机械系统的驱动与控制讲稿模板1

1、机械系统的驱动与控制 机械系统的驱动与控制 可编程序控制器技术及应用概述n可编程序控制器的产生n可编程序控制器的演变与发展可编程序控制器的定义n可编程序控制器是一种进行数字运算的电子系统，是专门为在工业环境下应用而设计的工业控制器。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指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械设备和生产过程。可编程序控制器及其相关的外部设备都按照易于与工业控制系统集成、易于扩展其功能的原则设计。可编程序控制器的定义n这是国际电工委员会（IEC）在1987年颁布的可编程序控制器（Programmable Co

2、ntroller PC）标准草案第H稿中对它的定义。由于PLC这一缩写在我国早已成为个人计算机（Personal Computer）的代名词。为了避免造成术语混淆，本书将可编程序控制器简称为PLC。近年来PLC技术发展很快，每年都推出不少PLC及其网络新产品，其功能也超出了上述定义范围，从提供直接数字控制发展为实现现场级生产设备控制，车间级生产过程监控和优化，直到工厂、公司一级生产管理和经营决策提供全集成的软件和硬件平台，成为现代工业自动化的主要支柱。可编程序控制器的产生n世界上第一台PLC型号为PDP14，是美国数字设备公司（DEC）研制成功的，而最先提出PLC概念的是美国通用汽车（GM）公

3、司。n20世纪60年代末，美国的汽车制造业竞争日趋激烈，GM公司根据市场形势和生产发展需要，提出了“多品种、小批量。不断更新汽车型号”的战略。汽车零部件生产线上使用的继电器控制系统成为实现这个战略决策的障碍。尽管继电器控制系统原理简单、使用方便，而且价格便宜，但是由于它的控制逻辑是由元件和布线方式决定属硬线连接式编程。要改变程序就要重新接线，缺乏变更程序的灵活性，不能适应汽车换代周期缩短的要求。显然，这就需要寻求一种新型的控制装置来替代继电器控制系统。 可编程序控制器的定义n而20世纪40年代诞生的电子计算机，在60年代已经获得迅速发展，小型计算机开始应用于工业生产的自动控制，但是由于它原理复

4、杂，又需要专门的程序语言，所以一般的电气人员难以掌握。那么，能否把计算机的功能完善、灵活性和通用性等优点与继电器控制系统的简单易懂、操作方便和价格便宜等优点结合起来，做成一种通用的工业控制装置，并把计算机的编程方法和程序输入方式加以简化，采用面向对象、面向问题的“自然语言”编程，使得不甚熟悉计算机的人员也能够方便地应用。GM公司在1968年根据生产的需要提出了上述设想，并将这个设想中的新颖控制装置的功能指标归纳为以下10项，公开招标。GM10条n编程容易，并可在现场修改程序。n维修方便，采用插件式结构。n可靠性高，能在恶劣的环境下工作。n体积小于继电器控制柜。n价格便宜，成本可以与继电器系统竞

5、争。n可以直接连接115V交流输入。n输出采用115V交流，可以直接驱动继电器、电磁阀。n具有数据通信功能，数据可以直接送入管理计算机。n通用性好。系统易于扩展。n用户程序存储器的容量至少能扩展到4KB。可编程序控制器的产生nDEC公司首先响应，于1969年研制出第一台可编程序控制器PDP14，并且在GM公司的自动装配生产线上试用成功。此后，这项新技术就迅速发展起来，而GM公司对这种新型控制器提出的10点要求，几乎成了当时各个自动化仪表研究单位和生产厂开发PLC的基本规范。1971年日本从美国引进了这项新技术，由日立公司研制出日本第一台PLC，型号为DSC。1973年1974年德国和法国也相继

6、研制出自己的PLC。可编程序控制器的产生n限于当时的元器件条件和计算机技术的发展水平，早期的PLC大多是由分立元件和中小规模集成电路组成，在简化计算机内部电路的同时，为了适应工业现场环境也对接口电路做了改进。人们根据这种新型工业控制装置可以通过编程改变控制方案这一特点，以及用于逻辑控制的现状，把它称为可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller），简称PLC。可编程序控制器的演变与发展n从1968年到现在，短短30余年间， PLC经历了4次换代。第一代PLC，大多用1位机开发，存储器为磁性存储器，只具有单一的逻辑控制功能。在第二代PLC产品中，换成了微处理器及半

7、导体存储器，PLC产品初步形成系列，随着高性能微处理器、位片式处理器的出现和EPROM，EEPROM，CMOS、RAM等大规模集成电路在PLC中的大量应用，第4代PLC向多功能及联网通信方向发展，形成了多种系列化产品。可编程序控制器的演变与发展n第四代PLC产品不仅全面使用16位、32位高性能微处理器，高性能位片式微处理器和RISC（Reduced Instruction Set Computer，精简指令系统）CPU，而且在单台PLC中配置多个微处理器，进行多道处理，同时开发了大量内含微处理器的智能模板，使第四代PLC产品发展成可以提供逻辑控制功能、过程控制功能、运动控制功能、数据处理功能、

8、联网通信功能的真正名副其实的多功能控制器。同时，PLC人机接口产品和PLC网络产品也得到飞速发展，由PLC及其网络构成的多级分布控制系统，提供在企业范围内实现经营决策、计划调度和控制功能集成的软硬件平台，使PLC及其网络成为计算机集成制造系统不可可或缺的基本组成部分。可编程序控制器的演变与发展n随着技术发展和市场需求的增加，PLC的结构和功能不断改进，产品的生命周期缩短，生产厂家不断推出功能更强的PLC新产品，平均35年就更新换代一次。为了适应大、中、小型企业的不同需求，进一步扩大PLC在自动化领域中的应用范围，现代PLC技术发展总的趋势是两极分化，同时尽量做到系列化、通用化和高性能化。两极分

