第六章PLC硬件系統(tǒng)

1、第六章 可編程控制器的硬件系統(tǒng) 6.1 PLC的基本組成6.2 PLC的工作方式6.3 CPM*系列PLC簡介6.4 PLC編程元件一、一、 PLC的硬件組成的硬件組成1.中央處理單元中央處理單元CPU2.存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器3.輸入輸入/輸出模塊輸出模塊4. 電源部件電源部件5.擴(kuò)展端口擴(kuò)展端口6. 外部設(shè)備端口外部設(shè)備端口7.編程工具編程工具 CPU電 源上位計(jì)算機(jī)打印機(jī)CRT監(jiān)控EPROM寫入器編程器外設(shè) I/O接口按鈕行程開關(guān)SB2SB1輸入模塊存儲(chǔ)器擴(kuò)展 I/O接口I/O擴(kuò)展機(jī)輸出模塊接觸器指示燈電磁閥外接電源SQ圖61 PLC組成結(jié)構(gòu)示意圖 接收現(xiàn)場輸入裝置的信號(hào)和數(shù)據(jù)，并存入輸入映像寄存

2、器。接收現(xiàn)場輸入裝置的信號(hào)和數(shù)據(jù)，并存入輸入映像寄存器。從存儲(chǔ)器從存儲(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)內(nèi)容存入輸出鎖存器，以驅(qū)動(dòng)PLC外部的外部負(fù)載。外部的外部負(fù)載。 目前，目前，PLC中的中的CPU通常采用以下幾種形式：通常采用以下幾種形式： （1）通用處理器：通用處理器：8086、80286、80386 （2）單片機(jī)芯片：）單片機(jī)芯片：8051、8096等，小型等，小型PLC大多數(shù)采用大多數(shù)采用8

3、位單片機(jī)，中型位單片機(jī)，中型PLC大多數(shù)采用大多數(shù)采用16位甚至位甚至32位單片機(jī)位單片機(jī) （3）位片式微處理器：位片式微處理器：AMD-2900(RAM) 隨機(jī)存取存儲(chǔ)器：可讀可寫，沒有斷電保持功能。隨機(jī)存取存儲(chǔ)器：可讀可寫，沒有斷電保持功能。(ROM)只讀存儲(chǔ)器：只讀，不能寫。只讀存儲(chǔ)器：只讀，不能寫。(EPROM)可擦除可編程序的只讀存儲(chǔ)器：非易失性可擦除可編程序的只讀存儲(chǔ)器：非易失性.用紫外線照用紫外線照射芯片上的透鏡窗口，可以擦除已寫入的內(nèi)容射芯片上的透鏡窗口，可以擦除已寫入的內(nèi)容,寫入新內(nèi)容。寫入新內(nèi)容。(EEPROM)電可擦除：兼有電可擦除：兼有ROM的非易失性和的非易失性和RA

4、M的隨機(jī)存的隨機(jī)存取的優(yōu)點(diǎn)取的優(yōu)點(diǎn).但價(jià)格比較高。但價(jià)格比較高。RAM存放用戶程序存放用戶程序ROM存放系統(tǒng)程序存放系統(tǒng)程序 輸入、輸出模塊是輸入、輸出模塊是PLC與被控設(shè)備的連接部件。與被控設(shè)備的連接部件。 輸入模塊輸入模塊通過輸入端子接收現(xiàn)場設(shè)備的控制信號(hào)（包括開通過輸入端子接收現(xiàn)場設(shè)備的控制信號(hào)（包括開關(guān)量和模擬量），如控制按鈕、限位開關(guān)、傳感器信號(hào)等，并關(guān)量和模擬量），如控制按鈕、限位開關(guān)、傳感器信號(hào)等，并把這些信號(hào)轉(zhuǎn)換成把這些信號(hào)轉(zhuǎn)換成CPU能處理的數(shù)字信號(hào)。能處理的數(shù)字信號(hào)。 輸出模塊輸出模塊則接收經(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)

