第六章PLC硬件系统

1、第六章 可编程控制器的硬件系统 6.1 PLC的基本组成6.2 PLC的工作方式6.3 CPM*系列PLC简介6.4 PLC编程元件一、一、 PLC的硬件组成的硬件组成1.中央处理单元中央处理单元CPU2.存储器存储器3.输入输入/输出模块输出模块4. 电源部件电源部件5.扩展端口扩展端口6. 外部设备端口外部设备端口7.编程工具编程工具 CPU电 源上位计算机打印机CRT监控EPROM写入器编程器外设 I/O接口按钮行程开关SB2SB1输入模块存储器扩展 I/O接口I/O扩展机输出模块接触器指示灯电磁阀外接电源SQ图61 PLC组成结构示意图 接收现场输入装置的信号和数据，并存入输入映像寄存

2、器。接收现场输入装置的信号和数据，并存入输入映像寄存器。从存储器从存储器中逐条读取指令，经译码后，完成用户程序中规定的各种中逐条读取指令，经译码后，完成用户程序中规定的各种任务，更新输出映像寄存器的内容；将输出映像寄存器的任务，更新输出映像寄存器的内容；将输出映像寄存器的内容存入输出锁存器，以驱动内容存入输出锁存器，以驱动PLC外部的外部负载。外部的外部负载。 目前，目前，PLC中的中的CPU通常采用以下几种形式：通常采用以下几种形式： （1）通用处理器：通用处理器：8086、80286、80386 （2）单片机芯片：）单片机芯片：8051、8096等，小型等，小型PLC大多数采用大多数采用8

3、位单片机，中型位单片机，中型PLC大多数采用大多数采用16位甚至位甚至32位单片机位单片机 （3）位片式微处理器：位片式微处理器：AMD-2900(RAM) 随机存取存储器：可读可写，没有断电保持功能。随机存取存储器：可读可写，没有断电保持功能。(ROM)只读存储器：只读，不能写。只读存储器：只读，不能写。(EPROM)可擦除可编程序的只读存储器：非易失性可擦除可编程序的只读存储器：非易失性.用紫外线照用紫外线照射芯片上的透镜窗口，可以擦除已写入的内容射芯片上的透镜窗口，可以擦除已写入的内容,写入新内容。写入新内容。(EEPROM)电可擦除：兼有电可擦除：兼有ROM的非易失性和的非易失性和RA

4、M的随机存的随机存取的优点取的优点.但价格比较高。但价格比较高。RAM存放用户程序存放用户程序ROM存放系统程序存放系统程序 输入、输出模块是输入、输出模块是PLC与被控设备的连接部件。与被控设备的连接部件。 输入模块输入模块通过输入端子接收现场设备的控制信号（包括开通过输入端子接收现场设备的控制信号（包括开关量和模拟量），如控制按钮、限位开关、传感器信号等，并关量和模拟量），如控制按钮、限位开关、传感器信号等，并把这些信号转换成把这些信号转换成CPU能处理的数字信号。能处理的数字信号。 输出模块输出模块则接收经中央处理器处理后的数字输出信号，并则接收经中央处理器处理后的数字输出信号，并把它转

5、换成被控设备能接收的电压或电流信号，以驱动被控装把它转换成被控设备能接收的电压或电流信号，以驱动被控装置（包括开关量和模拟量），如电磁阀、接触器、信号灯等。置（包括开关量和模拟量），如电磁阀、接触器、信号灯等。 工作原理是工作原理是:当当S闭合时光电耦合器闭合时光电耦合器T导通，导通，LED点亮点亮 。此。此时时A点为高电平点为高电平,该电平经滤波器送到内部电路中。当该电平经滤波器送到内部电路中。当CPU访问访问该路信号时该路信号时,将该输入点对应的输人映像寄存器状态置将该输入点对应的输人映像寄存器状态置1。图图6.2 直流输入单元的电路直流输入单元的电路 工作原理是工作原理是:电容器电容器C

