電氣控制與PLC原理4

電氣控制與PLC原理杭州科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)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(biāo)3.7PLC組成中央處理單元CPU

存儲(chǔ)器I/O接口

模擬量輸入模塊

模擬量輸出模塊

開(kāi)關(guān)量輸入模塊

開(kāi)關(guān)量輸出模塊

智能模塊接口和擴(kuò)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(chǔ)器數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(jī)構(gòu)……電源地址總線控制總線輸入接口模擬量輸入行程開(kāi)關(guān)繼電器接點(diǎn)各種開(kāi)關(guān)PLC結(jié)構(gòu)示意圖中央處理單元CPU——PLC的核心基本功能——

接受現(xiàn)場(chǎng)輸入信號(hào)、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(luò)功能*微處理器、單片機(jī)或DSP存儲(chǔ)器、存儲(chǔ)空間的分配

根據(jù)PLC的工作原理，其存儲(chǔ)空間一般包括以下三個(gè)區(qū)域：系統(tǒng)程序存儲(chǔ)區(qū)系統(tǒng)RAM存儲(chǔ)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(shè)備等)用戶程序存儲(chǔ)區(qū)PLC常用的存儲(chǔ)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(chǔ)器、存儲(chǔ)空間的分配－－系統(tǒng)程序存儲(chǔ)區(qū)

存放著相當(dāng)于計(jì)算機(jī)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P(yáng)LC的各項(xiàng)性能。存儲(chǔ)器、存儲(chǔ)空間的分配－－系統(tǒng)RAM存儲(chǔ)區(qū)

也稱工作數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，指PLC在工作過(guò)程中經(jīng)常變化、需要經(jīng)常存取的數(shù)據(jù)，如：參數(shù)測(cè)量結(jié)果、運(yùn)算結(jié)果、設(shè)定值等，這部分?jǐn)?shù)據(jù)一般存放在RAM之中。

在工作數(shù)據(jù)區(qū)中開(kāi)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(shè)備存儲(chǔ)區(qū)軟設(shè)備③輸入/輸出模塊

輸入模塊是接收或采集被控對(duì)象或被控生產(chǎn)過(guò)程的各種變量，一類是來(lái)自按鈕、轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)、限位開(kāi)關(guān)、接近開(kāi)關(guān)、光電開(kāi)關(guān)等開(kāi)關(guān)量信號(hào)；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(hào)；再類是高頻脈沖。③輸入/輸出模塊

輸出模塊是將運(yùn)算處理產(chǎn)生的控制信號(hào)輸出，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作如指示燈、報(bào)警器、繼電器、接觸器、調(diào)節(jié)閥、伺服電機(jī)等負(fù)載針對(duì)不同負(fù)載控制特性，輸出模塊也分為開(kāi)關(guān)量輸出、模擬量輸出和高頻脈沖輸出。網(wǎng)絡(luò)通信模塊網(wǎng)絡(luò)通訊模塊是用于實(shí)現(xiàn)PLC與PLC、其它智能設(shè)備和上位機(jī)之間的通訊，可以構(gòu)成三級(jí)控制網(wǎng)絡(luò)。④其他④其他智能模塊，例高速計(jì)數(shù)模塊：不受CPU的掃描時(shí)間限制，獨(dú)立工作，能夠?qū)资甂Hz甚至上MHz頻率的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。運(yùn)動(dòng)控制模塊：控制對(duì)象為電機(jī)、凸輪機(jī)構(gòu)等，用于實(shí)現(xiàn)定位控制。閉環(huán)控制模塊：用于實(shí)現(xiàn)溫度、壓力、流量、液位等過(guò)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(duì)于增強(qiáng)PLC的功能，擴(kuò)大PLC的應(yīng)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(guó)家工業(yè)用電標(biāo)準(zhǔn)不同，一般提供110V和220V兩種類型，也有個(gè)別采用直流24V供電。對(duì)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(duì)擴(kuò)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(guò)大時(shí)，可能需要多個(gè)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(kuò)展模塊擴(kuò)展模塊主要是指輸入/輸出（包括DI/DO、AI/AO）接口的擴(kuò)展。若CPU模塊中集成有I/O接口的PLC，對(duì)于一些控制對(duì)象點(diǎn)數(shù)已經(jīng)足夠使用，那就不需要擴(kuò)展，CPU模塊自己就可以構(gòu)成控制系統(tǒng)；對(duì)于復(fù)雜的控制對(duì)象點(diǎn)數(shù)若不夠使用，那就需要外接擴(kuò)展模塊來(lái)增加I/O點(diǎn)數(shù)。而模塊式PLC的CPU模塊中沒(méi)有集成I/O接口，因此此類PLC必須外接擴(kuò)展模塊，才能構(gòu)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(diào)試和監(jiān)控系統(tǒng)程序的運(yùn)行，既可以離線編程，也可以在線聯(lián)機(jī)調(diào)試。根據(jù)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)方式通常分為專用編程器和計(jì)算機(jī)開(kāi)發(fā)系統(tǒng)。⑤編程平臺(tái)

