第六章PLC硬件系統(tǒng)

第六章可編程控制器的硬件系統(tǒng)

CPM*6.1PLC的基本組成6.2PLC的工作方式6.3CPM*系列PLC簡(jiǎn)介6.4PLC編程元件一、PLC的硬件組成1.中央處理單元CPU2.存儲(chǔ)器3.輸入/輸出模塊4.電源部件5.擴(kuò)展端口6.外部設(shè)備端口7.編程工具6.1PLC的基本組成圖6—1PLC組成結(jié)構(gòu)示意圖

1．中央處理器(CPU)接收、存儲(chǔ)由編程工具輸入的用戶程序和數(shù)據(jù)。檢查、校驗(yàn)用戶程序。對(duì)正在輸入或執(zhí)行的用戶程序，若發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，則立即報(bào)警，停止程序輸入或程序的執(zhí)行。接收現(xiàn)場(chǎng)輸入裝置的信號(hào)和數(shù)據(jù)，并存入輸入映像寄存器。執(zhí)行用戶程序。根據(jù)用戶程序存放的先后順序，從存儲(chǔ)器中逐條讀取指令，經(jīng)譯碼后，完成用戶程序中規(guī)定的各種任務(wù)，更新輸出映像寄存器的內(nèi)容；將輸出映像寄存器的內(nèi)容存入輸出鎖存器，以驅(qū)動(dòng)PLC外部的外部負(fù)載。故障診斷。診斷電源、PLC內(nèi)部電路的故障，通過(guò)顯示器顯示相應(yīng)的故障信息，提示用戶及時(shí)排除故障。1．中央處理器(CPU)目前，PLC中的CPU通常采用以下幾種形式：

（1）通用處理器：8086、80286、80386（2）單片機(jī)芯片：8051、8096等，小型PLC大多數(shù)采用8位單片機(jī)，中型PLC大多數(shù)采用16位甚至32位單片機(jī)

（3）位片式微處理器：AMD-29002．存儲(chǔ)器(RAM)

隨機(jī)存取存儲(chǔ)器：可讀可寫(xiě)，沒(méi)有斷電保持功能。(ROM)只讀存儲(chǔ)器：只讀，不能寫(xiě)。(EPROM)可擦除可編程序的只讀存儲(chǔ)器：非易失性.用紫外線照射芯片上的透鏡窗口，可以擦除已寫(xiě)入的內(nèi)容,寫(xiě)入新內(nèi)容。(EEPROM)電可擦除：兼有ROM的非易失性和RAM的隨機(jī)存取的優(yōu)點(diǎn).但價(jià)格比較高。RAM存放用戶程序ROM存放系統(tǒng)程序3．輸入、輸出模塊輸入、輸出模塊是PLC與被控設(shè)備的連接部件。

輸入模塊通過(guò)輸入端子接收現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制信號(hào)（包括開(kāi)關(guān)量和模擬量），如控制按鈕、限位開(kāi)關(guān)、傳感器信號(hào)等，并把這些信號(hào)轉(zhuǎn)換成CPU能處理的數(shù)字信號(hào)。

輸出模塊則接收經(jīng)中央處理器處理后的數(shù)字輸出信號(hào)，并把它轉(zhuǎn)換成被控設(shè)備能接收的電壓或電流信號(hào)，以驅(qū)動(dòng)被控裝置（包括開(kāi)關(guān)量和模擬量），如電磁閥、接觸器、信號(hào)燈等。

