電氣控制與PLC原理4

電氣控制與PLC原理杭州科技大學自動化學院院第四講主講：周亞軍3.7、3.8

PLC組成與工作原理

PLC的系統(tǒng)組成

PLC的外部接線PLC的工作原理

性能指標3.7PLC組成中央處理單元CPU

存儲器I/O接口

模擬量輸入模塊

模擬量輸出模塊

開關量輸入模塊

開關量輸出模塊

智能模塊接口和擴展接口模塊電源模塊編程工具

專用編程器

專用編程軟件軟件系統(tǒng)基本組成中央處理單元存儲器數(shù)據(jù)存儲器輸出接口地址總線控制總線數(shù)據(jù)總線編程單元照明電磁裝置執(zhí)行機構……電源地址總線控制總線輸入接口模擬量輸入行程開關繼電器接點各種開關PLC結構示意圖中央處理單元CPU——PLC的核心基本功能——

接受現(xiàn)場輸入信號、執(zhí)行用戶程序、刷新系統(tǒng)輸出、完成自診斷操作和通訊處理操作串口、總線、EtherNet SIEMENSS7CPU31x——MPI(187.5kbps) SIEMENSS7CPU31x－2——MPI(187.5kbps) Profibus-DP(≤12Mbps)網(wǎng)絡功能*微處理器、單片機或DSP存儲器、存儲空間的分配

根據(jù)PLC的工作原理，其存儲空間一般包括以下三個區(qū)域：系統(tǒng)程序存儲區(qū)系統(tǒng)RAM存儲區(qū)也稱工作數(shù)據(jù)區(qū)(包括I／O映象區(qū)和系統(tǒng)軟設備等)用戶程序存儲區(qū)PLC常用的存儲器主要有PROM、EPROM、E2PROM、RAM等幾種，多數(shù)都直接集成在CPU單元內(nèi)部。存儲器、存儲空間的分配－－系統(tǒng)程序存儲區(qū)

存放著相當于計算機操作系統(tǒng)的系統(tǒng)程序。監(jiān)控程序、管理程序、命令解釋程序、功能子程序、系統(tǒng)診斷程序等。由制造廠商將其固化在EPROM中，用戶不能夠直接存取。它和硬件一起決定了該PLC的各項性能。存儲器、存儲空間的分配－－系統(tǒng)RAM存儲區(qū)

也稱工作數(shù)據(jù)存儲器，指PLC在工作過程中經(jīng)常變化、需要經(jīng)常存取的數(shù)據(jù)，如：參數(shù)測量結果、運算結果、設定值等，這部分數(shù)據(jù)一般存放在RAM之中。

在工作數(shù)據(jù)區(qū)中開辟有元件映像寄存器和數(shù)據(jù)表，包括I/O映象區(qū)以及各類系統(tǒng)軟設備存儲區(qū)軟設備③輸入/輸出模塊

輸入模塊是接收或采集被控對象或被控生產(chǎn)過程的各種變量，一類是來自按鈕、轉換開關、限位開關、接近開關、光電開關等開關量信號；另一類是由溫度、流量、液位、壓力傳感器等各類傳感器或變送器反饋的模擬量信號；再類是高頻脈沖。③輸入/輸出模塊

輸出模塊是將運算處理產(chǎn)生的控制信號輸出，控制執(zhí)行機構動作如指示燈、報警器、繼電器、接觸器、調節(jié)閥、伺服電機等負載針對不同負載控制特性，輸出模塊也分為開關量輸出、模擬量輸出和高頻脈沖輸出。網(wǎng)絡通信模塊網(wǎng)絡通訊模塊是用于實現(xiàn)PLC與PLC、其它智能設備和上位機之間的通訊，可以構成三級控制網(wǎng)絡。④其他④其他智能模塊，例高速計數(shù)模塊：不受CPU的掃描時間限制，獨立工作，能夠對幾十KHz甚至上MHz頻率的脈沖進行計數(shù)。運動控制模塊：控制對象為電機、凸輪機構等，用于實現(xiàn)定位控制。閉環(huán)控制模塊：用于實現(xiàn)溫度、壓力、流量、液位等過程變量的閉環(huán)控制。此外，還有許多新的智能模塊不斷的推出，如超聲波位置編碼器、稱重儀等，這些模塊對于增強PLC的功能，擴大PLC的應用范圍都是非常重要的。電源模塊PLC的工作電源由于不同國家工業(yè)用電標準不同，一般提供110V和220V兩種類型，也有個別采用直流24V供電。對于超小型整體式PLC通常系統(tǒng)規(guī)模不大，電源集成在CPU模塊上，對擴展模塊有數(shù)量要求。而模塊式PLC通常都有專門的電源模塊供電，在控制規(guī)模過大時，可能需要多個電源模塊分別供電，甚至有的系統(tǒng)還需要電源冗余模塊。④其他擴展模塊擴展模塊主要是指輸入/輸出（包括DI/DO、AI/AO）接口的擴展。若CPU模塊中集成有I/O接口的PLC，對于一些控制對象點數(shù)已經(jīng)足夠使用，那就不需要擴展，CPU模塊自己就可以構成控制系統(tǒng)；對于復雜的控制對象點數(shù)若不夠使用，那就需要外接擴展模塊來增加I/O點數(shù)。而模塊式PLC的CPU模塊中沒有集成I/O接口，因此此類PLC必須外接擴展模塊，才能構成控制系統(tǒng)。④其他編程器的作用是完成用戶程序的輸入、編輯、調試和監(jiān)控系統(tǒng)程序的運行，既可以離線編程，也可以在線聯(lián)機調試。根據(jù)系統(tǒng)開發(fā)方式通常分為專用編程器和計算機開發(fā)系統(tǒng)。⑤編程平臺

