材料加工设备与自动化第七章 工业可编程控制器.ppt

第三章工业可编程控制器,3.1可编程控制器（PLC）概述,顺序控制系统发展,1836年电磁继电器发明以来，人们就开始用导线把各种继电器、定时器、计数器及其接点连接起来，并按照一定的逻辑关系控制备种生产机械，以提高劳动生产率。这种以硬接线方式组成的系统称继电器顺序控制系统或简称为继电控制系统。多年以来，继电器控制在顺序控制领域中一直占有主导地位。20世纪60年代初期，军事工业已开始应用小型计算机代替较复杂的顺序控制器，但由于成本高、I/O电路不匹配和编程技术复杂等原因，一直未得到推广和应用。20世纪60年代后期，美国的汽车制造业发展很快，汽车不断更新，每次设计修改必然要导致汽车生产线的变动以及整个装配系统的重新配置。在汽车生产这样一个复杂的控制系统中，大量的继电器通过硬接线相连接，当工艺发生变化时，控制要求也要相应改变，这就需要改变控制柜内继电器系统的硬件结构，甚至需要重新设计新系统。为了适应汽车生产发展的需要，满足汽车型号不断更新的市场要求，谋求在竞争激烈的汽车行业申的优势地位，1968年美国通用汽车公司提出了多品种、小批量、更新快的战略，为解决继电器控制系统对于生产工艺变化的适应性较差的老难题，首次提出“工业控制器”的以下10条要求。,“工业控制器”的10条要求,通用汽车公司提出的“工业控制器”10条要求：容易编程，且可在现场方便地修改。易于维护，基本结构应采用便于更换的插件式。在恶劣的工业现场环境中，可靠性要高于继电式控制器。安装尺寸要小。可与上位计算机进行数据通信。价格要低于继电式控制器。全部输入应能适用于115V交流电网(美国标准)。全部输出至少应具有交流1l5V、2A的容量，可直接驱动电磁阀等。基本单元可以扩展，系统不需作大的修改。可编程存储器至少要能扩展至4K宇节。,PLC的发展,根据通用汽车公司的l0条要求，美国数据设备公司(DEC)将计算机中的程序存储技术引入了继电顺序控制器，在1969年率先推出了世界上第一台工业控制器，即PDP-14可编程逻辑控制器，并在通用汽车(GM)公司的汽车自动装配生产线上应用成功。从此，面向工业生产控制的工业控制器进入了一个新的发展时期。早期的PLC虽然采用了计算机的设计思想，但实际上它只能完成顺序控制，仅有逻辑运算、定时、计数等顺序控制功能。20世纪80年代以来，可编程序控制器这种在继电器控制和计算机控制基础上发展起来的工业自动化装置，逐渐成为以微处理器(CPU)为核心，并把自动化技术、计算机技术、数据通信技术融为一体的新型工业自动化控制装置，它采用了最新的8位、16位或32位CPU以及自诊断、容错、通信联网等技术，使它不仅包括了最初PLC的全部功能，并且使PLC的处理速度、通信功能、自诊断功能、容错技术得到了迅速增强。到20世纪90年代，随着大规模和超大规模集成电路技术的迅猛发展，以16位或32位微处理器构成的可编程序控制器得到了惊人的发展，RISC(精简指令系统CPU)芯片在计算机行业的大量使用，也使PLC在概念上、设计上和性能价格比等方面有了重大的突破。同时PLC的联网通信能力也得到了进一步加强，使得PLC的应用领域不断扩大。在软件设计上，PLC已具有了强大的数值运算、函数运算、模拟量处理和批量数据处理能力，其具有了高速、多功能、高可靠性和开放性等特征。,PLC发展现状,在经历了30余年的发展后，现代PLC产品已经成为了名符其实的多功能控制器，它的逻辑控制、过程控制、运动控制、数据处理等功能都得到了很大的加强和完善。与此同时，PLC的网络通信功能也得到飞速发展，PLC及PLC网络已成为工业生产中不可或缺的、应用最广的一类工业控制装置。