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PLC的硬件基础知识

第1章PLC的硬件详细介绍

目前市场上主要有德国西门子（SIEMENS）;日本三菱（MITSUBISHI）、欧姆龙（OMRON）、富士电机（FUJI）、松下电工；法国施耐德（SCHNEIDER、MODICON），韩国三星（SAMSUNG）、ABB、GE、日立等公司生产的PLC，虽然厂商不一样，但其PLC的原理基本一致。

1.1PLC硬件结构和电路

PLC主要由中央处理器（CPU）、存储器（RAM、ROM）、输入输出单元（I/O）、电源、I/O扩展接口、外设接口以及外围编程设备等几大部分组成。

其硬件结构图如图1.1所示。

图1.1.1PLC硬件结构图

1。

1中央处理器（CPU）

中央处理单元（CPU）一般由控制器、运算器和寄存器组成，这些电路都集成在一个芯片上.CPU通过地址总线、数据总线、控制总线与存储器、输入输出接口电路连接.CPU常用的微处理器通常有通用型微处理器（Intel公司的8086、80186、奔腾等系列芯片）、单片机（Intel公司的MCS-96系列单片机等）和位片式微处理器（AMD2900系列微处理器）等三类.小型PLC多采用单片机或专用CPU，中型PLC大多采用16/32位微处理器或单片机，大型和超大型PLC大多采用高速位片式处理器，具有高速处理能力.

CPU的主要功能：

1）从存储器中读取指令　

2）执行指令

3）顺序取指令

4）处理中断、数据传送、逻辑运算、算术运算等

1。

2存储器（RAM、ROM）

PLC的存储器（内部存储器）包括系统存储器和用户存储器。

系统存储器用来存放由PLC厂家编写的系统程序（机械源代码、BIOS程序等），系统存储器一般是ROM存储器,用户一般不能更改。

用户存储器包括用户程序存储区和数据存储区两部分,用户存储器一般是ROM、EPROM或EEPROM存储器。

用户程序存储区用来存放用户用编程软件编写的程序,用户根据具体的情况可以更改；数据存储区用来存放用户程序中所使用器件的ON/OFF状态、数值和数据等中间运算结果。

PLC的存储器由随机存储器RAM、只读存储器ROM、可擦写存储器EEPROM3大部分构成.ROM用于存放系统程序，用户不可以改变，其数据断电后不会消失,PLC在生产过程中就已经将程序固化在其程序中.RAM用于存储用户程序和中间运算数据，其数据断电后消失，在关断PLC的外部电源后,可以用锂电池保存RAM中的用户程序和某些数据（目前已经采用更先进的技术保存其数据）。

EEPROM皆有ROM的非易失性和RAM的随机存取的优点，用于存放需要长期保存的重要数据。

其主要功能:

1）存放模块化应用功能子程序；

2）存放命令解释程序；

3）存放功能子程序的调用管理程序；

4）存放存储系统参数。

1。

3输入输出单元（I/O）

I/O单元实际上是I/O电路，PLC的CPU模块I/O单元和扩展模块的I/O单元,一般小型PLC（西门子S7—200、三菱F2N系列PLC）的CPU模块I/O口大多数只有开关量I/O口；扩展模块的I/O单元有开关量、模拟量、热电偶等。

PLC内部输入电路将PLC外部电路（开关量信号——从按钮、选择开关、数字拨码开关、限位开关、接近开关、光电开关、压力继电器等输入。

模拟量信号——由电位器、热电偶、测速电机和各种变送器等输入）,通过光耦合电路送至PLC内部电路.输入单元的作用是接收和采集输入信号，输出单元的作用是控制输出设备，执行装置。

1。

输入接口电路

为了防止由于触点抖动或干扰脉冲引起错误的输入信号，因此输入接口电路必须有很强的抗干扰能力。

其抗干扰的方法有:

利用光耦合器提高抗干扰能力和利用滤波电路提高抗干扰能力。

输入接口电路图1。

1.2所示。

图1。

1.2直流高电平有效输入接口电路

根据输入电路的电压类型和电路形式的不同,可以分为干结式、直流输入式和交流输入式;按电平的有效形式可分为高电平有效型和低电平有效型，上图是直流输入式高电平有效型接口电路。

一般直流数字量输入端口电压定额一般接DC24V（PLC西门子S7-200、三菱F2N系列PLC,但三菱F2N系列PLC由于输入接口电路已经带有24VDC电源，因此不再接入电源）。