（1）開(kāi)關(guān)量輸入模塊工作原理是:當(dāng)S閉合時(shí)光電耦合器T導(dǎo)通，LED點(diǎn)亮。此時(shí)A點(diǎn)為高電平,該電平經(jīng)濾波器送到內(nèi)部電路中。當(dāng)CPU訪問(wèn)該路信號(hào)時(shí),將該輸入點(diǎn)對(duì)應(yīng)的輸人映像寄存器狀態(tài)置1。圖6.2直流輸入單元的電路LED亮，表示該點(diǎn)的外電路接通（1）開(kāi)關(guān)量輸入模塊工作原理是:電容器C為隔直電容,對(duì)交流相當(dāng)于短路。光電耦合器有效地防止現(xiàn)場(chǎng)的強(qiáng)電干擾進(jìn)入PLC，因此PLC具有很強(qiáng)的抗干擾能力。圖6.3交流輸入單元的電路（2）開(kāi)關(guān)量輸出模塊工作原理是:當(dāng)對(duì)應(yīng)于晶體管T2的內(nèi)部繼電器的狀態(tài)為1時(shí),通過(guò)內(nèi)部電路使T1導(dǎo)通,從而使T2飽和導(dǎo)通,因此負(fù)載得電。

晶體管為無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān),所以此單元使用壽命長(zhǎng),響應(yīng)速度快圖6.4晶體管輸出單元的電路負(fù)載為感性時(shí),須并接續(xù)流二極管LED亮，表示該輸出點(diǎn)狀態(tài)為1（2）開(kāi)關(guān)量輸出模塊工作原理是:當(dāng)對(duì)應(yīng)于光控雙向晶閘管T的內(nèi)部繼電器的狀態(tài)為1時(shí),發(fā)光二極管導(dǎo)通發(fā)光,使T導(dǎo)通,負(fù)載得電。R2、C構(gòu)成阻容吸收保護(hù)電路，熔斷器FU防止短路時(shí)損壞PLC圖6.5雙向晶閘管輸出單元的電路負(fù)載電源可以選用直流或交流。（2）開(kāi)關(guān)量輸出模塊工作原理是:J為一個(gè)小型直流繼電器，當(dāng)對(duì)應(yīng)于J的內(nèi)部繼電器狀態(tài)為1時(shí),J得電吸合,其常開(kāi)觸點(diǎn)閉合,負(fù)載得電。繼電器觸點(diǎn)壽命一般為10~30萬(wàn)次,不適合頻繁通斷的場(chǎng)合圖6.6繼電器輸出單元的電路負(fù)載電源可以選用直流或交流。

4．電源

PLC的電源分三類：外部電源

用于驅(qū)動(dòng)PLC的負(fù)載和傳遞現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)，又稱用戶電源。內(nèi)部電源

PLC的工作電源，電源部件將外部提供的交流電轉(zhuǎn)換成PLC內(nèi)部正常工作所需的直流電，有時(shí)也作為現(xiàn)場(chǎng)輸入信號(hào)的電源。后備電源

在停機(jī)或突然失電時(shí)，保證RAM中的信息不丟失。

5．?dāng)U展端口

大部分PLC都有擴(kuò)展端口。主機(jī)（基本單元）可以通過(guò)擴(kuò)展端口連接I/O擴(kuò)展單元來(lái)增加I/O點(diǎn)數(shù),也可以通過(guò)擴(kuò)展端口連接各種特殊功能單元以擴(kuò)展PLC的功能。

6．外部設(shè)備端口

一般PLC都有外部設(shè)備端口。通過(guò)外部設(shè)備端口,PLC可與各種外部設(shè)備連接。例如,編程器、打印機(jī)、顯示器、EPROM寫(xiě)入器和盒式磁帶機(jī)等，有的PLC可以通過(guò)外部設(shè)備端口與其他PLC、上位計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信或加入各種網(wǎng)絡(luò)等。

7．編程工具

編程工具的主要作用是用來(lái)編輯程序、調(diào)試程序和監(jiān)控程序的執(zhí)行,還可以在線測(cè)試PLC的內(nèi)部狀態(tài)和參數(shù),與PLC進(jìn)行人機(jī)對(duì)話等。

（1）編程器：（2）計(jì)算機(jī)編程軟件二、PLC的軟件組成PLC的軟件包括系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。

1．系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)軟件是由PLC生產(chǎn)廠家編制的，用來(lái)管理、協(xié)調(diào)PLC的各部分工作，充分發(fā)揮硬件功能的程序。通常被固化在ROM中與PLC一起提供給用戶。系統(tǒng)程序一般包括以下功能：

（1）初始化

（2）系統(tǒng)自診斷

（3）命令識(shí)別與處理

（4）用戶程序編譯

（5）模塊子程序及調(diào)用管理

2．應(yīng)用軟件用戶根據(jù)控制對(duì)象和解決問(wèn)題不同，所編制的應(yīng)用程序不同。

二、PLC的軟件組成

PLC的軟件包括系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。

1.

