第4章 可编程控制器的硬件结构

郑海春2022年1月第四章可编程控制器的硬件结构提纲电气控制与S7-1200应用技术教程郑海春2可编程控制器的硬件组成可编程控制器的工作原理可编程控制器的硬件组成电气控制与S7-1200应用技术教程郑海春3硬件主要由CPU、存储器、电源、I/O单元以及外部接口等部分组成可编程控制器的硬件组成电气控制与S7-1200应用技术教程郑海春4中央处理器（CPU）中央处理器（CPU）由控制器、运算器和寄存器组成并集成在一个芯片内。CPU是PLC的控制中枢，CPU按照PLC内程序赋予的功能指挥PLC控制系统有条不紊地协调工作，从而实现对现场的各个设备进行控制。可编程控制器的硬件组成电气控制与S7-1200应用技术教程郑海春5存储器1．系统程序存储器系统程序存储器用来存放系统管理、用户指令解释等系统程序，由PLC制造厂家编写并在出厂时固化在ROM、EPROM或E2PROM中，用户不能进行修改。2．用户程序存储器用户程序存储器分为装载存储器和工作存储器。下载用户程序是下载到PLC的装载存储器中，装载存储器是非易失的，一般是EPROM、E2PROM或Flash存储器。CPU运行用户程序时，将所有与执行相关的程序自动复制到工作存储器中，工作存储器是高速存取的RAM，易失。提示：装载存储器类似于计算机的硬盘，工作存储器类似于计算机的内存条。可编程控制器的硬件组成电气控制与S7-1200应用技术教程郑海春6存储器3．数据存储器数据存储器也称为系统存储器，它包括输入和输出映像区、辅助继电器映像区、定时器区、计数器区、临时数据（局部变量）区、数据块区等存储区。可编程控制器的硬件组成电气控制与S7-1200应用技术教程郑海春7电源PLC通常使用AC220V（电压范围85V~230V）或DC24V电源供电。PLC内部配有的一个开关电源，将供电电源转化为PLC内部电路需要的工作电源（DC5V、DC24V等）。小型PLC可以为输入电路和外部的电子传感器提供DC24V的电源。驱动PLC负载的电源由用户提供。可编程控制器的硬件组成电气控制与S7-1200应用技术教程郑海春8输入/输出（I/O）单元I/O单元是PLC与工业现场连接、交互的重要桥梁。I/O单元均具有信号的传递、电平的转换和隔离三个功能。由于外部的信号或执行机构有多种形式，为了匹配尽可能多的设备，PLC也设计了多种I/O单元供用户选用。可编程控制器的硬件组成电气控制与S7-1200应用技术教程郑海春9输入/输出（I/O）单元1．数字量输入单元数字量输入单元常用的是直流输入，直流输入分为源型输入和漏型输入。光电耦合器将电路的通断信号变成光信号来导通/截止内部电路。光电耦合器同时起到了电平转换和隔离的作用，防止现场强电干扰进入内部电路。R-C为滤波电路，以增强其抗干扰能力。可编程控制器的硬件组成电气控制与S7-1200应用技术教程郑海春10输入/输出（I/O）单元1．数字量输入单元数字量输入单元常用的是直流输入，直流输入分为源型输入和漏型输入。光电耦合器和输入指示灯通常做成二极管反向并联，这样的好处是外部电源可以反接（即该输入端口可以接成源型输入也可以接成漏型输入）。可编程控制器的硬件组成电气控制与S7-1200应用技术教程郑海春11输入/输出（I/O）单元1．数字量输入单元数字量输入单元常用的是直流输入，直流输入分为源型输入和漏型输入。注意：对于PLC的端子，如果电流从参考点流出，可以把它看成电流的“源头”，即为“源型”；如果电流流入到参考点内，那么就是“漏型”。小心避坑：西门子厂家的PLC以输入端子为参考点，三菱厂家的PLC以公共端（COM）为参考点。此外，也可以按光耦发光二极管公共端的连接方式分为共阳极和共阴极输入电路。可编程控制器的硬件组成电气控制与S7-1200应用技术教程郑海春12输入/输出（I/O）单元2．数字量输出单元PLC的数字量输出单元分为继电器（Relay）型、晶体管型（Transistor）和晶闸管（Silicon）型三类。继电器型输出的优点是既可以带直流负载，也可以带交流负载，而且带载能力较强，没有导通压降；缺点是输出频率低、寿命短。可编程控制器的硬件组成电气控制与S7-1200应用技术教程郑海春13输入/输出（I/O）单元2．数字量输出单元PLC的数字量输出单元分为继电器（Relay）型、晶体管型（Transistor）和晶闸管（Silicon）型三类。晶体管型输出的优点是输出频率高、寿命长；缺点是仅限直流负载、有导通压降、带载能力弱。可编程控制器的硬件组成电气控制与S7-1200应用技术教程郑海春14输入/输出（I/O）单元2．数字量输出单元PLC的数字量输出单元分为继电器（Relay）型、晶体管型（Transistor）和晶闸管（Silicon）型三类。晶闸管（双向可控硅）的输出方式仅能用于交流电源负载，带负载能力比继电器输出小，比晶体管输出大。晶闸管和晶体管输出接口都是无触点的，因此输出频率高，使用寿命长。可编程控制器的硬件组成电气控制与S7-1200应用技术教程郑海春15输入/输出（I/O）单元2．数字量输出单元PLC的数字量输出单元分为继电器（Relay）型、晶体管型（Transistor）和晶闸管（Silicon）型三类。