PLC的硬件基础知识.doc
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1、Four short words sum up what has lifted most successful individuals above the crowd: a little bit more.-author-datePLC的硬件基础知识PLC的硬件基础知识第1章 PLC的硬件详细介绍目前市场上主要有德国西门子(SIEMENS);日本三菱(MITSUBISHI)、欧姆龙(OMRON)、富士电机(FUJI)、松下电工;法国施耐德(SCHNEIDER、MODICON),韩国三星(SAMSUNG)、ABB、GE、日立等公司生产的PLC,虽然厂商不一样,但其PLC的原理基本一致。1.1 P
2、LC硬件结构和电路PLC主要由中央处理器(CPU)、存储器(RAM、ROM)、输入输出单元(I/O)、电源、I/O扩展接口、外设接口以及外围编程设备等几大部分组成。其硬件结构图如图1.1所示。外部设备输出设备微处理器(CPU)运算器控制器输出部件输入部件系统存储器用户存储器II/O扩展接口通讯及编程接口 编程设备 计算机 打印机等 传感器按钮、开关 现场信号 电磁阀中间继电器 执行器输入设备扩展设备 扩展单元 通讯模块 功能模块 电源变换器110V/220V市电PLC基本单元图1.1.1 PLC硬件结构图1.1.1 中央处理器(CPU)中央处理单元(CPU)一般由控制器、运算器和寄存器组成,这
3、些电路都集成在一个芯片上。CPU通过地址总线、数据总线、控制总线与存储器、输入输出接口电路连接。CPU常用的微处理器通常有通用型微处理器(Intel公司的8086、80186、奔腾等系列芯片)、单片机(Intel公司的MCS-96系列单片机等)和位片式微处理器(AMD2900系列微处理器)等三类。小型PLC多采用单片机或专用CPU,中型PLC大多采用16/32位微处理器或单片机,大型和超大型PLC大多采用高速位片式处理器,具有高速处理能力。CPU的主要功能: 1) 从存储器中读取指令 2) 执行指令 3) 顺序取指令 4) 处理中断、数据传送、逻辑运算、算术运算等1.1.2 存储器(RAM、R
4、OM)PLC的存储器(内部存储器)包括系统存储器和用户存储器。系统存储器用来存放由PLC厂家编写的系统程序(机械源代码、BIOS程序等),系统存储器一般是ROM存储器,用户一般不能更改。用户存储器包括用户程序存储区和数据存储区两部分,用户存储器一般是ROM、EPROM或EEPROM存储器。用户程序存储区用来存放用户用编程软件编写的程序,用户根据具体的情况可以更改;数据存储区用来存放用户程序中所使用器件的ON/OFF状态、数值和数据等中间运算结果。PLC的存储器由随机存储器RAM、只读存储器ROM、可擦写存储器EEPROM3大部分构成。ROM用于存放系统程序,用户不可以改变,其数据断电后不会消失
5、,PLC在生产过程中就已经将程序固化在其程序中。RAM用于存储用户程序和中间运算数据,其数据断电后消失,在关断PLC的外部电源后,可以用锂电池保存RAM中的用户程序和某些数据(目前已经采用更先进的技术保存其数据)。EEPROM皆有ROM的非易失性和RAM的随机存取的优点,用于存放需要长期保存的重要数据。其主要功能:1) 存放模块化应用功能子程序;2) 存放命令解释程序;3) 存放功能子程序的调用管理程序;4) 存放存储系统参数。1.1.3 输入输出单元(I/O)I/O单元实际上是I/O电路,PLC的CPU 模块I/O单元和扩展模块的I/O 单元,一般小型PLC(西门子S7-200、三菱F2N系