系統(tǒng)軟件是由PLC生產(chǎn)廠家編制的，用來(lái)管理、協(xié)調(diào)PLC的各部分工作，充分發(fā)揮硬件功能的程序。通常被固化在ROM中與PLC一起提供給用戶。系統(tǒng)程序一般包括以下功能：

（1）初始化系統(tǒng)程序在PLC上電或復(fù)位時(shí)，首先對(duì)各模塊進(jìn)行登記、分配地址，做初始化，為系統(tǒng)的管理和運(yùn)行做好準(zhǔn)備。

（2）系統(tǒng)自診斷

PLC在執(zhí)行用戶程序前，對(duì)CPU、存儲(chǔ)器、電源、輸入和輸出模塊進(jìn)行故障診斷，若自診斷發(fā)現(xiàn)異常則轉(zhuǎn)入處理程序，停機(jī)并顯示故障代碼。

（3）命令識(shí)別與處理

系統(tǒng)程序不斷監(jiān)視鍵盤，接收由鍵盤發(fā)給PLC的每一個(gè)操作命令并加以解釋，然后按命令去完成相應(yīng)的操作，并將結(jié)果顯示給操作人員。

（4）用戶程序編譯

用戶程序送入PLC以后，首先由系統(tǒng)編譯程序?qū)ζ溥M(jìn)行編譯，變成CPU可以識(shí)別執(zhí)行的指令碼程序后，才被存入用戶程序存儲(chǔ)器，同時(shí)還要對(duì)輸入的用戶程序進(jìn)行語(yǔ)法檢查，發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤立即返回提示信號(hào)。

（5）模塊子程序及調(diào)用管理

有些生產(chǎn)廠家為了方便用戶編程，向用戶提供了一些子程序模塊，每個(gè)模塊具有一定的功能和調(diào)用條件，用戶需要時(shí)只需按調(diào)用條件進(jìn)行調(diào)用即可，而不必另外編寫(xiě)。

2．應(yīng)用軟件：用戶根據(jù)控制對(duì)象和解決問(wèn)題不同，所編制的應(yīng)用程序是不同的

圖6.7

PLC的內(nèi)部等效電路

6.2PLC的工作方式

PLC等效電路可分為三個(gè)部分：輸入部分、內(nèi)部控制電路和輸出部分。

（1）輸入部分

這部分的作用是收集被控設(shè)備的信息和操作命令，它由外部輸入信號(hào)、輸入接線端子和輸入繼電器組成。一個(gè)輸入端子對(duì)應(yīng)一個(gè)輸入繼電器。輸入繼電器由輸入端的外部信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)。輸入繼電器可以提供任意個(gè)動(dòng)合觸點(diǎn)和動(dòng)斷觸點(diǎn)供PLC內(nèi)部控制電路（即編程時(shí)）使用。

（2）內(nèi)部控制電路

該電路的作用是根據(jù)用戶規(guī)定的邏輯關(guān)系，對(duì)輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的狀態(tài)進(jìn)行運(yùn)算、處理和判斷，然后得到相應(yīng)的輸出。這部分由用戶根據(jù)控制要求編制的程序組成。用戶程序通常用梯形圖來(lái)表示，梯形圖類似繼電接觸器控制電路的電氣原理圖，只是梯形圖中的器件及它們的觸點(diǎn)用編程軟件實(shí)現(xiàn)的（虛擬的），沒(méi)有實(shí)際連線。

（3）輸出部分輸出部分由輸出繼電器的一個(gè)外部動(dòng)合觸點(diǎn)、輸出接線端子和外部電路組成，其作用是驅(qū)動(dòng)外部負(fù)載。