6、为隔直电容为隔直电容,对交流相当于短路。光电对交流相当于短路。光电耦合器有效地防止现场的强电干扰进入耦合器有效地防止现场的强电干扰进入PLC，因此，因此PLC具有很具有很强的抗干扰能力。强的抗干扰能力。图图6.3 交流输入单元的电路交流输入单元的电路 工作原理是工作原理是:当对应于晶体管当对应于晶体管T2的内部继电器的状态为的内部继电器的状态为1时时,通过内部电路使通过内部电路使T1导通导通,从而使从而使T2饱和导通饱和导通,因此负载得电。因此负载得电。 晶体管为无触点开关晶体管为无触点开关,所以此单元使用寿命长所以此单元使用寿命长,响应速度快响应速度快图图6.4 晶体管输出单元的电路晶体管输

7、出单元的电路负载负载为感为感性时性时, 须并须并接续接续流二流二极管极管 工作原理是工作原理是:当对应于光控双向晶闸管当对应于光控双向晶闸管T的内部继电器的状的内部继电器的状态为态为1时时,发光二极管导通发光发光二极管导通发光, 使使T导通导通,负载得电。负载得电。R2、C构成阻容吸收保护电路，熔断器构成阻容吸收保护电路，熔断器FU防止短路时损坏防止短路时损坏PLC图图6.5 双向晶闸管输出单元的电路双向晶闸管输出单元的电路负载负载电源电源可以可以选用选用直流直流或交或交流。流。 工作原理是工作原理是:J为一个小型直流继电器，当对应于为一个小型直流继电器，当对应于J的内部继的内部继电器状态为电

8、器状态为1时时,J得电吸合得电吸合,其常开触点闭合其常开触点闭合,负载得电。负载得电。 继电器触点寿命一般为继电器触点寿命一般为1030万次万次,不适合频繁通断的场合不适合频繁通断的场合图图6.6 继电器输出单元的电路继电器输出单元的电路负载负载电源电源可以可以选用选用直流直流或交或交流。流。 二、二、 PLC的软件组成的软件组成 PLC的软件包括系统软件和应用软件。的软件包括系统软件和应用软件。 1系统软件系统软件 系统软件是由系统软件是由PLC生产厂家编制的，用来管理、协调生产厂家编制的，用来管理、协调PLC的各的各部分工作，充分发挥硬件功能的程序。通常被固化在部分工作，充分发挥硬件功能的

9、程序。通常被固化在ROM中与中与PLC一起提供给用户。系统程序一般包括以下功能：一起提供给用户。系统程序一般包括以下功能： （1）初始化）初始化 （2）系统自诊断）系统自诊断 （3）命令识别与处理）命令识别与处理 （4）用户程序编译）用户程序编译 （5）模块子程序及调用管理）模块子程序及调用管理 2应用软件应用软件 用户根据控制对象和解决问题不同，所编制的应用程序不同。用户根据控制对象和解决问题不同，所编制的应用程序不同。 二、二、 PLC的软件组成的软件组成 PLC的软件包括系统软件和应用软件。的软件包括系统软件和应用软件。 1. 系统软件是由系统软件是由PLC生产厂家编制的，用来管理、协调

10、生产厂家编制的，用来管理、协调PLC的各部分工作，的各部分工作，充分发挥硬件功能的程序。通常被固化在充分发挥硬件功能的程序。通常被固化在ROM中与中与PLC一起提供给用户。系统程一起提供给用户。系统程序一般包括以下功能：序一般包括以下功能： （1）初始化）初始化 系统程序在系统程序在PLC上电或复位时，首先对各模块进行登记、分配地上电或复位时，首先对各模块进行登记、分配地址，做初始化，为系统的管理和运行做好准备。址，做初始化，为系统的管理和运行做好准备。 （2）系统自诊断）系统自诊断 PLC在执行用户程序前，对在执行用户程序前，对CPU、存储器、电源、输入和输、存储器、电源、输入和输出模块进行