6、列PLC)的CPU模块I/O口大多数只有开关量I/O口;扩展模块的I/O单元有开关量、模拟量、热电偶等。PLC内部输入电路将PLC外部电路(开关量信号从按钮、选择开关、数字拨码开关、限位开关、接近开关、光电开关、压力继电器等输入.模拟量信号由电位器、热电偶、测速电机和各种变送器等输入),通过光耦合电路送至PLC内部电路。输入单元的作用是接收和采集输入信号,输出单元的作用是控制输出设备,执行装置。1. 输入接口电路为了防止由于触点抖动或干扰脉冲引起错误的输入信号,因此输入接口电路必须有很强的抗干扰能力。其抗干扰的方法有:利用光耦合器提高抗干扰能力和利用滤波电路提高抗干扰能力。输入接口电路图1.1
7、.2所示.图1.1.2 直流高电平有效输入接口电路根据输入电路的电压类型和电路形式的不同,可以分为干结式、直流输入式和交流输入式;按电平的有效形式可分为高电平有效型和低电平有效型,上图是直流输入式高电平有效型接口电路。一般直流数字量输入端口电压定额一般接DC24V(PLC西门子S7-200、三菱F2N系列PLC,但三菱F2N系列PLC由于输入接口电路已经带有24VDC电源,因此不再接入电源)。2. 输出接口电路根据PLC的输出电路结构的不同可将输出接口电路分为:小型继电器输出型、晶体管输出型和晶闸管输出型3种。PLC小型PLC继电器输出电路型允许负载一般是AC250V/DC50V以下,负载电流
8、可达2A,容量可达80100VA(电压电流),因此,PLC的输出一般不宜直接驱动大电流负载(一般通过一个小负载来驱动大负载,如PLC的输出可以接一个电流比较小的中间继电器,再由中间继电器触点驱动大负载,如接触器线圈等)。PLC继电器输出电路的继电器触点的使用寿命也有限制(一般数十万次左右,根据负载而定,如连接感性负载时的寿命要小于阻性负载)。此外,继电器输出的响应时间也比较慢(10ms)左右,因此,在要求快速响应的场合不适合使用此种类型的电路输出。继电器输出型电路见下图1.1.3所示。图1.1.3 小型继电器输出型电路晶体管输出型电路相比于继电器输出响应快(一般在0.2ms以下),适用于要求快
9、速响应的场合;由于晶体管是无机械触点,因此比继电器型输出电路的寿命长。晶体管输出型电路的电源只能是直接电源,这是其应用局限的一方面。另外,晶体管输出驱动能力要小于继电器输出,允许负载电压一般为DC5V30V,允许负载电流为0.2A0.5A。晶体管输出型电路的主要有两种:NPN和PNP型集电极开路输出。PLC晶体管型输出电路见下图1.1.4所示。图1.1.4 晶体管输出形式电路双向晶闸管输出型的驱动能力要比继电器输出型的要小,允许负载电压一般为AC85242V;单点输出电流为0.2A0.5A,当多点共用公共端时,每点的输出电流应减小(如单点驱动能力为0.3A的双向晶闸管输出,在4点共用公共端时,
10、最大允许输出为0.8A/4点)。晶闸管输出型电路见图1.1.5所示。图1.1.5 晶闸管输出型电路注意:为了保护晶闸管,通常在PLC内部电路晶闸管的两端并接RC阻容吸收元件(一般为0.015uF/22左右)和压敏电阻,因此在晶闸管关断时,PLC的输出仍然有12mA的开路漏电流,这就可能导致一些小型继电器在PLC输出OFF时无法关断的情况。1.1.4 I/O扩展接口当PLC的CPU基本I/O单元的输入/输出点数不够使用和不能满足使用条件时,用I/O扩展接口接连接扩展模块,以满足输入/输出点数和使用条件。1.1.5 电源电源单元是由电源电路构成,电源单元的作用是把外部电源(220V的交流电源)转换
11、成内部工作电压。PLC使用220V交流电源或24V直流电源,内部的开关电源为各模块提供DC5V、12V和24V等直流电源,使PLC能正常工作。PLC通常还可以为外部电路和电子传感器提供24V的直流电压,但使用时要注意其自带电源的容量。1.1.6 其他部件和外设接口通信接口用于与PC机等通信设备相连。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。1.2 PLC的工作原理PLC在本质上是一台微型计算机,其工作原理与普通计算机类似,具有许多相似