圖6.8三相異步電動(dòng)機(jī)起/?？刂齐娐放e例：圖6.9用PLC實(shí)現(xiàn)三相異步電動(dòng)機(jī)起/停控制2.PLC的工作方式

中、小型PLC采用周期性循環(huán)掃描的工作方式，包括輸入采樣、程序執(zhí)行、輸出刷新三個(gè)階段。圖6.10

PLC執(zhí)行程序過(guò)程

（1）輸入采樣階段

當(dāng)PLC開(kāi)始工作時(shí)，微處理器首先掃描各輸入點(diǎn)，將輸入點(diǎn)的狀態(tài)（接通為“1”，斷開(kāi)為“0”）讀入輸入映像寄存器中儲(chǔ)存，這一過(guò)程稱為輸入采樣階段。

（2）程序執(zhí)行階段

PLC在程序執(zhí)行階段，一般從用戶程序存儲(chǔ)器的最低的地址（0000）存放的第一條指令開(kāi)始，按地址遞增的方向順序掃描（即從上至下，由左至右），分別從輸入映像寄存器和輸出映像寄存器中獲取所需數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯處理和算術(shù)運(yùn)算，再將運(yùn)算的結(jié)果寫(xiě)入輸出映像寄存器中保存。

（3）輸出刷新階段程序執(zhí)行階段開(kāi)始，每一步所得到的輸出信號(hào)被送到輸出映像寄存器中，但并沒(méi)有送到輸出鎖存電路，相當(dāng)于輸出信號(hào)被輸出門阻隔，待全部程序執(zhí)行完后，輸出映像寄存器中的內(nèi)容送到輸出鎖存電路，再去驅(qū)動(dòng)用戶輸出設(shè)備，這才是PLC的真正輸出控制。3.PLC的I/O滯后現(xiàn)象

由于PLC采用循環(huán)掃描的工作方式,集中輸入集中輸出，因此會(huì)產(chǎn)生I/O滯后現(xiàn)象。此外，還與下面的因素有關(guān)。

(1)輸入濾波器對(duì)信號(hào)的延遲作用。由于PLC的輸入電路中設(shè)置了濾波器,濾波器的時(shí)間常數(shù)越大,對(duì)輸人信號(hào)的延遲作用越強(qiáng)。從輸入端ON到輸入濾波器輸出ON所經(jīng)歷的時(shí)間為輸人0N延時(shí)(CPM1A系列默認(rèn)設(shè)置時(shí)間為8ms)。(2)輸出繼電器的動(dòng)作延遲。對(duì)于繼電器輸出型的PLC,把從輸出鎖存器ON到輸出觸點(diǎn)ON所經(jīng)歷的時(shí)間稱為輸出ON延時(shí),一般需十幾毫秒。所以,在要求輸入/輸出有較快響應(yīng)的場(chǎng)合,最好不要使用繼電器輸出型的PLC。

(3)用戶程序的語(yǔ)句編排。在學(xué)習(xí)了PLC的編程以后就會(huì)知道,用戶程序的語(yǔ)句編排不當(dāng)也會(huì)影響I/O滯后的時(shí)間。*PLC的掃描周期與用戶程序的長(zhǎng)短和PLC的掃描速度相關(guān)。從PLC的輸入端有一個(gè)輸入信號(hào)發(fā)生變化，到PLC輸出端對(duì)該變化做出響應(yīng)，需要一段響應(yīng)時(shí)間。最小I/O響應(yīng)時(shí)間=輸入ON延時(shí)+掃描時(shí)間+輸出ON延時(shí)I/O刷新I/O刷新執(zhí)行指令/其他處理掃描時(shí)間PLC輸入觸點(diǎn)輸入濾波輸出鎖存器輸出觸點(diǎn)執(zhí)行指令/其他處理掃描時(shí)間輸入ON延時(shí)輸出ON延時(shí)I/O響應(yīng)時(shí)間響應(yīng)現(xiàn)象一：I/O響應(yīng)時(shí)間最大I/O響應(yīng)時(shí)間=輸入ON延時(shí)+掃描時(shí)間×2+輸出ON延時(shí)I/O刷新I/O刷新執(zhí)行指令掃描時(shí)間PLC輸入觸點(diǎn)輸入濾波輸出鎖存器輸出觸點(diǎn)執(zhí)行指令掃描時(shí)間輸入ON延時(shí)輸出ON延時(shí)I/O刷新執(zhí)行指令掃描時(shí)間*PLC輸入／輸出響應(yīng)的滯后現(xiàn)象：輸入濾波器有時(shí)間常數(shù)，輸出繼電器存在機(jī)械滯后