总结：继电器输出型：可带交、直流负载，响应时间长，动作频率低；晶体管输出型：只能带直流负载，响应速度快，动作频率高；晶闸管输出型：只能带交流负载，响应速度快，动作频率高。可编程控制器的硬件组成电气控制与S7-1200应用技术教程郑海春16输入/输出（I/O）单元3．模拟量输入/输出单元PLC的模拟量输入单元是把现场连续变化的电量标准信号，转换为PLC能够处理的由若干二进制位表示的数字量信号。模拟量输入单元的核心是模数转换器（ADC）。工业生产中，诸如温度、压力等连续变化的物理量，经过传感器变换为相应的4~20mA，0~5V等模拟量标准电信号，模拟量输入单元接收模拟量信号后，经过滤波、ADC、光耦隔离，转换成二进制数字量信号，送给PLC内部电路进行处理。可编程控制器的硬件组成电气控制与S7-1200应用技术教程郑海春17输入/输出（I/O）单元3．模拟量输入/输出单元PLC模拟量输出将PLC运算处理过的二进制数字转换成相应的电量（如0~10V，4~20mA）,输出到现场的执行机构。其核心部件是数模转换器（DAC）。可编程控制器的硬件组成电气控制与S7-1200应用技术教程郑海春18外部接口PLC的外部接口有I/O扩展口（连接I/O扩展单元或者特殊功能单元）和通信接口。I/O扩展单元的作用是当PLC主机的I/O点数不够时，可通过PLC的I/O扩展接口连接I/O扩展模块，以适应和满足更加复杂控制功能的需要。为了增强PLC的功能，扩大其应用范围，PLC厂家开发了品种繁多的特殊功能单元。特殊功能单元包括模拟量I/O模块、通信模块、高速计数与运动控制模块等。其通过I/O扩展口与PLC系统总线相连。PLC的主机或通信模块上，集成有RS-232C、RS-485、ProfiNet等通信接口，用于与人机交互界面（humanmachineinterface，HMI）、其它PLC、远程I/O、PC机、编程器、变频器等外部设备的通信，实现PLC与上述设备之间的数据及信息的交换，组成局域网络或分布式控制系统。可编程控制器的工作原理电气控制与S7-1200应用技术教程郑海春19硬件电路（In）-软件逻辑-硬件电路（Out）可编程控制器的工作原理电气控制与S7-1200应用技术教程郑海春20循环扫描工作方式PLC主要有两种基本的工作模式，即运行（RUN）模式与停止（STOP）模式。PLC的周而复始的循环工作方式称为循环扫描工作方式。PLC在RUN工作模式时，完成一次循环所需的时间，称为一个扫描周期。扫描周期的长短与用户程序的长短、指令的种类和CPU执行指令的速度有关。由于扫描工作方式的原因，PLC可能检测不到窄脉冲输入信号，输入脉冲宽度应大于PLC的扫描周期。可编程控制器的工作原理电气控制与S7-1200应用技术教程郑海春21循环扫描工作过程在内部处理阶段，PLC进行CPU自诊断，主要检查工作电压是否正常，I/O连接是否正常，用户程序是否存在语法错误等。同时定期复位监控定时器，监控定时器又被称为“看门狗”（watchdogtimer，WDT），其定时时间略长于扫描周期，只要系统正常工作，“看门狗”就不会申请定时中断。如果系统出现问题，则“看门狗”申请定时中断，同时系统响应，并在中断程序中对故障信息进行处理。可编程控制器的工作原理电气控制与S7-1200应用技术教程郑海春22循环扫描工作过程在通信服务阶段，PLC完成与其他设备的通信任务，包括与PLC主从站、操作员站（operatorstation，OS）、人机交互界面等进行信息交换。可编程控制器的工作原理电气控制与S7-1200应用技术教程郑海春23循环扫描工作过程在输入处理阶段，PLC把所有外部输入电路的接通、断开状态集中采样并存入相应的输入映像寄存器中，此时输入映像寄存器被刷新，其内容保持不变，直到下一个扫描周期的输入处理阶段。即当输入处理阶段结束后，如果外部输入电路的状态发生变化，也只能在下一个扫描周期才能被PLC接收到。注意：输入映像寄存器用户是无法改写的（只读），仅受外部硬件电路通断的控制。每一个外部的输入端口都有一个内部的输入映像寄存器位与之对应。可编程控制器的工作原理电气控制与S7-1200应用技术教程郑海春24循环扫描工作过程在程序执行阶段，CPU根据指令的需要从输入映像寄存器、输出映像寄存器或元件映像寄存器中读出各继电器的状态，并根据此状态按自上而下、先左后右的顺序依次执行梯形图中的指令，执行结果再写入输出映像寄存器或元件映像寄存器中。可编程控制器的工作原理电气控制与S7-1200应用技术教程郑海春25循环扫描工作过程在输出处理阶段中，将输出映像寄存器中的内容传送到输出锁存器中，再经过输出接口（继电器、晶体管或晶间管）电路输出，驱动外部负载。在下一个输出处理阶段开始之前，输出锁存器的状态不会改变。可编程控制器的工作原理电气控制与S7-1200应用技术教程郑海春26循环扫描工作过程可编程控制器的工作原理电气控制与S7-1200应用技术教程郑海春27系统响应时间循环扫描是PLC最大的工作特点，这种“串行”工作方式既可以避免继电器、接触器控制系统因“并行”工作方式存在的触点竞争，又可提高PLC的运算速度，这是PLC系统可靠性高、响应快的原因。但这种工作方式也会带来系统响应的滞后，又称系统响应时