可编程序控制器的硬件与工作原理-1.ppt

第2章 PLC的硬件与工作原理,重点内容 1、PLC的工作原理 2、开关量I/O模块电路的工作 原理、特性 3、PLC的I/O响应时间 授课时数 78课时,2.1 PLC的物理结构,整体式 叠装式 模块式,PLC的物理结构可分下列三种：,一、整体式（又称单元式或箱体式）,将CPU模块、I/O模块和电源安装在一个箱状机壳内，结构紧凑。 小型PLC一般采用整体式结构，如三菱公司的F1系列。,二、模块式,将PLC的各部分做成模块，供选用。用搭积木的方式组成系统，由框架（基板）和模块组成。 选择灵活，维修更换方便，但价格较高，一般大、中型PLC采用此种结构。,如欧姆龙公司的C2000系列,吸收了整体式和模块式的优点,基本单元、扩展单元、扩展模块等高等宽，但长度不同（如FX系列见书P8图2.2所示）。 如三菱公司的FX0N、FX2N系列 仅用扁平电缆连接，紧密拼装后组成一个整齐的长方体。,基本单元：包含CPU模块、I/O模块和电源 扩展单元：只包含I/O模块和电源 扩展模块：只有I/O模块，电源由基本单元或扩展单元提供,三、叠装式,2.2 CPU模块,一、组成：由CPU和存贮器组成。,二、功能,指挥和协调PLC的程序运行；控制输入/输出操作；监视PLC工作状态。,三、微处理器（CPU）,小型机一般使用8位微处理器，如8080；大中型采用16-32位微处理器，如80286。通用微处理器价格便宜，通用性强。,单片微处理器集成度高、体积小、价格低，如8051等。,运算速度快，如AMD2900系列，很适合于以顺序扫描方式工作的PLC使用。,四、存贮器,1、系统程序存贮器,存放工业控制机的操作系统，不能由用户更改。各厂家的PLC、不同型号PLC的系统程序各不相同。,存放用户程序，以字为单位。小型机存贮容量一般为几k，大型机存贮容量高达几百k。另外用户可根据需要进行扩展。,2、用户程序存贮器,注：根据需要，部分数据表寄存器在停电时用后备电池维持当前值，即具有掉电自保持功能。如FX0N系列：S0-S127等。,4、高速暂存存贮器,用来存放临时结果和一些统计资料。,用来存贮PLC的开关量I/O和定时器、计数器、辅助继电器等内部继电器的ON/OFF状态，占用存贮单元中的一个位（bit）。,用来存放各种数据。每一个数据占一个字（16 bit），如定时器、计算器的当前值和设定值,3、数据表寄存器（Data Table Memory）,2.3 开关量I/O模块,开关量I/O模块的信号仅有接通（“1”态）和断开（“0”态）两种状态。电压等级有直流5V、12V、24V、48V和交流110V、220V等（注：FXON-24MR/FX2N-48等开关量输入模块由内部电源24V供电）。输入输出电压很宽。,一、I/O模块的外部接线（有三种形式）,I/O点分为若干组，每组的I/O电路有一个公共点，它们共用一个电源。各组之间是分隔的，可以分别使用不同的电源。,有一个公共点，各输入或输出共用一个电源。如FXON-24MR输入点采用此方式。,各I/O之间相互隔离，每一I/O都可以单独使用电源。,问题探讨：,1、FX0N-24MR输出点采作分组式与分隔式的结合,3、若分组式或分隔式要共用电源，应如何接线？如图2-1（c）中Y0点和Y2点要共用一个电源，请画出外部接线图。,2、接线和电源选择最灵活的是分隔式，其次是分组式。,二、输入模块,设有RC滤波电路 防止输入抖动或外部干扰引起的错误的输入信号。滤波延迟时间的典型值，上升沿：10-20ms，下降沿：20-50ms，输入电流约为10mA。