第六章PLC硬件系统

第六章可编程控制器的硬件系统

CPM*6.1PLC的基本组成6.2PLC的工作方式6.3CPM*系列PLC简介6.4PLC编程元件一、PLC的硬件组成1.中央处理单元CPU2.存储器3.输入/输出模块4.电源部件5.扩展端口6.外部设备端口7.编程工具6.1PLC的基本组成图6—1PLC组成结构示意图

1．中央处理器(CPU)接收、存储由编程工具输入的用户程序和数据。检查、校验用户程序。对正在输入或执行的用户程序，若发现错误，则立即报警，停止程序输入或程序的执行。接收现场输入装置的信号和数据，并存入输入映像寄存器。执行用户程序。根据用户程序存放的先后顺序，从存储器中逐条读取指令，经译码后，完成用户程序中规定的各种任务，更新输出映像寄存器的内容；将输出映像寄存器的内容存入输出锁存器，以驱动PLC外部的外部负载。故障诊断。诊断电源、PLC内部电路的故障，通过显示器显示相应的故障信息，提示用户及时排除故障。1．中央处理器(CPU)目前，PLC中的CPU通常采用以下几种形式：

（1）通用处理器：8086、80286、80386（2）单片机芯片：8051、8096等，小型PLC大多数采用8位单片机，中型PLC大多数采用16位甚至32位单片机

（3）位片式微处理器：AMD-29002．存储器(RAM)

随机存取存储器：可读可写，没有断电保持功能。(ROM)只读存储器：只读，不能写。(EPROM)可擦除可编程序的只读存储器：非易失性.用紫外线照射芯片上的透镜窗口，可以擦除已写入的内容,写入新内容。(EEPROM)电可擦除：兼有ROM的非易失性和RAM的随机存取的优点.但价格比较高。RAM存放用户程序ROM存放系统程序3．输入、输出模块输入、输出模块是PLC与被控设备的连接部件。

输入模块通过输入端子接收现场设备的控制信号（包括开关量和模拟量），如控制按钮、限位开关、传感器信号等，并把这些信号转换成CPU能处理的数字信号。

输出模块则接收经中央处理器处理后的数字输出信号，并把它转换成被控设备能接收的电压或电流信号，以驱动被控装置（包括开关量和模拟量），如电磁阀、接触器、信号灯等。

（1）开关量输入模块工作原理是:当S闭合时光电耦合器T导通，LED点亮。此时A点为高电平,该电平经滤波器送到内部电路中。当CPU访问该路信号时,将该输入点对应的输人映像寄存器状态置1。图6.2直流输入单元的电路LED亮，表示该点的外电路接通（1）开关量输入模块工作原理是:电容器C为隔直电容,对交流相当于短路。光电耦合器有效地防止现场的强电干扰进入PLC，因此PLC具有很强的抗干扰能力。图6.3交流输入单元的电路（2）开关量输出模块工作原理是:当对应于晶体管T2的内部继电器的状态为1时,通过内部电路使T1导通,从而使T2饱和导通,因此负载得电。

晶体管为无触点开关,所以此单元使用寿命长,响应速度快图6.4晶体管输出单元的电路负载为感性时,须并接续流二极管LED亮，表示该输出点状态为1（2）开关量输出模块工作原理是:当对应于光控双向晶闸管T的内部继电器的状态为1时,发光二极管导通发光,使T导通,负载得电。R2、C构成阻容吸收保护电路，熔断器FU防止短路时损坏PLC图6.5双向晶闸管输出单元的电路负载电源可以选用直流或交流。（2）开关量输出模块工作原理是:J为一个小型直流继电器，当对应于J的内部继电器状态为1时,J得电吸合,其常开触点闭合,负载得电。继电器触点寿命一般为10~30万次,不适合频繁通断的场合图6.6继电器输出单元的电路负载电源可以选用直流或交流。

