plc教程02_硬件介绍

PLC硬件介绍,可编程控制器的基本结构 可编程控制器的工作原理 FX系列可编程序控制器性能简介 特殊功能模块 编程设备与人机接口,首页硬件介绍,可编程控制器的基本结构,根据硬件结构的不同，可以将PLC分为整体式PLC和模块式PLC。,整体式PLC,整体式又叫做单元式或箱体式，CPU模块、I/O模块和电源装在一个箱状机壳内，结构非常紧凑。它的体积小、价格低，小型PLC一般采用整体式结构。 整体式PLC提供多种不同I/O点数的基本单元和扩展单元供用户选用，基本单元内有CPU模块、I/O模块和电源，扩展单元内只有I/O模块和电源，基本单元和扩展单元之间用扁平电缆连接。各单元的输入点与输出点的比例一般是固定的，有的PLC有全输入型和全输出型的扩展单元。选择不同的基本单元和扩展单元，可以满足用户不同的要求。 整体式PLC一般配备有许多专用的特殊功能单元，如模拟量I/O单元、位置控制单元和通信单元等，使PLC的功能得到扩展。,模块式PLC,大、中型PLC（如西门子的S7-300和S7-400系列）一般采用模块式结构。模块式PLC用搭积木的方式组成系统，它由机架和模块组成。模块插在模块插座上，后者焊在机架的总线连接板上，有的厂家将机架称为基板。PLC厂家备有不同槽数的机架供用户选用，如果一个机架容纳不下所选用的模块，可以增设一个或数个扩展机架，各机架之间用I/O扩展电缆相连，有的PLC需要通过接口模块来连接各机架。 用户可以选用不同档次的CPU模块、品种繁多的I/O模块和特殊功能模块，对硬件配置的选择余地较大，维修时更换模块也很方便。,基本组成,输出设备,输入设备,外部设备,I/O扩展单元,CPU芯片,CPU（微处理器）芯片和存储器（ROM、RAM）组成CPU模块。在PLC控制系统中，CPU模块相当于人的大脑，它不断地采集输入信号，执行用户程序，储存程序和数据，刷新系统的输出。常见的CPU芯片有： （1）通用微处理器。如Intel公司的8086、80286到Pentium系列芯片。 （2）单片微处理器（单片机）。如Intel公司的MCS-96系列单片机。 （3）位片式微处理器。如AMD 2900系列位片式微处理器。,存储器 （ROM/RAM）,存储器分为系统程序存储器和用户程序存储器。系统程序相当于个人计算机的操作系统。它使可编程序控制器具有基本的智能，能够完成可编程序控制器设计者规定的各种工作。系统程序由可编程序控制器生产厂家设计并固化在ROM（只读存储器）中，用户不能读取。 用户程序由用户设计，它使可编程序控制器完成用户要求的特定功能。用户程序存储器的容量以字（16位二进制数）为单位。三菱的FX系列PLC将用户程序存储器的单位称为步 （Step，即字）。小型PLC的用户程序存储器容量在1K字左右，大型PLC的用户程序存储器容量可达数M（兆）字。,存储器 （ROM/RAM）,（1）随机存取存储器（RAM） 用户可以用编程装置读出RAM中的内容，也可以将用户程序写入RAM，因此RAM又叫读/写存储器。它是易失性的存储器。它的电源中断后，储存的信息将会丢失。 （2）只读存储器（ROM） ROM的内容只能读出，不能写入。它是非易失的，它的电源消失后，仍能保存储存的内容。ROM一般用来存放可编程序控制器的系统程序。 （3）可电擦除可编程的只读存储器（EEPROM或E2PROM） 它是非易失性的，但是可以用编程装置对它编程，兼有ROM的非易失性和RAM的随机存取优点，但是将信息写入它所需的时间比RAM长得多。,I/O模块,输入（Input）单元模块和输出（Output）单元模块简称为I/O模块，它们是系统的眼、耳、手、脚，是联系外部现场设备和CPU模块的桥梁。 输入模块用来接收和采集输入信号。开关量输入模块用来接收从按钮、数字拨码开关、限位开关、接近开关、光电开关、压力继电器等过来的开关量输入信号；模拟量输入模块用来接收电位器、测速发电机和各种变送器提供的连续变化的模拟量电流、电压信号。 