国内可编程序控制器的应用主要是从20世纪80年代开始的，如上海宝山钢铁一、二期工程，从原料码头到钢管厂的整个钢铁生产线中，使用了约857台可编程序控制器。其他如化工、食品、化纤、水泥、机械选矿、电力等行业也都开始应用PLC，尤其是引进设备或生产线，几乎全部生产机械的复杂控制都采用了PLC。中国的PLC市场发展很快。中国PLC市场的增长对于不同类型的产品呈不均衡状态。由于市场的不断成熟和用户需求的增长，国内外的PLC厂商一直在推出新的可编程控制器，以满足自动化领域新的需求和不断的扩展。,什么叫可编程逻辑控制器（PLC）,可编程逻辑控制器(ProgrammableLogicalController)简称PLC。它是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术而发展起来的一种通用的工业自动化控制装置；具有体积小、功能强、程序设计简单、易学易用、通用灵活、维护方便等一系列的优点。特别是它的高可靠性和较强的适应恶劣工业环境的能力，使其广泛应用于许多工业领域。1987年2月，国际电工委员会(IEC)颁布了可编程序控制器标准草案第三稿。其中对可编程序控制器的定义是:可编程序控制器是一种数字运算的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式和模拟式的输入输出，控制各种类型机械的生产过程。定义强调了可编程控制器是进行数字运算的电子系统，能直接应用于工业环境下的计算机；是以微处理器为基础，结合计算机技术、自动控制技术和通信技术，使用面向控制过程、面向用户的“自然语言”编程；是一种简单易懂、操作方便、可靠性高的新一代通用工业控制装置。,可编程控制器的基本功能,(1）条件控制PLC具有逻辑运算(判断)的功能。可进行与(AND)、或(OR)、非(NOT)等逻辑操作，能处理继电器接点的串联、并联、混联等，可代替继电器完成开关量控制。（2）时间控制PLC具有定时控制功能，它为用户提供了许多精密定时器，定时时间可由指令设定。例如东芝公司EX-4OPLUS型PLC，内部提供了精度为0.01s的计时器8个，O.1s精度的计时器56个。OMRON公司的C2OOH型PLC可提供512个高精度计时器。（3）计数控制PLC具有低速/高速计数控制功能，为用户提供了许多可完成低/中/高速的计数器，计数值由指令设定。例如EX-4OPLUS型PLC。可提供64个计数器，每个计数器的计数范围为19999，可串联使用，最高计数频率为4kHz。（4）步进控制PLC能完成步进控制功能。当某道工序完成后，可自动转向下一步，并且一台PLC可以作为多个步进控制器使用。在EX-40PLUS型PLC内部，有32个步进器，移位的最大范围为256步(S0S37，八进制)。在某些装配线上，应用步进控制可大大简化控制程序，提高设计效率。,可编程控制器的基本功能,（5）模/数和数/模转换新型的PLC(即使是小型机)大都具有A/D、D/A转换功能，精度达8bit(1/256)或l2bit(1/4096)，电压范围为15V，电流为42OmA等。（6）数据处理PLC具有数据处理能力和并行运算指令，可进行并行16位传送、比较和逻辑运算、BCD码的加、减、乘、除、开方等运算。还能进行字与、字或、字异或、求反、逻辑移位、算术移位、数据检索、比较、译码等操作，并可打印出主程序清单、数据或梯形图。（7）通信和联网PLC采用通信技术和光纤技术。可进行远程I/0控制。例如，同类PLC之间的链接(PLC-LINK)、PLC与上位计算机的链接(HOST-LINK)，从而组成集中管理、分散控制的集散式控制网络，以完成较大规模的复杂控制。（8）监控和自诊断PLC有完善的控制系统监控和自诊断功能。它可记忆某些异常情况并在发生异常情况时自动终止运行、封锁所有输出并报警。