5、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（包括開關(guān)量和模擬量），如電磁閥、接觸器、信號(hào)燈等。置（包括開關(guān)量和模擬量），如電磁閥、接觸器、信號(hào)燈等。 工作原理是工作原理是:當(dāng)當(dāng)S閉合時(shí)光電耦合器閉合時(shí)光電耦合器T導(dǎo)通，導(dǎo)通，LED點(diǎn)亮點(diǎn)亮 。此。此時(shí)時(shí)A點(diǎn)為高電平點(diǎn)為高電平,該電平經(jīng)濾波器送到內(nèi)部電路中。當(dāng)該電平經(jīng)濾波器送到內(nèi)部電路中。當(dāng)CPU訪問訪問該路信號(hào)時(shí)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)置將該輸入點(diǎn)對(duì)應(yīng)的輸人映像寄存器狀態(tài)置1。圖圖6.2 直流輸入單元的電路直流輸入單元的電路 工作原理是工作原理是:電容器電容器C

6、為隔直電容為隔直電容,對(duì)交流相當(dāng)于短路。光電對(duì)交流相當(dāng)于短路。光電耦合器有效地防止現(xiàn)場的強(qiáng)電干擾進(jìn)入耦合器有效地防止現(xiàn)場的強(qiáng)電干擾進(jìn)入PLC，因此，因此PLC具有很具有很強(qiáng)的抗干擾能力。強(qiáng)的抗干擾能力。圖圖6.3 交流輸入單元的電路交流輸入單元的電路 工作原理是工作原理是:當(dāng)對(duì)應(yīng)于晶體管當(dāng)對(duì)應(yīng)于晶體管T2的內(nèi)部繼電器的狀態(tài)為的內(nèi)部繼電器的狀態(tài)為1時(shí)時(shí),通過內(nèi)部電路使通過內(nèi)部電路使T1導(dǎo)通導(dǎo)通,從而使從而使T2飽和導(dǎo)通飽和導(dǎo)通,因此負(fù)載得電。因此負(fù)載得電。 晶體管為無觸點(diǎn)開關(guān)晶體管為無觸點(diǎn)開關(guān),所以此單元使用壽命長所以此單元使用壽命長,響應(yīng)速度快響應(yīng)速度快圖圖6.4 晶體管輸出單元的電路晶體管輸

7、出單元的電路負(fù)載負(fù)載為感為感性時(shí)性時(shí), 須并須并接續(xù)接續(xù)流二流二極管極管 工作原理是工作原理是:當(dāng)對(duì)應(yīng)于光控雙向晶閘管當(dāng)對(duì)應(yīng)于光控雙向晶閘管T的內(nèi)部繼電器的狀的內(nèi)部繼電器的狀態(tài)為態(tài)為1時(shí)時(shí),發(fā)光二極管導(dǎo)通發(fā)光發(fā)光二極管導(dǎo)通發(fā)光, 使使T導(dǎo)通導(dǎo)通,負(fù)載得電。負(fù)載得電。R2、C構(gòu)成阻容吸收保護(hù)電路，熔斷器構(gòu)成阻容吸收保護(hù)電路，熔斷器FU防止短路時(shí)損壞防止短路時(shí)損壞PLC圖圖6.5 雙向晶閘管輸出單元的電路雙向晶閘管輸出單元的電路負(fù)載負(fù)載電源電源可以可以選用選用直流直流或交或交流。流。 工作原理是工作原理是:J為一個(gè)小型直流繼電器，當(dāng)對(duì)應(yīng)于為一個(gè)小型直流繼電器，當(dāng)對(duì)應(yīng)于J的內(nèi)部繼的內(nèi)部繼電器狀態(tài)為電

8、器狀態(tài)為1時(shí)時(shí),J得電吸合得電吸合,其常開觸點(diǎn)閉合其常開觸點(diǎn)閉合,負(fù)載得電。負(fù)載得電。 繼電器觸點(diǎn)壽命一般為繼電器觸點(diǎn)壽命一般為1030萬次萬次,不適合頻繁通斷的場合不適合頻繁通斷的場合圖圖6.6 繼電器輸出單元的電路繼電器輸出單元的電路負(fù)載負(fù)載電源電源可以可以選用選用直流直流或交或交流。流。 二、二、 PLC的軟件組成的軟件組成 PLC的軟件包括系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。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 系統(tǒng)軟件是由系統(tǒng)軟件是由PLC生產(chǎn)廠家編制的，用來管理、協(xié)調(diào)生產(chǎn)廠家編制的，用來管理、協(xié)調(diào)PLC的各的各部分工作，充分發(fā)揮硬件功能的程序。通常被固化在部分工作，充分發(fā)揮硬件功能的

