第2章PLC硬件结构与工作原理ppt课件.pptVIP

2 1PLC的硬件结构PLC的物理结构 CPU模块的存储器 I O模块2 2PLC的工作原理逻辑运算 工作模式 工作原理2 3S7 200系列PLCCPU模块 扩展模块 数字量 模拟量 2 4PLC的安装模块的安装 地址分配 外部接线 电源的选择 S7 200第2章PLC硬件结构与工作原理 2 1PLC的硬件结构2 1 1PLC的物理结构 1 整体式PLC 将电源 CPU I O接口等部件都集中装在一个机箱内 具有结构紧凑 体积小 价格低的特点 整体式PLC由不同I O点数的基本单元 又称主机 和扩展单元组成 基本单元内有CPU I O接口 与I O扩展单元相连的扩展口 以及与编程器或EPROM写入器相连的接口等 扩展单元内只有I O和电源等 没有CPU 基本单元和扩展单元之间一般用扁平电缆连接 整体式PLC一般还可配备特殊功能单元 如模拟量单元 位置控制单元等 使其功能得以扩展 小型PLC一般采用这种整体式结构 如S7 200 整体式结构 S7 200 2 1PLC的硬件结构2 1 1PLC的物理结构 2 模块式PLC 将PLC各组成部分分别作成若干个单独的模块 如CPU模块 I O模块 电源模块 有的含在CPU模块中 以及各种功能模块 模块式由框架或基板和各种模块组成 模块装在框架或基板的插座上 这种模块式PLC的特点是配置灵活 可根据需要选配不同模块组成一个系统 而且装配方便 便于扩展和维修 大 中型PLC一般采用模块式结构 S7 300 400 模块式PLC S7 300 模块式PLC S7 400 模块式PLC S7 400 2 1PLC的硬件结构2 1 2CPU模块中的存储器 2 1PLC的硬件结构2 1 2CPU模块中的存储器 存储容量存储器及使用上装和下装用户程序定义存储器保持范围用程序永久保存数据存储器卡的使用 2 1PLC的硬件结构2 1 2CPU模块中的存储器 存储安全 1 主机CPU模块内部配备的EEPROM 上装程序时 可自动装入并永久保存用户程序 数据和CPU的组态数据 2 用户可以用程序将存储在RAM中的数据备份到EEPROM存储器 3 主机CPU提供一个超级电容器 可使RAM中的程序和数据在断电后保持几天之久 4 CPU提供一个可选的电池卡 可在断电后超级电容器中的电量完全耗尽时 继续为内部RAM存储器供电 以延长数据所存的时间 5 可选的存储器卡可使用户像使用计算机磁盘一样来方便地备份和装载程序和数据 2 1PLC的硬件结构2 1 3I O模块 输入 输出模块是PLC与外部设备相互联系的窗口 输入模块接收现场设备向PLC提供的信号 I O模块有开关量输入模块 开关量输出模块 模拟量I O模块 2 1PLC的硬件结构2 1 3I O模块 1 输入模块 按照输入端电源类型的不同 开关量输入单元可分为直流输入单元和交流输入单元 直流输入电路 2 1PLC的硬件结构2 1 3I O模块 交流输入电路输入电压有11OVAC和220VAC两种 2 1PLC的硬件结构2 1 3I O模块 输入接口电路提高抗干扰能力的方法主要有 1 利用光电耦合器提高抗干扰能力 2 利用滤波电路提高抗干扰能力 2 1PLC的硬件结构2 1 3I O模块 2 输出模块由PLC产生的各种输出控制信号常用于控制指示灯的亮 灭 电动机的启动 停止 正转 反转 电动截止阀的开 关等 由于PLC开关量输出模块带负载能力有限 要实现对上述设备的控制还必须通过外围驱动元件 通常情况下 S7 200PLC的负载包括 接触器 中间继电器 信号指示灯 可控硅等 开关量输出模块的负载 有的需要通过直流信号来控制 有的需要通过交流来驱动 在使用时应根据负载的性质来合理选择输出模块 S7 200PLC开关量输出模块或电路按输出方式可分为晶体管输出型 继电器输出型 可控硅输出型三种 2 1PLC的硬件结构2 1 3I O模块 输出模块 继电器输出形式 当内部电路的状态为1时 使继电器K的线圈通电 产生电磁吸力 触点闭合 则负载得电 同时点亮LED 