在运行时，操作人员可通过监控命令监视有关部分的运行状态，随时调整或设定参数，其完善的出错自诊断功能为调试和维护提供了强有力的手段。,可编程序控制器的特点,进入20世纪90年代，伴随着国外技术和设备引进的大潮，PLC取得了高速发展，得到了广泛应用，满足了工业自动化的客观需要，较好地解决了工业控制领域中普遍关心的可靠、方便、经济等问题。(1)可靠性高、抗干扰能力强可靠性是评价工业控制装置质量的一个非常重要的指标。如何能在恶劣的工业应用环境下平稳、可靠地工作，将故障率降至最低，是各种工业控制装置必须具备的前提条件，如耐电磁干扰、低温、高温、潮湿、振动、灰尘等，PLC是“专为适应恶劣的工业环境而设计”的工业控制装置。(2)功能完善，通用灵活现代PLC不仅具有逻辑运算、条件控制、计时、计数、步进等控制功能，而且还能完成A/D转换、D/A转换、数字运算和数据处理以及网络通信等功能。因此，它既可对开关量进行控制，又可对模拟量进行控制；既可控制一条生产线，又可控制全部生产工艺过程；既可完成单机控制，又可以构成多级分布式控制系统。现在的PLC产品都已形成系列化，具有各种齐全的PLC模块和配套部件，用户可以很方便地构成能满足不同要求的控制系统，系统的功能和规模可根据用户的实际需求进行配置，便于获取合理的性能价格此。,可编程序控制器的特点,(3)编程简单，学习和使用方便目前大多数PLC采用梯形图语言编程。这种方式既具有继电器控制线路的清晰直观，又考虑到一般电气技术人员的读图习惯，很容易被电气技术人员所接受。一些PLC还提供逻辑功能图、语句表指令、甚至高级语言等编程手段，进一步简化了编程工作，满足了不同用户的需要。此外，PLC还具有接线简单、系统设计周期短、体积小、重量轻、易于实现机电一体化等特点，使得PLC在设计、结构上具有其他许多控制器所无法相比的优越性。,工业可编程序控制器的种类,按PLC的结构形式可以分为三类:(1)整体式将CPU、电源、I/O接口、通信接口等都集成在一个机壳内的整体化结构。(2)模块式电源模块、CPU模块，I/0模块，通信模块等在结构上是相互独立的，用户可根据具体的应用要求，选择合适的模块，安装固定在机架或导轨上，构成一个完整的PLC应用系统。(3)混合式它吸收了整体化PLC的简单、小巧、低价，又具有模块化的易于扩展、功能强大高性价比的优点。,工业可编程序控制器的种类,按产地地域分类PLC大致可分为三个流派：美国流派、欧洲流派和日本流派，这种划分方法虽然不很科学，但具有实用参考价值。一方面，美国PLC技术与欧洲PLC技术基本上是各自独立开发而成的，二者间表现出明显的差异性，而日本的PLC技术是由美国引进的，因此它对美国的PLC技术既有继承，更多的是发展，而且日本产品主要定位在小型PLC上；另一方面，同一地域的产品面临的市场相同，用户的要求接近，相互借鉴就比较多，技术渗透的比较深，这都使得同一地域的PLC产品表现出较多的相似性，而不同地域的PLC产品表现出明显的差异性。就价格而言，日本和泉PLC价格较低，欧洲产品价格较高，美国PLC价格较高。按输入、输出（I/O）点数分类根据PLC输入/输出(I/0)点数的多少可将PLC分为以下几种。(l)微型PLC:I/0点数小于16点;(2)超小型PLC:l/0点数小于64点;(3)小型PlC:I/0点数在65128点;(4)中型PLC:I/0点数范围在129512点;(5)大型PLC:I/0点数范围在512点以上。,PLC与继电器控制系统的比较,（1）PLC控制逻辑灵活、可扩展继电器控制采用硬接逻辑，因而灵活性和可扩展性较差。PLC采用存储逻辑，除了它的输入、输出端与现场连接外，控制逻辑以程序的方式存储在PLC的内存中，即使控制逻辑复杂，只不过程序长一些。