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簡介6.4PLC編程元件一、PLC的硬件組成1.中央處理單元CPU2.存儲器3.輸入/輸出模塊4.電源部件5.擴展端口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、存儲由編程工具輸入的用戶程序和數(shù)據(jù)。檢查、校驗用戶程序。對正在輸入或執(zhí)行的用戶程序，若發(fā)現(xiàn)錯誤，則立即報警，停止程序輸入或程序的執(zhí)行。接收現(xiàn)場輸入裝置的信號和數(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PLC外部的外部負載。故障診斷。診斷電源、PLC內(nèi)部電路的故障，通過顯示器顯示相應(yīng)的故障信息，提示用戶及時排除故障。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）單片機芯片：8051、8096等，小型PLC大多數(shù)采用8位單片機，中型PLC大多數(shù)采用16位甚至32位單片機

（3）位片式微處理器：AMD-29002．存儲器(RAM)

隨機存取存儲器：可讀可寫，沒有斷電保持功能。(ROM)只讀存儲器：只讀，不能寫。(EPROM)可擦除可編程序的只讀存儲器：非易失性.用紫外線照射芯片上的透鏡窗口，可以擦除已寫入的內(nèi)容,寫入新內(nèi)容。(EEPROM)電可擦除：兼有ROM的非易失性和RAM的隨機存取的優(yōu)點.但價格比較高。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。

輸入模塊通過輸入端子接收現(xiàn)場設(shè)備的控制信號（包括開關(guān)量和模擬量），如控制按鈕、限位開關(guān)、傳感器信號等，并把這些信號轉(zhuǎn)換成CPU能處理的數(shù)字信號。

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，并把它轉(zhuǎn)換成被控設(shè)備能接收的電壓或電流信號，以驅(qū)動被控裝置（包括開關(guān)量和模擬量），如電磁閥、接觸器、信號燈等。

（1）開關(guān)量輸入模塊工作原理是:當S閉合時光電耦合器T導通，LED點亮。此時A點為高電平,該電平經(jīng)濾波器送到內(nèi)部電路中。當CPU訪問該路信號時,將該輸入點對應(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，表示該點的外電路接通（1）開關(guān)量輸入模塊工作原理是:電容器C為隔直電容,對交流相當于短路。光電耦合器有效地防止現(xiàn)場的強電干擾進入PLC，因此PLC具有很強的抗干擾能力。圖6.3交流輸入單元的電路（2）開關(guān)量輸出模塊工作原理是:當對應(yīng)于晶體管T2的內(nèi)部繼電器的狀態(tài)為1時,通過內(nèi)部電路使T1導通,從而使T2飽和導通,因此負載得電。

晶體管為無觸點開關(guān),所以此單元使用壽命長,響應(yīng)速度快圖6.4晶體管輸出單元的電路負載為感性時,須并接續(xù)流二極管LED亮，表示該輸出點狀態(tài)為1（2）開關(guān)量輸出模塊工作原理是:當對應(yīng)于光控雙向晶閘管T的內(nèi)部繼電器的狀態(tài)為1時,發(fā)光二極管導通發(fā)光,使T導通,負載得電。R2、C構(gòu)成阻容吸收保護電路，熔斷器FU防止短路時損壞PLC圖6.5雙向晶閘管輸出單元的電路負載電源可以選用直流或交流。（2）開關(guān)量輸出模塊工作原理是:J為一個小型直流繼電器，當對應(yīng)于J的內(nèi)部繼電器狀態(tài)為1時,J得電吸合,其常開觸點閉合,負載得電。繼電器觸點壽命一般為10~30萬次,不適合頻繁通斷的場合圖6.6繼電器輸出單元的電路負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PLC的負載和傳遞現(xiàn)場信號，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，有時也作為現(xiàn)場輸入信號的電源。后備電源