9、化是指PLC的组成规模（I/O点数和存储器容量）向大型和微小型两个方向发展。其一是向体积更小、速度更快、功能更强、价格更低的微小型PLC方向发展，使之能更加广泛地替代传统的继电器控制系统。随着应用范围扩大和为适应用户不同的投资规模，小型PLC由整体结构向小型模块化结构发展，以增加配置的灵活性。可编程序控制器的演变与发展n其二是向大型化（开关量控制点达几千点）、多功能方向发展，使其能取代工业控制微机（IPC）、集散控制系统（DCS）的功能，对大规模、复杂的系统进行综合控制。大型PLC由于采用功能强大的高档微处理器（如 16位、32为微处理器），处理速度快，同时存储容量大大增加，并且完善了输入输出

10、系统；推出多种智能化I/O模块，以满足快速响应、闭环控制、复杂控制等特殊要求；采用了多种编程语言和先进的指令系统，增强了系统的控制能力和数据处理能力，例如，PID控制、数据文件传递、浮点运算功能等。可编程序控制器的演变与发展n强化通信能力和网络化是大型PLC发展的一个重要方面：向下将多个PLC、多个I/O机架相连：向上与以工业以太网等相连，构成整个工厂自动化网络。有的PLC还支持快速的现场总线通信（常见的有Profibus， Device Net， Modbus等）。PLC十网络十IPCSCADA（监控软件）已成为一种非常流行的PLC应用方式。当然，PLC的未来发展不仅依赖于新产品开发，还在于

11、PLC与其他工业控制设备和工厂管理技术的综合。无疑，PLC将在今后的工业自动化中扮演越来越重要的角色。可编程序控制器系统的分类、性能n可编程序控制器的性能指标PLC的性能指标nPLC的性能指标可分为硬件指标和软件指标两大类，硬件指标包括环境温度与湿度、抗干扰能力、使用环境、输入特性和输出特性等；软件指标包括扫描速度、存储容量、指令种类、编程语言等。这样划分显得不繁琐，为了简要表达某种PLC的性能特点，通常用以下指标来表达。编程语言n编程语言 PLC常用的编程语言有梯形图语言、助记符语言、流程图语言及某些高级语言等，目前使用最多的是前两者。不同的PLC可能采用不同的语言。n指令种类 指令种类的多

12、少反映了PLC的编程功能。I/O接口端点数nI/O接口端点数 PLC的输入和输出量有开关量和模拟量两种。对于开关量，I/O用最大I/O点数表示，而对于模拟量，I/O点数则用最大I/O通道数表示。nPLC内部编程元件的种类和点数。 PLC内部编程元件的种类包括辅助位存储单元、特殊位存储单元、定时器、计数器、移位寄存器等。PLC内部编程元件的点数是PLC编程能力的一种体现。用户程序存储量n用户程序存储量 用户程序存储器用以存储通过编程器输入的用户程序，其存储量通常是以字为单位来计算的。约定16位二进制数为一个字（注意：一般微处理机是以8位为一个字节）的，每1024个字为1K字。中小型PLC的存储容

13、量一般在8K以下，大型PLC的存储容量有的已达256K字以上。n程序指令扫描速度 以msK字为单位表示。例如：20msK字，表示扫描1K字的用户程序需要的时间为20ms。这一性能指标直接反映了PLC执行程序的速度。工作环境n工作环境 一般能在下列条件下工作：温度055oC，湿度小于85（无结霜）。n特种功能 有的PLC还具有某些特种功能，例如自诊断功能、通信联网功能、监控功能、特殊功能模块、远程10能力等。其他还能列出其他一些指标，比如输入输出方式、某些主要硬件（如CPU。存储器）的型号等。可编程序控制器系统的分类、性能n可编程序控制器的分类可编程序控制器系统的分类n按PLC性能来划分，可将其

14、大致分为微型机、小型机、中型机、大型机四种。4种类型的区别主要体现在指令系统、指令执行速度、各种指令总数、存储器容量、程序容量、输入输出端口容量、通讯功能等指标。可编程序控制器系统的分类n微型机、小型机具有逻辑运算、定时、计数等功能，有的还增设模拟量处理、算术运算、数据传送等功能，可实现逻辑、顺序、计时计数控制等。n中型机PLC除了以上的功能外，还具有较强的模拟量输入输出、算术运算、数据传送等功能，可完成既有开关量又有模拟量控制的任务。n大型机除具有中型机的功能外，增设有带符号算术运算、矩阵运算等，使运算能力更强，还具有模拟调节、联网通信、监视、记录和打印等功能，使PLC的功能更多更强，能进行

15、智能控制、远程控制、大规模控制，构成分布式控制系统，成为整个工厂的自动化网络。随着PLC的发展，对PLC的分类也将会有相应的改变，使其更科学更严密。可编程序控制器结构形式n可编程序控制器按结构形式的不同，可分为整体式PLC、模块式PLC和集成的PLC（俗称软PLC）等3类。整体式PLCn整体式PLCn整体式可编程序控制器 整体式PLC是将其电源、中央处理器、输入输出部件等集中配置在一起，有的甚至全部安装在一块印刷电路块上，装在一个箱体内，通常称为主机，例如西门子公司的S7系列S7-200PLC、三菱公司的FX系列PLC。整体式结构紧凑、体积小、质量小、价格低，但其主机I/O的点数固定，因而使用