9、程序。通常被固化在ROM中與中與PLC一起提供給用戶。系統(tǒng)程序一般包括以下功能：一起提供給用戶。系統(tǒng)程序一般包括以下功能： （1）初始化）初始化 （2）系統(tǒng)自診斷）系統(tǒng)自診斷 （3）命令識(shí)別與處理）命令識(shí)別與處理 （4）用戶程序編譯）用戶程序編譯 （5）模塊子程序及調(diào)用管理）模塊子程序及調(diào)用管理 2應(yīng)用軟件應(yīng)用軟件 用戶根據(jù)控制對(duì)象和解決問題不同，所編制的應(yīng)用程序不同。用戶根據(jù)控制對(duì)象和解決問題不同，所編制的應(yīng)用程序不同。 二、二、 PLC的軟件組成的軟件組成 PLC的軟件包括系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。的軟件包括系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。 1. 系統(tǒng)軟件是由系統(tǒng)軟件是由PLC生產(chǎn)廠家編制的，用來管理、協(xié)調(diào)

10、生產(chǎn)廠家編制的，用來管理、協(xié)調(diào)PLC的各部分工作，的各部分工作，充分發(fā)揮硬件功能的程序。通常被固化在充分發(fā)揮硬件功能的程序。通常被固化在ROM中與中與PLC一起提供給用戶。系統(tǒng)程一起提供給用戶。系統(tǒng)程序一般包括以下功能：序一般包括以下功能： （1）初始化）初始化 系統(tǒng)程序在系統(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。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）系統(tǒng)自診斷 PLC在執(zhí)行用戶程序前，對(duì)在執(zhí)行用戶程序前，對(duì)CPU、存儲(chǔ)器、電源、輸入和輸、存儲(chǔ)器、電源、輸入和輸出模塊進(jìn)行

11、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。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）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)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。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）用戶程序編譯 用戶程序送入用戶程序送入PLC以后，首先由系統(tǒng)編譯程序?qū)ζ溥M(jìn)行編以后，首先由系統(tǒng)編譯程序?qū)ζ溥M(jìn)行編譯，變成譯，變成CPU可以識(shí)別執(zhí)行的指令碼程序后，才被

12、存入用戶程序存儲(chǔ)器，同時(shí)還要可以識(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)行語法檢查，發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤立即返回提示信號(hào)。對(duì)輸入的用戶程序進(jìn)行語法檢查，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）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。件進(jìn)行調(diào)用即可，而不必另外編寫。 2應(yīng)用軟件：用戶根據(jù)控制對(duì)象和解決問題不同，所編制的應(yīng)

13、用程序是不同的應(yīng)用軟件：用戶根據(jù)控制對(duì)象和解決問題不同，所編制的應(yīng)用程序是不同的 圖圖6.7 PLC的內(nèi)部等效電路的內(nèi)部等效電路 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。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）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)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)來驅(qū)動(dòng)。輸入繼電器可以提供任意個(gè)動(dòng)合輸入繼電

14、器由輸入端的外部信號(hào)來驅(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。內(nèi)部控制電路（即編程時(shí)）使用。 （2）內(nèi)部控制電路）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表示，梯形圖類似繼電制要求編制的程序組成。用戶程序通常用梯形圖來表示，梯形圖類似繼電接觸器控制電路的電氣原理圖，只是梯

15、形圖中的器件及它們的觸點(diǎn)用編程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），沒有實(shí)際連線。軟件實(shí)現(xiàn)的（虛擬的），沒有實(shí)際連線。 （3）輸出部分）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。路組成，其作用是驅(qū)動(dòng)外部負(fù)載。 圖圖6.8 三相異步電動(dòng)機(jī)起三相異步電動(dòng)機(jī)起/?？刂齐娐吠？刂齐娐?3MKMFRSB21UUWV KM KM3SB1FR5V舉例：舉例：COM-+COM050705060003SB20004SB10002COM50502CO

16、M0501C20PCOM000000010500COM0004FR6220V AC05000002 KM70500(b)(a)圖圖 6.9 用用PLC實(shí)現(xiàn)三相異步電動(dòng)機(jī)起實(shí)現(xiàn)三相異步電動(dòng)機(jī)起/?？刂仆？刂?.PLC的工作方式的工作方式 中、小型中、小型PLC采用周期性循環(huán)掃描的工作方式，包括輸采用周期性循環(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。入采樣、程序執(zhí)行、輸出刷新三個(gè)階段。程序執(zhí)行階段TIM001000輸入設(shè)備輸入映像寄存器輸入端子輸入采樣階段00060003100000050000寄存輸入狀態(tài)輸出設(shè)備輸出映像寄存器輸出端子輸出鎖存電路輸出處理階段0500寄存輸出狀態(tài)