表示该路输出点有输出 当内部电路的状态为0时 使继电器K的线圈无电流 触点断开 则负载断电 同时LED熄灭 表示该路输出点无输出 2 1PLC的硬件结构2 1 3I O模块 输出模块 继电器型开关量输出由于受继电器的特性限制 输出响应速度相对于晶体管型开关量输出 可控硅型开关量输出要慢 通常情况下从继电器线圈得电 或断电 到输出触点ON 或OFF 的响应时间为10ms左右 加上继电器开关动作的电气寿命和机械寿命的限制 常用于开关频率不高 响应时间要求不高的交 直流负载的控制 2 1PLC的硬件结构2 1 3I O模块 输出模块 大功率晶体管或场效应管输出形式 当内部电路的状态为1时 光电耦合器T1导通 使大功率晶体管VT饱和导通 则负载得电 同时点亮LED 表示该路输出点有输出 当内部电路的状态为0时 光电耦合器T1断开 大功率晶体管VT截止 则负载失电 LED熄灭 表示该路输出点无输出 当负载为电感性负载 VT关断时会产生较高的反电势 VD的作用是为其提供放电回路 避免VT承受过电压 主要适用于直流流负载的驱动 电磁阀 2 1PLC的硬件结构2 1 3I O模块 输出模块 双向晶闸管输出形式 当内部电路的状态为1时 发光二极管导通发光 相当于双向晶闸管施加了触发信号 无论外接电源极性如何 双向晶闸管T均导通 负载得电 同时输出指示灯LED点亮 表示该输出点接通 当对应T的内部继电器的状态为0时 双向晶闸管施加了触发信号 双向晶闸管关断 此时LED不亮 负载失电 主要适用于交流负载的驱动 2 2PLC的工作原理2 2 1用触点和线圈实现逻辑运算2 2 2PLC的工作模式 1 工作模式 CPU前面板上用两个发光二极管显示当前工作方式 绿色指示灯亮 表示为运行状态 红色指示灯亮 表示为停止状态 即 PLC有两种工作模式 RUN 运行 STOP 停止 图中 SF指示灯亮时表示系统故障 PLC停止工作 2 2PLC的工作原理2 2 2PLC的工作模式 2 用模拟开关改变工作模式STOP 停止用户程序的执行 RUN 启动用户程序的执行 模拟开关在STOP或TERM 终端 位置时 上电后CPU自动进入STOP模式 模拟开关在RUN位置时 上电后CPU自动进入RUN模式 3 用SETP7 Micro WIN32编程软件改变工作模式4 在程序中改变工作模式在用户程序中插入STOP指令 可以使CPU从RUN模式进入到STOP模式 2 2PLC的工作原理2 2 3PLC的工作原理 2 2PLC的工作原理2 2 3PLC的工作原理 PLC是采用周期循环扫描的工作方式 CPU连续执行用户程序和任务的循环序列称为扫描 CPU对用户程序的执行过程是CPU的循环扫描 并用周期性地集中采样 集中输出的方式来完成的扫描周期主要可分为 1 读输入阶段每次扫描周期的开始 先读取输入点的当前值 然后写到输入映像寄存器区域 2 执行程序阶段 用户程序执行阶段 PLC按照梯形图的顺序 自左而右 自上而下的逐行扫描 3 处理通信请求阶段 4 执行CPU自诊断测试阶段 5 写输出阶段在RUN模式下 顺序执行五个阶段 在STOP模式下 执行 1 3 4 5 四个阶段 2 2PLC的工作原理2 2 3PLC的工作原理 工作过程举例 2 3S7 200系列PLC S7 200系列PLC为小型PLC 可以用梯形图 语句表和逻辑功能图来编程 最大可以扩展到248DI DO或35路模拟量 最大程序或数据存储空间大于30KB 2 3S7 200系列PLC2 3 1CPU模块 S7 200系列可编程控制器有CPU21X系列 CPU22X系列 其中CPU22X型可编程控制器提供了4个不同的基本型号 常见的有CPU221 CPU222 CPU224 XP 和CPU226四种基本型号 2 3S7 200系列PLC2 3 1CPU模块 接线图 2 3 1CPU模块 技术规范 2 3S7 200系列PLC2 3 1CPU模块 RS485串行口 非隔离 PPI 自由通信口 点对点PPI主站协议 MPI从站协议 PPI MPI 9 6kbit