16、不灵活，小型PLC常使用这种结构。模块式PLCn模块式PLCn模块式（积木式）可编程序控制器 它把PLC的各部分以模块形式分开，如电源模块、CPU模块、输入模块、输出模块等，把这些模块插入机架底块上，组装在一个机架内。这种结构配置灵活，装配方便，便于扩展。一般中型和大型 PLC常采用这种结构，例如西门子公司的S7系列S7-300，S7-400，PLC、三菱公司的A2，A3，Q系列PLC等，这种结构较复杂，造价高。集成的PLCn集成的PLCn集成的PLC又称软PLC，就是用软件和PC兼用的硬件来实现PLC功能。通常情况下，该PC机在运行时将变成专用的控制器，停止大部分的人机交互工作。其主要形式有

17、以下两种。PC机上安装实时多任务操作系统来分时处理PLC的逻辑控制功能和其他人机交互功能。PC总线上插上一块协处理器板来处理PLC逻辑功能。实时数据通过总线和共享的内存传递给PC机。可编程序控制器结构形式n无论是整体式PLC还是模块式PLC，都可以根据用户需要进行配置与组合。n例如，西门子公司的S7200整体式PLC， I/O点数在24168点范围内有多种组合方式，用户可以优选最适合自己的一种配置。模块式PLC则在I/O配置上更方便、更灵活，装有CPU模块的机架称为基本机架，其他为扩展机架，不同厂家生产的PLC、不同系列产品在每个机架上可插放的模块数量不同，一般为310块，可扩展的机架数也不同

18、，一般为28个机架。基本机架和扩展机架之间的距离不宜太长，一般不超过10m，一些PLC系统还有远程I/O模块，可联网应用。 IPLCnPC机经典的应用是数据处理和人机接口，包括用作PLC编程器、操作站或人机接口终端。随着现代PC技术的发展，PC正在迅速地进入直接控制领域，软PLC也就逐步流行起来。它的最初形式是将PLC和工业控制计算机有机地结合在一起构成一种新的控制装置，称为集成的PLC（IPLC）。机械系统的驱动与控制 可编程序控制器组成与工作原理可编程序控制器组成n可编程序控制器的基本结构n总线 可编程序控制器的结构n从可编程序控制器的定义可知，可编程序控制器是用作为控制器的自动控制系统，

19、是工业计算机控制系统，它既可进行开关量的控制，也可实现模拟量的控制。因而PLC有着与通用计算机相类似的结构，即可编程控制器也是由中央处理器（ CPU ）、存储器、输入输出（I/O）接口及电源组成的，只不过它比一般的通用计算机具有更强的与工业过程相连的接口能力和更直接的适应控制要求的编程语言。 可编程序控制器的基本结构n可编程序控制器的基本结构如图43所示，其特点是模块+总线的结构形式。可编程序控制器系统以CPU模块为核心控制器，通过PLC总线互联各个I/O模块和功能模块，通过总线实现模块间的数据信息、控制信息交互。 n CPU单元是由通用微处理器、单片机或位片式计算机组成的，且具有存储器、及总

20、线接口。n 各个I/O模块和功能模块是完成PLC与外部控制对象信息交换。将组成PLC的各种模块，组件按产品体系进行分类，可得到下述的产品分类可编程序控制器控制系统结构框图电源模块通信模块编程单元输出模块（A/O）输入模块（AI）输出模块（DO）输入模块（DI）CPU模块CPU电路存储器电路模块控制电路总线驱动电路串行通信PLC总线HMI模块模拟量控制驱动单元模拟量传感器信号开关量控制对象开关量信号输入总线n总线实际上是一组导线，是各种公共信号线的集合，用于作为计算机中所有各组成部分交互信息共同使用的通道。 这组导线的信号种类、电气参数规范以协议标准形式颁布实施，使得各个制造厂商可按此标准开发制

21、作各个功能模块，具有互换兼容功能。总线有并行总线与串行总线之别。串行总线通讯时，使用单根导线分时传送数字信号；并行总线则是多根导线同时传递数字信号，数字信号的位数决定了导线数。PLC总线的数据都是以并行方式传送的，传送的速度和驱动能力随CPU 模板上驱动器的不同而异。 总线n计算机并行总线中有三种信号总线，它们是：n( 1 ) 数据总线(DB,Data Bus) 数据总线用来传输数据信息，是双向总线， CPU既可通过DB从内存或输入设备读入数据，又可通过DB将CPU内部数据送至内存或输出设备。n( 2 ) 地址总线(AB,Address Bus) 地址总线用于传送CPU发出的地址信息，是单向总

22、线。目的是指明与CPU交换信息的内存单元或I/O设备。n( 3 ) 控制总线(CB,Control Bus) 控制总线用来传送控制信号、时序信号和状态信息等。其中有的是CPU向内存和外设发出的信息，有的则是内存或外设向CPU发出的信息。总线n双向总线CB传递信号瞬间，其方向是单向的，或是由CPU模块指向外部功能模块；或是由功能模块指向CPU模块。其流向是受CPU模块控制的，所以在各种结构框图中，凡涉及到控制总线CB, 均以双向线表示。n 总线是沟通 PLC中各个功能模板的信息通道，它的正常工作并不单是各个模板插脚之间的连线，还需要包括驱动总线的驱动器电路及其保证总线正常工作的控制逻辑电路。总线

23、nPLC的各个制造厂商为了保护其关键技术，开发制订了各自的总线规范，对总线标准进行保密。故此，尽管其总线基本结构与微型计算机是一样的，含有3个类型信号，但是各个制造厂商的可编程序控制器模块不能互换兼容。n对于一种型号的 PLC 而言，总线上各个插脚都有特定的功能和含义，但对不是同型号的 PLC 而言，总线各个插脚的含义不完全相同（到目前为止，国际上尚没有统一的标准）。机械系统的驱动与控制 可编程序控制器系统及功能模块可编程序控制器系统模块nCPU模块单元（CPU）n数字量输入模块单元（DI）n数字量输出模块单元（DO）n模拟量输入/输出模块单元（AI/AO）n智能I/O模块单元n扩展模块单元n

