1、第二讲可编程控制器的工作原理一.基本结构二.工作原理三.输入/输出设备四.输入/输出模块（重点）一.基本结构 PLC采用了典型的计算机结构，主要是由CPU、存储器、输入输出、电源及其他外围设备接口等部分构成。1.1.中央处理器中央处理器(CPU)CPU)组成组成 中央处理器(CPU)一般由控制电路、运算器和寄存器组成，这些电路一般都集成在一个芯片上。CPU通过地址总线、数据总线和控制总线与存储单元、输入输出(I0)接口电路相连接。作用作用 CPU的主要作用是控制整个系统协调一致地运行。它解释并执行用户及系统程序并通过运行用户及系统程序完成所有控制、处理、通信以及所赋予的其他功能。性能指标性能指
2、标 字长字长:4.8,16,32,64:4.8,16,32,64位位 运行速度运行速度:PC PC 机为亿条指令机为亿条指令/秒秒;PLCPLC为百万条指令为百万条指令/秒或秒或us/us/条条 分类分类 常用的CPU采用通用微处理器、单片机和双极型位片机,也可以使用 若干个微处理器芯片，采用分割控制任务的方法，实现多机处理。通用微处理器常用的有Intel8085，M6800和Intel8086等。单片机常用的有803l，8051，8039和8049等。双极型位片机常用的有AM2900，ANn901和AM2903等。PLC典型型号 S7-300CPU的型号：312/313/314/315/31
3、6/318等 若带IFM或C的为集成式CPU S7-200 CPU的型号:221/222/224/226 三菱的FX系列：FX1s/1n/2n2.存储器 在PLC中使用的两种类型存储器为ROM和RAM 只读存储器ROM。ROM中的内容是由PLC的制造厂家写入的系统程序，(PLC去电后再加电，ROM内容不变)。系统程序一般包括 检查程序、翻译程序、监控程序等 随机存储器RAM。RAM是可读可写存储器，一般存放用户程序、逻辑变量、供内部程序使用的工作单元3.电源部件 电源部件将交流电源转换成供PLC的中央处理器、存储器等电子电路工作所需要的直流电源，目前大部分PLC采用开关式稳压电源供电。（4）输
4、入、输出部分 输入接口电路一般由光电耦合电路和微电脑输入接口电路组成。输出接口电路一般由微电脑输出接口电路和功率放大电路组成。功率放大电路是为了适应工业控制的要求，将微电脑输出的信号加以放大。PLC一般采用继电器输出，也有的采用晶闸管或晶体管输出。（5）其他外围设备的接口 可配接编程器、计算机、打印机、录音机以及AD、DA、串行通信模块等。2.存储器 常用的存储器为ROM、RAM、EPROM、EPPROM,在PLC中使用的两种类 型存储器为ROM和RAM.只读存储器ROM ROM中的内容是由PLC的制造厂家写入的系统程序，系统程序一般 包括检查程序、翻译程序、监控程序等.随机存储器RAM RA
5、M是可读可写存储器，一般存放用户程序、逻辑变量、供内部程序使用的工作单元.3.输入、输出部分 输入接口电路一般由光电耦合电路和微电脑输入接口电路组成。输出接口电路一般由微电脑输出接口电路和功率放大电路组成。功率放大电路是为了适应工业控制的要求，将微电脑输出的信号加以放大。PLC一般采用继电器输出，也有的采用晶闸管或晶体管输出。4.电源部件 电源部件将交流电源转换成供PLC的中央处理器、存储器等电子电路工作所需要的直流电源，目前大部分PLC采用开关式稳压电源供电。5.其他外围设备的接口 可配接编程器、计算机、打印机、录音机以及AD、DA、串行通信模块等。二.工作原理 通用计算机PC的工作方式是等
6、待请求，PLC则采用循环扫描工作方式,两者的差异在于PC针对的是人，PLC针对的是设备。整个工作过程可分为五个阶段：自诊断，与编程器、计算机或其他PLC设备等通信，输入采样，用户程序执行，输出刷新.这五个工作阶段称为一个扫描周期，时间为0.2ms。执行程序处理通讯请求执行 CPU自诊断写输出读输入一个扫描周期 (1)每次扫描用户程序之前，都先执行故障自诊断程序。自诊断内容为I0部分、存储器、CPU等，发现异常停机显示出错。若自诊断正常，继续向下扫描。(2)PLC检查是否有与编程器、计算机等的通信请求，若有则进行相应处理。(3)PLC的中央处理器对各个输入端进行扫描，将输入端的状态送到输入状态寄
7、存器。(4)中央处理器CPU将指令逐条调出并执行，即按程序对数据进行逻辑、算术运算。(5)当所有的指令执行完毕时，集中把输出状态寄存器的状态通过输出部件转换成被控设备所能接受的电压或电流信号。三.输入/输出设备输入器件有：按钮、开关、传感器。输出设备有：继电器、交流接触器、电磁阀、信号灯、传感器、变送器。图2-2PLC外围硬件配置示意图（1）按钮手动开关，包括常开（触点）按钮、常闭（触点）按钮、复式(触点）按钮、点动按钮。（2）开关包括：行程开关、接近开关、光电开关等行程开关它以根据运动部件的位置来切换电路。工作时由档块和限位开关的轮子或触杆相撞使限位开关的触点接通或断开。常用于控制运动部件的
