船舶机舱自动化2-3 可编程序控制器的硬件基础

第三节可编程序控制器的硬件基础

可编程序控制器（ProgrammableController）是一种专门为在工业环境应用而设计的计算机控制装置。

可编程逻辑控制器(ProgrammableLogicController)，简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。

PLC的功能>>逻辑控制的范围，因此，被改称作可编程序控制器，简称PC。为避免与PersonalCompute的简称混淆，所以仍然采用PLC的简称。一、可编程序控制器的结构与工作原理存储单元输入接口单元中央处理单元(CPU)数据总线、地址总线、控制总线输出接口单元系统程序存储区电源外围设备（编程器）用户程序存储区用户数据存储区系统数据存储区1.可编程序控制器的结构中央处理单元（CPU）

CPU是PLC的核心部件，由大规模或超大规模的集成电路微处理芯片构成。主要完成逻辑或算术运算任务。早期的CPU处理器内核是8位的，目前已发展到32位。每个PLC至少有一个CPU。趋势：采用了多CPU芯片的并行处理方式。（编程及监控的CPU，执行用户程序的CPU）

电源为PLC内部各模块的集成电路提供工作电源。一般不提供给外围的输入输出电路。（个别厂家的PLC也可以给输入电路提供24V的工作电源)PLC电源的交流输入端一般都有脉冲吸收电路，交流输入电压范围比较宽，抗干扰能力强。有些PLC还配有大容量电容作为数据后备，停电可以保持50小时。

外部设备

PLC的外部设备主要包括：编程器、文本显示器、操作面板、人机界面、打印机等。编程器是最基本的设备，在使用、维护、管理PLC时都需要用到编程器。编程器分为两种：手持编程器和微机编程界面。

手持编程器----适合在生产现场使用，但是由于体积较小，所能显示的信息量有限；

微机编程界面----通过PLC的通讯口与计算机相连，在编程软件界面下，实现程序的上载、下载以及在线编程。

输入接口单元

对输入信号进行滤波、隔离、电平转换等。把输入信号的逻辑值传递到可编程序控制器内部。输出接口单元把用户程序的逻辑运算结果输出到PLC外部。具有隔离PLC内部电路和外部执行元件的作用.

具有功率放大的作用。

存储单元

PLC的存储芯片包括：

RAM（随机存取存储器，断电后数据会丢失）

EEPROM（电可擦只读存储器，断电后数据不会丢失）中大型PLC则采用大容量的MMC(多媒体存储卡，断电后数据不会丢失)。

存储单元一部分是给系统用的，另外一部分是给用户使用的。⑴系统程序存储区存放着相当于微型计算机操作系统的系统程序。（包括监控程序、管理程序、命令解释程序、功能子程序、系统诊断子程序等。）由制造厂商将其固化在EEPROM中。不对用户开放。其内容也不可更改。⑵系统数据存储区操作系统与用户程序之间交换信息的一个特殊存储区域。采用RAM存储芯片。

操作系统在管理、监控系统以及执行程序时的一些执行结果、故障状态，通常就存放在该区域。用户程序可以访问该区域。⑶用户程序存储区存放用户编写的程序，可以进行读写操作。大多数PLC采用EEPROM的存储芯片随PLC型号的不同，该区域的空间大小也不同

用户在使用时只需要注意所编写的程序不要超过全部存储空间的大小即可⑷用户数据存储区供系统和用户共同使用，主要用来存储输入输出状态、计数、计时、全局变量、局部变量等。可以进行读写操作。采用RAM存储芯片，可采用后备电池进行数据保护。2.可编程序控制器的工作原理

PLC采用循环扫描工作方式。一个扫描周期分为三个阶段：输入采样、用户程序执行和输出刷新。

PLC以一定的扫描速度重复执行扫描周期。

输入采样

PLC依次读入所有物理输入点的状态，并将其存入用户程序存储区中的专用区域――I/O区。输入采样结束后，随即转入用户程序执行和输出刷新阶段。在后两个阶段中，即使外围输入状态发生变化，I/O区相应单元的状态也不会改变。如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证该输入能被读入。