24、通讯模块单元n编程器单元（PG）n电源模块单元（PS）n人机交互单元（HMI）CPU模块模块n可编程序控制器的CPU模块模块是含有中央处理器、存储器、总线驱动、通讯等功能的综合结构体。CPU（Centra1 Processing Unit)是中央处理器的简称。CPU 是计算机的核心，因此它也是 PLC的核心。 n微型计算机诞生20世纪70年代初。微型计算机( Microcomputer )与其它大、中、小型计算机的区别，在于其中央处理器采用了大规模、超大规模集成电路技术，其它类型计算机的CPU模块则是由相当多的分离元件电路或集成电路所组成。n为了将这两种CPU相区别, 把微型计算机的CPU芯片

25、称为微处理器 MPU (Micro Processing Unit 或 Microprocessor )。CPU模块模块n微处理器是微型计算机的核心部件。微处理器包括算术逻辑部件ALU、控制部件和寄存器组三个基本部分，通常由一片或几片（大规模集成电路） LSI、（超大规模集成电路） VISI器件组成。CPU模块的信号流向n可编程序控制器的CPU模块的结构如图44所示，其主要功能是如下所述：n1 CPU模块对I/O模块控制功能的实现n（1）通过地址总线输出地址信号，选通所要访问的I/O模块，激活所要读写的I/O器件电路；n（2）通过控制总线直接控制所要访问的I/O器件读写操作；n（3）通过数据总

26、线与各个所要访问的I/O器件交换数据信息（读写操作内容）；CPU模块程序控制功能的实现n（1）接受和存储用户由编程器输入的用户程序和数据；n（2）在PLC系统程序的控制下，按PLC工作模式，接收来自现场的输入信号，并输入到输入过程映像寄存器和数据存储器中；从存储器中逐条读取并执行用户程序，完成用户程序所规定的逻辑运算、算术运算及数据处理等操作；根据运算结果，更新有关标志位的状态，刷新输出过程映像寄存器的内容，再经输出部件实现输出控制、诊断电源及PLC系统内部的工作状态及故障；打印制表或数据通信等功能。CPU模块中的存储器n存储器是计算机的存储和记忆部件，存储器又叫内存或主存，用以存放数据(包括

27、原始数据、中间结果和最终结果)和程序。按存储器芯片在计算机中的工作状态，可将其分2类：nROM nRAM只读存储器n（1）只读存储器（ Read Only Memory 简称ROM） 它在电路中只是能被读取，而不能写入数据，其存储器内数据是事先写入的。存储器芯片内数据在电路断电状态下不会丢失。随机读写存储器n（2）随机读写存储器（Random Access Memory 简称RAM）存储器内数据在电路中可以被读取，也可以被改写。但存储器芯片内数据在电路断电状态下会自动消去。随机读写存储器n可编程序控制器使用中，需要在线修改用户程序和在线编程要求，存储用户程序存储的存储器需要具有可读写功能。所以

28、可编程序控制器中使用随机读写存储器作为存储用户程序。为了使断电后，随机读写存储器中的用户程序能保存，在RAM电路中用锂电池作后备电源，停电后可保存数据3 5 年不变。数字量（开关量）输入模板n数字量输入模板接受现场送来的开关信号（如按钮信号、各种行程开关信号、继电器触点的闭合或打开信号等）。外部信号器件与输入模板连接，构成可编程序控制器的输入电路。n数字量输入模板的功用是将现场送来的开关信号（如按钮信号、各种行程开关信号、继电器触点的闭合或打开信号等），经光电隔离后，将电平转换成 CPU 可处理的 TTL电平。数字量（开关量）输入模板n根据输入电路的不同，外部信号器件工作的电源可以是交流电源、

29、直流电源、工作电压有AC24V、AC100V、DC24V等。所以输入模块因此分为直流输入型模板（通常是24V）和交流输入型模板（通常是 220V ）两种类型。将多个开关量信号组合就是一个数字信号，数字信号的数值表达了各个开关量信号状态的组合。输入模板与外部用户输入设备的接线方式n输入模板与外部用户输入设备的接线方式可分为汇点式输入和隔离式输入两种。汇点式输入接线方式n（1）汇点式输入接线方式 汇点式输入接线方式如图4-5a)所示。在汇点式输入接线方式中，各个输入回路有一个公共端（COM），全部输入点公用一个电源和公共端，如图 2-3 （a）所示；也可以将全部输入点分为几组每组有一个单独的电源和

30、公共端，如图 2 -3（b）所示。汇点式输入接线方式常用于直流输入模板，直流输入模板的电源也可采用由PLC内部的24V 直流电源。输入模块接线方式输入模块接线端子Ea)输入模块接线端子E1b)E2Ei外部电路外部电路COM隔离式输入接线方式n（2）隔离式输入接线方式 隔离式输入接线方式中，每一个输入回路有两个接线端子，由单独的一个电源供电，如图4-5b)。相对于电源来说，各个输入点之间是相互隔离的。隔离式输入接线方式一般用于交流输入模板，输入模板的电源则由用户提供。数字量（或开关量）输入模板电路结构n常见的直流数字量输入模板有DC24V 。图 所示为直流数字量输入模板的结构示意原理图。从图中可

31、见，它主要由输入信号处理、光电耦合/隔离、信号锁存、口地址译码和控制逻辑电路组成。模块具有CB、DB、AB总线端口形成与CPU模块的信息交互接口，这是“总线+模板”型计算机结构组织体系的通用形式。输入接口的外部设有接线端子排，便于与现场信号的连接。数字量输入模板结构CB DB ABICICICICICCBDBAB数据寄存器地址译码信号缓冲ICICICIC光电耦合状态指示端口接线排总线接线排第二讲 可编程控制器的组成和工作原理数字量输入模板结构CB DB ABICICICICICCBDBAB数据寄存器地址译码信号缓冲ICICICIC光电耦合状态指示端口接线排总线接线排第二讲 可编程控制器的组成和

