2.1+PLC的硬件组成与结构.ppt

1、Theory and Application of PLC,电气学院自动化系,第二章 PLC的硬件组成与结构,2,Theory and Application of PLC,本章内容提纲,PLC的基本结构组成,典型PLC产品介绍,PLC的I/O模块及外设,PLC的工作原理,3,Theory and Application of PLC,PLC的基本组成,4,Theory and Application of PLC,图2-2,5,Theory and Application of PLC,整体式PLC的实物图,6,Theory and Application of PLC,4-3,7,Theo

2、ry and Application of PLC,模块式PLC的实物图,8,Theory and Application of PLC,PLC的基本组成CPU,CPU是PLC控制系统的运算及控制中心，其主要完成如下任务： （1）接收与存储来自编程器的用户程序和数据。 （2）用扫描方式接收输入设备的状态（即开关量信号）和数据（即模拟量信号），并存入映射存储区。 （3）监控存储和通信状态、诊断电源、PLC内部电路的工作故障，编程中的语法错误 （4）执行用户程序，输出控制信号。 （5）与外部设备或计算机通信。,9,Theory and Application of PLC,不同PLC的CPU： 小

3、型PLC采用8位或单片机； 中型PLC采用16位或单片机； 大型PLC多用双极性位片机。,双极性位片机通过并行联结构成任意字长的中央处理单元的大规模集成电路。可包含2位、4位或更多位数的中央处理单元所需的基本部件。适用于大型计算机的中央处理单元和要求实现高速实时信号处理的各种专用处理器 。采用快速的双极性晶体管集成电路；而单片机通常采用MOS集成电路。,10,Theory and Application of PLC,PLC的基本组成存储器,PLC内部存储器的种类(存储原理):,PLC存储器的容量： 指存放用户应用程序的存储器容量，中小型一般在8KB以下，大型可达256KB以上；可扩充；,11

4、,Theory and Application of PLC,PLC的基本组成存储器,存放PLC运行中的各种数据。如I/O状态、定时值、计数值、模拟量、各种状态标志的数据。,一般用RAM（有后备电池），但用户程序调试好后可固化在EPROM或E2PROM中。,CPU的临时存储区，快速访问的少量临时数据，节省时间。,使用EPROM，用于存放系统程序和指令,12,Theory and Application of PLC,PLC的基本组成I/O接口,工业控制的特殊性要求I/O接口能够实现各种信号的电平和格式转换，多样化，并具有较强的抗干扰能力和可靠性。 用于接收现场的输入信号（如按钮、行程开关、传感

5、器等的输入信号）；输出控制信号，直接或间接地控制或驱动现场生产设备（如信号灯、接触器、电磁阀等） PLC提供了各种操作电平与驱动能力的I/O模块，以及各种用途的I/O组件供用户选用，包括输入/输出电平转换；电气隔离；串/并行转换数据传送；A/D、D/A转换；误码校验；其他特殊功能模块 等。,I/O接口是PLC与生产现场设备直接连接的桥梁。,13,Theory and Application of PLC,PLC的基本组成电源,内部电源开关式稳压电源，供PLC内部使用。 与普通电源相比，这种电源输入电压范围宽、稳定性好、抗干扰能力强、体积小、重量轻；有些机型还可向外提供24VDC的稳压电源，用于

6、对外部传感器供电。 外部电源可用一般工业电源，或锂电池（备用电池），使内部电源故障时内部重要数据不致丢失。,14,Theory and Application of PLC,PLC的基本组成编程器,编程器是PLC最重要的外部设备。利用编程器可编制用户程序、输入程序、检查程序、修改程序和监视PLC的工作状态。,PC机？,15,Theory and Application of PLC,本章内容提纲,PLC的基本组成及其原理,典型PLC产品介绍,PLC的I/O模块及外设,PLC的工作原理,16,Theory and Application of PLC,PLC的工作原理,PLC实质上是一种工业控制

