源及其他外圍設(shè)備接口等部分構(gòu)成。 1.1.中央處理器中央處理器( (CPU)CPU) 組成組成 中央處理器(CPU)一般由控制電路、運(yùn)算器和寄存器組成，這些電路一般都集成在一個(gè)芯片上。 CPU通過地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線與存儲單元、輸入輸出(I0)接口電路相連接。 作用作用 CPU的主要作用是控制整個(gè)系統(tǒng)協(xié)調(diào)一致地運(yùn)行。它解釋并執(zhí)行用戶及系統(tǒng)程序并通過運(yùn)行用戶及系統(tǒng)程序完成所有控制、處理、通信以及所賦予的其他功能。

2、性能指標(biāo)性能指標(biāo) 字長字長: 4.8,16,32,64: 4.8,16,32,64位位 運(yùn)行速度運(yùn)行速度: PC : PC 機(jī)為億條指令機(jī)為億條指令/ /秒秒; PLC; PLC為百萬條指令為百萬條指令/ /秒或秒或us/us/條條 分類分類 常用的CPU采用通用微處理器、單片機(jī)和雙極型位片機(jī),也可以使用 若干個(gè)微處理器芯片，采用分割控制任務(wù)的方法，實(shí)現(xiàn)多機(jī)處理。 通用微處理器常用的有Intel8085，M6800和Intel8086等。 單片機(jī)常用的有803l，8051，8039和8049等。 雙極型位片機(jī)常用的有AM2900，ANn901和AM2903等。 PLC典型型號 S7-300CP

3、U的型號：312/313/314/315/316/318等 若帶IFM或C的為集成式CPU S7-200 CPU的型號:221/222/224/226 三菱的FX系列：FX1s/1n/2n2.存儲器 在PLC中使用的兩種類型存儲器為ROM和RAM 只讀存儲器ROM。ROM中的內(nèi)容是由PLC的制造廠家寫入的系統(tǒng)程序，(PLC去電后再加電，ROM內(nèi)容不變)。系統(tǒng)程序一般包括 檢查程序、翻譯程序、監(jiān)控程序等 隨機(jī)存儲器RAM。RAM是可讀可寫存儲器，一般存放用戶程序、邏輯變量、供內(nèi)部程序使用的工作單元3.電源部件 電源部件將交流電源轉(zhuǎn)換成供PLC的中央處理器、存儲器等電子電路工作所需要的直流電源，目

4、前大部分PLC采用開關(guān)式穩(wěn)壓電源供電。 （4）輸入、輸出部分 輸入接口電路一般由光電耦合電路和微電腦輸入接口電路組成。 輸出接口電路一般由微電腦輸出接口電路和功率放大電路組成。功率放大電路是為了適應(yīng)工業(yè)控制的要求，將微電腦輸出的信號加以放大。PLC一般采用繼電器輸出，也有的采用晶閘管或晶體管輸出。 （5）其他外圍設(shè)備的接口 可配接編程器、計(jì)算機(jī)、打印機(jī)、錄音機(jī)以及AD、DA、串行通信模塊等。 2.存儲器 常用的存儲器為ROM、RAM、EPROM、EPPROM, 在PLC中使用的兩種類 型存儲器為ROM和RAM. 只讀存儲器ROM ROM中的內(nèi)容是由PLC的制造廠家寫入的系統(tǒng)程序，系統(tǒng)程序一般

5、包括檢查程序、翻譯程序、監(jiān)控程序等. 隨機(jī)存儲器RAM RAM是可讀可寫存儲器，一般存放用戶程序、邏輯變量、供內(nèi)部程序使用的工作單元. 3.輸入、輸出部分 輸入接口電路一般由光電耦合電路和微電腦輸入接口電路組成。 輸出接口電路一般由微電腦輸出接口電路和功率放大電路組成。功率放大電路是為了適應(yīng)工業(yè)控制的要求，將微電腦輸出的信號加以放大。PLC一般采用繼電器輸出，也有的采用晶閘管或晶體管輸出。 4.電源部件 電源部件將交流電源轉(zhuǎn)換成供PLC的中央處理器、存儲器等電子電路工作所需要的直流電源，目前大部分PLC采用開關(guān)式穩(wěn)壓電源供電。 5.其他外圍設(shè)備的接口 可配接編程器、計(jì)算機(jī)、打印機(jī)、錄音機(jī)以及A