32、工作原理n由CB、DB、AB 3总线形成I/O模块与CPU模块的接口，这是“总线+模板”型计算机结构组织体系的通用形式。数据寄存器电路n数据寄存器电路n数据寄存器是用于寄存信号，又称作信号锁存器。这部分电路常由若干片8D锁存器（IC电路）组成。每片电路连接8个光电耦合电路，寄存1个字节（8位）数据信号。数字量输入模板结构CB DB ABICICICICICCBDBAB数据寄存器地址译码信号缓冲ICICICIC光电耦合状态指示端口接线排总线接线排第二讲 可编程控制器的组成和工作原理n数据寄存器是用于寄存信号，又称作信号锁存器。这部分电路常由若干片8D锁存器（IC电路）组成。每片电路寄存1个数据字

33、节信号。数据寄存器是输入模板内的信号锁存电路。在读信号控制下，将外部输入信号存入该处，便于PLC的信号处理；数据寄存器电路信号关系n数据寄存器电路的信号关系：n（1）它的输入是PLC输入端口的外部开关量信号（源自光电隔离电路的输出）；n（2）它的输出是PLC总线的数据信号线（DB）。n（3）它的功用是暂存信号，具体如下：n在地址译码电路的选通信号控制下将由光电藕合器送来的外部开关量信号存入锁存器。在 CPU 模板需要读取端口信号时，按译码器确定的端口读取此端口的数据信号至PLC的数据总线上，然后由PLC的数据总线进入PLC的CPU。地址译码电路n地址译码电路 这部分电路由组合信号译码器、信号驱

34、动器及有关的总线信号组成。它接受CPU模板给出的地址信号，由此确定需要访问的相应数据寄存器，产生该数据寄存器选通信号，激活数据寄存器电路，存储光电耦合电路上的数据信号，将输入数据信号送至PLC的数据总线。数字量输入模板结构CB DB ABICICICICICCBDBAB数据寄存器地址译码信号缓冲ICICICIC光电耦合状态指示端口接线排总线接线排第二讲 可编程控制器的组成和工作原理n地址译码电路：按 CPU 模板给出的地址确定相应的信号锁存器，产生该信号锁存器选通信号，使信号锁存器电路激活，能存储光电耦合电路上的数据信号，将输入数据信号送至数据总线。地址译码电路n地址译码电路的信号关系：n（1

35、）它的输入是PLC总线的地址信号（多位二进制组成的数字信号）；n（2）它的输出是连接模块电路中各个输入数据寄存器的选通信号引脚使能控制信号；n（3）它的功用是对接受CPU模板给出的地址信号，进行地址译码，由此确定需要访问的相应数据寄存器（PI） ，通过使能控制信号选通某个数据寄存器工作，执行地址译码。它是CPU模块所执行的寻址操作，以读取某个数据寄存器（PI）所对应外部输入信号数据。n它与DB、CB总线上的信号在时间上有严格的时序关系。光电耦合电路n光电耦合电路n光电耦合电路的功用是在电气隔离的条件下，接受PLC外部开关量信号，因而它是采用光电转换原理传递信号，并实现电气隔离。光电耦合电路的输

36、出端连接数据寄存器的输入引脚，对应每个输入引脚有一个光电耦合电路。光电耦合电路由电阻R1R3、电容C、合器PT、发光管L1、稳压管ZW组成。电阻R1、R2、电容C组成模拟滤波电路；消除信号噪声。发光二极管L为外部信号电路状态指示；同时电阻R1、R2构成分压电路，设定PT输入端的信号，电压稳压管ZW为过压保护作用。数字量输入模板结构CB DB ABICICICICICCBDBAB数据寄存器地址译码信号缓冲ICICICIC光电耦合状态指示端口接线排总线接线排第二讲 可编程控制器的组成和工作原理n输入模板内带有光电耦合电路，其作用是一。实现信号传递、其作用二。使PLC与外部输入信号进行电气隔离；光电

37、耦合电路还有电平转换功能。n输入模板内还设置了多种滤波电路，以消除信号噪声；光电耦合电路n光电耦合电路的工作原理如下所述（电路中的灰色箭头代表信号的流向）光电耦合电路R1ZWSB读数据控制E +5VR30VICR2C1PT使能控制数据寄存器光电耦合器电路数据总线外部电路输入模块132L1光电耦合电路n（1）当外部开关器件闭合时，光电耦合器PT输入回路闭合，光电藕合器的原边侧电路中有电流流过，光电耦合器内的发光二极管导通发光，光电藕合器的副边侧（输出侧）的光电三极管受光激励导通，使输出端对地电压降为零电平。n（2）当外部开关器件断开时，光电藕合器输入回路断开时，电路中无电流流过，光电藕合器电路内

38、的发光二极管不发光，光电藕合器输出侧的光电三极管处于截止状态，使输出端对地电压为高电平。n（3）以上二个状态，使得光电藕合器输出侧的电压处于二个电平区；形成数字逻辑电平：“1”、“0”。光电耦合电路n（1）当外部开关器件闭合时，光电耦合器PT输入回路闭合，光电藕合器的原边侧电路中有电流流过，光电耦合器内的发光二极管导通发光，光电藕合器的副边侧（输出侧）的光电三极管受光激励导通，使输出端对地电压降为零电平。n（2）当外部开关器件断开时，光电藕合器输入回路断开时，电路中无电流流过，光电藕合器电路内的发光二极管不发光，光电藕合器输出侧的光电三极管处于截止状态，使输出端对地电压为高电平。n（3）以上二

