浅谈PLC的组成及工作原理

浅谈PLC的组成及工作原理PLC的组成PLC由三个基本部分组成：输入部分、逻辑处理部分、输出部分。基本结构示意图参见图2-1所示。输入部分是指各类按钮、行程开关、传感器等接口电路，它收集并保存来自被控对象的各种开关量、模拟量信息和来自操作台的命令信息等。逻辑处理部分用于处理输入部分取得的信息，按一定的逻辑关系进行运算，并把运算结果以某种形式输出。输出部分是指驱动各种电磁线圈、交/直流接触器、信号指示灯等执行元件的接口电路，它向被控对象提供动作信息。为了使用方便，PLC还常配套有编程器等外部设备，它们可以通过总线或标准接口与PLC连接，图2-2为一般PLC组成系统的原理框图。（由图2-2可看出，PLC的组成结构和计算机差不多，故PLC可看成用于工业控制的专用计算机）PLC主要部件功能CPUCPU是PLC的核心部件之一，它的主要功能有：①采集输入信号；②执行用户程序；③刷新系统输出；④执行管理和诊断程序；⑤与外界通信。PLC常用的CPU芯片主要有：通用微处理器如INTEL（8080、8085、8086、8088，80386、80486、80586）、Zilog（Z80、Z8000）、Motorola（6800、6809、68000）等。通用微处理器芯片的通用性强、价格便宜、货源充足。单片微处理器如INTEL（8031、8039、8049、8051、8089），单片微处理器又叫单片机，它将ROM、RAM、接口电路、时钟电路、串行口甚至A/D都集成在一个很小的芯片上，自成一个小的微处理机系统；另外，单片机有大量的位寻址单元和丰富的位操作指令，它为PLC在位处理方面提供了最佳的功能和速度，所以特别适用于PLC；此外，单片机集成度高、体积小、通用性强、价格低、可扩充性好、货源足。位片式微处理器如AMD（2900、2901、2903、N8×300），位片式微处理器是独立于微型机的另一分支，因为它采用双极型工艺，所以比一般的MOS型微机处理器在速度上要快一个数量级。上述两种微处理器的字长、结构、指令系统是固定的，而位片机是具有CPU的一切必要附件(如寄存器、算术逻辑部件ALU等)，位片的宽度有2、4、8位几种，用几个位片机级联，可组成任意字长的微处理器。还可通过改变微程序存储器的内容来改变机器的指令系统(即指令系统对用户开放)；位片式结构可使用多个微处理器，将任务分成几个部分让其并行处理，即重叠操作，这样能更有效地发挥其快速的特点；其缺点是：集成度低，用的芯片较多，功耗也较大。目前小型PLC一般采用8位CPU如：8080、8085、Z80、6800、MCS48、51系列，而大、中型PLC常采用位片式微处理器、16/32位通用微处理器。存储器存储器是保存系统程序、用户程序、中间运算结果的器件，据其在系统中的作用，可将它们分为下列4种：系统程序存储器、用户程序存储器、数据表存储器、高速暂存存储器。系统程序存储器系统程序存储器用来存放PLC的监控程序，可分为：系统管理程序、命令解释程序、故障检测、诊断程序、通信程序。系统程序由PLC厂家设计，并固化在ROM/PROM/EPROM存储器中，用户不必对它作细致的了解，更不能改变它。用户程序存储器用户程序存储器用来存放用户编制的控制程序。PLC术语中讲的存储器容量及型式就是指的用户程序存储器。常用的用户存储器型式有：EPROM、E2ROM、带掉电保护的RAM等。EPROM作程序存储器的优点是：写入程序不会因停电而丢失，但其成本较高，主要体现在两个方面：1）调试时仍要用RAM作程序存储器，而且最好用带电容/电池后备的RAM，这样用户实质上是购了两套用户程序存储器。2）对许多PLC而言，往往还要另外配套购置专用的EPROM写入装置和擦除装置。E2PROM是非易失性的且可电擦除的存储器，它兼有ROM的非易失性和RAM随机存取之优点，它的写入或擦除不需特殊装置，用它作用户程序存储器，在程序调试阶段，可用编程器直接修改程序，程序确定下来投入运行后。