12、特点,但其工作方式却与微机有较大的不同,具有一定的特殊性。PLC的工作方式是周期循环扫描,其工作过程是:输入处理阶段(输入采样) 程序执行阶段(程序扫描) 输出处理阶段(输出刷新)。其程序执行原理如图1.2.1所示图1.2.1 其程序执行原理PLC执行完上图中所示的所有过程,称为一个扫描周期,PLC完成一个周期后,又重新执行上述过程,扫描周而复始地进行。其工作的流程图见图1.2.2所示,其扫描过程图见图1.2.3所示。 图1.2.2 PLC工作的流程图图1.2.3 扫描工作过程图1.3 实际使用时PLC的选型原则和注意事项在实际运用中应根据受控对象的性能、特点和控制系统的要求,选择质量、性价比
13、较高品牌,能满足系统性能要求的PLC 。其选用PLC时主要考虑一下几点:1.输入点数、输出点数,输入量的形式,输出驱动负载的特点。输入量有数字量和模拟量两种,一般小型PLC(西门子S7-200、三菱F2N系列PLC)的CPU模块I/O口大多数只有开关量I/O口;扩展模块的I/O单元有开关量、模拟量、热电偶等。当PLC的CPU模块的I/O口点数不够或不能满足性能要求时,需要增加扩展模块来满足系统的要求。PLC输出有继电器输出型、晶体管输出型、晶闸管输出型三种。继电器输出型允许负载一般是AC250V/DC50V以下,负载电流可达2A。晶体管输出型相比于继电器输出型响应快(一般在0.2ms以下),适
14、用于要求快速响应的场合;比继电器输出型的寿命长,允许负载电压一般为DC5V30V,允许负载电流为0.2A0.5A。双向晶闸管输出型允许负载电压一般为AC85242V;单点输出电流为0.2A0.5A,当多点共用公共端时,每点的输出电流应减小(如单点驱动能力为0.3A的双向晶闸管输出,在4点共用公共端时,最大允许输出为0.8A/4点)。2.存储器容量的大小程序容量应小于存储器容量。存储器容量是可编程序控制器本身能提供的硬件存储单元大小,程序容量是存储器中用户应用项目使用的存储单元的大小,因此程序容量应小于存储器容量。为了设计选型时能对程序容量有一定估算,通常采用存储器容量的估算来替代。存储器内存容
15、量的估算没有固定的公式,许多文献资料中给出了不同公式,大体上都是按数字量I/O点数的1015倍,加上模拟I/O点数的100倍,以此数为内存的总字数(16位为一个字),另外再按此数的25%考虑余量。3.PLC的控制功能要满足控制系统的要求PLC的运算功能、控制功能、指令系统、通信功能、编程功能、诊断功能和处理速度等特性应满足系统的要求。一般在工艺过程比较固定、环境条件较好(维修量较小)的场合,建议选用整体式结构的;其它情况则最好选用模块式结构的。对于开关量控制以及以开关量控制为主、带少量模拟量控制的工程项目中,一般其控制速度无须考虑,因此,选用带转换、转换、加减运算、数据传送功能的低档机就能满足
16、要求。而在控制比较复杂,控制功能要求比较高的工程项目中(如要实现运算、闭环控制、通信联网等),可视控制规模及复杂程度来选用中档或高档机。其中高档机主要用于大规模过程控制、全的分布式控制系统以及整个工厂的自动化等。4.PLC的CPU模块自带电源(DC5V、DC24V)的容量不能过载,PLC的CPU模块能连接扩展模块的数量,其能否满足系统的要求。当有扩展模块时CPU模块通过I/O总线为其提供DC5V电源,所有扩展模块的5V电源消耗之和不能超过该CPU提供的电源额定,若不够用不能外接5V电源。每个CPU模块都有一个DC24V传感器电源,它为本机输入点、扩展模块输入点和扩展模块继电器线圈提供DC24V
17、。如果电源要求超出了CPU模块的电源定额,你可以增加一个外部DC24V电源来提供给扩展模块。 5.PLC的CPU模块前面板上用两个发光二级管显示当前工作状态,PLC处于运行状态时,绿色指示灯点亮;PLC处于停止状态时,红色指示灯点亮;在标有SF的指示灯点亮时表示系统出现故障,PLC停止工作。当PLC输入端口指示灯点亮时,表示PLC输入端有信号输;当PLC的CPU模块和扩展模块的电源指示灯点亮时,表示其工作电源已接通;当PLC输出端口指示灯点亮时,表示PLC输出端有有输出。 6.PLC检查出异常时,CPU面板上的LED及异常继电器会接通,在特殊结存器中会存入出错代码;当PLC出现致命错误时,CP