39、个状态，使得光电藕合器输出侧的电压处于二个电平区；形成数字逻辑电平：“1”、“0”。光电耦合电路n（4）当外部开关器件闭合时，在光电耦合输入回路闭合同时，发光二极管L导通，指示外部信号电路状态为接通状态；n（5）当外部开关器件断开时，光电耦合输入回路断开，发光二极管L无电流流过，不发光，指示外部信号电路状态为断开状态。数字量输入模板结构CB DB ABICICICICICCBDBAB数据寄存器地址译码信号缓冲ICICICIC光电耦合状态指示端口接线排总线接线排第二讲 可编程控制器的组成和工作原理n输入接口的外部设有接线端子排，便于与现场信号的连接。数字输入模板结构及信号流向示意图端口地址译码电

40、路数据寄存器电路信号光电耦合电路数据寄存器电路信号光电耦合电路数据寄存器电路信号光电耦合电路数据寄存器电路信号光电耦合电路模板控制逻辑电路DBABCB接线端子PLC总线接口PI直流数字量输入模块电路工作原理总结n直流数字量输入模块电路工作原理总结n数字量输入模块是PLC接受外部数字量信号的功能电路，其电路主要特点是：1. 由外部开关量器件与接口电路组成信号回路，形成外部输入信号；2. 外部输入信号经光电耦合信号处理电路进入模块内部电路；3. 通过PLC的控制总线接受对端口信号锁存电路的选通控制；4. 外部数字量信号被寄存在端口信号锁存电路（8D数据寄存器）5. 通过PLC的数据总线将外部数字量

41、信号传递至CPU单元。交流数字量输入模板n交流数字量输入模板n交流数字量输入模板的电路与直流数字量输入模板是很相似的唯一不同之处是增加由整流元件组成的换流电路。n 交流输入信号经过整流桥 VD 整流后，形成直流信号。由于交流信号不存在极性问题，故施加到光电耦合器的直流电压仅与整流桥的方向有关。电阻 R 是降压电阻（限制施加到光电藕合器上的电压幅值）电阻 R3 和电容 C是交流输入信号 220V 的交流滤波电路，用以滤除其中的高频或尖峰脉冲干扰信号。 交流数字量输入模板n交流输入信号经过整流桥 VD 整流后，形成直流信号。由于交流信号不存在极性问题，故施加到光电藕合器的直流电压仅与整流桥的方向有

42、关。n电阻 R 是降压电阻（限制施加到光电藕合器上的电压幅值）n电阻 R3 和电容 C是交流输入信号 220V 的交流滤波电路，用以滤除其中的高频或尖峰脉冲干扰信号。 n 关键词 高频或尖峰脉冲干扰信号R3CVD电源数字量（开关量）输出模块 n由 PLC 产生的各种输出控制信号经输出接口去控制和驱动负载（如指示灯的亮或灭，电动机的启停或正、反转，设备的转动、平移、升降，阀门的开启、关闭等）。所以 PLC 输出接口所带的负载通常是接触器的线圈、电磁阀的线圈、信号指示灯等。n 同输入接口一样，输出接口的负载有的是直流量，有的是交流量，要根据负载性质选择合适的输出接口。针对不同类型的输出接口，配之以

43、不同的驱动电路。数字量输出模板的外部接线方式n数字量输出模板的外部接线方式n数字量输出模板与外部用户输出设备的接线方式可分为汇点式输出接线和隔离式输出接线两种形式。 输出模板的外部接线方式输出模块接线端子Ea)输出模块接线端子E1b)E2Ei外部电路外部电路COM汇点式输出接线方式n汇点式输出接线方式 汇点式输出接线方式如图49a)所示。在汇点式输出接线方式中，各个输出回路公用一个公共端和一个电源，只有一个公共端（ COM ）。也可以将全部输出点分为几组，每组有一个公共端（ COM ）和一个单独的电源，如图所示。 隔离式输出接线方式n隔离式输出接线方式 隔离式输出接线方式如图4-9b) 所示。

44、在隔离式输出模板中，每个输出回路有两个接线端子，由单独一个电源供电。相对于电源来说，每个输出点之间是相互隔离的。 多组式汇点式输出n由于实际工程中所使用的控制电器类型较多，工作电压不同。所以通常PLC输出模块的接线方式是多组式汇点式输出。数字量输出模板的负载电源可以是直流，也可以是交流，它必须由用户提供。汇点式输出接线可用于直流输出模板，也可以用于交流输出模板。直流数字量输出接口模板电路结构n直流数字量输出接口模板电路结构n输出接口模板电路结构如图4-10所示，可分为译码、控制逻辑、信号锁存、光电隔离和输出驱动 5个部分。前 4个部分与直流数字量输入模板电路非常相似，所不同之处主要是数据流向相

45、反。数字输出模板结构及信号流向示意图端口地址译码电路数据寄存器电路信号光电耦合电路数据寄存器电路信号光电耦合电路数据寄存器电路信号光电耦合电路数据寄存器电路信号光电耦合电路模板控制逻辑电路DBABCB接线端子PLC总线接口信号驱动电路信号驱动电路信号驱动电路信号驱动电路PQ地址译码电路n地址译码电路：n与输入模块一样，这部分电路同样由组合信号译码器、信号驱动器及有关的总线信号组成。它接受CPU模板给出的地址信号，由此确定需要访问的相应数据寄存器，产生该数据寄存器选通信号，激活数据寄存器电路，将源自PLC数据总线上的数据信号传至光电耦合电路的输入端。地址译码电路n地址译码电路的信号关系：n（1）