6、D、DA、串行通信模塊等。二.工作原理 通用計(jì)算機(jī)PC的工作方式是等待請求， PLC則采用循環(huán)掃描工作方式,兩者的差異在于PC針對的是人，PLC針對的是設(shè)備。 整個(gè)工作過程可分為五個(gè)階段：自診斷，與編程器、計(jì)算機(jī)或其他PLC設(shè)備等通信，輸入采樣，用戶程序執(zhí)行，輸出刷新.這五個(gè)工作階段稱為一個(gè)掃描周期，時(shí)間為0.2ms。 執(zhí)行程序處理通訊請求執(zhí)行 CPU自診斷寫輸出讀輸入一個(gè)掃描周期 (1)每次掃描用戶程序之前，都先執(zhí)行故障自診斷程序。自診斷內(nèi)容為I0部分、存儲器、CPU等，發(fā)現(xiàn)異常停機(jī)顯示出錯(cuò)。若自診斷正常，繼續(xù)向下掃描。 (2)PLC檢查是否有與編程器、計(jì)算機(jī)等的通信請求，若有則進(jìn)行相應(yīng)處理

7、。 (3)PLC的中央處理器對各個(gè)輸入端進(jìn)行掃描，將輸入端的狀態(tài)送到輸入狀態(tài)寄存器。 (4)中央處理器CPU將指令逐條調(diào)出并執(zhí)行，即按程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行邏輯、算術(shù)運(yùn)算。 (5)當(dāng)所有的指令執(zhí)行完畢時(shí)，集中把輸出狀態(tài)寄存器的狀態(tài)通過輸出部件轉(zhuǎn)換成被控設(shè)備所能接受的電壓或電流信號。 三.輸入/輸出設(shè)備輸入器件有：按鈕、開關(guān)、傳感器。輸出設(shè)備有：繼電器、交流接觸器、電磁閥、信號燈、傳感器、變送器。圖2-2PLC外圍硬件配置示意圖（1）按鈕手動開關(guān)，包括常開（觸點(diǎn)）按鈕、常閉（觸點(diǎn)）按鈕、復(fù)式(觸點(diǎn)）按鈕、點(diǎn)動按鈕。（2）開關(guān)包括：行程開關(guān)、接近開關(guān)、光電開關(guān)等行程開關(guān)它以根據(jù)運(yùn)動部件的位置來切換電路。工

8、作時(shí)由檔塊和限位開關(guān)的輪子或觸桿相撞使限位開關(guān)的觸點(diǎn)接通或斷開。常用于控制運(yùn)動部件的運(yùn)動方向、行程長短或位置。接近開關(guān)是無觸點(diǎn)開關(guān)。按照接近開關(guān)的工作原理，可以分為電容型、霍爾效應(yīng)型、感應(yīng)電橋型、高頻振蕩型、磁鐵型等多種.接近開關(guān)具有工作穩(wěn)定可靠、壽命長、重復(fù)定位精度高、動作迅速、操作頻率高.光電開關(guān)可以分為兩類：透射型和反射型。透射型是發(fā)射器（光源）與接收器相對放置，發(fā)射器發(fā)射的紅外線直接照射到接收器上，當(dāng)生產(chǎn)線上有物體通過時(shí)，將紅外線光源切斷遮擋住了，接收器收不到紅外光，于是就發(fā)出一個(gè)信號。反射型根據(jù)紅外光反射方式的不同，又分為鏡反射（簡稱反射型）和被測物體反射（簡稱散射型）。反射型與透射

9、型相比，反射型單側(cè)安裝，安裝和調(diào)試簡單，并且還可以用于檢測半透明的物體。散射型安裝最簡單。（3）溫度傳感器常用的溫度傳感器可以分為接觸式和非接觸式兩類。接觸式傳感器是使被測對象與溫度計(jì)的感溫元件良好接觸，通過傳導(dǎo)或?qū)α鬟_(dá)到熱動平衡，以感溫元件感受的溫度直接測量物體的溫度，以及物體內(nèi)部的溫度分布，如玻璃體溫度計(jì)、熱電阻、熱電偶等。非接觸式的傳感器與被測對象不接觸，利用物體的熱輻射原理或電磁性質(zhì)實(shí)現(xiàn)測溫，其主要特點(diǎn)使測運(yùn)動體、小目標(biāo)及熱容量小和溫度變化迅速對象的表面溫度，也可測溫度場的溫度分布，如紅外測溫儀等。（4）繼電器和接觸器（可控制電機(jī)）繼電器是一種利用各種物理量變化將電量或非電量信號轉(zhuǎn)化為