,如左图示：0是输入继电器的编号，不需要外接电源（称为无源式输入单元）,1、直流输入电路,工作原理：,当外部输入触点闭合时，指示灯亮，光敏三极管饱和导通，对应的输入映象寄存器的内容为“1”；当外部输入触点断开时，指示灯灭，光敏三极管截止，对应的输入映象寄存器的内容为“0”。 在输入采样阶段,FXON系列也采用上述电路，电源：直流24V（由内部供电），X0X7为7mA，X10以上为5mA，滤波时间0-15ms内变动（D8020）。能不能将滤波时间设为“0”？,注：,2、交流输入电路,如图2-3所示，光电耦合器中有两个反并联的发光二极管。,三、输出模块,接受来自CPU的数字信号，将这些信号转换为驱动信号。包括：隔离、电平转换、放大等电路。,输出模块具有隔离和功率放大功能，输出电流的典型值为0.5-2A，负载电源由外部现场提供。根据输出电路所用开关器件的不同可分下列三种：,继电器输出电路（R）,晶体管输出电路（T）,双向可控硅输出电路 (S),1、继电器输出电路（R）,当对应于J的输出映象寄存器状态为“1”时，输出指示灯亮，J得电吸合，其常开触点闭合，负载得电。 当对应于J的输出映象寄存器状态为“0”时，输出指示灯灭，J失电，其常开触点断开，负载失电。,1）工作原理,与触点并联的RC串联电路和压敏电阻用来消除触点断开时产生的电弧。,负载电源可根据需要选用直流或交流； 触点电气寿命一般为10-30万次（有触点输出），因此需要输出点频繁通断的场合（如脉冲输出），应使用晶体管输出电路； 负载能力强（2A）; 存在输出延迟（FXON-24MR输出响应时间为10ms）。,2）输出特性,2、晶体管输出电路（T）,当对应于T的输出映象寄存器状态为“1”时，输出指示灯亮，三极管T饱和导通，负载得电。 当对应于T的输出映象寄存器状态为“0”时，输出指示灯灭，三极管T截止，负载失电。,1）工作原理,负载电源只能选用直流； 为无触点输出，使用寿命长； 负载能力弱（0.5A）； 响应速度快（FXON-24MT输出响应时间为1ms）。,2）输出特性,3、双向可控硅输出电路 (S),用光电可控硅实现隔离。与双向可控硅并联的RC串联电路和压敏电阻用来消除可控硅的关断过电压（感性负载）和外部的浪涌电压。,注：当负载电流过小时，可控硅不能导通，可以在负载两端并联电阻。,负载电源只能选用交流。,2.4 PLC的工作原理（重点）,可编程序控制器是从继电器控制系统发展而来的，它的梯形图程序与继电器系统电路图很相似，梯形图中的某些编程元件也沿用了继电器这一名称，如输入继电器、输出继电器等。,在PLC梯形图程序中实现的“软继电器”与继电器系统中的物理继电器在功能上也有某些相似之处。因此首先简要介绍物理继电器。,一、继电器,2、工作原理,当线圈通电时，电磁铁产生磁力，吸引衔铁，使常开触点闭合，常闭触点断开。当电源消失时，复位弹簧使衔铁返回到原来的位置，从而使常开触点断开，常闭触点闭合。,3、继电器在控制系统的作用,1）功率放大（触点：220V，2A）,2）电气隔离（触点和线圈完全隔离）,3）逻辑运算,异步电动机启动保持-停止电路（简称启保停电路）设计,举例：,（1）用继电器控制,（2）用PLC控制,（1）用继电器控制，如图2-8所示,其逻辑代数表达式为：,高电平，表示“1”态（线圈通电，按钮被按下） 低电平，表示“0”态（线圈断电，按钮被放开） 此电路在PLC的梯形图中被广泛采用。,（2）PLC控制（FXON24MR）图2-9所示,其逻辑代数表达式为：,二、PLC的工作原理,1、继电器、接触器控制装置与PLC控制装置的区别,上述两种控制装置的运行方式是不同的。,1）继电器、接触器控制装置采用硬逻辑并行运行的方式。