用户程序执行

PLC按由上而下、由左至右的顺序依次地扫描用户程序（梯形图）。将运算的最终输出结果送至用户程序存储区中的I/O区，但没有送至实际的物理输出点，那是输出刷新阶段的所要做的工作。输出刷新

PLC按照I/O区对应的状态刷新至所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。可编程序控制器的等效电路I0.0I0.1输入过程映象寄存器输入端子输出端子Q0.0Q0.1输出过程映象寄存器输出锁存器～输入采样用户程序执行输出刷新本次扫描周期下个周期上个周期可编程控制器在输入／输出处理方面遵循以下几点：①输入过程映象寄存器的数据，取决于本扫描周期的第一阶段“输入采样”时输入端子上当时的实际物理状态。且一直维持到下个周期的输入采样阶段。②输出过程映象寄存器的数据，由输出指令决定。③输出锁存器的数据，由上个扫描周期的第三阶段“输出刷新”时输出过程映象寄存器的数据确定。④输出端子板上的输出端的状态，由输出锁存器确定。二、

可编程序控制器的硬件1.可编程序控制器的接口电路

PLC最常用的接口电路分为两种：输入接口电路和输出接口电路。⑴

开关量输入接口电路直流输入接口电路输入接口电路交流输入接口电路直流输入接口电路公用端子COM，并非一定要接在电源的负极上。一个PLC模块上可能有多个COM端子，在PLC内部并没有将这些COM端子连在一起。DC24VCOMR1CLEDR2RT+5V滤波输入选择器IO总线交流输入接口电路AC220VCOMR1CLEDR2RT+5V滤波输入选择器～I/O总线⑵

开关量输出接口电路输出接口电路有三种：晶体管输出接口电路、可控硅输出接口电路、继电器输出接口电路。晶体管输出接口电路I/O总线输出锁存器LEDTFUD2D1负载负载COMDC24VT0晶体管输出接口电路特点①外接电源：只能带直流负载（只能使用直流电源），且电源的方向是唯一。②负载能力：带负载能力弱，允许的负载电流一般都小于1A；防冲击电流的过载能力小；一般不用于直接驱动继电器、接触器、电磁阀这种大负载。③响应时间：响应时间快（约0.2ms），通断速度高。④使用寿命：属无触点形式，使用寿命长。

直流输出接口电路也有两个基本概念：信号流和信号源。信号流（Sink，又称灌电流输出）

DC24V的负端接PLC的公共端COM。上图T采用了NPN三极管，所以其连接方式是信号流。信号源（Source，又称拉电流输出）

DC24V的正端接PLC的公共端COM。如果上图T采用PNP三极管，则DC24V须反向，其连接方式变为信号源。

S7-200PLC采用固态MOSFET，所以其输出既可接成信号流，也可接成信号源。可控硅输出接口电路适用于驱动交流大容量负载I/O总线输出锁存器LEDT负载负载RCOMAC220VFU光控双向可控硅～C可控硅输出接口电路的特点①外接电源：带交流负载（使用交流电源），适用的电压范围较宽。②负载能力：带负载能力强，允许的负载电流一般为2A，个别型号允许最大可达8A；有一定的过载能力；可直接驱动各种大容量交流负载。③响应时间：响应时间较快（约1ms）。④使用寿命：属无触点形式，使用寿命长。继电器输出接口电路适用于驱动交直流供电、低速通断的大容量负载，是应用最多的一种输出电路形式。I/O总线输出锁存器LED负载负载J～继电器输出接口电路的特点①外接电源：对外提供的是无源干触点，所以可带各种形式的交、直流负载，且直流电源的方向任意。②负载能力：带负载能力强，允许的负载电流一般为2A；过载能力强；可直接驱动继电器、接触器、电磁阀这种大负载。③响应时间：响应时间慢（约10ms），通断速度慢。④使用寿命：属有触点形式，且触点的通断次数有寿命限制。⑶模拟量输入接口电路

RA端子：将传感器送来的0～20mA的电流信号转换成标准电压信号。（RA与A-间有一个250欧姆标准电阻）用户通过配置开关选择通道接入的信号种类以及量程。⑶模拟量输出接口电路电压信号输出（“V0”端子）电流信号输出（“I0”端子）2.可编程序控制器的模块种类⑴CPU模块RUN/STOP拨码开关扩展电缆连接端口RS232/485通讯端口输入端子输出端子电源