4．电源

PLC的电源分三类：外部电源

用于驱动PLC的负载和传递现场信号，又称用户电源。内部电源

PLC的工作电源，电源部件将外部提供的交流电转换成PLC内部正常工作所需的直流电，有时也作为现场输入信号的电源。后备电源

在停机或突然失电时，保证RAM中的信息不丢失。

5．扩展端口

大部分PLC都有扩展端口。主机（基本单元）可以通过扩展端口连接I/O扩展单元来增加I/O点数,也可以通过扩展端口连接各种特殊功能单元以扩展PLC的功能。

6．外部设备端口

一般PLC都有外部设备端口。通过外部设备端口,PLC可与各种外部设备连接。例如,编程器、打印机、显示器、EPROM写入器和盒式磁带机等，有的PLC可以通过外部设备端口与其他PLC、上位计算机进行通信或加入各种网络等。

7．编程工具

编程工具的主要作用是用来编辑程序、调试程序和监控程序的执行,还可以在线测试PLC的内部状态和参数,与PLC进行人机对话等。

（1）编程器：（2）计算机编程软件二、PLC的软件组成PLC的软件包括系统软件和应用软件。

1．系统软件

系统软件是由PLC生产厂家编制的，用来管理、协调PLC的各部分工作，充分发挥硬件功能的程序。通常被固化在ROM中与PLC一起提供给用户。系统程序一般包括以下功能：

（1）初始化

（2）系统自诊断

（3）命令识别与处理

（4）用户程序编译

（5）模块子程序及调用管理

2．应用软件用户根据控制对象和解决问题不同，所编制的应用程序不同。

二、PLC的软件组成

PLC的软件包括系统软件和应用软件。

1.

系统软件是由PLC生产厂家编制的，用来管理、协调PLC的各部分工作，充分发挥硬件功能的程序。通常被固化在ROM中与PLC一起提供给用户。系统程序一般包括以下功能：

（1）初始化系统程序在PLC上电或复位时，首先对各模块进行登记、分配地址，做初始化，为系统的管理和运行做好准备。

（2）系统自诊断

PLC在执行用户程序前，对CPU、存储器、电源、输入和输出模块进行故障诊断，若自诊断发现异常则转入处理程序，停机并显示故障代码。

（3）命令识别与处理

系统程序不断监视键盘，接收由键盘发给PLC的每一个操作命令并加以解释，然后按命令去完成相应的操作，并将结果显示给操作人员。

（4）用户程序编译

用户程序送入PLC以后，首先由系统编译程序对其进行编译，变成CPU可以识别执行的指令码程序后，才被存入用户程序存储器，同时还要对输入的用户程序进行语法检查，发现错误立即返回提示信号。

（5）模块子程序及调用管理

有些生产厂家为了方便用户编程，向用户提供了一些子程序模块，每个模块具有一定的功能和调用条件，用户需要时只需按调用条件进行调用即可，而不必另外编写。

2．应用软件：用户根据控制对象和解决问题不同，所编制的应用程序是不同的

图6.7

PLC的内部等效电路

6.2PLC的工作方式

PLC等效电路可分为三个部分：输入部分、内部控制电路和输出部分。

（1）输入部分

这部分的作用是收集被控设备的信息和操作命令，它由外部输入信号、输入接线端子和输入继电器组成。一个输入端子对应一个输入继电器。输入继电器由输入端的外部信号来驱动。输入继电器可以提供任意个动合触点和动断触点供PLC内部控制电路（即编程时）使用。

（2）内部控制电路

该电路的作用是根据用户规定的逻辑关系，对输入信号和输出信号的状态进行运算、处理和判断，然后得到相应的输出。这部分由用户根据控制要求编制的程序组成。用户程序通常用梯形图来表示，梯形图类似继电接触器控制电路的电气原理图，只是梯形图中的器件及它们的触点用编程软件实现的（虚拟的），没有实际连线。

