PLC的硬件系统

专题3PLC硬件系统3.1PLC的内部结构3.2PLC的外部接线3.1可编程控制器的基本组成•1控制组件PLC专为工业场合设计，采用了典型的计算机结构主要由CPU、存储器、基本I/O接口电路、外设接口、编程装置、电源等组成输出设备输入设备I/O扩展单元特殊功能单元主机输出单元输入单元电源外设接口I/O扩展口存储器系统程序存储器CPU用户程序存储器盒式磁带机打印机EPROM写入器上位计算机PLC编程器可编程终端PT…整体式PLC的基本组成框图•中央处理单元（CPU）一般由控制器、运算器和寄存器组成，这些电路都集成在一个芯片上。它按扫描方式工作，不断的采集输入信号，执行用户程序，刷新系统的输出。1、CPU单元作用：诊断PLC电源、内部电路的工作状态及编制程序中的语法错误。采集现场的状态或数据，并送入PLC的寄存器中。逐条读取指令，完成各种运算和操作。将处理结果送至输出端。响应各种外部设备的工作请求。•存储器用于存放系统程序、用户程序和运行中的数据。包括只读存储器(ROM)和随机存取存储器(RAM)。2、存储器RAM：随机存储器，可读可写，没有断电保持功能。ROM：只读存储器，只读，不能写。EPROM：可擦除程序的只读存储器，用紫外线照射芯片上的透镜窗口，可以擦除已写入的内容，而写入新的程序。EEPROM：可电擦除的只读存储器，兼有ROM的非易失性和RAM的随机存取的优点。ROM存放系统程序RAM存放用户程序3.输入输出接口电路输入输出接口是PLC与工业控制现场各类信号连接的部分。输入接口用来接受生产过程的各种参数（输入信号）。输出接口用来送出可编程控制器运算后得出的控制信息（输出信号），并通过机外的执行机构完成工业现场的各类控制。为了适应可编程控制器在工业生产现场的工作，对输入输出接口有二个主要的要求：良好的抗干扰能力（电隔离和滤波作用）能满足工业现场各类信号的匹配要求+–PLCIn+24V–内内内内3.3k1000PF470内内内内3.3k1000PF4701）输入接口电路：采用光电耦合器，防止强电干扰输入端子发光二极管光电三极管发光二极管COM直流电源直流输入电路M+5VLEDSR3R1AR2C→→T内部电路滤波光电耦合外部开关输入点的状态显示输入点公共端•输出接口电路，其作用是把PLC的内部信号转换成现场执行机构的各种信号。２．输出接口电路考虑负载的驱动电源时，还需选择输出器件的类型。继电器型的输出接口，可用于交流及直流两种电源，接通和断开的频率低，带负载能力强；晶体管型的输出接口有较高的接通断开频率，但只适用于直流驱动的场合；可控硅型的输出接口仅用于交流驱动的场合，适用快速、频繁动作和大电流的场合。（1）小型继电器输出内部电路负载COMRLEDK图1-3所示电路工作原理是：当内部电路的状态为1时，使继电器K的线圈通电，产生电磁吸力，触点闭合，则负载得电，同时点亮LED，表示该路输出点有输出。当内部电路的状态为0时，使继电器K的线圈无电流，触点断开，则负载断电，同时LED熄灭，表示该路输出点无输出。（2）大功率晶体管输出•工作原理是：当内部电路的状态为1时，光电耦合器T1导通，使大功率晶体管VT饱和导通，则负载得电，同时点亮LED，表示该路输出点有输出。当内部电路的状态为0时，光电耦合器T1断开，大功率晶体管VT截止，则负载失电，LED熄灭，表示该路输出点无输出。当负载为电感性负载，VT关断时会产生较高的反电势，VD的作用是为其提供放电回路，避免VT承受过电压。内部电路T1+5v负载R2VTR3VDFUCOMR1LED（3）双向晶闸管输出内部电路T负载FUCOMR1LEDR2C图1-5双向晶闸管输出形式4.电源•可编程控制器使用220V交流电源或24V直流电源。•电源单元的作用是把外部电源（220V的交流电源）转换成内部工作电压。外部连接的电源，通过PLC内部配有的一个专用开关式稳压电源，将交流/直流供电电源转化为PLC内部电路需要的工作电源（直流5伏、正负12伏、24伏），并为外部输入元件（如接近开关）提供24V直流电源（仅供输入端点使用），而驱动PLC负载的电源由用户提供。5.I/O单元及I/O扩展接口I/O单元•可分为模拟量I/O单元、数字量I/O单元两大类。根据输入单元形式的不同，可分为基本I/O单元、扩展I/O单元两大类•I/O扩展接口•可编程控制器利用I/O扩展接口使I/O扩展单元与PLC的基本单元实现连接，当基本I/O单元的输入或输出点数不够使用时，可以用I/O扩展单元来扩充开关量I/O点数和增加模拟量的I/O端子6、外设接口•外设接口电路用于连接手持编程器或其他图形编程器、文本显示器，并能通过外设接口组成PLC的控制网络。PLC通过PC/PPI电缆或使用MPI卡通过RS-485接口与计算机连接，可以实现编程、监控、连网等功能。•3.2.1数据结构十进制数（DEC:DECimalnumber），常用于：定时器/计数器的设定值；辅助继电器（M）、定时器（T）、计数器（C）、状态（S）等软元件的地址号；应用指令的数值型操作数及指令动作常数（K）。十六进制数（HEX:HEXdecimalnumber）与十进制数一样，用于指定应用指令的数值型操作数及指令动作常数（H）。二进制数（BIN:BINarynumber）PLC内部数据类型，通过外设进行监视时，各软元件的数值自动变换为十进制数或十六进制数。八进制数（OCT:OCTalnumber）——用于输入继电器和输出继电器的软元件编号。