7、专用的计算机 其结构原理与计算机相似，皆有软硬件系统两部分构成 具有比微机更强的与工业过程之间的接口，更适合于控制要求的编程语言和开发工具包 控制功能是通过执行反映控制要求的用户程序来实现 用户程序通过编程器预先写入存储器中，由CPU采用循环扫描的工作方式来执行。 每一扫描周期中采用分时操作原理，一个时刻执行一个操作，所有操作按顺序进行，采用串行工作方式。,17,Theory and Application of PLC,PLC的工作过程,检查硬件和 用户程序，CPU故障灯指示,顺序逐条扫描处理，WDT监控,操作人员介入、设备中断、网络通信、与编程器信号交换,18,Theory and App

8、lication of PLC,19,Theory and Application of PLC,循环扫描中PLC的信号处理过程,Input,output,20,Theory and Application of PLC,几个重要概念,输入采样指PLC在程序执行前，所有外部输入信号经输入缓冲器读入（存入）到输入映像存储器中的过程。,输出刷新指CPU在执行完所有用户程序后（或下次扫描用户程序前）将输出映像存储器的内容由输出锁存器送到输出端子去的过程。,扫描扫描是一个用来描述CPU如何完成赋予它的各种任务的形象性术语 。用户程序是由若干条指令组成，指令在存储器内是按顺序排列的，则CPU采用分时操作

9、原理，从第一条指令开始顺序地逐条执行的过程。,扫描周期CPU从第一条指令开始，扫描完所有指令后又返回第一条指令所需要的时间。,21,Theory and Application of PLC,CPU的周期扫描机制,CPU周而复始的循环扫描执行系统规定的操作称为PLC的周期扫描机制。其工作周期的大小由所完成的具体操作、用户程序长短及扫描速度有关，典型为1100ms.,优点： 方便程序设计，提高PLC可靠性。 系统自行管理外围设备，技术人员只需关心用户程序； 对I/O信号统一操作，避免了逻辑混乱 设置WDT监视扫描时间，及时发现故障。,缺点： （1）CPU的某些固定窗口服务，使工作周期不可能无限缩

10、短； （2）造成PLC的I/O响应滞后问题。,22,Theory and Application of PLC,本节内容要求： 1、概念： 扫描；循环周期扫描；分时操作； 输入采样；输出刷新 2、PLC系统的工作过程 3、PLC循环周期扫描机制的优缺点？ 4、继电器控制系统和PLC控制系统工作原理的区 别？ 5、如何克服PLC的输入响应滞后问题？,23,Theory and Application of PLC,本章内容提纲,PLC的基本组成及其原理,典型PLC产品介绍,PLC的I/O模块及外设,PLC的工作原理,24,Theory and Application of PLC,PLC的I/O

11、接口,直流、交流、交直流、无源,继电器型（直交）、晶体管（直）、晶闸管（交）,25,Theory and Application of PLC,PLC数字量输入模块,数字输入模块的种类： 直流输入模块外接直流12V、24V、48V电源； 交流输入模块外接交流110V、220V电源； 交直流输入模块外接交、直流电源。 无源输入模块（干接点）由PLC内部提供电源，无需外接电源 。,数字量输入模块接收现场输入电器的开关量输入信号、光电隔离、并通过电平转换将开关量输入信号转换成CPU所需信号电平，并存储于输入缓存器中等待CPU采样输入。,26,Theory and Application of PLC

12、,PLC数字量输入模块,注：背板总线接口将处理过的输入信号传送至CPU M、N分别为 直、交流输入信号的公共参考点。,光电隔离,LED,限流,图4-8,图4-9,27,Theory and Application of PLC,PLC数字量输出模块,数字量输出模块在输出指令作用下，将输出映射存储区的状态置于输出锁存器中，并经光电隔离、电平转换、或功率放大器输出（或驱动）控制现场的执行机构 。 继电器输出（交直流输出模块）输出电流大（35A），交直流二用，适应性强，但动作速度慢（1012ms），工作频率低。适用于低频大功率交直流负载。 晶体管输出（直流输出模块）外接直流电源，动作速度快（2ms）