10、開關(guān)量信號的控制元件。接觸器帶有滅弧裝置。（5）電磁閥（可控制液氣壓缸）電磁閥是用電磁鐵推動閥門的開啟與關(guān)閉動作的電動執(zhí)行器，主要優(yōu)點(diǎn)是：體積小，動作可靠，維修方便，價(jià)格便宜。通常用于口徑在100mm以下的兩位式控制中，尤其多用于接通、切斷或轉(zhuǎn)換氣路或液路等。工業(yè)上常用的電磁閥有兩通、三通、四通、低壓和高壓電磁閥等.四.輸入/輸出模塊 PLC是一種工業(yè)控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，它的控制對象是工業(yè)生產(chǎn)過程，它與工業(yè)生產(chǎn)過程的聯(lián)系就是通過輸入輸出(IO)模塊實(shí)現(xiàn)的。 按輸送信號的距離分為本地I/O和遠(yuǎn)程I/O。 按信號類型劃分可分為開關(guān)量輸入(D1)模塊、開關(guān)量輸出(DO)模塊、模擬量輸入(AI)模塊、模擬

11、量輸出(A0)模塊、防爆輸入/輸出(EX)模塊、特殊I/O模塊等。 1.開關(guān)量輸入(DI)模塊 DI模塊的任務(wù)是對被控變量越限狀態(tài)及全部現(xiàn)場狀態(tài)進(jìn)行巡回檢測，包括各種限位(限值)開關(guān)、繼電器或電磁閥狀態(tài)反饋、按鈕狀態(tài)等。 通過光電耦合電路將通過光電耦合電路將220V220V交流信號變?yōu)榻涣餍盘栕優(yōu)?-5V0-5V直流信號直流信號 通過微繼電器將高電壓信號變?yōu)橥ㄟ^微繼電器將高電壓信號變?yōu)?-5V0-5V直流信號直流信號 2.開關(guān)量輸入(DO)模塊 直流輸出模塊 交流輸出模塊 繼電器輸出模塊 3.模擬量輸入(AI)模塊 溫度、壓力、液位、流量、厚度、速度、位移等為模擬量需要采用傳感器或變送器測量出

12、來，變?yōu)殡妷?、電流信號，PLC通過 AI模塊將這些電信號轉(zhuǎn)化為能被其CPU 處理的數(shù)字信號。主要環(huán)節(jié)為： 信號處理 多路模擬采樣開關(guān)，如AD7501、7502等 數(shù)據(jù)放大器，要求高輸入阻抗、低漂移電流、高工模抑制比 采樣保持器和數(shù)摸轉(zhuǎn)換器 4.模擬量輸出(A0)模塊 將PLC的數(shù)字信號通過 AO模塊轉(zhuǎn)化為電壓、電流信號，完成對伺服電機(jī)、調(diào)節(jié)閥的控制。主要環(huán)節(jié)為： 數(shù)據(jù)緩沖 光電隔離 D/A轉(zhuǎn)換 多路模擬轉(zhuǎn)換開關(guān) 5.防爆輸入/輸出(EX)模塊 EX模塊可用作化工廠自動化系統(tǒng)中的相關(guān)器件，它們可用于 儀表和控制應(yīng)用。 應(yīng)用領(lǐng)域包括化學(xué)物化工業(yè)、煤氣工業(yè)、海上作業(yè)技術(shù)、運(yùn) 輸(如油輪、油罐車)、汽

13、車工業(yè)(如噴漆車間)、電站發(fā)電和配電 等、特殊機(jī)械工程(如印刷機(jī)械、工業(yè)清洗機(jī))。 6.特殊I/O模塊 為了增強(qiáng)PLC的功能，擴(kuò)大PLC的應(yīng)用范圍，PLC廠家 開發(fā)了品種繁多的特殊用途IO模塊，包括帶有微處理器 的智能I/O模塊。 (1)高速計(jì)數(shù)模塊 普通計(jì)數(shù)器的最高工作頻率受PLc掃描時(shí)間的限制，只 有幾至幾百Hz。在工業(yè)控制中，有時(shí)要求PLC有快速計(jì)數(shù) 功能，計(jì)數(shù)脈沖可能來自于旋轉(zhuǎn)編碼器、數(shù)字碼盤、機(jī)械 開關(guān)或電子開關(guān)。 高速計(jì)數(shù)模塊可以對幾十kHz甚至MHz量級的脈沖計(jì)數(shù)， 這一過程與掃描過程無關(guān)。 （2）快速響應(yīng)模塊 輸出與掃描過程無關(guān)，直接來自輸入。 （3）運(yùn)動控制模塊 自帶微處理器，可控制位移、速度、加速度，可單 軸或多軸控制，廣泛用于機(jī)床、裝配機(jī)械等。如 s7-300的FM351. （4） PID控制模塊 應(yīng)用