PLC的外設很多，這里主要介紹人—機接口裝置（HMI）中的文本顯示器和觸摸屏。文本顯示器：通過密封鍵盤提供操控功能和過程監(jiān)視，支持文本顯示（包含掌上設備）和圖形顯示（同樣支持彩色顯示）。如西門子的TD200、TD400C，三菱的F920GOT、F930GOT-K，和利時的HD2000等。觸摸屏：無需物理按鈕，利用觸摸感應操控和顯示，能使操作者直觀地通過圖形控制監(jiān)視系統(tǒng)。根據(jù)系統(tǒng)規(guī)?？梢赃x擇屏幕的大小和顯示顏色數(shù)，如西門子的TP170、TP270，三菱的GOT-A900系列，和利時的HT6000。⑥PLC的外部設備

PLC的物理結構整體式模塊式疊裝式PLC結構形式整體式模塊式整體式PLC組成示意圖組合式PLC組成示意圖整體式PLC(LG)組合式PLC匯點式--------

各個I/O電路有一個公共點，共用一個電源。分組式--------

I/O分成若干組，每組I/O共用一個電源，各組電源可以不同。分割式---------

各個I/O點之間相互隔離，每個I/O可以使用獨立電源。PLC外部接線---外部接線方式直流輸入電路圖1輸入接口作用：將按鈕、行程開關或傳感器等產(chǎn)生的信號，轉換成數(shù)字信號送入主機。PLC外部接線----輸入模塊隔離電路采用光電耦合器，再經(jīng)RC濾波電路送入PLC的CPU，可以防止外部干擾源和觸點抖動等情直流輸入電路圖2交流輸入電路圖發(fā)光二極管和光耦均采用反并聯(lián)結構，在交流輸入的正負半波分別導通，C1起隔直作用。繼電器輸出：低速大功率直流、交流負載（隔離、功率放大）晶體管集電極輸出：高速小功率直流負載雙向可控硅輸出：高速大功率交流負載PLC外部接線---輸出模塊繼電器輸出模塊

響應速度小于10ms，主要是由于機械觸點動作延時造成。負載電源由外部提供，與觸點并聯(lián)的RC電路和壓敏電阻用來消除觸點斷開時產(chǎn)生的電弧。晶體管輸出模塊放大采用大功率晶體管或場效應管，響應速度小于1ms，晶體管工作在飽和導通狀態(tài)和截止狀態(tài)，圖中穩(wěn)壓二極管用來抑制關斷過電壓和浪涌電壓。晶閘管輸出模塊隔離采用光電可控硅，放大采用雙向可控硅，響應時間有兩種情況：可控硅由關斷變?yōu)閷ǖ难舆t時間小于1ms，由導通變?yōu)殛P斷延遲時間小于10ms。RC電路和壓敏電阻用以抑制可控硅的關斷過電壓和外部的浪涌電壓。模擬量輸入模塊（A/D、AI）A/D作用：將現(xiàn)場儀表輸出的（標準）模擬量信號0~10mA、4~20mA、1~5VDC等轉化為計算機可以處理的數(shù)字信號 A/D轉換的性能指標分辨力*――A/D接口變化一個LSB（二進制最低有效位）時輸入模擬量的最小變化量例：12位A/D轉換器，輸入范圍0～10VDC，分辨力＝10/212＝2.44mV（通常分辨率以輸入二進制數(shù)的位數(shù)來表示：10位、12位分辨率）線性誤差――實際轉換特性曲線與理想轉換特性曲線之間的最大偏差包括:偏移誤差（0輸入非0輸出）、非線性誤差等。線性誤差通常以LSB的分數(shù)表示：如

1/2LSB、

1LSB等轉換時間*――從啟動轉換到轉換結束完成一次A/D轉換所需要的時間模擬量輸出模塊（D/A、AO）D/A作用：將計算機內(nèi)部的數(shù)字信號轉化為現(xiàn)場儀表可以接收的標準信號4~20mA等如：12位數(shù)字量（0～4095）→4~20mA;2047對應的轉換結果：12mAD/A轉換的性能指標分辨力――二進制變化一個LSB（最低有效位）時D/A輸出模擬量的最小變化量（通常分辨率以輸入二進制數(shù)地位數(shù)來表示：10位、12位D/A轉換器）線性誤差――實際轉換特性曲線與理想轉換特性曲線之間的最大偏