11、故障诊断，若自诊断发现异常则转入处理程序，停机并显示故障代码。出模块进行故障诊断，若自诊断发现异常则转入处理程序，停机并显示故障代码。 （3）命令识别与处理）命令识别与处理 系统程序不断监视键盘，接收由键盘发给系统程序不断监视键盘，接收由键盘发给PLC的每一个的每一个操作命令并加以解释，然后按命令去完成相应的操作，并将结果显示给操作人员。操作命令并加以解释，然后按命令去完成相应的操作，并将结果显示给操作人员。 （4）用户程序编译）用户程序编译 用户程序送入用户程序送入PLC以后，首先由系统编译程序对其进行编以后，首先由系统编译程序对其进行编译，变成译，变成CPU可以识别执行的指令码程序后，才被

12、存入用户程序存储器，同时还要可以识别执行的指令码程序后，才被存入用户程序存储器，同时还要对输入的用户程序进行语法检查，发现错误立即返回提示信号。对输入的用户程序进行语法检查，发现错误立即返回提示信号。 （5）模块子程序及调用管理）模块子程序及调用管理 有些生产厂家为了方便用户编程，向用户提供了有些生产厂家为了方便用户编程，向用户提供了一些子程序模块，每个模块具有一定的功能和调用条件，用户需要时只需按调用条一些子程序模块，每个模块具有一定的功能和调用条件，用户需要时只需按调用条件进行调用即可，而不必另外编写。件进行调用即可，而不必另外编写。 2应用软件：用户根据控制对象和解决问题不同，所编制的应

13、用程序是不同的应用软件：用户根据控制对象和解决问题不同，所编制的应用程序是不同的 图图6.7 PLC的内部等效电路的内部等效电路 PLC等效电路可分为三个部分：输入部分、内部控制电路和输出部分。等效电路可分为三个部分：输入部分、内部控制电路和输出部分。 （1）输入部分）输入部分 这部分的作用是收集被控设备的信息和操作命令，它由外部输入信号这部分的作用是收集被控设备的信息和操作命令，它由外部输入信号、输入接线端子和输入继电器组成。一个输入端子对应一个输入继电器。、输入接线端子和输入继电器组成。一个输入端子对应一个输入继电器。输入继电器由输入端的外部信号来驱动。输入继电器可以提供任意个动合输入继电

14、器由输入端的外部信号来驱动。输入继电器可以提供任意个动合触点和动断触点供触点和动断触点供PLC内部控制电路（即编程时）使用。内部控制电路（即编程时）使用。 （2）内部控制电路）内部控制电路 该电路的作用是根据用户规定的逻辑关系，对输入信号和输出信号的该电路的作用是根据用户规定的逻辑关系，对输入信号和输出信号的状态进行运算、处理和判断，然后得到相应的输出。这部分由用户根据控状态进行运算、处理和判断，然后得到相应的输出。这部分由用户根据控制要求编制的程序组成。用户程序通常用梯形图来表示，梯形图类似继电制要求编制的程序组成。用户程序通常用梯形图来表示，梯形图类似继电接触器控制电路的电气原理图，只是梯

15、形图中的器件及它们的触点用编程接触器控制电路的电气原理图，只是梯形图中的器件及它们的触点用编程软件实现的（虚拟的），没有实际连线。软件实现的（虚拟的），没有实际连线。 （3）输出部分）输出部分 输出部分由输出继电器的一个外部动合触点、输出接线端子和外部电输出部分由输出继电器的一个外部动合触点、输出接线端子和外部电路组成，其作用是驱动外部负载。路组成，其作用是驱动外部负载。 图图6.8 三相异步电动机起三相异步电动机起/停控制电路停控制电路 3MKMFRSB21UUWV KM KM3SB1FR5V举例：举例：COM-+COM050705060003SB20004SB10002COM50502CO

16、M0501C20PCOM000000010500COM0004FR6220V AC05000002 KM70500(b)(a)图图 6.9 用用PLC实现三相异步电动机起实现三相异步电动机起/停控制停控制2.PLC的工作方式的工作方式 中、小型中、小型PLC采用周期性循环扫描的工作方式，包括输采用周期性循环扫描的工作方式，包括输入采样、程序执行、输出刷新三个阶段。入采样、程序执行、输出刷新三个阶段。程序执行阶段TIM001000输入设备输入映像寄存器输入端子输入采样阶段00060003100000050000寄存输入状态输出设备输出映像寄存器输出端子输出锁存电路输出处理阶段0500寄存输出状态