（3）输出部分输出部分由输出继电器的一个外部动合触点、输出接线端子和外部电路组成，其作用是驱动外部负载。

图6.8三相异步电动机起/停控制电路举例：图6.9用PLC实现三相异步电动机起/停控制2.PLC的工作方式

中、小型PLC采用周期性循环扫描的工作方式，包括输入采样、程序执行、输出刷新三个阶段。图6.10

PLC执行程序过程

（1）输入采样阶段

当PLC开始工作时，微处理器首先扫描各输入点，将输入点的状态（接通为“1”，断开为“0”）读入输入映像寄存器中储存，这一过程称为输入采样阶段。

（2）程序执行阶段

PLC在程序执行阶段，一般从用户程序存储器的最低的地址（0000）存放的第一条指令开始，按地址递增的方向顺序扫描（即从上至下，由左至右），分别从输入映像寄存器和输出映像寄存器中获取所需数据进行逻辑处理和算术运算，再将运算的结果写入输出映像寄存器中保存。

（3）输出刷新阶段程序执行阶段开始，每一步所得到的输出信号被送到输出映像寄存器中，但并没有送到输出锁存电路，相当于输出信号被输出门阻隔，待全部程序执行完后，输出映像寄存器中的内容送到输出锁存电路，再去驱动用户输出设备，这才是PLC的真正输出控制。3.PLC的I/O滞后现象

由于PLC采用循环扫描的工作方式,集中输入集中输出，因此会产生I/O滞后现象。此外，还与下面的因素有关。

(1)输入滤波器对信号的延迟作用。由于PLC的输入电路中设置了滤波器,滤波器的时间常数越大,对输人信号的延迟作用越强。从输入端ON到输入滤波器输出ON所经历的时间为输人0N延时(CPM1A系列默认设置时间为8ms)。(2)输出继电器的动作延迟。对于继电器输出型的PLC,把从输出锁存器ON到输出触点ON所经历的时间称为输出ON延时,一般需十几毫秒。所以,在要求输入/输出有较快响应的场合,最好不要使用继电器输出型的PLC。

(3)用户程序的语句编排。在学习了PLC的编程以后就会知道,用户程序的语句编排不当也会影响I/O滞后的时间。*PLC的扫描周期与用户程序的长短和PLC的扫描速度相关。从PLC的输入端有一个输入信号发生变化，到PLC输出端对该变化做出响应，需要一段响应时间。最小I/O响应时间=输入ON延时+扫描时间+输出ON延时I/O刷新I/O刷新执行指令/其他处理扫描时间PLC输入触点输入滤波输出锁存器输出触点执行指令/其他处理扫描时间输入ON延时输出ON延时I/O响应时间响应现象一：I/O响应时间最大I/O响应时间=输入ON延时+扫描时间×2+输出ON延时I/O刷新I/O刷新执行指令扫描时间PLC输入触点输入滤波输出锁存器输出触点执行指令扫描时间输入ON延时输出ON延时I/O刷新执行指令扫描时间*PLC输入／输出响应的滞后现象：输入滤波器有时间常数，输出继电器存在机械滞后

。响应现象二：6.3CPM*系列PLC简介PLC系列CPU单元组成特殊扩展单元类型CPM1A10点、20点30点、40点CPU单元I／O扩展单元特殊扩展单元模拟量特殊扩展单元温度传感器特殊扩展单元CompoBus/SI/O链接从单元CPM2A／2AE60点CPM2C10点、20点一、CPM1A-40CDR-A的面板图1－功能接地端子2－电源输入端子3－保护接地端子4－状态显示LED5－输入LED6－输入端子7－扩展连接器8－输出端子9－输出LED10－直流输出电源端子11－外设端口12－模拟设定电位器91211108123456711100908070605040302010011100908070605040302010000CH01CHIN10CH11CHOUT07060504030201000706050403020100PWRRUNERRCOMMALMOMRONSYSMACCPM1AL1COML2/N010305070002040608020403050608100709110001020405+COM03COMCOMCOM060700COM0102030405COM0706091011010024VDC0.3AOUTPUT110~240VAC图6.12