。響應(yīng)現(xiàn)象二：6.3CPM*系列PLC簡(jiǎn)介PLC系列CPU單元組成特殊擴(kuò)展單元類型CPM1A10點(diǎn)、20點(diǎn)30點(diǎn)、40點(diǎn)CPU單元I／O擴(kuò)展單元特殊擴(kuò)展單元模擬量特殊擴(kuò)展單元溫度傳感器特殊擴(kuò)展單元CompoBus/SI/O鏈接從單元CPM2A／2AE60點(diǎn)CPM2C10點(diǎn)、20點(diǎn)一、CPM1A-40CDR-A的面板圖1－功能接地端子2－電源輸入端子3－保護(hù)接地端子4－狀態(tài)顯示LED5－輸入LED6－輸入端子7－擴(kuò)展連接器8－輸出端子9－輸出LED10－直流輸出電源端子11－外設(shè)端口12－模擬設(shè)定電位器91211108123456711100908070605040302010011100908070605040302010000CH01CHIN10CH11CHOUT07060504030201000706050403020100PWRRUNERRCOMMALMOMRONSYSMACCPM1AL1COML2/N010305070002040608020403050608100709110001020405+COM03COMCOMCOM060700COM0102030405COM0706091011010024VDC0.3AOUTPUT110~240VAC圖6.12

CPM1A面板圖CPM1A-40CDR-A圖6.13

CPM1A真機(jī)圖片二、CPM1A的基本構(gòu)成

輸入端子在CPU單元面板的上半部，輸出端子在下半部；24個(gè)輸入點(diǎn)共用一個(gè)COM端子；16個(gè)輸出點(diǎn)分為六組，共有六個(gè)COM端。輸入、輸出LED和狀態(tài)顯示LED位于CPU單元面板的中部。狀態(tài)顯示：PWR（綠）為電源指示；RUN（綠）為PLC工作狀態(tài)指示；ERR（紅）為錯(cuò)誤指示；ALM（紅）為警告指示，；COMM（綠）為通信指示。模擬量設(shè)定電位器0、1位于面板中部的左側(cè)，可預(yù)置參數(shù)。左側(cè)的外設(shè)端口可以連接編程器，也可以通過(guò)RS232C或RS422通信適配器，連接PLC或上位計(jì)算機(jī)，構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。右側(cè)的擴(kuò)展連接器用于連接擴(kuò)展模塊。三、CPM1A型PLC功能簡(jiǎn)介模擬設(shè)定電位器功能輸入時(shí)間常數(shù)設(shè)定功能外部輸入中斷功能快速響應(yīng)輸入功能間隔定時(shí)中斷功能高速計(jì)數(shù)器功能脈沖輸出功能豐富的指令系統(tǒng)四、I/O擴(kuò)展單元

30點(diǎn)、40點(diǎn)的CPU單元帶有I/O擴(kuò)展連接器，用于連接擴(kuò)展單元，如I/O擴(kuò)展單元、特殊功能單元和I/O鏈接單元。DEVICENET從單元DRT21A/D、D/A單元MAD01溫度傳感器單元TS102五、編程工具

編程器CQM1-PRO01-E編程軟件CX-Programmer一、編程基礎(chǔ)知識(shí)

1.梯形圖編程觸點(diǎn)符號(hào)繼電器線圈符號(hào)操作數(shù)2.指令表編程指令步（一般由編程器自動(dòng)依次給出）操作碼操作數(shù)0000LD000000001OUT01000