13、，工作频率高（可达20Hz）,但输出电流小（1A）。适用于高频小功率直流负载。 可控硅或固态继电器输出（交流输出模块）外接交流电源，输出电流大，动作速度快，工作频率高。适用于高速大功率交流负载 。,28,Theory and Application of PLC,PLC的I/O接口数字量I/O模块,继电器,图4-10,图4-11,29,Theory and Application of PLC,图4-12,30,Theory and Application of PLC,PLC的I/O接口模拟量I/O模块,模拟量输入模块 就是通过A/D转换把外部模拟量输入信号转换成CPU所需的数字信号电平。其

14、参数如下： （1）模拟电压输入范围 单极性：05V； 010V 双极性：-5+5V； -10+10V （2）模拟电流输入范围： 010mA；420mA,图4-13,31,Theory and Application of PLC,PLC的I/O接口模拟量I/O模块,模拟量输出模块 通过D/A转换把CPU输出的数字信号转换成外部控制所需的控制电流或控制电压。 其参数如下： （1）模拟电压输出范围 单极性：15V； 110V；双极性：-10+10V （2）模拟电流输出范围（典型值）：020mA；420mA,图4-14,32,Theory and Application of PLC,PLC的I/O

15、接口模拟量I/O模块,特别注意：接地设计,图4-15,图4-16,33,Theory and Application of PLC,PLC的I/O接口智能模块,智能模块是自带微处理器、存储器和系统程序的功能模块。 其特点是：智能模块的CPU与PLC的CPU并行工作（也可独立地连续工作），占用PLC的CPU时间很少，有利于提高PLC的扫描速度和完成特殊功能，并大大减少用户程序的编程难度和编程量。 常见的智能I/O模块有：PID调节模块、高速计数器模块、温度传感器模块、通信模块、运动控制模块等，此外，还有快速响应模块、数控模块、计算模块、模糊控制模块、语言处理模块、阀门控制模块和中断控制模块等,3

16、4,Theory and Application of PLC,PLC的I/O接口智能模块,称重模块：用于称重和测力,通讯模块,35,Theory and Application of PLC,PLC的外部设备人机接口装置（HMI）,人机接口装置（Human Machine Interface） 1、普通型人机接口是由安装在控制台上的按钮、转换开关、拨码开关、指示灯、LED数码管显示器和声光报警器等元件组成。 是纯硬件并通过硬接线的方式来实现与控制系统的连接，常用于小型PLC控制系统； 缺点：占用PLC的I/O点数多，PLC性价低；显示信息量小且性能差；接线复杂且可靠性差、体积大、不便于维护等

17、。,36,Theory and Application of PLC,PLC的外部设备人机接口装置（HMI）,2、可编程终端（PT，Programmable Termination）是一种智能型人机接口装置，具有以下功能： 在PT上显示当前的控制状态、过程变量，包括数字量（开关量）和数值等数据。 显示报警信息 通过硬件和可视化图形按键输入数字量（如起动或停止按钮信号）、数值等控制参数。 使用PT的内置功能对PLC内部进行简单的监控、设置等。 特点：专为工业现场而设计的，有较高的防护等级，能适应恶劣的工作环境；它体积小，重量轻、安装方便，可嵌入在控制柜的门上或控制台的面板上。,37,Theory

18、 and Application of PLC,常见的可编程终端,文本显示器,一种低档的人机界面产品 硬键盘操作。一般只能用 于显示中文和英文信息，显 示面积较小，一般只能显示 24行汉字，每行812个 汉字。操作键少，功能键仅 限于较少的参数设置，适用 于小型的PLC控制系统，完 成不太复杂的显示与操作。,38,Theory and Application of PLC,一种中档的人机界面产品，硬键盘操作。有文本操作面板和图形操作面板二大类。操作员面板除具有文本显示器的功能外，显示面积大，可显示更多的文字和图形；操作键和功能键更多，可完成更多的设置与操作。适用于中小型的PLC控制系统，完成较复杂的显示与操作。,操作员面板,39,Theory and Application of PLC,高档的人机界面产品，具有显示和软键盘