PLC是由中、大规模集成电路组装而成的，所以功耗低、连续少、体积小。当需要改变控制逻辑时，只要修改程序就可以了，一般不需要更改连线，因此灵活性和可扩展性强。（2）PLC控制速度快继电器逻辑依靠触点的闭合和断开来实现控制，触点动作时间一般在几十毫秒数量级，而且使用继电器愈多，反应速度越慢，并且易产生触点抖动的问题。PLC的内部“接点”均为电子触发器，无机械动作的延时问题。因此，反应速度快，且无继电器复杂控制系统的冒险竞争问题。（3）PLC计时控制精度高继电器控制是利用时间继电器的滞后动作来进行延时控制的，常用的如空气阻尼式、电磁式、晶体管式时间继电器等。用时间继电器实现定时控制，定时精度不高，定时时间易受环境条件影响，时间调整也不方便。而可编程控制器使用CPU中的内部定时器，为全电子计数方式，时钟脉冲由石英晶体振荡器产生，定时精度可达l0ms，定时范围为0.1s999.9s，或0.01s99.99s，定时时间不受环境影响，用户可在程序中任意设定或更改定时值，调节十分方便。,PLC与继电器控制系统的比较,(4)PLC计数控制响应快、可靠性强继电器控制中一般采用机械或电磁式计数器，数量少，计数的速度较低。可编程控制器提供的软件计数器数量多，计数频率可达4kHz，较继电系统可靠方便，计数位数几乎不受限制，更适合于高速生产线。(5)PLC设计、施工和调试周期短继电器控制装置一般要求按照:电路设计安装调试等步骤串行进行。周期长，修改困难，工程越大，这一缺点越明显。使用PLC时，在系统总体方案完成后。控制逻辑的设计(包括程序和梯形图的设计)与现场施工可以同时进行，硬件装配仅涉及输入和输出装置。控制部分只归结为程序的设计和调试，并且完全可以在PLC上模拟进行。任何控制逻辑的修改只涉及软件改动，即使反复多次也很容易实现，并且不增加硬件投资。(6)PLC的可靠性和可维护性高可编程控制器采用微电子技术，使用集成电路和微处理器(CPU)其核心部分是无触点的，外部连线很少。因此体积小、功耗小、寿命长、可靠性高。PLC能够检查自身故障并随时显示，操作人员可在液晶显示屏上动态监视控制程序的执行情况和各个器件(触点、线圈等)的工作状态，为维护和调试提供了方便。PLC的无故障时间可达3万h。,PLC与继电器控制系统的比较,PLC一般还设有监视定时器(WDT)。如果用户程序发生死循环或由于其他原因导致程序执行时间超过丁WDT的规定时间，PLC立即报警并终止程序执行。由于采取了以上一些措施，可靠性高、抗干扰能力强成了PLC最重要的特点之一，一般PLC的平均无故障时间可达1O万h以上。实践表明，PLC系统在使用中发生的故障，绝大多数是由于PLC的外部开关、传感器、执行机构等装置的故障间接引起的。（7）PLC价格低且保密性好在简单的自动化控制系统中采用继电器控制价格较便宜，在目前PLC国内价格稍高，因此对于只使用几个继电器且控制功能简单的系统，没有必要采用PLC，否则将造成功能浪费、投资增加。当使用10个以上继电器的控制系统，其投资和PLC相当，考虑到系统运行后，因使用PLC带来的一系列优点，总体上仍是合理的。对继电器数量不多但控制逻辑复杂的系统或大型的控制系统，采用PLC将显示出更高的性能价格比。使用PLC做控制器，最终安装在设备上的是PLC主机，其控制程序是固化在EPROM或EEPROM中的，因此技术保密性强。,PLC与继电器控制系统的比较,为提高PLC的可靠性采取了以下措施:PLC采用的是微电子技术，大量的开关动作是由无触点的半导体电路来完成的，因此不会出现继电器控制系统中的接线老化、脱焊、触点电弧等现象，提高了可靠性。PLC采用的器件是工业级芯片，进行了严格的器件筛选并在出厂前进行了高强度的仿工业恶劣环境老化，尽可能地排除了因器件问题而造成的初期失效。