在停機或突然失電時，保證RAM中的信息不丟失。

5．擴展端口

大部分PLC都有擴展端口。主機（基本單元）可以通過擴展端口連接I/O擴展單元來增加I/O點數(shù),也可以通過擴展端口連接各種特殊功能單元以擴展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、顯示器、EPROM寫入器和盒式磁帶機等，有的PLC可以通過外部設(shè)備端口與其他PLC、上位計算機進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,還可以在線測試PLC的內(nèi)部狀態(tài)和參數(shù),與PLC進行人機對話等。

（1）編程器：（2）計算機編程軟件二、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)控制對象和解決問題不同，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上電或復位時，首先對各模塊進行登記、分配地址，做初始化，為系統(tǒng)的管理和運行做好準備。

（2）系統(tǒng)自診斷

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

（3）命令識別與處理

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行編譯，變成CPU可以識別執(zhí)行的指令碼程序后，才被存入用戶程序存儲器，同時還要對輸入的用戶程序進行語法檢查，發(fā)現(xiàn)錯誤立即返回提示信號。

（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，每個模塊具有一定的功能和調(diào)用條件，用戶需要時只需按調(diào)用條件進行調(diào)用即可，而不必另外編寫。

2．應(yīng)用軟件：用戶根據(jù)控制對象和解決問題不同，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、輸入接線端子和輸入繼電器組成。一個輸入端子對應(yīng)一個輸入繼電器。輸入繼電器由輸入端的外部信號來驅(qū)動。輸入繼電器可以提供任意個動合觸點和動斷觸點供PLC內(nèi)部控制電路（即編程時）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，對輸入信號和輸出信號的狀態(tài)進行運算、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用編程軟件實現(xiàn)的（虛擬的），沒有實際連線。

（3）輸出部分輸出部分由輸出繼電器的一個外部動合觸點、輸出接線端子和外部電路組成，其作用是驅(qū)動外部負載。

圖6.8三相異步電動機起/?？刂齐娐放e例：圖6.9用PLC實現(xiàn)三相異步電動機起/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、輸出刷新三個階段。圖6.10

PLC執(zhí)行程序過程

（1）輸入采樣階段

當PLC開始工作時，微處理器首先掃描各輸入點，將輸入點的狀態(tài)（接通為“1”，斷開為“0”）讀入輸入映像寄存器中儲存，這一過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)進行邏輯處理和算術(shù)運算，再將運算的結(jié)果寫入輸出映像寄存器中保存。

（3）輸出刷新階段程序執(zhí)行階段開始，每一步所得到的輸出信號被送到輸出映像寄存器中，但并沒有送到輸出鎖存電路，相當于輸出信號被輸出門阻隔，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)輸入濾波器對信號的延遲作用。由于PLC的輸入電路中設(shè)置了濾波器,濾波器的時間常數(shù)越大,對輸人信號的延遲作用越強。從輸入端ON到輸入濾波器輸出ON所經(jīng)歷的時間為輸人0N延時(CPM1A系列默認設(shè)置時間為8ms)。(2)輸出繼電器的動作延遲。對于繼電器輸出型的PLC,把從輸出鎖存器ON到輸出觸點ON所經(jīng)歷的時間稱為輸出ON延時,一般需十幾毫秒。所以,在要求輸入/輸出有較快響應(yīng)的場合,最好不要使用繼電器輸出型的PLC。

(3)用戶程序的語句編排。在學習了PLC的編程以后就會知道,用戶程序的語句編排不當也會影響I/O滯后的時間。*PLC的掃描周期與用戶程序的長短和PLC的掃描速度相關(guān)。從PLC的輸入端有一個輸入信號發(fā)生變化，到PLC輸出端對該變化做出響應(yīng)，需要一段響應(yīng)時間。最小I/O響應(yīng)時間=輸入ON延時+掃描時間+輸出ON延時I/O刷新I/O刷新執(zhí)行指令/其他處理掃描時間PLC輸入觸點輸入濾波輸出鎖存器輸出觸點執(zhí)行指令/其他處理掃描時間輸入ON延時輸出ON延時I/O響應(yīng)時間響應(yīng)現(xiàn)象一：I/O響應(yīng)時間最大I/O響應(yīng)時間=輸入ON延時+掃描時間×2+輸出ON延時I/O刷新I/O刷新執(zhí)行指令掃描時間PLC輸入觸點輸入濾波輸出鎖存器輸出觸點執(zhí)行指令掃描時間輸入ON延時輸出ON延時I/O刷新執(zhí)行指令掃描時間*PLC輸入／輸出響應(yīng)的滯后現(xiàn)象：輸入濾波器有時間常數(shù)，輸出繼電器存在機械滯后