开关量输出模块用来控制接触器、电磁阀、电磁铁、指示灯、数字显示装置和报警装置等输出设备，模拟量输出模块用来控制调节阀、变频器等执行装置。,输入单元模块,输出单元模块,电源模块,PLC一般使用220V交流电源或24V直流电源。内部的开关电源为各模块提供DC 5V，12V，24V等直流电源。小型PLC一般都可以为输入电路和外部的电子传感器（如接近开关）提供24V直流电源，驱动PLC负载的直流电源一般由用户提供。,外设接口,外设接口主要用来连接PLC系统的监视、打印、编程、存储、联网等外围设备。比如连接CRT或LCD显示屏，用以监视PLC系统的工作情况；连接打印机，实时打印历史数据，为分析研究作备案；连接存储器，扩大PLC存储系统的容量，增加程序长度，完成复杂的控制；连接专用网线，可以和其它PLC或上位机进行数据通信；连接编程器、计算机，可以完成对程序的一系列操作等等。其中，又以连接编程、器计算机最为重要。,可编程控制器的工作原理,PLC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、输出继电器等等。这种用计算机程序实现的“软继电器”，与继电器系统中的物理继电器在功能上有某些相似之处。由于以上原因，在介绍PLC的工作原理之前，首先简要介绍物理继电器的结构和工作原理。,传统继电器控制,逻辑运算,使用继电器电路或PLC的梯形图可以实现开关量的逻辑运算。梯形图中某些编程元件（如输出继电器和辅助继电器）的线圈“通电”时，其常开触点闭合，常闭触点断开，称该编程元件为1状态。当它们的线圈“断电”时，其常开触点断开，常闭触点闭合，称该编程元件为0状态。,逻辑运算,图中的A，B为输入逻辑变量，M为输出逻辑变量，它们之间的“与”、“或”、“非”逻辑运算关系后表所示。用继电器电路或梯形图可以实现基本逻辑运算，触点的串联可实现“与”运算，触点的并联可实现“或”运算，用常闭触点控制线圈可实现“非”运算。,逻辑运算,M=A,工作方式及原理,PLC有两种基本的工作模式：运行（RUN）模式与停止（STOP）模式。 在运行（RUN）模式，在CPU模块的面扳上用“RUN”LED显示当前的工作方式。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。为了使PLC的输出及时地响应随时可能变化的输入信号，用户程序不是只执行一次，而是不断地重复执行，直至PLC停机或切换到STOP工作模式。 在停止（STOP）模式下，CPU不执行用户程序，可用编程软件创建和编辑用户程序，设置可编程序控制器的硬件功能，并将用户程序和硬件设置信息下载到可编程序控制器。 如果有致命错误，在消除它之前不允许从停止方式进入运行方式，可编程序控制器操作系统储存非致命错误供用户检查，但不会从运行方式自动进入停止方式。,扫描工作方式,可编程序控制器通电后，需要对硬件和软件做一些初始化的工作。为了使可编程序控制器的输出及时地响应各种输入信号，初始化后反复不停地分阶段处理各种不同的任务，这种周而复始的循环工作方式称为扫描工作方式。 除了执行用户程序之外，在每次循环过程中，PLC还要完成内部处理、通信处理等工作，一次循环可分为 5个阶段（见前页）。由于计算机执行指令的速度极高，从外部输入输出关系来看，处理过程似乎是同时完成的。,扫描工作方式,读输入强制数据用于输入（当作输入）,执行程序强制数据用于所有立即I/O存取程序执行后，最多改变16个存储器数据,处理通讯请求强制数据用于所有读/写通讯,执行 CPU 自诊断,写输出强制数据用于输出（当作写输出）,一个扫描周期,扫描工作方式,在输入处理阶段，PLC把所有外部输入电路的接通/断开状态读入输入映像寄存器。外部输入电路接通时，对应的输入映像寄存器为1状态，梯形图中对应的输入继电器的常开触点接通，常闭触点断开。