电气控制与PLC原理4

电气控制与PLC原理杭州科技大学自动化学院院第四讲主讲：周亚军3.7、3.8

PLC组成与工作原理

PLC的系统组成

PLC的外部接线PLC的工作原理

性能指标3.7PLC组成中央处理单元CPU

存储器I/O接口

模拟量输入模块

模拟量输出模块

开关量输入模块

开关量输出模块

智能模块接口和扩展接口模块电源模块编程工具

专用编程器

专用编程软件软件系统基本组成中央处理单元存储器数据存储器输出接口地址总线控制总线数据总线编程单元照明电磁装置执行机构……电源地址总线控制总线输入接口模拟量输入行程开关继电器接点各种开关PLC结构示意图中央处理单元CPU——PLC的核心基本功能——

接受现场输入信号、执行用户程序、刷新系统输出、完成自诊断操作和通讯处理操作串口、总线、EtherNet SIEMENSS7CPU31x——MPI(187.5kbps) SIEMENSS7CPU31x－2——MPI(187.5kbps) Profibus-DP(≤12Mbps)网络功能*微处理器、单片机或DSP存储器、存储空间的分配

根据PLC的工作原理，其存储空间一般包括以下三个区域：系统程序存储区系统RAM存储区也称工作数据区(包括I／O映象区和系统软设备等)用户程序存储区PLC常用的存储器主要有PROM、EPROM、E2PROM、RAM等几种，多数都直接集成在CPU单元内部。存储器、存储空间的分配－－系统程序存储区

存放着相当于计算机操作系统的系统程序。监控程序、管理程序、命令解释程序、功能子程序、系统诊断程序等。由制造厂商将其固化在EPROM中，用户不能够直接存取。它和硬件一起决定了该PLC的各项性能。存储器、存储空间的分配－－系统RAM存储区

也称工作数据存储器，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、设定值等，这部分数据一般存放在RAM之中。

在工作数据区中开辟有元件映像寄存器和数据表，包括I/O映象区以及各类系统软设备存储区软设备③输入/输出模块

输入模块是接收或采集被控对象或被控生产过程的各种变量，一类是来自按钮、转换开关、限位开关、接近开关、光电开关等开关量信号；另一类是由温度、流量、液位、压力传感器等各类传感器或变送器反馈的模拟量信号；再类是高频脉冲。③输入/输出模块

输出模块是将运算处理产生的控制信号输出，控制执行机构动作如指示灯、报警器、继电器、接触器、调节阀、伺服电机等负载针对不同负载控制特性，输出模块也分为开关量输出、模拟量输出和高频脉冲输出。网络通信模块网络通讯模块是用于实现PLC与PLC、其它智能设备和上位机之间的通讯，可以构成三级控制网络。④其他④其他智能模块，例高速计数模块：不受CPU的扫描时间限制，独立工作，能够对几十KHz甚至上MHz频率的脉冲进行计数。运动控制模块：控制对象为电机、凸轮机构等，用于实现定位控制。闭环控制模块：用于实现温度、压力、流量、液位等过程变量的闭环控制。此外，还有许多新的智能模块不断的推出，如超声波位置编码器、称重仪等，这些模块对于增强PLC的功能，扩大PLC的应用范围都是非常重要的。电源模块PLC的工作电源由于不同国家工业用电标准不同，一般提供110V和220V两种类型，也有个别采用直流24V供电。对于超小型整体式PLC通常系统规模不大，电源集成在CPU模块上，对扩展模块有数量要求。而模块式PLC通常都有专门的电源模块供电，在控制规模过大时，可能需要多个电源模块分别供电，甚至有的系统还需要电源冗余模块。④其他扩展模块扩展模块主要是指输入/输出（包括DI/DO、AI/AO）接口的扩展。若CPU模块中集成有I/O接口的PLC，对于一些控制对象点数已经足够使用，那就不需要扩展，CPU模块自己就可以构成控制系统；对于复杂的控制对象点数若不够使用，那就需要外接扩展模块来增加I/O点数。而模块式PLC的CPU模块中没有集成I/O接口，因此此类PLC必须外接扩展模块，才能构成控制系统。④其他编程器的作用是完成用户程序的输入、编辑、调试和监控系统程序的运行，既可以离线编程，也可以在线联机调试。根据系统开发方式通常分为专用编程器和计算机开发系统。⑤编程平台

