1、第1章 PLC硬件与工作原理,成都理工大学工程技术学院 自动化工程系 雷永锋,第1章 PLC的硬件与工作原理,1.1 概述,1CPU模块CPU模块主要由CPU芯片和存储器组成。PLC的程序分为操作系统和用户程序。RAM（随机存取存储器）的工作速度高、价格便宜、改写方便。断电后储存的信息丢失。ROM（只读存储器）只能读出，不能写入。断电后储存的信息不会丢失。EEPROM（可以电擦除可编程的只读存储器）的数据可以读出和改写，断电后信息不会丢失。写入数据的时间比RAM长。S7-200用EEPROM来存储用户程序和需要长期保存的重要数据。2I/O模块I/O模块是输入（Input）模块和输出（Outpu
2、t）模块的简称。输入模块用来采集输入信号，输出模块用来控制外部的负载和执行器。I/O模块还有电平转换与隔离的作用。3编程软件STEP 7-Micro/WIN 用来生成和编辑用户程序，和监控用户程序的运行。4电源PLC使用AC 220V电源或DC 24V电源。小型PLC可以为输入电路和外部的电子传感器提供DC 24V电源。,1.2 S7-200系列PLCS7-200、S7-1200和S7-200 SMART是西门子的小型PLC。S7-300/S7-400和S7-1500是模块式大中型PLC。WinAC是在PC上实现PLC功能的“软PLC”。 1.2.1 S7-200的特点1功能强，有高速计数、高
3、速输出、PID参数自整定、位置控制、称重、配方、数据记录等功能。2先进的程序结构3灵活方便的存储器结构，大多数存储区可以按位（bit）、字节、字和双字读写。4功能强大、使用方便的编程软件5简化复杂编程任务的向导功能6强大的通信功能7品种丰富的配套人机界面， Smart 700 IE的价格便宜8有竞争力的价格9完善的网上技术支持,1.2.2 CPU模块 有CPU 221/222/224/224XP/224XPsi/226，最多扩展7个扩展模块、256点数字量I/O或45路模拟量I/O，最多24KB程序存储空间和10KB用户数据存储空间。CPU 221无扩展功能。 256点定时器、256点计数器；
4、集成6个有13种工作模式的高速计数器，以及两点高速脉冲发生器/脉冲宽度调制器。 1个或2个模拟电位器，1个或2个RS-485接口，有实时时钟。 4点输入中断，2个1255ms的定时中断。 CPU 224XP集成了2AI、1AO，2个RS-485通信口，高速输入200kHz、高速输出100kHz。 可使用PPI、MPI、PROFIBUS、Modbus、USS、S7通信协议，和自由端口通信方式。,1.2.3 数字量输入与数字量输出 1数字量输入电路 图1-3中的1M是同一组输入点各内部输入电路的公共点。输入电流为数毫安。 外接触点接通时，发光二极管亮，光敏三极管饱和导通；反之发光二极管熄灭，光敏三
5、极管截止，信号经内部电路传送给CPU模块。,漏型输入的输入电流流进输入模块，源型输入的输入电流从模块流出。,2数字量输出电路继电器输出电路可以驱动直流负载和交流负载，承受瞬时过电压和过电流的能力较强，动作速度慢，动作次数有限制。场效应管输出电路只能驱动直流负载。反应速度快、寿命长，过载能力稍差。CPU 224XPsi具有MOSFET漏型输出，电流从输出端子流入。其他场效应晶体管型输出的CPU都是MOSFET源型输出，电流从输出端子流出。,1.2.4 扩展模块 1数字量扩展模块 数字量I/O：8DI、16DI、4DO、8DO模块；4/4、8/8、16/16、32/32点的DI/DO模块。 输入有