组建一个PLC控制系统，一个CPU模块是必不可少的。在复杂系统中，会采用两个CPU模块进行冗余热备，一台CPU工作时，另外一台处在备用状态。一个系统中也可以有多个CPU独立运行，他们分别控制自己的I/O点。由于PLC采用了模块化的设计思路，有些CPU模块本身也可以不带任何I/O点，输入输出接口电路全部由其他模块完成。带I/O点的S7300CPU模块不带I/O点的S7300CPU模块S7400两个CPU模块的冗余热备2.扩展模块除了CPU模块以外，其它的PLC模块都统称为扩展模块。由于扩展方式的不同，同一厂家的不同级别CPU的扩展模块也不通用。扩展模块内部可能有CPU芯片，但不能归类为CPU模块，因为该CPU芯片不能编译以及执行梯形图的程序。

I/O模块

PLC的扩展模块可分为三大类功能模块通讯模块

①I/O模块数字量I/O模块

I/O模块包括模拟量I/O模块测温模块SiemensS7-200的I/O模块型号：

EM（ExpansionModules）+数字。例如EM221就是一种数字量输入模板的型号。SiemensS7-300的I/O模块型号：

SM（SignalModules）+数字。例如SM321就是一种数字量输入模板的型号。

数字量I/O模块其硬件接口电路与CPU模块自带的I/O接口电路一样。

不同点：与CPU总线的连接方式。数字量I/O模块通过扩展电缆（扩展的I/O总线）与CPU模块相连。

SiemensS7-200的扩展电缆是10针扁平电缆。扩展电缆阴型连接阳型连接

模拟量I/O模块模拟量I/O模块分为：模拟量输入模块、模拟量输出模块、兼有模拟量输入和输出的模块。模拟量输入模块扩展电缆阴型连接输入1输入2输入3输入4输出1扩展电缆阳型连接②

功能模块位置控制模块称重模块高速计数器模块闭环控制模块SiemensS7-200的功能模块型号：

EM（ExpansionModules）+数字。SiemensS7-300的功能模块型号：

FM（FunctionModules）+数字。常见的功能模块③

通讯模块

Ethernet模块

ProfibusDP模块

AS-i模块

Modem模块

SiemensS7-200的部分通讯模块和SiemensS7-300的全部通讯模块的型号用CP（CommunicationsProcessor）+数字的方式来表示。S7200PLC的通讯模块3.可编程序控制器的抗干扰⑴

干扰的产生在测量信号（主要指模拟量信号）传输过程中，由于内部和外部干扰的影响，会在测量信号上又叠加干扰电压或电流，通常把这种干扰称为噪声。当噪声电压影响到系统的正常工作时，该噪声电压就称为干扰电压。根据干扰电压进入测量电路的不同方式，可将干扰分为串模干扰（又称为差模干扰）和共模干扰（又称为并联干扰）两种。

串模干扰在被测信号两端与被测信号串联的干扰电压称为串模干扰电压，串模干扰属于对称性干扰。由于这种干扰是叠加在信号上的，所以直接影响测量的结果。PLC传感器～串模干扰电压M串模干扰产生的原因：①外部线路的交变磁场通过分布电容耦合进线路。交变磁场通常来自于高压输电线、与信号线平行铺设的电源线以及大电流控制线所产生的空间电磁场。②电源交变磁场漏电流的耦合作用。③信号输入通路中的接触不良。抑制串模干扰的方法①用双绞线传输信号，可有效减少干扰介入的途径。②当被测信号变化缓慢时，利用RC滤波器，可较好的抑制串模干扰噪声。

共模干扰出现在信号的任一输入端和公共端（大地或机壳）之间的干扰电压称为共模干扰电压。共模干扰属于非对称性干扰。虽然不直接影响测量结果，但是当信号输入电路参数不对称时，它会转化成串模干扰，对测量产生影响。PLC传感器共模干扰电压～接地环路

共模干扰的产