输入继电器用I0.0~I0.7、I1.0~I1.7、I2.0~I2.7等八进制格式进行编号；输出继电器用Q0.0~Q0.7、Q1.0~Q1.7、Q2.0~Q2.7等八进制格式进行编号。在计算机中使用的都是二进制数，其最基本的存储单位是位(bit)，8位二进制数组成1个字节(Byte)，其中的第0位为最低位(LSB)，第7位为最高位(MSB)，如图0-3所示。两个字节（16位）组成1个字(Word)，两个字（32位）组成1个双字（Doubleword），如图0-3所示。把位、字节、字和双字占用的连续位数称为长度。3.2.2CPU224型PLC端子介绍基本输入端子CPU224输入电路参见下图3-21M0.00.10.20.30.40.50.60.72M1.01.11.21.31.41.5ML+332224V•CPU224的主机共有14个输入点（I0.0～I0.7、I1.0～I1.5）和10个输出点（Q0.0～Q0.7，Q1.0～Q1.1），在编写端子代码时采用八进制，没有0.8和0.9。CPU224输入电路参见图2-2，它采用了双向光电耦合器，24V直流极性可任意选择，系统设置1M为输入端子（I0.0～I0.7）的公共端，2M为（I1.0～I1.5）输入端子的公共端。基本输出端子33331M1L+0.00.10.20.30.42M2L+0.50.60.71.01.1ML+DC图3-3PLC晶体管输出输出端子1L+0.00.10.20.32L+0.40.50.62L0.71.01.1NL1AC24V～～～～图3-4继电器输出形式PLC输出端子交流电源系统的外部接线直流电源系统的外部接线相关指令讲解1.位加载及线圈输出指令1）LD(Load)：装载指令，用于常开触点与左母线连接，每一个以常开触点开始的逻辑行都要使用这一指令。2）LDN(LoadNot)：装载指令，用于常闭触点与左母线连接，每一个以常闭触点开始的逻辑行都要使用这一指令。3）=(OUT)：输出指令,对应梯形图为线圈输出指令格式LAD（）（）I0.0I0.0Q0.0M0.0STLLDI0.0=Q0.0LDNI0.0=M0.0触点代表CPU对存储器的读操作，用户程序中，触点可以使用无数次。OFF1I0.0ON0I0.0OFFON()Q0.0ONQ0.01()Q0.00OFF0Q0.01线圈：代表CPU对存储器的写操作，用户程序中同一线圈只能使用一次。•该梯形图所代表的功能•（1）用逻辑数学表示：•则：I0.0＝1（接通），Q0.0＝1（接通）；•I0.1＝0（断开），Q0.1＝1（接通）。1.01.0,0.00.0IQIQ•（2）用时序图来表示该梯形图的功能：时序图是用波形来表示输入输出关系的图形。时序图中ON和OFF是指开关动作，如ON是指继电器接通，OFF是指继电器断开，不论其触点是常开还是常闭。QSL1L3L2FU1KMM3～SBKMFU2220VI0.0Q0.0SBKMI0.0Q0.0（4）等效电路（3）编写PLC梯形图3.2.3扩展功能模块1.扩展单元扩展单元没有CPU，作为基本单元输入/输出点数的扩充，只能与基本单元连接使用。不能单独使用。S7-200的扩展单元包括数字量扩展单元，模拟量扩展单元，热电偶、热电阻扩展模块，PROFIBUS-DP通信模块。在S7-200中，当需要I/O扩展时，需要考虑三方面因素（１）主机单元允许连接的扩展单元数量。（２）主机单元的输入／输出映像寄存器数量。（３）主机单元在DC5V下允许的最大扩展电流。I/O扩展能力CPU允许连接扩展单元数量输入/输出映像寄存器最大扩展电/mACPU221无数字量256个,模拟量无0CPU2222数字量256个,模拟量16入/16出340CPU2247数字量256个,模拟量32入/32出660CPU2267数字量256个,模拟量32入/32出10002常用扩展模块介绍数字量扩展模块S7-200PLC系列目前总共可以提供3大类共9种数字量输入输出扩展模块，见表3-1类型型号各组输入点数各组输出点数输入扩展模块EM221EM22124VDC输入4，4——EM221230VAC输入8点相互独立——输出扩展模块EM222EM22224VDC输出——4，4EM222继电器输出——4，4EM222230VAC双向晶闸管输出——8点相互独立输入/输出扩展模块EM223EM22324VDC输入/继电器输出44EM22324VDC输入/24VDC输出4，44，4EM22324VDC输入/24VDC输出8，84，4，8EM22324VDC输入/继电器输出8，84，4，4，4３．模拟量输入模块（A／D模块）模拟量信号输入后一般经运算放大器放大后进行A／D转换，再经光电耦合后为可编程控制器提供一定位数的数字量信号。光耦合器隔离A/D转换器滤波内部回路模拟量输入接口把现场连续变化的模拟量信号转换成适合可编程控制器内部处理的二进制数字信号。４．模拟量输出模块（D／A模块）模拟量输出接口将PLC运算处理后的数字信号转换为相应的模拟量信号输出，以满足生产过程现场连续控制信号的需求。模拟量输出接口一般由光电隔离、D／A转换和号驱动等环节组成。信号转换内部回路光耦合器隔离D/A转换器表3-2模拟量扩展模块模块EM231EM232EM235点数4路模拟量输入2路模拟量输出4路输入，1路输出3.热电偶、热电阻扩展模块EM231热电偶模块用于七种热电偶类型J、K、E、N、S、T和R型。用户必须用DIP开关来选择热电偶的类型，连到同模块上的热电偶必须是相同类型。外型如图3-6所示4.PROFIBUS-DP通信模块