PLC在硬件设计上采用屏蔽、滤波、隔离等措施。对CPU等主要部件，均采用严格的屏蔽措施，以防外界干扰；在电源部分及信号输入环节采用多种形式的滤波，以消除或抑制高频干扰，也削弱了各种PLC间的相互影响。在输入输出模块上均采用了光电隔离技术，有效地隔离了内部电路与外部系统之间的电气联系，减少了故障和误动作；对于某些大型的PLC，采用了双CPU构成的冗余系统，或三个CPU构成的表决式系统，进一步增强了系统可靠性。PLC的系统软件包括了故障检测与诊断程序，PLC在每个扫描周期定期检测运行环境，如掉电、欠电压、强干扰等，当出现故障时，立即保存运行状态并关闭存储器，禁止对其操作，待运行环境恢复正常后，再从故障发生前的状态继续执行原来的程序。,PLC与微型计算机的比较,（1）应用范围和使用环境不同微机系统主要用于科学计算、数据和信息处理等，在工业现场的恶劣环境中，其可靠性较差。PLC是为工业现场而专门设计的，它充分考虑了工业生产环境的振动、粉尘、电磁干扰、温度和湿度变化、通风散热等问题，可靠性高。（2）输入、输出设备及接口不同微型机的输入输出设备一般为键盘、图像扫描仪、显示器、打印机、绘图仪等，它们与主机之间采用弱电联系，一般不需要电气隔离。PLC的输入一般为工业传感器，为减少电磁干扰，在输入端大都采用光电耦合技术实现电气隔离；输出端一般采用继电器触点、可控硅和晶体管无触点开关，带负荷能力较强，可直接驱动交流接触器、小电机和电磁阀等。（3）学习与应用难度不同微型计算机一般配有较强的操作系统，以进行设备管理和文件管理，并且具有丰富的程序设计语言，如BASIC、FORTRAN、VB、VC、C+，操作者必须具有较高水平的计算机硬件、软件知识才能运用自如。PLC具有简单的监控程序，能完成故障检查、用户程序的输入、修改和执行等功能。它采用梯形图语言编程，对工厂工程技术人员而言，PLC较微机直观、简单、易学，一般经过12周的培训就可以逐步掌握。,PLC与单片机的比较,(1)设计的目的不同单片计算机(MCUmicrocontrolunit)，又称微控制器，具有体积小、重量轻、价格很低、性能价格比最高等优点。MCU是把CPU、ROM、RAM、I/O、SIO、A/D等硬件集成在单一芯片上，主要用于制造嵌入式控制器的心脏部件。例如，一些小型可编程序控制器就是在配置了输入输出接口和监控软件之后的单片机控制器。从单片机到PLC的大量工作是由PLC制造厂家完成的。作为工业生产企业的工程技术人员，人们更关心的是如何用PLC来完成生产机械的自动控制。当然，如果需要研制某种可大批量生产的智能化测控仪器或民用电子装置，例如智能仪表、DVD、复读饥、键盘及鼠标等，则采用单片机为宜。(2)学习和掌握的难易程度不同使用单片机来实现自动控制，一般耍应用微处理机的机器语言或汇编指令进行编程。必须具有单片机的开发装置，这就要求设计人员具有较高的计算机硬件和软件知识。对于那些只熟悉工业生产过程或机电控制的技术人员来说，要掌握计算机的CPU工作过程、RAM和ROM的地址、中断和定时器等资源的分配以及汇编语言的程序设计，需要进行相当一段时间的系统学习才能掌握。,PLC与单片机的比较,PLC也是微机系统，由CPU、RAM、ROM和I/0接口等构成。一些小型PLC的心脏也是由单片机构成的，但是上面所提到的诸多问题已由可编程序控制器的生产厂家完成了。提供给用户使用的是电气技术人员所熟悉的梯形图语言和电气接口。使用的仍然是“继电器”这一技术术语。大部分指令与继电器接点的串联、并联、混联等相对应，这就使得熟悉机电控制的工程技术人员一目了然。对于PLC的使用者来说。不必去关心单片计算机的一些技术细节问题，而只要用较短的时间去熟悉可编程序控制器的指令和接口即可。(3)硬件工作量不同使用单片机来实现自动控制。