这是它的优越之处，不足的是，它的写入时间较长(约为ms级)，但对手工输入或修改程序而言，这点是不成问题的。一般而言，用户的控制程序必须经过多次的调试和修改才能确定下来，据此特点，在控制程序没确定以前，常先采用带掉电保护的RAM作用户程序存储器，待程序确定后，再由厂家提供的EPROM写入器将程序固化到EPROM中，并将该EPROM插入PLC中运行。EPROM插入PLC后，PLC则运行EPROM中的用户程序，若没EPROM插入，PLC则运行RAM区中的用户程序。许多用户用掉电保护的RAM作用户程序存储器，因为它比另两种价格便宜，一旦电源停电，靠后备电池/电容可以保存RAM中的程序数年/数十天，只要做到停电时间不超过这期限即可。这点对于一般的工矿企业而言是容易做到的。例如：OMRON公司的C200H-MR431/831是全电池后备RAM存储器，C200H-MR431/831是电容后备RAM存储器，它们在25℃的坏境下，可以保存程序的时间分别是2~3年、20天。数据表存储器(I/O映像存储器)数据表存储器用来存放开关量I/O状态表，定时器、计算器的预置值表，模拟量I/O数值等。高速暂存储器高速暂存储器主要存放运算的中间结果，统计数据、故障诊断的标志位等。其中，3、4两类存储器，常用RAM，这其中部分或全部有后备电源。I/O部分PLC的I/O部分，因用户的需求不同有各种不同的组合方式，通常以模块的形式供应，一般可分为：①开关量I/O模块②模拟量I/O模块③数字量I/O模块（包括TTL电平I/0模块、拨码开关输入模块、LED/LCD/CRT显示控制模块、打印机控制模块）④高速计数模块⑤精确定时模块⑥快速响应模块⑦中断控制模块⑧PID模块⑨位置控制模块⑩轴向定位模块 ⑾通信模块。1．开关量I/O模块(部分)开关量输入模块(部分)的作用是接收现场设备的状态信号、控制命令等，如限位开关、操作按钮等，并且将此开关量信号转换成CPU能接收和处理的数字量信号。开关量输出模块(部分)的作用是将经过CPU处理过的结果转换成开关量信号送到被控设备的控制回路去，以驱动阀门执行器、电动机的启动器和灯光显示等设备。开关量I/O模块(部分)的信号仅有通、断两种状态，各I/O点的通/断状态用发光二极管在面板上显示。输入电压等级通常有DC（5V、12V、24V、48V）或AC（24V、120V、220V）等。每个模块可能有4、8、12、16、24、32、64点，外部引线连接在模块面板的接线端子上，有些模块使用插座型端子板，在不拆去外部连线的情况下，可迅速地更换模块，便于安装、检修。（1）开关量输入模块按与外部接线对电源的要求不同，开关量输入模块可分为AC输入，DC输入，无压接点输入，AC/DC输入等几种型式，参见图2-3。每个输入点均有滤波网络、LED显示器、光电隔离管。从图2-3?中可以看出无压接点输入是开关触点直接接在公共点和输入端，不另外接电源，电源由内部电路提供(公共点有?、Θ之分，图2-3?中为Θ)。输入模块的主要技术指标有：①输入电压：指PLC外接电源的电压值。②输入点数：指输入模块开关量输入的个数。③AC频率：指输入电压的工作频率，一般为50~60Hz。④输入电流：指开关闭合时，流入模块内的电流。一般为5~10mA。⑤输入阻抗：指输入电路的等效阻抗。⑥ON电压：指逻辑“1”之电压值，开关接通时为“1”。⑦OFF电压：指逻辑“0”之电压值，开关断开时为“0”。⑧OFF→ON的响应时间，指开关由断→通时，导致内部逻辑电路由“0”→“1”的变化时间。⑨ON→OFF的响应时间，指开关由通→断时，导致内部逻辑电路由“1”→“0”的变化时间。⑩内部功耗：指整个模块所消耗的最大功率。（2）开关量输出模块：开关量输出通常有3种型式：①继电器输出②晶体管输出③可控硅输出。每个输出点均有LED发光管、隔离元件(光电管/继电器)、功率驱动元件和输出保护电路，见图2-4。