PLC的外設(shè)很多，這里主要介紹人—機(jī)接口裝置（HMI）中的文本顯示器和觸摸屏。文本顯示器：通過(guò)密封鍵盤提供操控功能和過(guò)程監(jiān)視，支持文本顯示（包含掌上設(shè)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(shí)的HD2000等。觸摸屏：無(wú)需物理按鈕，利用觸摸感應(yīng)操控和顯示，能使操作者直觀地通過(guò)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(shí)的HT6000。⑥PLC的外部設(shè)備

PLC的物理結(jié)構(gòu)整體式模塊式疊裝式PLC結(jié)構(gòu)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(diǎn)式--------

各個(gè)I/O電路有一個(gè)公共點(diǎn)，共用一個(gè)電源。分組式--------

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

各個(gè)I/O點(diǎn)之間相互隔離，每個(gè)I/O可以使用獨(dú)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(kāi)關(guān)或傳感器等產(chǎn)生的信號(hào)，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)送入主機(jī)。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(diǎn)抖動(dòng)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(jié)構(gòu)，在交流輸入的正負(fù)半波分別導(dǎo)通，C1起隔直作用。繼電器輸出：低速大功率直流、交流負(fù)載（隔離、功率放大）晶體管集電極輸出：高速小功率直流負(fù)載雙向可控硅輸出：高速大功率交流負(fù)載PLC外部接線---輸出模塊繼電器輸出模塊

響應(yīng)速度小于10ms，主要是由于機(jī)械觸點(diǎn)動(dòng)作延時(shí)造成。負(fù)載電源由外部提供，與觸點(diǎn)并聯(lián)的RC電路和壓敏電阻用來(lái)消除觸點(diǎn)斷開(kāi)時(shí)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(chǎng)效應(yīng)管，響應(yīng)速度小于1ms，晶體管工作在飽和導(dǎo)通狀態(tài)和截止?fàn)顟B(tài)，圖中穩(wěn)壓二極管用來(lái)抑制關(guān)斷過(guò)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(yīng)時(shí)間有兩種情況：可控硅由關(guān)斷變?yōu)閷?dǎo)通的延遲時(shí)間小于1ms，由導(dǎo)通變?yōu)殛P(guān)斷延遲時(shí)間小于10ms。RC電路和壓敏電阻用以抑制可控硅的關(guān)斷過(guò)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(chǎng)儀表輸出的（標(biāo)準(zhǔn)）模擬量信號(hào)0~10mA、4~20mA、1~5VDC等轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)可以處理的數(shù)字信號(hào) A/D轉(zhuǎn)換的性能指標(biāo)分辨力*――A/D接口變化一個(gè)LSB（二進(jìn)制最低有效位）時(shí)輸入模擬量的最小變化量例：12位A/D轉(zhuǎn)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(jìn)制數(shù)的位數(shù)來(lái)表示：10位、12位分辨率）線性誤差――實(shí)際轉(zhuǎn)換特性曲線與理想轉(zhuǎn)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?jǐn)?shù)表示：如

1/2LSB、

1LSB等轉(zhuǎn)換時(shí)間*――從啟動(dòng)轉(zhuǎn)換到轉(zhuǎn)換結(jié)束完成一次A/D轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間模擬量輸出模塊（D/A、AO）D/A作用：將計(jì)算機(jī)內(nèi)部的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化為現(xiàn)場(chǎng)儀表可以接收的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)4~20mA等如：12位數(shù)字量（0～4095）→4~20mA;2047對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換結(jié)果：12mAD/A轉(zhuǎn)換的性能指標(biāo)分辨力――二進(jìn)制變化一個(gè)LSB（最低有效位）時(shí)D/A輸出模擬量的最小變化量（通常分辨率以輸入二進(jìn)制數(shù)地位數(shù)來(lái)表示：10位、12位D/A轉(zhuǎn)換器）線性誤差――實(shí)際轉(zhuǎn)換特性曲線與理想轉(zhuǎn)換特性曲線之間的最大偏