17、寄存执行结果.图图 6.10 PLC执行程序过程执行程序过程 （1）输入采样阶段）输入采样阶段 当当PLC开始工作时，微处理器首先扫描各输入点，将输入点的状态（开始工作时，微处理器首先扫描各输入点，将输入点的状态（接通为接通为“1”，断开为，断开为“0”）读入输入映像寄存器中储存，这一过程称为输）读入输入映像寄存器中储存，这一过程称为输入采样阶段。入采样阶段。 （2）程序执行阶段）程序执行阶段 PLC在程序执行阶段，一般从用户程序存储器的最低的地址（在程序执行阶段，一般从用户程序存储器的最低的地址（0000）存放的第一条指令开始，按地址递增的方向顺序扫描（即从上至下，由左存放的第一条指令开始，

18、按地址递增的方向顺序扫描（即从上至下，由左至右），分别从输入映像寄存器和输出映像寄存器中获取所需数据进行逻至右），分别从输入映像寄存器和输出映像寄存器中获取所需数据进行逻辑处理和算术运算，再将运算的结果写入输出映像寄存器中保存辑处理和算术运算，再将运算的结果写入输出映像寄存器中保存 。 （3）输出刷新阶段）输出刷新阶段 程序执行阶段开始，每一步所得到的输出信号被送到输出映像寄存器程序执行阶段开始，每一步所得到的输出信号被送到输出映像寄存器中，但并没有送到输出锁存电路，相当于输出信号被输出门阻隔，待全部中，但并没有送到输出锁存电路，相当于输出信号被输出门阻隔，待全部程序执行完后，输出映像寄存器中

19、的内容送到输出锁存电路，再去驱动用程序执行完后，输出映像寄存器中的内容送到输出锁存电路，再去驱动用户输出设备，这才是户输出设备，这才是PLC的真正输出控制。的真正输出控制。 3. PLC的的I/O滞后现象滞后现象 由于由于PLC采用循环扫描的工作方式采用循环扫描的工作方式, 集中输入集中输出集中输入集中输出，因此会产生，因此会产生I/O滞后现象。此外，还与下面的因素有关。滞后现象。此外，还与下面的因素有关。 (1)输入滤波器对信号的延迟作用。输入滤波器对信号的延迟作用。由于由于PLC的输入电路中设置了滤的输入电路中设置了滤波器波器,滤波器的时间常数越大滤波器的时间常数越大,对输人信号的延迟作用

20、越强。从输入端对输人信号的延迟作用越强。从输入端ON到输入滤波器输出到输入滤波器输出ON所经历的时间为输人所经历的时间为输人0N延时延时(CPM1A系列系列默认设置时间为默认设置时间为8ms)。 (2)输出继电器的动作延迟。输出继电器的动作延迟。对于继电器输出型的对于继电器输出型的PLC,把从输出锁存把从输出锁存器器ON到输出触点到输出触点ON所经历的时间称为输出所经历的时间称为输出ON延时延时,一般需十几毫一般需十几毫秒。所以秒。所以,在要求输入在要求输入/输出有较快响应的场合输出有较快响应的场合,最好不要使用继电器最好不要使用继电器输出型的输出型的PLC。 (3)用户程序的语句编排。用户程

21、序的语句编排。在学习了在学习了PLC的编程以后就会知道的编程以后就会知道,用户程用户程序的语句编排不当也会影响序的语句编排不当也会影响I/O滞后的时间。滞后的时间。* 91211108123456711100908070605040302010011100908070605040302010000CH01CHIN10CH11CHOUT07060504030201000706050403020100PWRRUNERRCOMMALMOMRONOMRONSYSMACSYSMACCPM1ACPM1AL1COML2/N010305070002040608020403050608100709110001020405+COM03COMCOMCOM060700COM0102030405COM0706091011010024VDC 0.3AOUTPUT110240VAC图图 6.12 CPM1A面板图面板图 CPM1A-40CDR-A图图 6.13 CPM1A真