46、它的输入是PLC总线的地址信号；n（2）它的输出是对某个端口芯片的选通信号使能控制信号；n（3）它的功用是输出数据寄存器（PQ）地址译码；数据寄存器电路n数据寄存器电路n 数据寄存器电路的主要作用是在译码电路送来的选通信号控制下，将由PLC总线的数据信号线上的输出信号存入选定的端口数据寄存器电路；此后将信号传至光电耦合电路和驱动电路完成信号的传递和输出。n 这部分电路由若干片数据寄存器电路组成。每片电路寄存1个字节的数据信号（8位2进制信号），其外接8个光电耦合电路。数据寄存器电路的信号关系n数据寄存器电路的信号关系：n（1）它的输入是PLC总线的数据信号线； n（2）它的输出是光电耦合电路。

47、n（3）它的功用是暂存输出信号； 光电耦合电路n光电耦合电路n在数字量输出模块中，光电藕合电路连接信号锁存电路的输出端，传递驱动电路的控制信号。其功用是在电气隔离的条件下，将CPU单元的输出信号经驱动电路放大送至PLC外部数字量接口电路，因而它采用光电转换原理传递信号，同时对外控制电路实施电气隔离作用。光电藕合电路的信号关系n光电藕合电路的信号关系：n（1）光电藕合电路的输出是PLC输出端口驱动电路器件；n（2）光电藕合电路的功用是传递信号，电气隔离；n（3）光电藕合电路的输入是输出模板中的数据寄存储器电路。输出驱动电路类型n输出驱动电路类型n输出和输入模板的最大不同有输出驱动电路，它也是输出

48、模板的主要部分。输出驱动电路对外部信号的作用犹如一个“开关触点”，串接在外部控制电器的控制回路中。在源自光电藕合电路的控制信号作用下，形成开关触点的通断响应，将PLC输出的“1”、“0”信号转换成了外部电路的通断控制。输出驱动电路的不同形式构成了不同的输出方式，可以配适不同的控制电器。输出驱动电路类型n输出模块驱动电路类型 数字量模块驱动电路类型分为：晶体管输出型、双向晶闸管、继电器输出型3种。晶体管输出型n1）晶体管输出型 晶体管输出型适用于小电流工作的直流负载，具有高速运行特点，其最高工作频率可达20KHZ100KHZ（1KHZ=1000HZ），其接口电参数有CMOS电平和 TTL电平等标

49、准。双向晶闸管（可控硅）输出型n2）双向晶闸管（可控硅）输出型 双向晶闸管（可控硅）输出型适用于交流负载，工作寿命长。它具有一定的功率驱动能力，其最高工作频率低于晶体管输出型。继电器输出型n3）继电器输出型 继电器输出型既可用于直流负载，又可用于交流负载，使用时，只要外接一个与负载要求相符的电源即可，因而采用继电器输出型，对用户显得方便和灵活，但由于它是触点机械动作形成的接通、断开操作，所以其工作频率不能很高，工作寿命不如无触点的半导体元件长。其工作时，每秒通断频率不大于10HZ继电器型输出模板n继电器型输出模板 该电路主要是将光电藕合电路的输出侧接入继电器的激磁线圈回路，光电耦合器的输出信号

50、直接控制继电器的激磁回路的通断。继电器型输出模板工作原理n其电路结构如图411所示，其信号流向是：n信号锁存器电路的输出端连接光电耦合电路的原边侧；光电耦合电路的原边侧LED二极管与信号锁存器输出端电路构成信号回路。n光电耦合电路的副边侧光电三极管与继电器的激磁线圈构成驱动信号回路。数字量输出模块电路结构（继电器）IC2W驱动接口电路CPU单元背部总线24VL10VPTR1R2KA光电耦合电路5V0V数据寄存器信号流向继电器型输出模板工作原理n当信号锁存器输出为“1”时，信号回路内电流流动，LED二极管被驱动发光。LED二极管的驱动发光，引起光电耦合电路的副边侧光电三极管导通。进而继电器的激磁

51、线圈导通，使继电器的常开触点闭合，外部控制回路导通，执行某个操作内容。n电路中的L为LED发光二极管，用于指示输出信号状态，被安装于模块的面板处。R1是限流控制，R2是指示输出信号电路限流控制。继电器型输出模块驱动能力n输出模块驱动能力决定于继电器输出触点的额定电压与电流参数，即继电器触点闭合时可通过的最大电流和触点打开时可承受的最高电压。 继电器输出型接口在 250V AC 以下电路电压时，可驱动的负载能力为：n纯电阻负载为 2A / 1 点；感性负载为 80VA 以下（ AC 100V 或 AC 200V ) ；n灯负载为 100W以下（ AC 100V 或 AC 200V ）。n继电器输

52、出型接口响应时间最慢，从输出继电器的线圈得电（或断电）到输出触点 ON （或 OFF）的响应时间均为 10ms。晶体管输出型模板的工作原理n晶体管输出型模板的驱动电路n晶体管输出型模板电路结构如图4-12所示，其电路信号流向是：信号锁存器输出端连接光电耦合电路的原边侧，光电耦合电路的原边侧内LED二极管与信号锁存器输出端电路构成信号回路。n光电耦合电路的副边侧光电三极管与晶体管的输入端构成驱动控制信号回路。晶体管的输出端直接与外部控制电器形成控制回路。n该电路的控制过程与继电器型相似。由于其驱动能力小，一般是用于电子电路的控制驱动。数字量输出模块电路结构（晶体管）IC2W外部器件接口电路背部总

53、线光电耦合电路L10VPTR1R2晶体管电路E负载24V0V5VCPU单元数据寄存器晶体管输出型模板的驱动能力n晶体管输出型模板的每个输出点的最大带负载能力为0.5A ，但是因为有温度上升的限制，每4点输出总电流不得大于0.8A （每点平均0.2A ）。n晶体管输出型的接口其响应速度较快，从光电藕合器动作（或关断）到晶体管导通的时间为 2s 以下。 双向晶闸管输出型模板n双向晶闸管或双向可控硅输出型模板的驱动电路n晶闸管输出模块电路结构如图413所示。它的主要开关元件是双向晶闸管 VT 。VT可看作两个普通晶闸管的反并联（但其驱动信号是单极性的），只要门极 G 为高电平，就使 VT 双向导通，

