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） 一.基本結(jié)構(gòu) PLC采用了典型的計算機結(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、運算器和寄存器組成，這些電路 一般都集成在一個芯片上。 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系統(tǒng)協(xié)調(diào)一致地運行。它解釋并執(zhí)行用戶 及系統(tǒng)程序并通過運行用戶及系統(tǒng)程序完成所有控制、處理、通信以及所

2、賦予的其他功能。 性能指標性能指標 字長字長: 4.8,16,32,64: 4.8,16,32,64位位 運行速度運行速度: PC : PC 機為億條指令機為億條指令/ /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、單片機和雙極型位片機,也可以使用 若干個微處理器芯片，采用分割控制任務(wù)的方法，實現(xiàn)多機處理。 通用微處理器常用的有Intel8085，M6800和Intel8086等。 單片機常用的有803l，8051，8039和8049等。 雙極型位片機常用的有AM2900，ANn901和AM2903等。 PLC典型型號

3、 S7-300CPU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/2n 2.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

4、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。 （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、計算機、打印機、錄音機以及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

5、造廠家寫入的系統(tǒng)程序，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

6、口 可配接編程器、計算機、打印機、錄音機以及AD、DA、串行通 信模塊等。 二.工作原理 通用計算機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。 整個工作過程可分為五個階段：自診斷，與編程器、計算機或其他 PLC設(shè)備等通信，輸入采樣，用戶程序執(zhí)行，輸出刷新.這五個工作階 段稱為一個掃描周期，時間為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)異常停機顯示出錯。若自診斷正常， 繼續(xù)向下掃描。 (

7、2)PLC檢查是否有與編程器、計算機等的通信請求，若有則進行相 應(yīng)處理。 (3)PLC的中央處理器對各個輸入端進行掃描，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)進行邏 輯、算術(shù)運算。 (5)當(dāng)所有的指令執(zhí)行完畢時，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）按鈕、常閉（觸點）按鈕、復(fù)式(觸點） 按鈕、點動按鈕。

8、（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)運動部件的位置來切換電路。工作時由檔塊和限 位開關(guān)的輪子或觸桿相撞使限位開關(guān)的觸點接通或斷開。常用于控制運動 部件的運動方向、行程長短或位置。 接近開關(guān)是無觸點開關(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，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

9、一個信號。 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的感溫元件良好接觸，通過傳導(dǎo)或?qū)α鬟_ 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、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)實現(xiàn)測 溫，其主要特點使測運動體、小目標及熱容量小和溫度變化迅速對象的表面溫度

10、，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） 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)點是：體積 小，動作可靠，維修方便，價格便宜。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)控制計算機系統(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

11、實現(xiàn)的。 按輸送信號的距離分為本地I/O和遠程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

12、)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來，變?yōu)殡妷骸㈦娏餍盘?，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、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

13、(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 輸(如油輪、油罐車)、汽車工業(yè)(如噴漆車間)、電站發(fā)電和配電 等、特殊機械工程(如印刷機械、工業(yè)清洗機)。 6.特殊I/O模塊 為了增強PLC的功能，擴大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)高速計數(shù)模塊 普通計數(shù)器的最高工作頻率受PLc掃描時間的限制，只 有幾至幾百Hz。在工業(yè)控制中，有時要求PLC有快速計數(shù) 功能，計數(shù)脈沖可能來自于旋轉(zhuǎn)編碼器、數(shù)字碼盤、機械 開關(guān)或電子開關(guān)。 高速計數(shù)模塊可以對幾十kHz甚至MHz量級的脈沖計數(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，廣泛用于機床、裝配機械等。如 s7-300的FM351. （4） PID控制模塊 應(yīng)用