第2章 可编程序控制器的硬件与工作原理-1

PLC原理及应用1-1■《PLC原理及应用》多媒体教案第2章PLC的硬件与工作原理PLC原理及应用1-2■第2章PLC的硬件与工作原理〖重点内容〗1、PLC的工作原理2、开关量I/O模块电路的工作原理、特性3、PLC的I/O响应时间〖授课时数〗7—8课时PLC原理及应用1-3■2.1PLC的物理结构整体式叠装式模块式PLC的物理结构可分下列三种：PLC原理及应用1-4■一、整体式（又称单元式或箱体式）将CPU模块、I/O模块和电源安装在一个箱状机壳内，结构紧凑。小型PLC一般采用整体式结构，如三菱公司的F1系列。二、模块式将PLC的各部分做成模块，供选用。用搭积木的方式组成系统，由框架（基板）和模块组成。选择灵活，维修更换方便，但价格较高，一般大、中型PLC采用此种结构。如欧姆龙公司的C2000α系列PLC原理及应用1-5■吸收了整体式和模块式的优点基本单元、扩展单元、扩展模块等高等宽，但长度不同（如FX系列见书P8图2.2所示）。如三菱公司的FX0N、FX2N系列仅用扁平电缆连接，紧密拼装后组成一个整齐的长方体。基本单元：包含CPU模块、I/O模块和电源扩展单元：只包含I/O模块和电源扩展模块：只有I/O模块，电源由基本单元或扩展单元提供三、叠装式PLC原理及应用1-6■2.2CPU模块一、组成：由CPU和存贮器组成。二、功能指挥和协调PLC的程序运行；控制输入/输出操作；监视PLC工作状态。三、微处理器（CPU）小型机一般使用8位微处理器，如8080；大中型采用16-32位微处理器，如80286。通用微处理器价格便宜，通用性强。单片微处理器集成度高、体积小、价格低，如8051等。运算速度快，如AMD2900系列，很适合于以顺序扫描方式工作的PLC使用。通用微处理器单片微处理器位片式微处理器PLC原理及应用1-7■四、存贮器1、系统程序存贮器存放工业控制机的操作系统，不能由用户更改。各厂家的PLC、不同型号PLC的系统程序各不相同。存放用户程序，以字为单位。小型机存贮容量一般为几k，大型机存贮容量高达几百k。另外用户可根据需要进行扩展。2、用户程序存贮器PLC原理及应用1-8■注：根据需要，部分数据表寄存器在停电时用后备电池维持当前值，即具有掉电自保持功能。如FX0N系列：S0---S127等。4、高速暂存存贮器用来存放临时结果和一些统计资料。用来存贮PLC的开关量I/O和定时器、计数器、辅助继电器等内部继电器的ON/OFF状态，占用存贮单元中的一个位（bit）。用来存放各种数据。每一个数据占一个字（16bit），如定时器、计算器的当前值和设定值元件映像表（器）数据表3、数据表寄存器（DataTableMemory）PLC原理及应用1-9■2.3开关量I/O模块开关量I/O模块的信号仅有接通（“1”态）和断开（“0”态）两种状态。电压等级有直流5V、12V、24V、48V和交流110V、220V等（注：FXON-24MR/FX2N-48等开关量输入模块由内部电源24V供电）。输入输出电压很宽。PLC原理及应用1-10■一、I/O模块的外部接线（有三种形式）汇点式分隔式分组式I/O点分为若干组，每组的I/O电路有一个公共点，它们共用一个电源。各组之间是分隔的，可以分别使用不同的电源。有一个公共点，各输入或输出共用一个电源。如FXON-24MR输入点采用此方式。各I/O之间相互隔离，每一I/O都可以单独使用电源。COM对FXON-24MR不需要外接电源COM1COM2Y00Y11Y22Y33（）b分组式（）a汇点式（）c分隔式图2-1I/O模块的接线方式PLC原理及应用1-11■问题探讨：1、FX0N-24MR输出点采作分组式与分隔式的结合3、若分组式或分隔式要共用电源，应如何接线？如图2-1（c）中Y0点和Y2点要共用一个电源，请画出外部接线图。2、接线和电源选择最灵活的是分隔式，其次是分组式。PLC原理及应用1-12■二、输入模块设有RC滤波电路防止输入抖动或外部干扰引起的错误的输入信号。