2。

输出接口电路

根据PLC的输出电路结构的不同可将输出接口电路分为：

小型继电器输出型、晶体管输出型和晶闸管输出型3种。

PLC小型PLC继电器输出电路型允许负载一般是AC250V/DC50V以下，负载电流可达2A，容量可达80～100VA（电压×电流），因此，PLC的输出一般不宜直接驱动大电流负载（一般通过一个小负载来驱动大负载，如PLC的输出可以接一个电流比较小的中间继电器，再由中间继电器触点驱动大负载,如接触器线圈等）。

PLC继电器输出电路的继电器触点的使用寿命也有限制（一般数十万次左右,根据负载而定，如连接感性负载时的寿命要小于阻性负载）。

此外，继电器输出的响应时间也比较慢（10ms）左右,因此，在要求快速响应的场合不适合使用此种类型的电路输出。

继电器输出型电路见下图1.1。

3所示。

图1。

1.3小型继电器输出型电路

晶体管输出型电路相比于继电器输出响应快（一般在0.2ms以下），适用于要求快速响应的场合；由于晶体管是无机械触点，因此比继电器型输出电路的寿命长。

晶体管输出型电路的电源只能是直接电源，这是其应用局限的一方面。

另外，晶体管输出驱动能力要小于继电器输出，允许负载电压一般为DC5V～30V,允许负载电流为0.2A~0.5A.晶体管输出型电路的主要有两种：

NPN和PNP型集电极开路输出。

PLC晶体管型输出电路见下图1。

1.4所示.

图1.1.4晶体管输出形式电路

双向晶闸管输出型的驱动能力要比继电器输出型的要小,允许负载电压一般为AC85～242V；单点输出电流为0.2A～0.5A,当多点共用公共端时,每点的输出电流应减小（如单点驱动能力为0。

3A的双向晶闸管输出，在4点共用公共端时，最大允许输出为0.8A/4点）。

晶闸管输出型电路见图1。

1。

5所示.

图1。

1.5晶闸管输出型电路

注意：

为了保护晶闸管，通常在PLC内部电路晶闸管的两端并接RC阻容吸收元件（一般为0。

015uF/22Ω左右）和压敏电阻，因此在晶闸管关断时,PLC的输出仍然有1～2mA的开路漏电流，这就可能导致一些小型继电器在PLC输出OFF时无法关断的情况.

1.1.4I/O扩展接口

当PLC的CPU基本I/O单元的输入/输出点数不够使用和不能满足使用条件时,用I/O扩展接口接连接扩展模块，以满足输入/输出点数和使用条件。

1.1.5电源

电源单元是由电源电路构成，电源单元的作用是把外部电源（220V的交流电源）转换成内部工作电压。

PLC使用220V交流电源或24V直流电源，内部的开关电源为各模块提供DC5V、±12V和±24V等直流电源,使PLC能正常工作。

PLC通常还可以为外部电路和电子传感器提供24V的直流电压,但使用时要注意其自带电源的容量。

1.1。

6其他部件和外设接口

通信接口用于与PC机等通信设备相连。

外设接口电路用于连接手持编程器或其他图形编程器、文本显示器，并能通过外设接口组成PLC的控制网络。

PLC通过PC/PPI电缆或使用MPI卡通过RS-485接口与计算机连接，可以实现编程、监控、连网等功能.

1。

2PLC的工作原理

PLC在本质上是一台微型计算机，其工作原理与普通计算机类似，具有许多相似特点，但其工作方式却与微机有较大的不同，具有一定的特殊性.PLC的工作方式是周期循环扫描，其工作过程是：

输入处理阶段（输入采样）程序执行阶段（程序扫描）输出处理阶段（输出刷新）.

其程序执行原理如图1。

2.1所示

图1.2。

1其程序执行原理

PLC执行完上图中所示的所有过程，称为一个扫描周期，PLC完成一个周期后,又重新执行上述过程，扫描周而复始地进行。

其工作的流程图见图1.2。

2所示,其扫描过程图见图1。

2.3所示。

图1.2。

2PLC工作的流程图

图1.2.3扫描工作过程图

1。

3实际使用时PLC的选型原则和注意事项

在实际运用中应根据受控对象的性能、特点和控制系统的要求，选择质量、性价比较高品牌，能满足系统性能要求的PLC。

其选用PLC时主要考虑一下几点：

1.输入点数、输出点数,输入量的形式，输出驱动负载的特点.