一般要在输入输出接口上做大量的工作。例如:要考虑工业现场与单板机的连接、输出驱动、接口的扩展、接口的工作方式等，即除了要进行控制程序的设计，还要在单片机的外围进行很多的硬件工作才能与控制现场连接起来，调试也比较繁琐。可编程序控制器的输入、输出接口已经做好，输入接口可以与无源开关直接连接，使用非常方便。输出接口具有较高的驱动能力，输出的触点容量可达220V、2A，能适应一般的控制要求。,PLC与单片机的比较,(4)可靠性不同使用单片机进行工业控制，如果不是大量的、经过正规工业化测试、考验和严格品管生产的产品，而使用少量甚至是单件研制的单片机控制装置，其突出的问题就是抗干扰性能较差，维修和升级困难。而可编程序控制器是专门用于工业现场的，在设计和制造过程中采取了许多抗干扰措施，稳定性和可靠性较高。例如：PLC具有较强的自诊断功能，能保证在“硬核”(如CPU、RAM、I/0总线等)都正常的情况下才执行用户的控制程序。一旦出现CPU故障、RAM故障或I/0总线故障则立即给出报警信号，并停止用户程序的执行，等待修复。有的高档PLC具有双CPU并行操作功能(如C2OOOH型PLC)，一旦某个CPU出现故障，系统仍能正常工作，并给出“带病工作信号”，要求修复出现故障的CPU。因为两个CPU同时发生故障的概率很低，这就提高了PLC的可靠性。PLC的输入输出都采用光电隔离，在工艺上也加强了抗干扰措施，因此具有良好的抗干扰性能。,3.2可编程序控制器的工作原理,PLC的构成,可编程序控制器由硬件和软件两大部分组成。硬件包括输入、输出和控制器三部分。软件由监控系统、指令系统和用户程序组成。,可编程序控制器硬件组成,PLC的基本组成与一般的微机系统相类似，主要包括CPU、RAM、EPROM、EEPROM、通信接口、外设接口、I/0接口等，模块化PLC在系统配置上表现得更为方便灵活。CPU模块、I/0模块、智能模块、电源模块等相互独立封装，模块与模块之间通过底板的总线连接。用户可以根据系统规模和设置进行灵活配置，模块化PLC见图。,PLC的硬件构成和原理,PLC最常用的I/0接口电路主要包括开关量输入电路、开关量输出电路、模拟量输入电路和模拟量输出电路。可编程控制器PLC的硬件原理示意图如下：,PLC的硬件构成和原理输入接口,输入的信息来自现场生产线的各种传感器，如温度传感器、料位传感器、流量传感器、压力传感器、行程开关、操作控制按钮、光电开关等以及其他一些传感器输出的开关量或模拟量(要通过模数变换进入PLC内)等，通过输入接口电路将这些信号转换成中央处理器能够接收和处理的信号。输入接口一般由线路滤波器、光电耦合器、接口集成电路等组成，可以对现场(包括引线)传来的各种电量进行处理，过滤掉干扰信号，取出有用信号，从而提高PLC的抗干扰性能。工业控制系统的输入和输出电路中，为防止现场的强电干扰进入PLC，广泛应用了光电耦合电路。光电耦合电路的关键器件是光电耦合器。一般由发光二极管和光电三极管组成。在光电耦合器输入端加上变化的电信号，发光二极管就产生与输入信号变化规律相同的光信号。光电三极管在光信号的照射下导通，导通程度与光信号的强弱有光。在光耦合器的线性工作区，输出信号与输入信号具有较好的线性关系。光电耦合器的抗干扰性能很好，是由于其信号传输是“电光电”的变换过程，光电耦合器的输入和输出端，在电气上是完全隔离的，单向传输的，因此输出端的信号不会反馈到输入端，也不会产生地线干扰或其他串扰。由于发光二极管的正向阻抗值较低，而外界干扰源的内阻一般很高，根据阻抗分压原理可知，干扰源馈送到发光管的干扰噪声能量很小。,PLC的硬件构成和原理输入接口,工业现场传来的数字量信号主要有220V交流电压、524V直流电压、交流电压、无源开关的接通/断开等信号类型。