CPM1A面板图CPM1A-40CDR-A图6.13

CPM1A真机图片二、CPM1A的基本构成

输入端子在CPU单元面板的上半部，输出端子在下半部；24个输入点共用一个COM端子；16个输出点分为六组，共有六个COM端。输入、输出LED和状态显示LED位于CPU单元面板的中部。状态显示：PWR（绿）为电源指示；RUN（绿）为PLC工作状态指示；ERR（红）为错误指示；ALM（红）为警告指示，；COMM（绿）为通信指示。模拟量设定电位器0、1位于面板中部的左侧，可预置参数。左侧的外设端口可以连接编程器，也可以通过RS232C或RS422通信适配器，连接PLC或上位计算机，构成网络。右侧的扩展连接器用于连接扩展模块。三、CPM1A型PLC功能简介模拟设定电位器功能输入时间常数设定功能外部输入中断功能快速响应输入功能间隔定时中断功能高速计数器功能脉冲输出功能丰富的指令系统四、I/O扩展单元

30点、40点的CPU单元带有I/O扩展连接器，用于连接扩展单元，如I/O扩展单元、特殊功能单元和I/O链接单元。DEVICENET从单元DRT21A/D、D/A单元MAD01温度传感器单元TS102五、编程工具

编程器CQM1-PRO01-E编程软件CX-Programmer一、编程基础知识

1.梯形图编程触点符号继电器线圈符号操作数2.指令表编程指令步（一般由编程器自动依次给出）操作码操作数0000LD000000001OUT01000

6.4编程元件0000001000梯形图图例指令表图例二、软元件号分配及其功能概要软元件地址=通道（CH）号+通道内序号软元件类型通道号通道内序号输入继电器000~00900~15输出继电器010~01900~15辅助继电器200~25500~15特殊辅助继电器232~25500~15保持继电器HR00~HR1900~15辅助记忆继电器AR00~AR1500~15链接继电器LR00~LR1500~15暂存继电器TR0~7定时器/计数器TIM/CNT000～127数据存储器DM0000~DM6655图6.14输入继电器电路

1．输入/输出继电器（1）输入继电器：输入继电器是PLC接收外部开关或敏感元件信号的“窗口”，可提供无限多个动合触点和动断触点供内部编程时使用。它只能由外部信号驱动，而不能由程序来驱动。

表6—6输入继电器编号表6—7输出继电器编号

类型编号数量CPM*基本单元10点00000~00005620点00000~000111230点00000~0001100100~001051840点00000~0001100100~0011124类型编号数量CPM*基本单元10点01000~01003420点01000~01007830点01000~0100701100~011031240点01000~0100701100~0110716图6.15输出继电器电路

1．输入/输出继电器（2）输出继电器：输出继电器是PLC将输出信号传送给外部负载的器件。输出继电器按程序执行的结果被驱动，它有无限多动合触点、动断触点供编程时使用，但只有一对动合触点供外部使用。

2．内部辅助继电器

不能读取外部输入，也不能直接驱动外部负载，只起到中间继电器的作用。3．特殊辅助继电器

主要用于动作状态标志、动作起动标志、时钟脉冲输出、模拟电位器、高速计数器、计数模式、中断等各种功能的设定值/现在值的存储单元。4．暂存继电器TR

在复杂的梯形图中，用来对回路的分支点的ON/OFF作状态暂存。常用的特殊辅助继电器

25200

高速计数器复位标志（软件设置复位）25309

扫描定时器定时时间（超过100ms时为ON）25313

常ON触点25314常OFF触点25315

当PLC开始运行时，第一个扫描周期为ON25400

振荡周期为1min的脉冲（30sON，30sOFF）25500

振荡周期为0.1s的脉冲（0.05sON，0.05sOFF）25501

振荡周期为0.2s的脉冲（0.1sON，0.1sOFF）25502

振荡周期为1s的脉冲（0.5sON，0.5sOFF）25503

ER标志（执行指令，发生出错时为ON）25504

CY标志（执行指令结果有进位时为ON）25505

GR（>）标志（比较结果大于时为ON）25506

EQ（=）标志（比较结果等于时为ON）25507

LE（<）标志（比较结果小于时为ON）5