s19 2kbit s187 5kbit s自由口协议 1 2 115 2kbit s 总线最长1200m 最大站点数 32 通过中继扩展最大站点126 其中主站数最多 32个 2 3S7 200系列PLC2 3 1CPU模块 2 3S7 200系列PLC2 3 1CPU模块 2 3S7 200系列PLC2 3 1CPU模块 CPU224 2 3S7 200系列PLC2 3 2数字量扩展模块 2 3S7 200系列PLC2 3 2数字量扩展模块 直流输入信号处理及光电隔离电路原理图 2 3S7 200系列PLC2 3 2数字量扩展模块 交流开关量输入电路输入信号处理电路原理图 2 3S7 200系列PLC2 3 2数字量扩展模块 晶体管型开关量输出模块电路原理图 2 3S7 200系列PLC2 3 2数字量扩展模块 继电器开关量输出模块驱动电路原理图 2 3S7 200系列PLC2 3 2数字量扩展模块 可控硅型开关量输出模块驱动电路原理图 2 3S7 200系列PLC2 3 3模拟量扩展模块与热电阻 热电偶扩展模块 模拟量I O模块是用于模拟量输入 输出的扩展 在工业控制系统中 某些输入量 如温度 流量 压力 转速等 需要PLC采集模拟量实现一定的控制目的 某些执行元件或机构 如电动调节阀 变频器等 要求PLC输出模拟量实现一定的控制需要 而PLC的CPU只能处理数字量 因此PLC在处理模拟量的输入控制时 首先要将输入信号转换成标准的电流或电压 如4 20mA 1 5V 0 10V 再用A D转换器将其转换为二进制或十进制的数字量 带正负号的电流或电压在A D转换后用二进制补码表示 模拟量的输出则是将PLC的数字量经D A转换器转换成电流或电压 再去控制驱动执行机构 模拟量I O模块的主要任务就是实现A D转换 模拟量输入 及D A转换 模拟量输出 2 3S7 200系列PLC2 3 3模拟量扩展模块与热电阻 热电偶扩展模块 S7 200系列PLC有3种模拟量扩展模块 见表2 3 S7 200PLC的模拟量扩展模块的A D D A转换器的位数为12位 模拟量输入 输出有多种量程可选 如0 5V 0 10V 0 20mA 0 100mV 5V 10V 100mV等 0 10V量程的分辨率为2 5mV 2 3S7 200系列PLC2 3 3模拟量扩展模块与热电阻 热电偶扩展模块 2 3S7 200系列PLC2 3 3模拟量扩展模块与热电阻 热电偶扩展模块 模拟量输入扩展模块的量程选择采用DIP开关进行设置 2 3S7 200系列PLC2 3 3模拟量扩展模块与热电阻 热电偶扩展模块 模拟输入数据字的格式 320 0C80H 最高位 MSB 为符号位 对于单极性输入信号符号位为 0 对于双极性输入信号 若输入信号极性为负时 符号位为 1 若输入信号极性为正时 符号位为 0 十一位数值采用补码形式表示 2 3S7 200系列PLC2 3 3模拟量扩展模块与热电阻 热电偶扩展模块 将模拟量输入模块的输出转化为实际的物理量在工程中 常用与实际温度 压力 流量等物理量相对应的数字量来表示检测值 如用0 1000表示温度测量范围为0 1000 C变送器检测结果 这种表示方式称为工程表示 在PLC中 要实现变送器输出信号的工程表示 需将模拟输入扩展模块输出的数值进行转换 在转换时应考虑变送器的输入 输出量程和模拟量输入模块的量程 找出被测物理量与A D转换后的数值之间的比例关系 2 3S7 200系列PLC2 3 3模拟量扩展模块与热电阻 热电偶扩展模块 例 采用差压变送器测量锅炉汽包水位的测量 水位从 100cm变化到 100cm对应的差压变送器输出从4mA变化到20mA 模拟量扩展输入模块的量程为0mA 20mA 设模拟量扩展输入模块输出的实时数值为N 试求以mm为单位的水位信号的工程表示数值H 解 由于模拟量扩展输入模块的量程为0mA 20mA 因此差压变送器输出为4mA 20mA对应的数值为6400 32000 即数值6400对应水位为 1000mm 数值32000对应水位为 