可编程控制器的组成及工作原理

第5章可编程控制器的组成及工作原理•5．1概述•5．2可编程控制器的组成•5．3可编程控制器的工作原理第5章可编程控制器的组成及工作原理•5.1概述•可编程控制器简称PLC（ProgrammableLogicController）,是一种新型工业控制装置。它与CAD/CAM、工业机器人并称为加工业自动化的三大支柱。•功能：实现逻辑控制、顺序控制、定时、计数。大型高档PLC还能：数字运算、数据处理、模拟量调节、联网通信。•特点：通用性强、可靠性高、指令系统简单、编程简单易学。易于掌握、体积小、維修工作少、现场连接安装方便。•应用：冶金、采矿、建材、石油、化工、机械制造、汽车、电力、造纸、纺织、装卸、环保等领域，尤其在机械加工、机床控制上应用广泛。•1．PLC的由来•——生产发展需要与技术进步结合的产物。•继电器控制系统：简单、实用。缺陷：•1）可靠性不高（使用机械触点）；•2）生产流程改变，硬件接线改变；•3）体积庞大、生产周期长。•20世纪60年代，美国数字设备公司（DEC）将计算机程序存储技术引入顺第5章可编程控制器的组成及工作原理•序控制系统开发成功，应用于通用汽车公司汽车装配流水线。当时叫PLC（ProgrammableLogicController)。随后，有哥德（GOULD）、爱伦——布瑞德雷（A—B）公司、德国、日本的公司相继推出自己的产品，适应激烈竟争的生产需要。•2.PLC的分类：•(1)按结构型式分•整体箱式：各部分安装在几块印制版上，与电源一起装配在一个机壳内，形成一个整体。特点结构简单、体积小，多为小型、低档PLC。可用扩展箱増加点数。•模块组合式：将PLC分成相对独立的几部分制成标准尺寸模块。主要有CPU模块（含存储器）、输入模块、输出模块、电源模块、组装在一个机架内，可按需要灵活配置。•(2)按I/O点数分•小型：少于256点。•中型：在256~2048点间。•大型：2048点以上。•各类PLC性能上有差异。如CPU个数，小型为单个，中型为2个，大型为多个；扫描速度中型优于小型，大型优于中型；大中型PLC有智能I/O等.第5章可编程控制器的组成及工作原理3．PLC的特点•(1)使用灵活、通用性强。•(2)编程简单、易于掌握。•(3)可靠性高、适应各种环境。(4)接口简单、维护方便。4.PLC的发展趋势不仅能进行开关量控制，还能进行模拟量控制、位置控制、联网通信。从单机控制向多机控制，从集中控制向多层次分布式控制系统发展，形成了满足各种需要的PLC应用系统。PLC及其控制系统的发展方向：(1)小型、廉价、高性能(2)大型、多功能、网络化(3)与智能控制系统相互渗透和结合5.2可编程控制器的组成及元件以三菱FX2N系列PLC为例，介绍基本组成、接口电路等.第5章可编程控制器的组成及工作原理•5.2.1可编程控制器的组成•1．硬件：•核心是一台单板机，外围配置了相应的接口电路（硬件），内部配置了监控程序（软件）。•图5-1PLC结构框图•组成:基本组成部分{构成PLC的最小系统：单板机（CPU）、存储器及后备电池、I/O接口、电源}；I/O扩展部分；外部設备。第5章可编程控制器的组成及工作原理•（1）CPU•PLC的CPU板，是必需部件。包括CPU、存贮器RAM、ROM；并行接口PIO；串行接口SIO；时钟CTC。•作用：对整个PLC的工作进行控制。是PLC的运算、控制中心。实现逻辑运算、算术运算并对整机进行协调、控制，按系统程序赋予功能工作：•①对系统进行管理，如自诊断、查错、信息传送、时钟、计数刷新等；•②进行程序解释，根据用户程序执行输入、输出操作.•各组成部分介绍：•CPU芯片：随机型不同而异。如：F1、F2系列为8031；K系列为8085；A系列为8086；A系列的高速系统A3H中包含一片80286及一片48位三菱专用逻辑处理芯片。•FX2系列:CPU板只有二片集成电路.一片是通用16位CPU，用于处理普通逻辑指令；一片是专用逻辑处理器，用于处理高速指令、中断等。