输入量有数字量和模拟量两种，一般小型PLC（西门子S7-200、三菱F2N系列PLC）的CPU模块I/O口大多数只有开关量I/O口；扩展模块的I/O单元有开关量、模拟量、热电偶等。

当PLC的CPU模块的I/O口点数不够或不能满足性能要求时，需要增加扩展模块来满足系统的要求。

PLC输出有继电器输出型、晶体管输出型、晶闸管输出型三种.继电器输出型允许负载一般是AC250V/DC50V以下，负载电流可达2A。

晶体管输出型相比于继电器输出型响应快（一般在0。

2ms以下），适用于要求快速响应的场合；比继电器输出型的寿命长，允许负载电压一般为DC5V～30V，允许负载电流为0.2A～0。

5A。

双向晶闸管输出型允许负载电压一般为AC85～242V;单点输出电流为0。

2A～0。

5A，当多点共用公共端时，每点的输出电流应减小（如单点驱动能力为0。

3A的双向晶闸管输出，在4点共用公共端时,最大允许输出为0。

8A/4点）。

2.存储器容量的大小

程序容量应小于存储器容量。

存储器容量是可编程序控制器本身能提供的硬件存储单元大小,程序容量是存储器中用户应用项目使用的存储单元的大小,因此程序容量应小于存储器容量。

为了设计选型时能对程序容量有一定估算，通常采用存储器容量的估算来替代. 存储器内存容量的估算没有固定的公式，许多文献资料中给出了不同公式，大体上都是按数字量I/O点数的10～15倍，加上模拟I/O点数的100倍，以此数为内存的总字数（16位为一个字）,另外再按此数的25％考虑余量。

3.PLC的控制功能要满足控制系统的要求

PLC的运算功能、控制功能、指令系统、通信功能、编程功能、诊断功能和处理速度等特性应满足系统的要求。

一般在工艺过程比较固定、环境条件较好（维修量较小）的场合,建议选用整体式结构的ＰＬＣ；其它情况则最好选用模块式结构的ＰＬＣ。

对于开关量控制以及以开关量控制为主、带少量模拟量控制的工程项目中，一般其控制速度无须考虑,因此，选用带Ａ／Ｄ转换、Ｄ／Ａ转换、加减运算、数据传送功能的低档机就能满足要求。

而在控制比较复杂,控制功能要求比较高的工程项目中（如要实现ＰＩＤ运算、闭环控制、通信联网等），可视控制规模及复杂程度来选用中档或高档机.其中高档机主要用于大规模过程控制、全ＰＬＣ的分布式控制系统以及整个工厂的自动化等。

4.PLC的CPU模块自带电源（DC5V、DC24V）的容量不能过载，PLC的CPU模块能连接扩展模块的数量，其能否满足系统的要求.

当有扩展模块时CPU模块通过I/O总线为其提供DC5V电源，所有扩展模块的5V电源消耗之和不能超过该CPU提供的电源额定，若不够用不能外接5V电源.每个CPU模块都有一个DC24V传感器电源，它为本机输入点、扩展模块输入点和扩展模块继电器线圈提供DC24V。

如果电源要求超出了CPU模块的电源定额,你可以增加一个外部DC24V电源来提供给扩展模块。

5。

PLC的CPU模块前面板上用两个发光二级管显示当前工作状态,PLC处于运行状态时，绿色指示灯点亮；PLC处于停止状态时，红色指示灯点亮；在标有SF的指示灯点亮时表示系统出现故障，PLC停止工作。

当PLC输入端口指示灯点亮时，表示PLC输入端有信号输；当PLC的CPU模块和扩展模块的电源指示灯点亮时，表示其工作电源已接通；当PLC输出端口指示灯点亮时，表示PLC输出端有有输出。

6。

PLC检查出异常时，CPU面板上的LED及异常继电器会接通，在特殊结存器中会存入出错代码;当PLC出现致命错误时,CPU被强制为STOP方式,所有的扫描便停止。

7。

清楚的了解PLC的分类有助于合理的选择PLC的型号。

按控制规模可以分为大型机、中型机和小型机；按控制性能可以分为高档机、中档机和低档机；按结构可分为整体式、组合式和叠装式。

小型机：

小型机的控制点一般在256点之内,适合于单机控制或小型系统的控制。

西门子小型机有S7-200：

处理速度0.8～1。

2ms；存贮器2k；数字量248点；模拟量35路。

中型机:

中型机的控制点一般不大于2048点，可用于对设备进行直接控制，还可以对多个下一级的可编程序控制器进行监控,它适合中型或大型控制系统的控制。

西门子中型机有S7—300：

处理速度0.8~1.2ms；存贮器2k；数字量1024点;模拟量128路;网络PROFIBUS；工业以太网；MPI.