。響應(yīng)現(xiàn)象二：6.3CPM*系列PLC簡介PLC系列CPU單元組成特殊擴展單元類型CPM1A10點、20點30點、40點CPU單元I／O擴展單元特殊擴展單元模擬量特殊擴展單元溫度傳感器特殊擴展單元CompoBus/SI/O鏈接從單元CPM2A／2AE60點CPM2C10點、20點一、CPM1A-40CDR-A的面板圖1－功能接地端子2－電源輸入端子3－保護接地端子4－狀態(tài)顯示LED5－輸入LED6－輸入端子7－擴展連接器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個輸入點共用一個COM端子；16個輸出點分為六組，共有六個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RS232C或RS422通信適配器，連接PLC或上位計算機，構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。右側(cè)的擴展連接器用于連接擴展模塊。三、CPM1A型PLC功能簡介模擬設(shè)定電位器功能輸入時間常數(shù)設(shè)定功能外部輸入中斷功能快速響應(yīng)輸入功能間隔定時中斷功能高速計數(shù)器功能脈沖輸出功能豐富的指令系統(tǒng)四、I/O擴展單元

30點、40點的CPU單元帶有I/O擴展連接器，用于連接擴展單元，如I/O擴展單元、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

1.梯形圖編程觸點符號繼電器線圈符號操作數(shù)2.指令表編程指令步（一般由編程器自動依次給出）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、軟元件號分配及其功能概要軟元件地址=通道（CH）號+通道內(nèi)序號軟元件類型通道號通道內(nèi)序號輸入繼電器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定時器/計數(shù)器TIM/CNT000～127數(shù)據(jù)存儲器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接收外部開關(guān)或敏感元件信號的“窗口”，可提供無限多個動合觸點和動斷觸點供內(nèi)部編程時使用。它只能由外部信號驅(qū)動，而不能由程序來驅(qū)動。

表6—6輸入繼電器編號表6—7輸出繼電器編號

類型編號數(shù)量CPM*基本單元10點00000~00005620點00000~000111230點00000~0001100100~001051840點00000~0001100100~0011124類型編號數(shù)量CPM*基本單元10點01000~01003420點01000~01007830點01000~0100701100~011031240點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將輸出信號傳送給外部負載的器件。輸出繼電器按程序執(zhí)行的結(jié)果被驅(qū)動，它有無限多動合觸點、動斷觸點供編程時使用，但只有一對動合觸點供外部使用。

2．內(nèi)部輔助繼電器

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

主要用于動作狀態(tài)標志、動作起動標志、時鐘脈沖輸出、模擬電位器、高速計數(shù)器、計數(shù)模式、中斷等各種功能的設(shè)定值/現(xiàn)在值的存儲單元。4．暫存繼電器TR

在復雜的梯形圖中，用來對回路的分支點的ON/OFF作狀態(tài)暫存。常用的特殊輔助繼電器

25200

高速計數(shù)器復位標志（軟件設(shè)置復位）25309

掃描定時器定時時間（超過100ms時為ON）25313

常ON觸點25314常OFF觸點25315

當PLC開始運行時，第一個掃描周期為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標志（執(zhí)行指令，發(fā)生出錯時為ON）25504

CY標志（執(zhí)行指令結(jié)果有進位時為ON）25505

GR（>）標志（比較結(jié)果大于時為ON）25506

EQ（=）標志（比較結(jié)果等于時為ON）25507

LE（<）標志（比較結(jié)果小于時為ON）5