即如果一个继电器线圈通电或断电，该继电器的所有触点不论在继电器控制线路的哪个位置上都会立即动作，但由于惯性作用，动作有延时（一般为100ms）。并行方式,2）PLC的CPU采用顺序逐条地扫描用户程序的运行方式。即一个输出线圈或逻辑线圈被接通或断开，该线圈的所有触点不会立即动作，必需等到扫描到该触点才会动作，但扫描时间一般小于100 ms。 串行方式,2、PLC两种基本工作状态,1）运行（RUN）,PLC通过反复执行反映控制要求的用户程序来实现控制功能。即扫描工作方式，每次循环（扫描），PLC要完成如图2-10所示的五个方面的工作。由于执行指令速度极高，从外部输入输出关系来看，处理过程似乎同时进行的。,2）停止（STOP）,只完成内部处理和通信处理工作。,3、各阶段的主要工作,1）内部处理阶段,复位WDT（监控定时器），检查硬件、程序存储器，正常则顺序执行用户程序，不正常则转到错误处理程序。,2）通信处理阶段,PLC与别的带微处理器的智能装置通信，响应编程器键入的命令，更新编程器的显示内容。,3）输入处理（采样）阶段,PLC把所有外部输入电路的接通/断开（ON/OFF）状态依次读入到输入映像寄存器（批处理方式）,当外接的输入触点接通时，对应的输入映像寄存器为“1”态，在梯形图中的常开触点接通，常闭触点输断开。输入采样结束后，转入用户程序执行阶段。,在用户程序执行阶段，即使外部输入信号的状态发生了变化，输入映像寄存器的状态也不会随之而变，要等下一个扫描周期的输入处理（采样）阶段才被读入。,注意：,如果输入是脉冲信号，则脉冲信号的宽度必需大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。,4）用户程序执行阶段,(1)在没有跳转指令时，PLC的CPU从第一条指令开始，按先左后右、先上后下逐条地执行用户程序，直到用户程序结束处； (2)各编程元件的映象寄存器的内容随着程序的执行而变化； (3)输入映象寄存器只能读出，不能修改。,5）输出处理（刷新）阶段,将输出映象寄存器的“1/0”状态送到输出锁存器，经功率放大驱动外部负载。这时，才是PLC的真正输出。,三、扫描周期,一个扫描周期等于内部处理、通信服务、输入处理、程序执行、输出处理等所有时间的总和。是一个很重要的参数,1、影响扫描周期大小的因素,1）一般来说，同型号的PLC，内部处理所需时间相同； 2）通信服务所需时间与联结的外设多少有关； 3）输入处理、输出处理所需时间取决于其I/O点数； 4）程序执行所需时间取决于PLC的用户程序的长短、指令种类及扫描速度；FXON系列，基本指令执行时间为1.6us/步。,2、近期PLC，其CPU将最大扫描周期、最小扫描周期、当前扫描周期的值分别存入专用数据寄存器，以供用户使用。 如FXON系列，D8010存放当前扫描周期，D8011存放最小扫描周期，D8012存放最大扫描周期。计时单位均为1ms。,3、PLC还提供一种以恒定的扫描周期扫描用户程序的运行方式。 如FXON系列，当M8039被接通时，PLC的CPU以恒定的扫描周期扫描用户程序，其扫描周期的长短等于D8039中存放的数据，计时单位为1ms。,注意：用户必需使警戒计时器（WDT）的设定值大于恒定扫描周期的值，否则，CPU会发出警戒计时器超时的故障报警。FXON系列警戒计时器其出错的时间限制值存放在D8000中，其初始值为200ms。,四、输入输出滞后时间（又称系统响应时间）,1、定义,是指PLC的外部输入信号发生变化的时刻到它控制的有关外部输出信号发生变化的时刻之间的时间间隔。