•串行接口与并行接口：用于CPU与接口器件交换信息，数量取决于系统规模大小。•定时器／计数器：用于产生系统时钟及用户时钟信息。在一台单片机中，CTC数量很有限，经过系统监控程序的处理，可产生几十个，甚至数百个相对独立的计数器和定时器。第5章可编程控制器的组成及工作原理•（2）存储器•二种：一是单片机带的存贮器，主要用于存贮系统监控程序及系统工作区间，生成用户环境；二是用户程序存贮器，通常都是CMOS型的RAM，存贮用户程序及参数，用锂电池作后备。还可用EPROM或EEPROM。•（3）输入/输出接口电路•PLC与被控对象（机械设备或生产过程）联系的桥梁。现场信息经输入接口送给CPU，CPU运算结果、作出的判断经输出接口送到有关设备或现场。输入／输出信号分为开关量、模拟量、数字量.•①输入接口电路•开关量输入模块：将现场各种开关量信号（如按钮、选择、行程、限位、接近等开关）转换成PLC内部统一的标准信号电平，传送到内部总线的输入接口模块。•按输入回路电流种类分类：•直流输入：单元电路见图5-2示，24V直流由PLC内部提供。•交流输入：单元电路见图5-3示，由PLC外部提供交流电源。交流信号经整流、限流后再通过光耦传入CPU。第5章可编程控制器的组成及工作原理•图5-2直流输入单元电路图5-3直流输入单元电路•特点：•a、1次电路与2次电路间用光电耦合器隔离。可防止输入触点抖动、输入线混入的噪声所引起的误动作；•b、光耦器初、次级间无电路直接联系，绝缘电阻大，可耐高压（＞1500V），将生产现场与PLC内部隔离，提高可靠性;•c、单个模块输入点数：8、16、32点，各点电路相同。•按输入模块与外部用户设备接线，可分为汇点输入接线和独立输入接线两种基本形式。第5章可编程控制器的组成及工作原理•汇点输入：可用于直流也可用于交流输入模块。各输入元件共用一个公共端（汇集端）COM，可以是全部输入点为一组，共用一个公共端和一个电源，如图5-4（a）示；也可将全部输入点分为若干组，每组有一个公共端和一个电源，如图5-4（b）示。•图5-4汇点输入接线示意图图5-5独立输入接线示意图•独立输入：见图5-5。每一个输入元件有两个接线端（图中COM端在PLC中是彼此独立的），由用户提供的一个独立电源供电，控制信号通过用户输入设备的触点输入。第5章可编程控制器的组成及工作原理•②输出接口电路•三种输出形式：•继电器输出：电路见图5-6。CPU控制继电器KA线圈，由KA的一个常开触点控制外部负载。可带交、直流负载，用户提供电源。•图5-6继电器输出电路图5-7晶体管输出电路•晶体管输出：电路如图5-7示.通过光耦合使开关晶体管VT通断控制外电路。只能带直流负载，用户提供直流电源。•晶闸管输出：电路如图5-8示。由光电耦合器中的双向光敏二极管控制双向晶闸管VT的通断，从而控制外部负载。只能带交流负载，交流电源由用户提供。第5章可编程控制器的组成及工作原理•图5-8双向晶闸管输出电路•根据有、无公共点，PLC输出分为独立输出和汇点输出二种类型：•汇点输出：见图5-9。图（a）为全部输出点汇集成一组，共用一个公共端COM和一个电源；图（b）为将输出点分成若干组，每组一个公共端COM和一个独立电源。两种形式的电源均由用户提供，可用直流或交流。•独立输出：见图5-10。每个输出点构成一个独立回路，由用户单独提供一个电源，各个输出点间相互隔离，负载电源按实际情况可用直流或交流。•FX2N系列中，FX2N－16M型全部为独立输出，其它机型输出均为每4~8点共用一个公共端。第5章可编程控制器的组成及工作原理•图5-9汇点输出接线示意图图5-10独立输出接线示意图•输出接口电路的几项技术指标：•a．响应时间•继电器输出：最慢，约10ms；•晶体管输出：最快，约0．2ms以下；•晶闸管输出：较快，约1ms以下。•b．