PLC的外设很多，这里主要介绍人—机接口装置（HMI）中的文本显示器和触摸屏。文本显示器：通过密封键盘提供操控功能和过程监视，支持文本显示（包含掌上设备）和图形显示（同样支持彩色显示）。如西门子的TD200、TD400C，三菱的F920GOT、F930GOT-K，和利时的HD2000等。触摸屏：无需物理按钮，利用触摸感应操控和显示，能使操作者直观地通过图形控制监视系统。根据系统规模可以选择屏幕的大小和显示颜色数，如西门子的TP170、TP270，三菱的GOT-A900系列，和利时的HT6000。⑥PLC的外部设备

PLC的物理结构整体式模块式叠装式PLC结构形式整体式模块式整体式PLC组成示意图组合式PLC组成示意图整体式PLC(LG)组合式PLC汇点式--------

各个I/O电路有一个公共点，共用一个电源。分组式--------

I/O分成若干组，每组I/O共用一个电源，各组电源可以不同。分割式---------

各个I/O点之间相互隔离，每个I/O可以使用独立电源。PLC外部接线---外部接线方式直流输入电路图1输入接口作用：将按钮、行程开关或传感器等产生的信号，转换成数字信号送入主机。PLC外部接线----输入模块隔离电路采用光电耦合器，再经RC滤波电路送入PLC的CPU，可以防止外部干扰源和触点抖动等情直流输入电路图2交流输入电路图发光二极管和光耦均采用反并联结构，在交流输入的正负半波分别导通，C1起隔直作用。继电器输出：低速大功率直流、交流负载（隔离、功率放大）晶体管集电极输出：高速小功率直流负载双向可控硅输出：高速大功率交流负载PLC外部接线---输出模块继电器输出模块

响应速度小于10ms，主要是由于机械触点动作延时造成。负载电源由外部提供，与触点并联的RC电路和压敏电阻用来消除触点断开时产生的电弧。晶体管输出模块放大采用大功率晶体管或场效应管，响应速度小于1ms，晶体管工作在饱和导通状态和截止状态，图中稳压二极管用来抑制关断过电压和浪涌电压。晶闸管输出模块隔离采用光电可控硅，放大采用双向可控硅，响应时间有两种情况：可控硅由关断变为导通的延迟时间小于1ms，由导通变为关断延迟时间小于10ms。RC电路和压敏电阻用以抑制可控硅的关断过电压和外部的浪涌电压。模拟量输入模块（A/D、AI）A/D作用：将现场仪表输出的（标准）模拟量信号0~10mA、4~20mA、1~5VDC等转化为计算机可以处理的数字信号 A/D转换的性能指标分辨力*――A/D接口变化一个LSB（二进制最低有效位）时输入模拟量的最小变化量例：12位A/D转换器，输入范围0～10VDC，分辨力＝10/212＝2.44mV（通常分辨率以输入二进制数的位数来表示：10位、12位分辨率）线性误差――实际转换特性曲线与理想转换特性曲线之间的最大偏差包括:偏移误差（0输入非0输出）、非线性误差等。线性误差通常以LSB的分数表示：如

1/2LSB、

1LSB等转换时间*――从启动转换到转换结束完成一次A/D转换所需要的时间模拟量输出模块（D/A、AO）D/A作用：将计算机内部的数字信号转化为现场仪表可以接收的标准信号4~20mA等如：12位数字量（0～4095）→4~20mA;2047对应的转换结果：12mAD/A转换的性能指标分辨力――二进制变化一个LSB（最低有效位）时D/A输出模拟量的最小变化量（通常分辨率以输入二进制数地位数来表示：10位、12位D/A转换器）线性误差――实际转换特性曲线与理想转换特性曲线之间的最大偏