外部输入触点电路断开时，对应的输入映像寄存器为0状态，梯形图中对应的输入继电器的常开触点断开，常闭触点接通。 某一编程元件对应的映像寄存器为1状态时，称该编程元件为ON，映像寄存器为。状态时，称该编程元件为OFF。,扫描工作方式,PLC的用户程序由若干条指令组成，指令在存储器中按步序号顺序排列。在没有跳转指令时，CPU从第一条指令开始，逐条顺序地执行用户程序，直到用户程序结束之处。在执行指令时，从输入映像寄存器或别的元件映像寄存器中将有关编程元件的0/1状态读出来，并根据指令的要求执行相应的逻辑运算，运算的结果写入到对应的元件映像寄存器中，因此，各编程元件的映像寄存器（输入映像寄存器除外）的内容随着程序的执行而变化。 在程序执行阶段，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，输入信号变化了的状态只能在下一个扫描周期的输入处理阶段被读入。,在智能模块通信处理阶段，CPU模块检查智能模块是否需要服务，如果需要，读取智能模块的信息并存放在缓冲区中，供下一扫描周期使用。在通信信息处理阶段，CPU处理通信口接收到的信息，在适当的时候将信息传送给通信请求方 自诊断测试处理阶段，PLC检查CPU模块内部的硬件是否正常，将监控定时器复位，以及完成一些其它内部工作，包括定期检查EEPROM、用户程序存储器、I/O模块状态以及I/O扩展总线的一致性，将监控定时器复位，以及完成一些别的内部工作。,扫描工作方式,扫描工作方式,在输出处理阶段，CPU将输出映像寄存器的0/1状态传送到输出锁存器。梯形图中某一输出继电器的线圈“通电”时，对应的输出映像寄存器为1状态。信号经输出模块隔离和功率放大后，继电器型输出模块中对应的硬件继电器的线圈通电，其常开触点闭合，使外部负载通电工作。 若梯形图中输出继电器的线圈“断电”，对应的输出映像寄存器为0状态，在输出处理阶段之后，继电器型输出模块中对应的硬件继电器的线圈断电，其常开触点断开，外部负载断电，停止工作。,扫描工作方式,如果在程序中使用了中断，中断事件发生时立即执行中断程序，中断程序可能在扫描周期的任意点上被执行 在程序执行过程中使用立即I/O指令可以直接存取I/O点。用立即I/O指令读输入点的值时，相应的输入映像寄存器的值未被更新、用立即I/O指令来改写输出点时，相应的输出映像寄存器的值被更新。 当PLC处于停止（STOP）模式时，程序执行阶段被省略，读输入/写输出阶段则视不同的PLC而定。,例如：初始时，A=B=C=0，又已知当A=1时，B=1；B=1时，C=1。,一般流程,A=1 B=1,B=1 C=1,一个周期,PLC 流程,A=1且B=0 B=0 C=0,A=1且B=1 B=1 C=1,第一周期,第二周期,扫描工作方式的影响,输入/输出滞后时间,输入/输出滞后时间又称系统响应时间，是指PLC的外部输入信号发生变化的时刻至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，它由输入电路滤波时间、输出电路的滞后时间和因扫描工作方式产生的滞后时间这三部分组成。 输入模块的RC滤波电路用来滤除由输入端引入的干扰噪声，消除因外接输入触点动作时产生的抖动引起的不良影响，滤波电路的时间常数决定了输入滤波时间的长短，其典型值为10ms左右。,输入/输出滞后时间,输出模块的滞后时间与模块的类型有关，继电器型输出电路的滞后时间一般在10ms左右；双向晶闸管型输出电路在负载通电时的滞后时间约为1ms，负载由通电到断电时的最大滞后时间为10ms；晶体管型输出电路的滞后时间一般在1ms以下。 由扫描工作方式引起的滞后时间最长可达两个多扫描周期。 PLC总的响应延迟时间一般只有几十ms，对于一般的系统是无关紧要的，要求输入输出信号之间的滞后时间尽量短的系统，可以选用扫描速度快的PLC或采取其他措施。