输出电流•继电器型：AC250V以下，可驱动负载：纯电阻2A／1点；感性：80VA以下第5章可编程控制器的组成及工作原理•（AC100V或AC200V）；灯负载：100W以下（AC100V或AC200V）。•直流感性负载要并联分流二极管，最大电压不超过DC30V。•晶闸管型：每点输出电流最大0．3A，考虑温度上升因素，每4点总电流必须在0．8A以下（每点平均0．2A）。•晶体管型：每点0．5A。考虑温度上升因素，每4点输出总电流不得大于0．8A。•c．开路漏电流•继电器型无开路漏电流；晶闸管型较大；晶体管型在100µA以下。•三种输出电路的技术指标见表5-1(P175)。•（4）电源•整机能源。一种是内部电源，为主机内部电路工作电源。一般使用开关稳压电源;另一种是外部电源（用户电源），用于传送现场信号或驱动现场执行机构。•（5）扩展接口•用于系统扩展输入、输出点数。如I/O点离主机较远，可设置一个I/O子系统将这些I/O点归纳到一起，通过远程I/O接口与主机相连。第5章可编程控制器的组成及工作原理•(6)存贮器接口•可根据使用需要扩展存贮器，内部与总线相连，可扩展用户程序存贮区、数据参数存贮区。•(7)外设接口•PLC的通信口,连接编程器、计算机等,程序输入及监控。•(8)编程器•简易型;智能型.•用于编辑、输入、调试PLC的工作程序；对PLC的运行状态及被控对象的参数进行监视；与打印机相连可打印程序清单或输出有关记录信息。•2.软件•PLC工作所用各种程序的集合，包括：系统监控程序、用户程序。•(1)监控程序•由生产厂家编制用于管理、协调PLC各部分工作，充分发挥硬件功能，方便用户使用的通用程序。通常固化在ROM中。一般功能：•①系统配置登记及初始化•②系统自诊断第5章可编程控制器的组成及工作原理•③命令识别与处理•④用户程序编译•⑤模块化子程序及调用管理•(2)用户程序•――应用程序。用户根据控制需要用PLC的程序语言编写。•(3)用户环境•由监控程序生成。包括用户数据结构、用户元件区分配、用户程序存贮区、用户参数、文件存贮区等。•①用户数据结构•主要分为三类：•第一类为bit数据。属于逻辑量，其值为“0”或“1”。用它表示触点的通、断，线圈的通、断，标志的ON、OFF状态等。•第二类为字数据。其数制、位长、形式有多种形式。通常为BCD码形式。FX2、A系列中为4位BCD码、双字节为8位BCD码。•第三类为字与bit的混合.即同一元件既有bit元件，又有字元件。例如T（定时器）和C（计数器），它们的触点为bit，设定值寄存器和当前值寄存器又为字。第5章可编程控制器的组成及工作原理•②元件•用户使用的每一个输入、输出端子及内部的存贮单元称为元件。元件数量由监控程序规定，它的多少决定PLC整个系统的规模及数据处理能力。•(4)PLC内部等效电路•PLC是专为工业控制设计的专用计算机，包含了CPU、存贮器、I／O接口等硬件。但就电路作用言，可看作是由一般继电器、定时器、计数器等元件组成，其内部等效电路见图5-11示，由许多“软继电器”等逻辑部件构成.•输入端：与用户输入设备联接,公共端是机内直流电源负端,通常为24V。•输出端：与用户输出设备联接（接触器、电磁阀、信号灯等），公共端COM接机外负载电源，共用一个电源的负载的公共端可联接到一起.•内部输入继电器由用户输入设备控制，内部输出继电器的输出触点与输出端联接，控制用户输出设备。•内部各种继电器（输入、输出继电器、定时器、计数器等）称为PLC内部元素，每种元素包含若干可供使用的电子常开、常闭触点。•内部继电器的触点、线圈及接线由用户程序实现，称为“软接线”。第5章可编程控制器的组成及工作原理•图5-11PLC的内部等效电路•5.2.2可编程控制器的元件•以FX2N系列为例,介绍部分元件的功能.•1.输入继电器（X000～X027）•专门用于接收从外部敏感元件或开关来的信号，可提供多对常开、常闭第5章可编程控制器的组成及工作原理•触点，供编程用。•FX2N系列输入继电器最多可达64点,FX2N-48MR