17、寄存執(zhí)行結(jié)果.圖圖 6.10 PLC執(zhí)行程序過程執(zhí)行程序過程 （1）輸入采樣階段）輸入采樣階段 當(dāng)當(dāng)PLC開始工作時(shí)，微處理器首先掃描各輸入點(diǎn)，將輸入點(diǎn)的狀態(tài)（開始工作時(shí)，微處理器首先掃描各輸入點(diǎn)，將輸入點(diǎn)的狀態(tài)（接通為接通為“1”，斷開為，斷開為“0”）讀入輸入映像寄存器中儲(chǔ)存，這一過程稱為輸）讀入輸入映像寄存器中儲(chǔ)存，這一過程稱為輸入采樣階段。入采樣階段。 （2）程序執(zhí)行階段）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（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始，按地址遞增的方向順序掃描（即從上至下，由左存放的第一條指令開始，

18、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)果寫入輸出映像寄存器中保存輯處理和算術(shù)運(yùn)算，再將運(yùn)算的結(jié)果寫入輸出映像寄存器中保存 。 （3）輸出刷新階段）輸出刷新階段 程序執(zhí)行階段開始，每一步所得到的輸出信號(hào)被送到輸出映像寄存器程序執(zhí)行階段開始，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，待全部中，但并沒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

19、的內(nèi)容送到輸出鎖存電路，再去驅(qū)動(dòng)用程序執(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，這才是戶輸出設(shè)備，這才是PLC的真正輸出控制。的真正輸出控制。 3. PLC的的I/O滯后現(xiàn)象滯后現(xiàn)象 由于由于PLC采用循環(huán)掃描的工作方式采用循環(huán)掃描的工作方式, 集中輸入集中輸出集中輸入集中輸出，因此會(huì)產(chǎn)生，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)。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。輸入濾波器對(duì)信號(hào)的延遲作用。由于由于PLC的輸入電路中設(shè)置了濾的輸入電路中設(shè)置了濾波器波器,濾波器的時(shí)間常數(shù)越大濾波器的時(shí)間常數(shù)越大,對(duì)輸人信號(hào)的延遲作用

20、越強(qiáng)。從輸入端對(duì)輸人信號(hào)的延遲作用越強(qiáng)。從輸入端ON到輸入濾波器輸出到輸入濾波器輸出ON所經(jīng)歷的時(shí)間為輸人所經(jīng)歷的時(shí)間為輸人0N延時(shí)延時(shí)(CPM1A系列系列默認(rèn)設(shè)置時(shí)間為默認(rèn)設(shè)置時(shí)間為8ms)。 (2)輸出繼電器的動(dòng)作延遲。輸出繼電器的動(dòng)作延遲。對(duì)于繼電器輸出型的對(duì)于繼電器輸出型的PLC,把從輸出鎖存把從輸出鎖存器器ON到輸出觸點(diǎn)到輸出觸點(diǎn)ON所經(jīng)歷的時(shí)間稱為輸出所經(jīng)歷的時(shí)間稱為輸出ON延時(shí)延時(shí),一般需十幾毫一般需十幾毫秒。所以秒。所以,在要求輸入在要求輸入/輸出有較快響應(yīng)的場合輸出有較快響應(yīng)的場合,最好不要使用繼電器最好不要使用繼電器輸出型的輸出型的PLC。 (3)用戶程序的語句編排。用戶程

21、序的語句編排。在學(xué)習(xí)了在學(xué)習(xí)了PLC的編程以后就會(huì)知道的編程以后就會(huì)知道,用戶程用戶程序的語句編排不當(dāng)也會(huì)影響序的語句編排不當(dāng)也會(huì)影響I/O滯后的時(shí)間。滯后的時(shí)間。* 91211108123456711100908070605040302010011100908070605040302010000CH01CHIN10CH11CHOUT07060504030201000706050403020100PWRRUNERRCOMMALMOMRONOMRONSYSMACSYSMACCPM1ACPM1AL1COML2/N010305070002040608020403050608100709110001020405+COM03COMCOMCOM060700COM0102030405COM0706091011010024VDC 0.3AOUTPUT110240VAC圖圖 6.12 CPM1A面板圖面板圖 CPM1A-40CDR-A圖圖 6.13 CPM1A真