而PLC内部所能接收和处理的是TTL标准电平(0+5V)的二进制数字信号，所以开关量输入接口的作用是将现场传来的数字量信号（“0”或“l”)转换成PLC内部的信号电平(OV或5V)。(1)直流电压输入当直流电压输入信号进入DI模块以后，一般都经过光电隔离和滤波以后再进入输入缓冲区。如图5-8(a)所示，当开关S闭合以后，现场输入信号经R1、R2分压，使稳压二极管Dw形成稳定的输入电压，点亮输入指示发光二极管D1和光电耦合器T内部的发光二极管，并驱动光电耦合器T内部光电三极管导通，把现场开关量信号转换为CPU(或MCU)所需要的TTL标准信号。电容C和电阻R1、R2，构成了输入滤波电路，可以滤除输入信号的高频干扰，R1同时具有限流保护的作用。,PLC的硬件构成和原理输入接口,(2)交流电压输入当输入信号是交流电压时，其工作原理与直流电压信号输入时相似，参见图5-8(b)，只是增加了电阻电容降压电路，由R1、R2和电容C组成，D1是两个反向并联连接的发光二极管，实现交流输入信号的指示;为了响应交流输入信号的正/负半周。光电耦合器T的发光二极管也是通过两个发光二极管反向并联连接而成的。PLC的输入数据集成电路一般由数据输入寄存器、选通电路和中断请求逻辑电路构成，这些电路大都已集成在MCU芯片上。现场的输入信号通过光电耦合送到输入数据寄存器，然后通过数据总线送给CPU。,PLC的硬件构成和原理输出接口,输出接口电路一般由CPU输出接口路和功率放大电路组成，将中央处理器送出的弱电控制信号较换成现场需要的强电信号。功率放大电路是为了适应工业控制的要求，将CPU输出的0+5V信号电平加以放大。输出的信号以开关量或模拟量的形式直接驱动交流接触器、信号灯或伺服电机、电磁阀等，再由这些电器控制电动机、电磁铁、电热器具等生产机械。输出接口一般采用光电耦合器进行隔离，再采用继电器、可控硅或晶体管等，将PLC与强电控制电路分开，以防止电力负荷或引出线的高电压(常大于或等于220V)对PLC输出电路(一般24VDC，其核心多数为5V)的影响。按输出开关器件的应用。PLC可分为晶体管输出、晶闸管输出和继电器输出三种类型，相应的输出信号为直流信号、交流信号和无源接点信号。,PLC的硬件构成和原理输出接口,（1）继电器输出PLC的无源节点继电器输出电路参见图5-10。继电器输出是一对无源触点，负载及外部电源根据系统需要进行配置。D1是输出指示发光二极管，J是小型直流继电器。当输出状态为“1”时，D1点亮，继电器J的线圈得电，继电器触点吸合，负载回路闭合;输出状态为“0”时，J触点断开，负载回路断开。（2）晶体管无触点输出PLC的直流电压晶体管输出电路参见图5-1l。晶体管输出的负载电源为外接直流电源，D1是输出指示二极管，D2是负载续流二极管，D3是保护二极管。当输出状态为“l”时。D1点亮，光电耦合器的发光散极管导通，光电三极管饱和导通，驱动三极管VT1也饱和导通，负载电源接通；当输出状态为“0”时;D1指示二极管熄灭，光电耦合器T内的发光二极管、光电三极管均截止，驱动三极管VT1也截止，负载电源断开。,PLC的硬件构成和原理输出接口,（3）晶闸管(又称可控硅)输出输出PLC交流电压晶闸管输出电路参见图5-12。晶闸管控制的负载电源为外接交流电源，D1是输出指示发光二极管，R2和C是阻容吸收电路，开关器件T为双向光控晶闸管。当PLC输出状态为“1”时，D1点亮，光控电路内的发光二极管发光，双向光控晶闸管也导通，外接电源交流电源可以通过双向导通的晶闸管向负载供电;反之，负载电源断开。从响应速度看，晶体管响应最快，继电器响应最慢;晶体管为无触点输出，使用寿命长，继电器触点的电气寿命有限，一般为10万30万次，在动作频繁的场合不宜选用继电器输出的DO模块;仅从安全效果和电源配置灵活性的角度出发，以继电器触点输出为宜。