6.4編程元件0000001000梯形圖圖例指令表圖例二、軟元件號(hào)分配及其功能概要軟元件地址=通道（CH）號(hào)+通道內(nèi)序號(hào)軟元件類型通道號(hào)通道內(nèi)序號(hào)輸入繼電器000~00900~15輸出繼電器010~01900~15輔助繼電器200~25500~15特殊輔助繼電器232~25500~15保持繼電器HR00~HR1900~15輔助記憶繼電器AR00~AR1500~15鏈接繼電器LR00~LR1500~15暫存繼電器TR0~7定時(shí)器/計(jì)數(shù)器TIM/CNT000～127數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器DM0000~DM6655圖6.14輸入繼電器電路

1．輸入/輸出繼電器（1）輸入繼電器：輸入繼電器是PLC接收外部開(kāi)關(guān)或敏感元件信號(hào)的“窗口”，可提供無(wú)限多個(gè)動(dòng)合觸點(diǎn)和動(dòng)斷觸點(diǎn)供內(nèi)部編程時(shí)使用。它只能由外部信號(hào)驅(qū)動(dòng)，而不能由程序來(lái)驅(qū)動(dòng)。

表6—6輸入繼電器編號(hào)表6—7輸出繼電器編號(hào)

類型編號(hào)數(shù)量CPM*基本單元10點(diǎn)00000~00005620點(diǎn)00000~000111230點(diǎn)00000~0001100100~001051840點(diǎn)00000~0001100100~0011124類型編號(hào)數(shù)量CPM*基本單元10點(diǎn)01000~01003420點(diǎn)01000~01007830點(diǎn)01000~0100701100~011031240點(diǎn)01000~0100701100~0110716圖6.15輸出繼電器電路

1．輸入/輸出繼電器（2）輸出繼電器：輸出繼電器是PLC將輸出信號(hào)傳送給外部負(fù)載的器件。輸出繼電器按程序執(zhí)行的結(jié)果被驅(qū)動(dòng)，它有無(wú)限多動(dòng)合觸點(diǎn)、動(dòng)斷觸點(diǎn)供編程時(shí)使用，但只有一對(duì)動(dòng)合觸點(diǎn)供外部使用。

2．內(nèi)部輔助繼電器

不能讀取外部輸入，也不能直接驅(qū)動(dòng)外部負(fù)載，只起到中間繼電器的作用。3．特殊輔助繼電器

主要用于動(dòng)作狀態(tài)標(biāo)志、動(dòng)作起動(dòng)標(biāo)志、時(shí)鐘脈沖輸出、模擬電位器、高速計(jì)數(shù)器、計(jì)數(shù)模式、中斷等各種功能的設(shè)定值/現(xiàn)在值的存儲(chǔ)單元。4．暫存繼電器TR

在復(fù)雜的梯形圖中，用來(lái)對(duì)回路的分支點(diǎn)的ON/OFF作狀態(tài)暫存。常用的特殊輔助繼電器

25200

高速計(jì)數(shù)器復(fù)位標(biāo)志（軟件設(shè)置復(fù)位）25309

掃描定時(shí)器定時(shí)時(shí)間（超過(guò)100ms時(shí)為ON）25313

常ON觸點(diǎn)25314常OFF觸點(diǎn)25315

當(dāng)PLC開(kāi)始運(yùn)行時(shí)，第一個(gè)掃描周期為ON25400

振蕩周期為1min的脈沖（30sON，30sOFF）25500

振蕩周期為0.1s的脈沖（0.05sON，0.05sOFF）25501

振蕩周期為0.2s的脈沖（0.1sON，0.1sOFF）25502

振蕩周期為1s的脈沖（0.5sON，0.5sOFF）25503

ER標(biāo)志（執(zhí)行指令，發(fā)生出錯(cuò)時(shí)為ON）25504

CY標(biāo)志（執(zhí)行指令結(jié)果有進(jìn)位時(shí)為ON）25505

GR（>）標(biāo)志（比較結(jié)果大于時(shí)為ON）25506

EQ（=）標(biāo)志（比較結(jié)果等于時(shí)為ON）25507

LE（<）標(biāo)志（比較結(jié)果小于時(shí)為ON）5