,2、I/O滞后时间的组成（三部分）,1）输入电路滤波时间：RC滤波电路对输入信号产生延迟作用，其典型值为10ms。FXON系列为约10ms，但X0-X7可通过数据寄存器D8020在0-15 ms可调。,2）输出机械滞后时间（不是输出刷新时间）：与输出电路类型有关。,继电器输出电路： 10ms； 双向可控硅输出电路：由OFF到ON 1ms， 由ON到OFF 10 ms； 晶体管输出电路：1ms。,3）扫描工作方式引起的滞后时间：,与程序的优化设计有关，最短为1个扫描周期时间，最长为3个(实为2个多)扫描周期时间。,因此, Tmin I/O滞后时间 Tmax,Tmin=输入延时+1个扫描周期+输出延时 Tmax=输入延时+3个(实为2个多)扫描周期+输出延时,3、举例说明由扫描工作方式引起的滞后时间,见图2-13所示,4、思考题,分析图2-14（a）、（b）两种梯形图的系统响应时间（分别以最大、最小两种情况讨论），并画出时序图。,已知，X00：是输入继电器，用来接收外部输入信号； Y00：是输出继电器，用来将输出信号传送给外部负载； M00：是辅助继电器。,答案： 图(a):最小=2个周期 最大= 3个周期 图(b):最小=1个周期 最大= 2个周期,2.5 FX系列PLC性能简介 (重点介绍FX0N系列）,一、PLC性能指标 二、基本单元、扩展单元型号命名规则 三、FXON系列可编程序控制器性能简介,主要内容:,一、PLC性能指标,1、I/O点数,是衡量PLC能控制的规模大小，是一个很重要的指标。,2、用户程序存贮容量,决定了PLC可以容纳用户程序的长短，一般以字（步）为单位来计算。中、小型PLC一般在8k以下，大型PLC可达到256k2M。,3、扫描速度,是指PLC执行程序的速度，一般以ms/k字或us/步表示。,4、指令种类及条数,是衡量PLC编程能力强弱的主要指标。,5、内部器件种类和数量,包括辅助继电器、定时器、计数器、状态继电器、特殊辅助继电器、数据寄存器等。其种类和数量越多，同样反映其控制功能越强。,6、智能单元（特殊I/O模块）,智能单元的种类多少、功能的强弱是衡量PLC产品水平高低的一个重要指标。,二、基本单元、扩展单元型号命名规则,FX系列由基本单元、扩展单元（模块）和特殊单元组成。基本单元内有CPU模块、I/O模块和电源，每个系统都应有一台基本单元。使用扩展单元、扩展模块可以增加I/O点数，使用特殊单元可以增加PLC的控制功能。,三、FXON系列可编程序控制器性能简介,1、概况,FXON系列是一种超小型叠装式PLC，它由基本单元、扩展单元、扩展模块和特殊功能模块组成。,基本单元：内置电源（输入模块不需外接电源，它由内置电源供电）、I/O模块及CPU与存贮器，是PLC的核心部分。既可单独使用，又可与扩展单元、扩展模块组合使用。,扩展单元：可以增加基本单元的I/O点数，内置电源。,扩展模块：扩展I/O点数，但电源由基本单元或扩展单元供电。每台基本单元或扩展单元最多可联接2台扩展模块。,特殊功能模块：FXON-16NT，用于通信；FXON-3A，可提供2路模拟量输入，1路模拟量输出。,说明：其它系列PLC的性能指标见书P18-22,2、FXON系统配置,1）12种基本单元，3种扩展单元，7种扩展模块，2个特殊功能模块,用户可根据所需I/O点数（24128点）及输出类型（继电器输出/晶体管输出）来选用。,2）36种51条功能指令，20条基本指令，用户存贮器容量为2000步。,3）通信功能 与内置RS-232C通信接口的设备通信（用户写入程序）。 使用FX0N-485ADP模块，可与计算机实现通信。 使用FXON-16NT，可实现FX系列与三菱A系列PLC实现通