6、DC 24V 和AC 230V 两种，输出有DC 24V 和继电器型两种。,2PLC对模拟量的处理模拟量输入模块将模拟量转换为数字量。模拟量输出模块将PLC中的数字量转换为模拟量电压或电流。有12位的4AI、8AI、2AO、4AO、4AI/1AO模块（见表1-5 ）；15位4路、8路热电偶模块，2路、4路热电阻模块。3模拟量输入模块用模块上的DIP开关设置量程。转换后的12位数据被尽可能地往高位移动，单极性全量程输入范围对应的数字量输出为032000。双极性全量程输入范围对应的数字量输出为32000+32000。电压输入时输入阻抗2M，电流输入时输入阻抗为250。,5模拟量输出模块满量程时电压
7、输出和电流输出的分辨率分别为12位和11位。电压输出时负载阻抗最小5 k；电流输出时负载阻抗最大500 。,4将模拟量输入模块的输出值转换为实际的物理量【例1-2】量程为010MPa的压力变送器的输出信号为DC 420mA，模拟量输入模块将020mA转换为032000的数字量，设转换后得到的数字为N，试求以kPa为单位的压力值。 解：420mA的模拟量对应于数字量640032000，压力的计算公式为,1.3 I/O地址分配与外部接线1I/O地址分配I/O模块分为数字量输入、数字量输出、模拟量输入和模拟量输出4类。分配给数字量I/O模块的地址以字节为单位。扩展模块I/O点的字节地址由I/O的类型
8、和模块在同类I/O模块链中的位置来决定。某个模块的数字量I/O点如果不是8的整倍数，最后一个字节中未用的位不会分配给I/O链中的后续模块。模拟量扩展模块以2点（4字节）递增的方式来分配地址。,1.4 逻辑运算与PLC的工作原理 1.4.1用触点和线圈实现逻辑运算用逻辑代数中的1和0来表示数字量控制系统中变量的两种相反的工作状态。线圈通电、常开触点接通、常闭触点断开为1状态，反之为0状态。在波形图中，用高、低电平分别表示1、0状态。“与”、“或”、“非”逻辑运算的输入输出关系见表1-6。,按下起动按钮SB1，电流经SB1的常开触点和SB2的常闭触点流过KM的线圈。KM的主触点闭合，电动机开始运行
9、。KM的辅助常开触点同时接通。放开起动按钮，SB1的常开触点断开，电流经KM的辅助常开触点和SB2的常闭触点流过KM的线圈。KM常开触点的功能称为“自锁”或“自保持”。图1-12中的继电器电路称为起动-保持-停止电路，简称为起保停电路。逻辑代数式表示为,逻辑代数式 中的加号表示逻辑“或”，乘号（或*号）表示逻辑“与”。上划线表示逻辑“非”。逻辑运算的规则为先“与”后“或”。括号优先，先执行括号中的“或”运算。 1.4.2 PLC的工作原理1. PLC的操作模式RUN模式执行用户程序，“RUN” LED亮。STOP模式不执行用户程序，可以下载程序。模式开关在RUN位置时，上电后自动进入RUN模式
10、。PC和PLC之间建立起通信连接后，若模式开关在RUN或TERM位置, 可用编程软件中的命令改变CPU的操作模式。2PLC的扫描工作方式初始化后PLC循环不停地分5个阶段处理各种任务。每次循环的时间称为扫描周期。（1）读取输入外部输入电路接通时, 对应的过程映像输入寄存器为ON(1状态), 梯形图中对应的常开触点闭合，常闭触点断开。反之过程映像输入寄存器为OFF(0状态）。,（2）执行用户程序如果没有跳转指令，CPU逐条顺序地执行用户程序。执行程序时，对输入/输出的读写通常是通过过程映像输入/输出寄存器，而不是实际的I/O点。（3）处理通信请求（4）CPU自诊断（5）改写输出梯形图中某一输出位
11、的线圈“通电”，对应的过程映像输出寄存器为1，对应的硬件继电器的常开触点闭合，外部负载工作。反之外部负载断电。可用中断程序和立即I/O指令提高PLC的响应速度。,LD I0.1 O Q0.0 AN I0.2 = Q0.0,5PLC的工作过程举例在读取输入阶段，SB1和SB2的常开触点的接通/断开状态被读入相应的过程映像输入寄存器。,执行第一条指令时，从过程映像输入寄存器I0.1中取出二进制数，并存入堆栈的栈顶。执行第二条指令时，从过程映像输出寄存器Q0.0中取出二进制数，并与栈顶中的二进制数相“或”，运算结果存入栈顶。执行第三条指令时，因为是常闭触点，取出过程映像输入寄存器I0.2中的二进制数