1000mm 根据变送器输入 输出特性关系 得比例关系如下 例 2 3S7 200系列PLC2 3 3模拟量扩展模块与热电阻 热电偶扩展模块 S7 200PLC模拟量扩展模块模拟输出技术数据表 2 3S7 200系列PLC2 3 3模拟量扩展模块与热电阻 热电偶扩展模块 模拟量输出模块单极性信号全量程对应的数值为0 32000 双极性信号全量程对应的数值为 32000 32000 电压输出时要求负载的输入阻抗应大于5K 电流输出 0 20mA 的带负载能力为500 在工程上PLC软件设计时 常用工程单位的形式表示控制输出 如用十进制数0 1000表示执行器控制输出 而现场执行仪表广泛采用4 20mADC的信号制 因此在实际使用中 需将模拟输出扩展模块输出的数字量进行转换 在转换时应考虑执行类仪表的输入量程范围和模拟量输出模块的量程 找出被控制物理量与D A转换前的数字量之间的比例关系 例 把PLC内部的PID控制规律输出采用数值0 10000表示的阀位控制信号通过EM232模拟量扩展模块转换为4 20mADC的控制信号输出用以改变执行器的开度 解 由于模拟量扩展输出模块的量程为0mA 20mA对应的数值为0 32000 因此控制执行器开度变化的4mA 20mADC模拟电流信号对应的数值为6400 32000 即数值6400对应输出电流4mA 数值32000对应输出电流20mA 设模拟量输出模块实际接收的数字量为 PID控制规律实时输出为数字量 得比例关系如下 2 3S7 200系列PLC2 3 3热电阻 热电偶扩展模块 S7 200提供了EM231热电偶模块和EM231热电阻输入模块 可用于实现温度测量 2 EM231热电偶模块EM231热电偶模块具有特殊的冷端补偿电路 如果在EM231热电偶模块安装区域的环境温度变化快的话 则会产生补偿误差 要想实现高精度和重复性 西门子建议S7 200热电偶模块应安装在稳定的环境温度中使用 模块在输入处理电路中采用的隔离措施 是模块内部逻辑地 现场电气地 24V电源地之间均相互隔离 2 EM231热电偶模块 EM231热电偶模块提供七种热电偶分度号输入 J K N E S T 和R 同时还支持 80mV直流毫伏电压输入 用户可通过DIP开关来选择热电偶的类型 断线检查 测量单位冷端补偿和开路故障报警方向 对于同一模块所有连接到该模块上的热电偶必须采用相同的分度号 1 热电偶热端 2 热电极 3 绝缘管 4 保护套管 5 接线盒 转换结果分摄氏度 华氏度两种 由表中十进制转换结果可以看出 热电偶模块的数字量采用以0 1 为单位的工程表示数字量格式 80mV量程输入转换结果不受SW8设定影响 EM231热电偶模块与热电偶接线示意及模块外型图 2 3S7 200系列PLC2 3 2热电阻 热电偶扩展模块 3 热电阻扩展模块EM231热电阻模块在输入处理电路中采用的隔离措施 是模块内部逻辑地 现场电气地 24V电源地之间均相互隔离 每个EM231热电阻模块提供两路热电阻输入通道 EM231热电偶模块提供铂电阻 铜电阻 镍电阻三种 多个纯度热电阻输入 同时还支持0 150 0 300 0 600 电阻输入 用户可通过DIP开关来选择热电阻的类型及纯度 断线检查 温度工程单位和接线方式 EM231热电阻模块功能DIP开关设定表 EM231热电阻模块功能DIP开关设定表 在表中字母 A B C D E F G表示纯度 1 温度变化所引起的阻值相对于R0的变化值可用来表示该热电阻的纯度 其中A表示0 003850 B表示0 003920 C表示0 00385055 D表示0 003916 E表示0 003902 F表示0 00672 G表示0 006178 H表示0 004270 如 100 PtA 表示纯度为0 003850且在0 时电阻值为100 的铂电阻 EM231热电阻模块内部功能提供恒定取样电流先将输入电阻信号转换成电压信号后经滤波 放大后 通过A D转换得到对应的数字量 该数字量采用补码形式表示 即1位符号位和15位数值位表示 若温度值为极为