图a为继电器输出电路，继电器同时起隔离和功放的作用；与触点并联的R、C和压敏电阻在触点断开时起消弧作用。图b为晶体管输出电路，大功率晶体管的饱和导通/截止相当于触点的通/断；稳压管用来抑制过电压，起保护晶体管作用。图c为可控硅输出电路，光电可控硅，起隔离、功放作用；R、C和压敏电阻用来抑制SSR关断时产生的过电压和外部浪涌电流。输出模块最大通断电流的能力大小依次为继电器、可控硅、晶体管。而通断响应时间的快慢则刚好相反。使用时应据以上特性选择不同的输出型式。输出模块的主要技术指标有：①工作电压：指输出触点所能承受的外部负载电压。②最大通断能力：指输出触点在一定的电压下，能通过的最大电流，一般给出的电压等级有AC120V、AC220V、AC/DC24V。③漏电流：指当输出点断开时(逻辑“O”)，触点所流过的最大电流。此参数主要针对晶体管、可控硅型输出模块，无保护电路的继电器输出模块漏电流为0，有保护电路的继电器输出模块为1~2mA。④接通压降：指当输出点接通时(逻辑“1”)，触点两端的压降。⑤回路数：等于公共点的个数。独立式模块，等于输出点数。⑥OFF→ON响应时间：同输入模块。⑦ON→OFF响应时间：同输入模块。⑧内部功耗 同输入模块。输出模块按外部接线方式分有：①汇点式：输出有1个公共点，各输出点属同一个回路，共用1个电源。②独立式：输出无公共点，各输出点回路不同，可以使用不同电压等级的电源。2．模拟量I/O模块模拟量I/O模块常用的有：A/D、D/A、热电偶/热电阻输入等几种模块。A/D模块是将传感器测量的电流或电压信号转换成数字量给PLC的CPU处理；D/A模块是将CPU处理得到的数字量转变为电流或电压信号；热电偶/热电阻输入模块，可以直接连接热电偶/热电阻等测温传感器，外部不需放大电路和线性化电路，能自动进行冷端补偿和调零，并且具有开路检查、输入越限报警功能，内部有A/D电路。模拟量I/O模块的量程一般是IEC标准信号(0-5V、1-5V、0-10V、10mA、4-20mA等)。也有双极性信号(如±50mv、±5v、±10v、±10mv、±20mA等)。A/D、D/A的转换位数通常为8、10、12、16位，并且在数字量I/O处用光电管将PLC的内部核心电路与外围接口电路隔离。3．数字量I/O模块常用的有TTL电平I/O模块、拨码开关输入模块、LED/LCD/CRT显示控制模块、打印机控制模块等。TTL电平I/O模块是将外围设备输入的TTL电平数据进行处理，或将处理的结果以TTL电平形式输出给外围设备进行控制、执行。拨码开关输入模块是TTL电平输入，专用于BCD拨码开关的输入模块，用来输入若干组拨码开关的BCD码，有若干个输入地址选择信号输出，某位(十进制)选择信号有效时，读入相应位的BCD码信息。LED/LCD/CRT显示控制模块是TTL电平输出，专用于LED/LCD/CRT等显示设备的输入模块，有相应的控制信号输入/输出，能直接驱动LED数码管、液晶显示器、CRT显示器等。打印机控制模块是专用于通用打印机的接口模块，是TTL电平的并行接口，除并行输出的数据信息外还有相应的I/O控制信号(有的PLC采用串行接口或编程器上的接口与打印机连接)。4．高速计数模块高速计数模块是工控中最常用的智能模块之一，过程控制中有些脉冲变量(如旋转编码器、数字码盘、电子开关等输出的信号)的变化速度很高(可达几十KHZ、几MHZ)，已小于PLC的扫描周期，对这类脉冲信号若用程序中的计数器计数，因受扫描周期的限制，会丢失部分脉冲信号。因此使用智能的高速计数模块，可使计数过程脱离PLC而独立工作，这一过程与PLC的扫描过程无关，可准确计数。PLC可通过程序对它设定计数预置值，并可控制计数过程的启、停。计数器的当前值等于、大于预置值时，均有开关量输出给PLC，PLC得到此信号后便可进行相应的控制。5．精确定时模块精确定时模块是智能模块，能脱离PLC进行精确的定时，定时时间到后会给出信号让PLC检测。例如：OMRON的模拟定时单元C200H-