12、后，将它取反，与前面的运算结果相“与”后，存入栈顶。执行第四条指令时，将栈顶中的二进制数传送到Q0.0的过程映像输出寄存器。在修改输出阶段，CPU将各过程映像输出寄存器中的二进制数传送给输出模块并锁存起来，如果Q0.0中存放的是二进制数1，外接的KM线圈将通电，反之将断电。,1.5 PLC控制系统的可靠性措施 1电源的抗干扰措施干扰较强时，可以在PLC的电源输入端加接带屏蔽层的隔离变压器和低通滤波器，或使用抗干扰电源和净化电源产品。 2布线的抗干扰措施长距离数字量信号、模拟量信号、高速信号（例如旋转编码器输出的信号）和通信应使用屏蔽电缆。PLC应远离强干扰源，在开关柜内PLC应远离动力线。不同
13、类型的导线应分别装入不同的电缆管或电缆槽中。I/O线与电源线应分开走线，交流信号与直流信号、数字量与模拟量I/O线应分开敷设。一般情况下屏蔽电缆的屏蔽层应两端接金属机壳。应确保需要用通信电缆连接的所有设备共享一个共同的参考点，或者进行隔离，以防止不必要的电流造成通信故障或损坏设备。,3模拟量信号的处理数字量、模拟量I/O线应分开敷设，后者应采用屏蔽线。交流信号与直流信号应分别使用不同的电缆。模拟量信号的传输线应使用双屏蔽的双绞线（每对双绞线和整个电缆都有屏蔽层）。不同的模拟量信号线应独立走线，它们有各自的屏蔽层。不要把不同的模拟量信号置于同一个公共返回线。远程传送的模拟量信号应采用420mA的
14、电流传输方式。干扰较强的环境应选用有光隔离的模拟量I/O模块。应短接未使用的A-D通道的输入端，以防止干扰信号进入PLC。 4PLC的接地1）安全保护地又叫做电磁兼容性地，车间里一般有保护接地网络。应将电动机的外壳和控制屏的金属屏体连接到安全保护地。CPU模块上的PE（保护接地）端子必须连接到大地或者柜体上。2）信号地（或称控制地、仪表地）是电子设备的电位参考点，例如PLC输入回路电源的负极应接到信号地。控制系统中所有的控制设备需要接信号地的端子应保证一点接地。如果将各控制屏或设备的信号地就近连接到当地的安全保护地网络上，烧电焊可能烧毁设备的通信接口或通信模块。,5防止变频器干扰的措施变频器已
15、经成为PLC最常见的干扰源。变频器的输入、输出电流含有丰富的高次谐波，它通过电力线干扰其他设备。可以在变频器输入侧与输出侧串接电抗器，或安装谐波滤波器（见图1-15），以吸收谐波，抑制高频谐波电流。PLC的信号线和变频器的输出线应分别穿管敷设，变频器的输出线一定要使用屏蔽电缆或穿钢管敷设。变频器应使用专用接地线，且用粗短线接地。,6强烈干扰环境中的隔离措施强烈的干扰可能使PLC输入端的光耦合器中的发光二极管发光，使PLC产生误动作。可以用小型继电器来隔离用长线引入PLC的开关量信号。长距离的串行通信信号可以用光纤来传输和隔离，或使用带光耦合器的通信接口。,7PLC输出的可靠性措施负载要求的输出
16、功率超过PLC的允许值或负载电压为DC 220V时，应设置外部继电器。8对感性负载的处理PLC内控制感性负载的触点或电子元件断开时，电路中会产生高于电源电压数倍甚至数十倍的反电势，对系统产生干扰。PLC的输出端接有感性元件时，直流电路可以在负载两端并联型号为IN4001的续流二极管，要求提高关断速度时，可以串接一个稳压管。交流电路应在负载两端并联阻容电路，要求较高时，可以在负载两端并联压敏电阻。,填空题1) PLC主要由 、 、 和 组成。2) 继电器的线圈“断电”时，其常开触点 ，常闭触点 。 3) 外部输入电路接通时，对应的过程映像寄输入存器为 状态，梯形图中后者的常开触点 ，常闭触点_。4) 若梯形图中输出Q的线圈“断电”，对应的过程映像输出寄存器为 _状态，在修改输出阶段后，继电器型输出模块中对应的硬件继电器的线圈 ，其常开触点 ，外部负载 。,