,FX系列可编程序控制器性能简介,三菱电机80年代推出的F系列小型PLC在90年代初被F1系列和F2系列取代，F1系列在我国曾经有很高的市场占有率。其后的FX2系列在硬件和软件功能上都有很大的提高，后来推出的FX0，FX0S，FX0N和FX2N等系列实现了微型化和多品种化，可满足不同用户的需要。F1系列和FX2系列早已属于淘汰产品，三菱电机现在的FX系列产品样本中仅有FX1S，FX1N、FX2N和FX2NC这4个子系列，与过去的产品相比，在性能价格比上又有明显的提高。,FX系列PLC的特点,体积极小的微型PLC 先进美观的外部结构 提供多个子系列供用户选用 灵活多变的系统配置 功能强，使用方便,FX系列型号名称的含义,FX系列PLC型号名称的含义如下：FX- - （1）（2） （3）（4）（5） （1）子系列名称，如1S，1N，2N等。 （2）输入输出的总点数。 （3）单元类型：M为基本单元，E为输入输出混合扩展单元与扩展模块，EX为输入专用扩展模块，EY为输出专用扩展模块。 （4）输出形式：R为继电器输出，T为晶体管输出，S为双向晶闸管输出。 （5）电源和输入、输出类型等特性。D和DS为DC 24V电源；DSS为DC 24V电源，源晶体管输出；ES为交流电源：ESS为交流电源，源晶体管输出：UAl为AC电源，AC输入。例如FX1N-60MT-D属于FX1N系列，是有60个I/O点的基本单元，晶体管输出型，使用24V直流电源。,特殊功能模块,模拟量输入输出模块 高速计数器模块FX2N-1HC 运动控制模块 通信模块,模拟量输入输出模块,模拟量输入扩展板FX1N-2AD-BD 模拟量输出扩展板FX1N-1DA-BD 模拟量设定功能扩展板FX1N-8AV-BD/FX2N-8AV-BD 模拟量输入输出模块FX2N-3A 模拟量输入模块FX2N-2AD和FX2N-4AD 模拟量输入和温度传感器输入模块FX2N-8AD PT-100型温度传感器用模拟量输入模块FX2N-4AD-PT 热电偶温度传感器用模拟量输入模块FX2N-4AD-TC 模拟量输出模块FX2N-2DA,高速计数器模块FX2N-1HC,PLC梯形图程序中的计数器的最高工作频率受扫描周期的限制，一般仅有几十Hz。在工业控制中，有时要求PLC有快速计数功能，计数脉冲可能来自旋转编码器，机械开关或电子开关。高速计数模块可以对几十KHz甚至上百Hz的脉冲计数，它们大多有一个或几个开关量输出点，计数器的当前值等于或大于预置值时，可通过中断程序及时地改变开关量输出的状态。这一过程与PLC的扫描过程无关，可以保证负载被及时驱动。 FX2N的高速计数模块FX2N-1HC有1个高速计数器，可作单相/双相50KHz的高速计数，用外部输入或通过PLC的程序，可使计数器复位或起动计数过程，它可与编码器相连。,运动控制模块,FX2N-1PG-E脉冲输出模块 FX2N-10PG脉冲输出模块 FX2N-10GM和FX-20GM定位控制器,通信模块,通信模块是通信网络的窗口。通信模块用来完成与别的PLC、其他智能控制设备或主计算机之间的通信。远程I/O系统也必须配备相应的通信接口模块。FX系列有多种多样的通信用功能扩展板、适配器和通信模块。,编程设备与人机接口,专用编程器 编程软件 显示模块 GOT-900图形操作终端,专用编程器,专用编程器由PLC生产厂家提供，它们只能用于某一生产厂家的某些PLC产品.现在的专用编程器一般都是手持式的LCD字符显示编程器。它们不能直接输入和编辑梯形图程序，只能输入和编辑指令表程序。 手持式编程器的体积小，一般用电缆与PLC相连。其价格便宜，常用来给小型PLC编程，用于系统的现场调试和维修比较方便 。 用户可对内置的存储器进行存取，实现脱机编程，根据编程器中电容的充电时间，存储器中的内容最多可以保存3天。,编程软件,专用编程器只能对某一PLC生产厂家的PLC产品编程，使用范围有限。当代PLC的更新换代很快，专用编程器的使用寿命有