8、运动方向、行程长短或位置。接近开关是无触点开关。按照接近开关的工作原理，可以分为电容型、霍尔效应型、感应电桥型、高频振荡型、磁铁型等多种.接近开关具有工作稳定可靠、寿命长、重复定位精度高、动作迅速、操作频率高.光电开关可以分为两类：透射型和反射型。透射型是发射器（光源）与接收器相对放置，发射器发射的红外线直接照射到接收器上，当生产线上有物体通过时，将红外线光源切断遮挡住了，接收器收不到红外光，于是就发出一个信号。反射型根据红外光反射方式的不同，又分为镜反射（简称反射型）和被测物体反射（简称散射型）。反射型与透射型相比，反射型单侧安装，安装和调试简单，并且还可以用于检测半透明的物体。散射型安装最
9、简单。（3）温度传感器常用的温度传感器可以分为接触式和非接触式两类。接触式传感器是使被测对象与温度计的感温元件良好接触，通过传导或对流达到热动平衡，以感温元件感受的温度直接测量物体的温度，以及物体内部的温度分布，如玻璃体温度计、热电阻、热电偶等。非接触式的传感器与被测对象不接触，利用物体的热辐射原理或电磁性质实现测温，其主要特点使测运动体、小目标及热容量小和温度变化迅速对象的表面温度，也可测温度场的温度分布，如红外测温仪等。（4）继电器和接触器（可控制电机）继电器是一种利用各种物理量变化将电量或非电量信号转化为开关量信号的控制元件。接触器带有灭弧装置。（5）电磁阀（可控制液气压缸）电磁阀是用电
10、磁铁推动阀门的开启与关闭动作的电动执行器，主要优点是：体积小，动作可靠，维修方便，价格便宜。通常用于口径在100mm以下的两位式控制中，尤其多用于接通、切断或转换气路或液路等。工业上常用的电磁阀有两通、三通、四通、低压和高压电磁阀等.四.输入/输出模块 PLC是一种工业控制计算机系统，它的控制对象是工业生产过程，它与工业生产过程的联系就是通过输入输出(IO)模块实现的。按输送信号的距离分为本地I/O和远程I/O。按信号类型划分可分为开关量输入(D1)模块、开关量输出(DO)模块、模拟量输入(AI)模块、模拟量输出(A0)模块、防爆输入/输出(EX)模块、特殊I/O模块等。1.开关量输入(DI)
11、模块 DI模块的任务是对被控变量越限状态及全部现场状态进行巡回检测，包括各种限位(限值)开关、继电器或电磁阀状态反馈、按钮状态等。通过光电耦合电路将通过光电耦合电路将220220V V交流信号变为交流信号变为0-50-5V V直流信号直流信号 通过微继电器将高电压信号变为通过微继电器将高电压信号变为0-50-5V V直流信号直流信号 2.开关量输入(DO)模块 直流输出模块 交流输出模块 继电器输出模块 3.模拟量输入(AI)模块 温度、压力、液位、流量、厚度、速度、位移等为模拟量需要采用传感器或变送器测量出来，变为电压、电流信号，PLC通过 AI模块将这些电信号转化为能被其CPU 处理的数字
12、信号。主要环节为：信号处理 多路模拟采样开关，如AD7501、7502等 数据放大器，要求高输入阻抗、低漂移电流、高工模抑制比 采样保持器和数摸转换器 4.模拟量输出(A0)模块 将PLC的数字信号通过 AO模块转化为电压、电流信号，完成对伺服电机、调节阀的控制。主要环节为：数据缓冲 光电隔离 D/A转换 多路模拟转换开关 5.防爆输入/输出(EX)模块 EX模块可用作化工厂自动化系统中的相关器件，它们可用于 仪表和控制应用。应用领域包括化学物化工业、煤气工业、海上作业技术、运 输(如油轮、油罐车)、汽车工业(如喷漆车间)、电站发电和配电 等、特殊机械工程(如印刷机械、工业清洗机)。6.特殊I
13、/O模块 为了增强PLC的功能，扩大PLC的应用范围，PLC厂家 开发了品种繁多的特殊用途IO模块，包括带有微处理器 的智能I/O模块。(1)高速计数模块 普通计数器的最高工作频率受PLc扫描时间的限制，只 有几至几百Hz。在工业控制中，有时要求PLC有快速计数 功能，计数脉冲可能来自于旋转编码器、数字码盘、机械 开关或电子开关。高速计数模块可以对几十kHz甚至MHz量级的脉冲计数，这一过程与扫描过程无关。（2）快速响应模块 输出与扫描过程无关，直接来自输入。（3）运动控制模块 自带微处理器，可控制位移、速度、加速度，可单 轴或多轴控制，广泛用于机床、装配机械等。如 s7-300的FM351.（4）PID控制模块 应用比例-微分-积分控制方式进行过程 7.通讯模块 西门子的S7300可编程序控制器有不同性能级别的多种通信处理器模块，CP 340，CP 341适合点对点的通信连接。西门子的s7200小型PLC主要是通过EM277通信模块来构建网络，支持Profibus现场总线通信系统。三菱公司的F1系列小型PLc也配有良好的通信接口和支持多种通信模式。F1S、FxlN可以使用扩展板增加通信功能，使用扩展板增加通信功能。