54、从而接通 220V 交流电源向负载供电。双向晶闸管输出型模板工作原理n该电路的特点是在光电耦合电路的控制下，驱动双向晶闸管的导通与断开，控制外部控制回路的通断。n其电路信号流向是：信号锁存器输出端连接光电耦合电路的原边侧,光电耦合电路的原边侧内LED二极管与信号锁存器输出端电路构成信号回路。光电耦合电路的副边侧光电三极管与可控硅点火脉冲驱动电路构成驱动控制信号回路。图中电容 C作为高频滤波电容，可抑制高尖峰电压击穿 VT。串接电阻R是限制 VT 由截止转为导通的瞬间，因电容的高速放电产生过大的di / dt。该电路的控制过程与继电器型相似。数字量输出模块电路结构（可控硅）外部器件接口电路IC2

55、W0VPTR1E负载24V0V5VR2L1光电耦合电路L2R3R4驱动电路故障诊断电路信号流向C1VT数据寄存器双向晶闸管输出型模板工作原理nL2、R2、熔丝FU构成外部输出回路短路故障检测报警电路。当外部输出回路短路，熔丝动作熔融，引起电路断路，电流流过上侧，使L2通电流驱动二极管发光，报警。正常时，电流流过熔丝，上侧电路两侧无压降，故L2无电流。双向晶闸管输出型模板的驱动能力n双向晶闸管输出型：每点最大带负载能力为0.51A ，每4点输出总电流不得大于1.6 4A 。双向晶闸管输出型的响应速度中等，从晶闸管门极驱动到双向晶闸管导通的时间为 lms 以下。 直流数字量输出模块电路工作原理总结

56、n直流数字量输出模块电路工作原理总结n通过PLC的控制总线接受对端口信号锁存电路的选通控制；nPLC的输出数据信号由数据总线传递至端口信号锁存电路（8D寄存器）n数字量信号被寄存在端口信号锁存电路（8D寄存器）n输出数据信号经光电耦合信号处理电路进入驱动电路；n由外部开关量器件与驱动电路组成信号回路，形成外部输粗信号；n其信号锁存电路的地址识别符号为（PQ）。PLC 模拟量输入/输出模板模拟量输入/输出模板的功用n模拟量输入/输出模板的功用。 模拟量输入接口模块的任务是把现场中被测的模拟量信号转变成 PLC 可以处理的数字量信号。模拟量输出接口模板的任务是输出模拟量控制信号，用于驱动控制现场设

57、备，如加热设备、直流电机调速驱动单元，交流变频调速电机单元等。生产现场信号处理要求n通常生产现场的信号处理要求有几种：n需要处理多路模拟量信号；因而模拟量输入/输出接口模板具有多个信号处理通道。n多路模拟量信号的信号参数不一致，模板需要有信号调理电路处理调整信号参数。n由于信号电路存在共模干扰信号和串模干扰信号，必须采用相关的抗干扰技术措施。模拟量输入/输出模板电路结构n模拟量输入/输出模板电路结构 模拟量输入/输出接口模板的基本结构特点是：n电路分模拟信号部分和数字信号部分，两者之间依靠数据转换电路A/D、D/A器件完成模拟信号与数字信号信号的转换功用。n数字信号部分电路中包含有信号光电耦合

58、/隔离、信号锁存、口地址译码和控制逻辑电路组成。n模拟信号部分电路中包含有输入信号调理、信号采样/保持电路、控制电路等。模拟量输入接口模板电路结构及信号流向多路转换模拟开关电路数据输出寄存器A/D转换控制逻辑电路A/D电路电路地址译码数据信号控制信号模拟信号输入数字信号输出信号转换S/H电路S/H电路S/H电路S/H电路信号调理信号调理信号调理信号调理模拟信号部分电路的工作原理n由于数字信号部分电路与数字量信号模块工作相似，故不作详述。而主要讨论模拟信号部分电路的工作原理。模拟量模块信号隔离电路结构n为了提高模拟信号处理模块的抗干扰能力，需要使用电气隔离技术。由于模拟信号电路的接口端与外部模拟

59、量器件直接相连，故此其隔离方法有两种：n（1）在模板与外部信号连接端采取电气隔离技术，这需要有采用成本较高的隔离放大器来实现隔离作用。外部信号与模拟量模块的模拟电路部分无联系，故抗干扰效果好，故电磁兼容性好，但成本高。n（2）在A/D转换电路后级输出端、或D/A转换电路前级输入端采用多路光电耦合器来实现隔离作用。外部信号与模拟量模块的模拟电路部分有联系，容易受到干扰，故电磁兼容性差，但成本低。模拟信号输入模板的工作原理n模拟信号输入模板的工作原理n模拟信号输入电路是用于模拟量输入模块。模拟信号输入电路按功能可划分成输入信号调理电路、信号采样/保持电路、控制电路等。n（1）输入信号调理电路的输入

60、端连接外部信号电路；输出端是连接信号采样/保持电路。信号调理电路功用是：n1。转换参数选择：转换参数是电压信号转换与电流信号转换；不同的电压转换范围。n2，信号滤波作用。信号采样/保持电路n（2）信号采样/保持电路的输入端是信号调理电路，输出是A/D转换电路芯片的输入端。信号采样/保持电路在控制电路的作用下，完成信号采样/保持功用，信号采样/保持电路的工作特点是瞬时采样，然后在两次采样期间能保持其输出端信号电压不变。数据转换电路A/D的输入端信号采样/保持电路n数据转换电路A/D的输入端信号采样/保持电路，通常生产现场可能有多路模拟量信号需要采集，故此A/D的输入端有多路通道可以接受多路模拟信