滤波延迟时间的典型值，上升沿：10-20ms，下降沿：20-50ms，输入电流约为10mA。如左图示：0是输入继电器的编号，不需要外接电源（称为无源式输入单元）1、直流输入电路内部电路PLCCOM+24V0DC24V+24V传感器PLCCOM0图2-2直流输入电路(a)直流输入电路(b)向外提供24V电源输入电路光电耦合隔离PLC原理及应用1-13■工作原理：当外部输入触点闭合时，指示灯亮，光敏三极管饱和导通，对应的输入映象寄存器的内容为“1”；当外部输入触点断开时，指示灯灭，光敏三极管截止，对应的输入映象寄存器的内容为“0”。在输入采样阶段FXON系列也采用上述电路，电源：直流24V（由内部供电），X0—X7为7mA，X10以上为5mA，滤波时间0-15ms内变动（D8020）。能不能将滤波时间设为“0”？注：PLC原理及应用1-14■2、交流输入电路如图2-3所示，光电耦合器中有两个反并联的发光二极管。内部电路PLCCOM0图2-3交流输入电路光电耦合隔离PLC原理及应用1-15■三、输出模块接受来自CPU的数字信号，将这些信号转换为驱动信号。包括：隔离、电平转换、放大等电路。输出模块具有隔离和功率放大功能，输出电流的典型值为0.5-2A，负载电源由外部现场提供。根据输出电路所用开关器件的不同可分下列三种：继电器输出电路（R）晶体管输出电路（T）双向可控硅输出电路(S)PLC原理及应用1-16■1、继电器输出电路（R）PLCCOM负载JU继电器隔离图2-4继电器输出电路来自输出映射寄存器T:“1”导通“0”截止当对应于J的输出映象寄存器状态为“1”时，输出指示灯亮，J得电吸合，其常开触点闭合，负载得电。当对应于J的输出映象寄存器状态为“0”时，输出指示灯灭，J失电，其常开触点断开，负载失电。1）工作原理与触点并联的RC串联电路和压敏电阻用来消除触点断开时产生的电弧。PLC原理及应用1-17■①负载电源可根据需要选用直流或交流；②触点电气寿命一般为10-30万次（有触点输出），因此需要输出点频繁通断的场合（如脉冲输出），应使用晶体管输出电路；③负载能力强（2A）;④存在输出延迟（FXON-24MR输出响应时间为10ms）。2）输出特性PLC原理及应用1-18■2、晶体管输出电路（T）当对应于T的输出映象寄存器状态为“1”时，输出指示灯亮，三极管T饱和导通，负载得电。当对应于T的输出映象寄存器状态为“0”时，输出指示灯灭，三极管T截止，负载失电。1）工作原理TCOM24V负载图2-5晶体管输出电路光电耦合隔离PLCPLC原理及应用1-19■①负载电源只能选用直流；②为无触点输出，使用寿命长；③负载能力弱（0.5A）；④响应速度快（FXON-24MT输出响应时间为1ms）。2）输出特性PLC原理及应用1-20■3、双向可控硅输出电路(S)负载COMPLCU图2-6双向可控硅输出电路用光电可控硅实现隔离。与双向可控硅并联的RC串联电路和压敏电阻用来消除可控硅的关断过电压（感性负载）和外部的浪涌电压。注：当负载电流过小时，可控硅不能导通，可以在负载两端并联电阻。负载电源只能选用交流。PLC原理及应用1-21■2.4PLC的工作原理（重点）可编程序控制器是从继电器控制系统发展而来的，它的梯形图程序与继电器系统电路图很相似，梯形图中的某些编程元件也沿用了继电器这一名称，如输入继电器、输出继电器等。在PLC梯形图程序中实现的“软继电器”与继电器系统中的物理继电器在功能上也有某些相似之处。因此首先简要介绍物理继电器。PLC原理及应用1-22■一、继电器2、工作原理当线圈通电时，电磁铁产生磁力，吸引衔铁，使常开触点闭合，常闭触点断开。当电源消失时，复位弹簧使衔铁返回到原来的位置，从而使常开触点断开，常闭触点闭合。1、组成主要由电磁线圈、铁芯、触点和复位弹簧组成。