18、U被强制为STOP方式,所有的扫描便停止。7.清楚的了解PLC的分类有助于合理的选择PLC的型号。按控制规模可以分为大型机、中型机和小型机;按控制性能可以分为高档机、中档机和低档机;按结构可分为整体式、组合式和叠装式。小型机: 小型机的控制点一般在256点之内,适合于单机控制或小型系统的控制。西门子小型机有S7-200:处理速度0.81.2ms ;存贮器2k ;数字量248点;模拟量35路 。中型机:中型机的控制点一般不大于2048点,可用于对设备进行直接控制,还可以对多个下一级的可编程序控制器进行监控,它适合中型或大型控制系统的控制。西门子中型机有S7-300:处理速度0.81.2ms ;存
19、贮器2k ;数字量1024点;模拟量128路 ;网络PROFIBUS;工业以太网;MPI。大型机:大型机的控制点一般大于2048点,不仅能完成较复杂的算术运算还能进行复杂的矩阵运算。它不仅可用于对设备进行直接控制,还可以对多个下一级的可编程序控制器进行监控。西门子大型机有S7-400 :处理速度0.3ms / 1k字;存贮器512k ;I/O点12672。低档机:这类可编程序控制器,具有基本的控制功能和一般的运算能力。工作速度比较低,能带的输入和输出模块的数量比较少。比如,德国SIEMENS公司生产的S7-200就属于这一类。中档机:这类可编程序控制器,具有较强的控制功能和较强的运算能力。它不
20、仅能完成一般的逻辑运算,也能完成比较复杂的三角函数、指数和PID运算。工作速度比较快,能带的输入输出模块的数量也比较多,输入和输出模块的种类也比较多。比如,德国SIEMENS公司生产的S7-300就属于这一类。高档机:这类可编程序控制器,具有强大的控制功能和强大的运算能力。它不仅能完成逻辑运算、三角函数运算、指数运算和PID运算,还能进行复杂的矩阵运算。工作速度很快,能带的输入输出模块的数量很多,输入和输出模块的种类也很全面。这类可编程序控制器可以完成规模很大的控制任务。在联网中一般做主站使用。比如,德国SIEMENS公司生产的S7-400就属于这一类。整体式PLC:把电源、CPU、存储器、I
21、/O系统都集成在一个单元内,该单元叫做作基本单元。一个基本单元就是一台完整的PLC。控制点数不符合需要时,可再接扩展单元。整体式结构的特点是非常紧凑、体积小、成本低、安装方便。组合式PLC:把PLC系统的各个组成部分按功能分成若干个模块,如CPU模块、输入模块、输出模块、电源模块等等。其中各模块功能比较单一,模块的种类却日趋丰富。比如,一些可编程序控制器,除了些基本的I/O模块外,还有一些特殊功能模块,像温度检测模块、位置检测模块、PID控制模块、通讯模块等等。组合式结构的PLC特点是CPU、输入、输出均为独立的模块。模块尺寸统一、安装整齐、I/O点选型自由、安装调试、扩展、维修方便。叠装式P
22、LC:叠装式结构集整体式结构的紧凑、体积小、安装方便和组合式结构的I/O点搭配灵话、安装整齐的优点于一身。它也是由各个单元的组合构成。其特点是CPU自成独立的基本单元(由CPU和一定的I/O点组成),其它I/O模块为扩展单元。在安装时不用基板,仅用电缆进行单元间的联接,各个单元可以一个个地叠装。使系统达到配置灵活、体积小巧。 8.在实际选用PLC时,一定要注意PLC的市场状况。目前PLC的适用范围广和发展速度快,PLC的生产厂家很可能在很短的时间内研发出新的PLC取代原有的PLC。 9.三极管类型传感器或编码器与PLC连接时,要注意选择输入形式是PNP型还是NPN型,国内PLC厂家多采用这样的
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