,PLC的硬件构成和原理CPU,PLC机常用的CPU主要是通用微处理器(CPU)、单片机(MCU)和双极型位片式微处理器。对于微型和小型PLC，大多采用价格低通用性好的8位微处理器或单片机；对于大型PLC，通常采用通用微处理器和位片式微处理器。位片式微处理器不同于通用微处理器，它可以用多个位片式微处理器拼接，构成位数较多的处理器，可并行处理多个任务，具有灵活性好、速度快、效率高等特点。不同型号的PLC可能使用不同的CPU部件，PLC制造厂家根据CPU的指令系统来编写PLC的监控程序，并固化到只读存储器EPROM中。为了提高PLC的处理速度和容错性能，很多大中型的PLC采用了双CPU或多CPU结构。例如，双CPU结构一般包括一个字处理器和一个位处理器。字处理器是PLC的主处理器，多采用8位或16位的通用微处理器，完成指令操作、总线控制、计数器、定时器、接口管埋等功能;位处理器也称布尔处理器，它是PLC的从处理器，其主要作用是处理位操作指令，加快PLC的处理速度。中央处理器(CPU或MCU)一般由控制电路、运算器和寄存器组成，这些电路一般都集成在一个芯片上。CPU通过地址总线、数据总线和控制总线与存储单元、输入输出(I/O)接口电路相连接。,PLC的硬件构成和原理CPU,CPU的主要功能:从存储器中读取指令CPU从地址总线上给出程序的存储地址，经控制总线发出读命令，从数据总线上得到读出的指令，并存入CPU内的指令寄存器中。执行指令对存放在指令寄存器中的指令操作码进行译码，执行指令规定的操作，如读取输入信号、取操作数、进行逻辑运算或算术运算、将结果输出给有关部分。准备取下一条指令CPU执行完一条指令后，能根据条件产生下一条指令的地址，以便取出和执行下一条指令。在CPU的控制下，程序的指令既可以顺序执行，也可以分支或跳转。处理中断CPU除顺序执行程序外，还能接收输入输出接口发来的中断请求，并进行中断处理，中断处理完后，再返回原址继续顺序执行。CPU按扫描方式工作，从第一条用户程序开始，直到用户程序的最后一个地址，而后再返回第一条用户程序这样不停地周期性扫描，每扫描一次，用户程序就执行一遍。,PLC的硬件构成和原理RAM和ROM,PLC的系统监控程序一般直接固化于ROM中。系统程序是指PLC的操作系统或监控程序，它与PLC的硬件相关，决定了PLC的功能，它相当于计算机的Windows操作系统，用户不可修改。用户程序可固化于EPROM或EEPROM中，也可存储于具有失电保护的RAM中。EPROM和EEPROM是可擦除的可编程只读存储器，EPROM的擦除必须用紫外线照射，EEPROM为电擦除型。RAM是可读可写的随机存储器，一般应具有失电保护功能，当PLC机停电时，内部锂电池或电容器可以保证RAM内的程序或数据不丢失。一般锂电池可用5年(25环境下)，电容器作失电保护的时间不宜超过20d，否则，被保护的内容可能会失去。用户程序是指用户根据PLC的功能指令编制的应用程序，在正式投运之前往往需要经常调试和改动，所以用户程序多存放于RAM中，同时配有后备电池保护以防止掉电后丢失程序；一旦用户程序调试完毕，可以将其转存于EPROM或EEPROM之中，以免用户程序被随意改动。工作数据是指PLC在工作过程中经常变化、需要经常存取的数据，如参数测量结果、运算结果、设定值。为了满足PLC对工作数据经常存取的要求，这部分数据一般存放在RAM之中。对于不同的PLC，其存储器的容量随PLC的规模的不同有较大的差别。大型PLC的用户工作程序存储器容量一般大于40OkB，而小型PLC的容量多小于8kB，中型PLC的用户工作程序存储器容量则介于二者之间。,PLC的硬件构成和