常开触点常闭触点线圈图2-7继电器示意图PLC原理及应用1-23■3、继电器在控制系统的作用1）功率放大（触点：220V，2A）2）电气隔离（触点和线圈完全隔离）3）逻辑运算异步电动机启动—保持----停止电路（简称启保停电路）设计举例：（1）用继电器控制（2）用PLC控制PLC原理及应用1-24■（1）用继电器控制，如图2-8所示其逻辑代数表达式为：_____2)1(SBKMSBKM高电平，表示“1”态（线圈通电，按钮被按下）低电平，表示“0”态（线圈断电，按钮被放开）此电路在PLC的梯形图中被广泛采用。MKM~380V（a）（b）SB2~380VSB1KMKM：注SB1，；常开按钮SB2，常；闭按钮KM，。接触器SB1SB2KM（c）图2-8异步电动机继电器控制电路主电路控制电路时序图自保持停止启动PLC原理及应用1-25■（2）PLC控制（FXON—24MR）图2-9所示其逻辑代数表达式为：_____01)0000(00XYXYFXON-24MRKMY00COM0COMX00X01（a）外部接线图2-9异步电动机PLC控制电路Y00X00X01（b）梯形图Y00X00X01Y00（c）时序图SB1SB2AC220V：、，？！注1本控制中SB2采用常开点动按钮为什么请思考、。？2外部电源改为交流220V为什么、。3梯形图程序与继电器控制系统的原理图非常相似PLC原理及应用1-26■二、PLC的工作原理1、继电器、接触器控制装置与PLC控制装置的区别上述两种控制装置的运行方式是不同的。1）继电器、接触器控制装置采用硬逻辑并行运行的方式。即如果一个继电器线圈通电或断电，该继电器的所有触点不论在继电器控制线路的哪个位置上都会立即动作，但由于惯性作用，动作有延时（一般为100ms）。并行方式2）PLC的CPU采用顺序逐条地扫描用户程序的运行方式。即一个输出线圈或逻辑线圈被接通或断开，该线圈的所有触点不会立即动作，必需等到扫描到该触点才会动作，但扫描时间一般小于100ms。串行方式PLC原理及应用1-27■2、PLC两种基本工作状态1）运行（RUN）PLC通过反复执行反映控制要求的用户程序来实现控制功能。即扫描工作方式，每次循环（扫描），PLC要完成如图2-10所示的五个方面的工作。由于执行指令速度极高，从外部输入—输出关系来看，处理过程似乎同时进行的。2）停止（STOP）只完成内部处理和通信处理工作。内部处理通信服务输入处理程序执行输出处理STOPRUN图2-10扫描过程PLC原理及应用1-28■3、各阶段的主要工作1）内部处理阶段复位WDT（监控定时器），检查硬件、程序存储器，正常则顺序执行用户程序，不正常则转到错误处理程序。2）通信处理阶段PLC与别的带微处理器的智能装置通信，响应编程器键入的命令，更新编程器的显示内容。3）输入处理（采样）阶段PLC把所有外部输入电路的接通/断开（ON/OFF）状态依次读入到输入映像寄存器（批处理方式）输入端子┇┇X0X1输入映象寄存器┇┇图2-11输入处理阶段PLC原理及应用1-29■当外接的输入触点接通时，对应的输入映像寄存器为“1”态，在梯形图中的常开触点接通，常闭触点输断开。输入采样结束后，转入用户程序执行阶段。在用户程序执行阶段，即使外部输入信号的状态发生了变化，输入映像寄存器的状态也不会随之而变，要等下一个扫描周期的输入处理（采样）阶段才被读入。注意：如果输入是脉冲信号，则脉冲信号的宽度必需大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。PLC原理及应用1-30■4）用户程序执行阶段(1)在没有跳转指令时，PLC的CPU从第一条指令开始，按先左后右、先上后下逐条地执行用户程序，直到用户程序结束处；(2)各编程元件的映象寄存器的内容随着程序的执行而变化；(3)输入映象寄存器只能读出，不能修改。5）输出处理（刷新）阶段将输出映象寄存器的“1/0”状态送到输出锁存器，经功率放大驱动外部负载。这时，才是PLC的真正输出。输出端子┇┇Y0Y1输出映象寄存器┇┇图2-12输出处理阶段输出锁存器┇┇PLC原理及应用1-31■三