大型机：

大型机的控制点一般大于2048点，不仅能完成较复杂的算术运算还能进行复杂的矩阵运算。

它不仅可用于对设备进行直接控制,还可以对多个下一级的可编程序控制器进行监控.西门子大型机有S7—400：

处理速度0.3ms/1k字；存贮器512k；I/O点12672.

低档机：

这类可编程序控制器,具有基本的控制功能和一般的运算能力。

工作速度比较低，能带的输入和输出模块的数量比较少。

比如，德国SIEMENS公司生产的S7-200就属于这一类.

中档机：

这类可编程序控制器，具有较强的控制功能和较强的运算能力。

它不仅能完成一般的逻辑运算，也能完成比较复杂的三角函数、指数和PID运算。

工作速度比较快，能带的输入输出模块的数量也比较多,输入和输出模块的种类也比较多。

比如，德国SIEMENS公司生产的S7—300就属于这一类。

高档机：

这类可编程序控制器，具有强大的控制功能和强大的运算能力。

它不仅能完成逻辑运算、三角函数运算、指数运算和PID运算，还能进行复杂的矩阵运算。

工作速度很快,能带的输入输出模块的数量很多,输入和输出模块的种类也很全面。

这类可编程序控制器可以完成规模很大的控制任务。

在联网中一般做主站使用。

比如,德国SIEMENS公司生产的S7-400就属于这一类。

整体式PLC:

把电源、CPU、存储器、I/O系统都集成在一个单元内，该单元叫做作基本单元.一个基本单元就是一台完整的PLC.控制点数不符合需要时，可再接扩展单元.整体式结构的特点是非常紧凑、体积小、成本低、安装方便.

组合式PLC：

把PLC系统的各个组成部分按功能分成若干个模块，如CPU模块、输入模块、输出模块、电源模块等等。

其中各模块功能比较单一，模块的种类却日趋丰富。

比如，一些可编程序控制器，除了－些基本的I/O模块外,还有一些特殊功能模块，像温度检测模块、位置检测模块、PID控制模块、通讯模块等等。

组合式结构的PLC特点是CPU、输入、输出均为独立的模块。

模块尺寸统一、安装整齐、I/O点选型自由、安装调试、扩展、维修方便。

叠装式PLC：

叠装式结构集整体式结构的紧凑、体积小、安装方便和组合式结构的I/O点搭配灵话、安装整齐的优点于一身。

它也是由各个单元的组合构成。

其特点是CPU自成独立的基本单元（由CPU和一定的I/O点组成），其它I/O模块为扩展单元。

在安装时不用基板，仅用电缆进行单元间的联接，各个单元可以一个个地叠装。

使系统达到配置灵活、体积小巧。

8。

在实际选用PLC时,一定要注意PLC的市场状况。

目前PLC的适用范围广和发展速度快，PLC的生产厂家很可能在很短的时间内研发出新的PLC取代原有的PLC.

9.三极管类型传感器或编码器与PLC连接时,要注意选择输入形式是PNP型还是NPN型，国内PLC厂家多采用这样的描述,而三菱则是称之为源型输入与漏型输入。

10.PLC的基本模块或扩展模块I/O的“。

”,表示空端子.注意不能对空端子进行外部接线。

11.I/O电路的常见问题

PLC的控制系统中的输入设备，常见的有按钮、行程开关、转换开关、接近开关、霍尔开关、拨码开关、各种传感器等;输出负载有继电器、指示灯、电磁阀等。

正确地连接输入／输出电路，是保证PLC安全可靠工作的前提。

1）用三极管等有源元件作为无触点开关的输出设备，与PLC输入单元连接是，由于三极管自身有漏电流存在，或者电路不能保证三极管可靠截止而处于放大状态，使得即使在戒截止时，乃会有一个小的漏电流流过,当该电流的值大于1.3mA时，就可能引起PLC输入电路发生误动作。

解决办法：

在PLC输入端并联一个旁路电阻分流，使得流入PLC电流小于1.3mM。

2）在使用PLC时，应注意在输出回路串联熔断器，避免负载电流过大,损坏PLC的输出电路。

3）由于晶体管、晶闸管型输出端子漏电流和残压的存在，当驱动不同类型的负载时，应考虑电平匹配和误动作等问题。

输出触点接感性负载断电时会产生很高的反向电动势,对输出电路产生冲击；因此，对于大电感负载或频繁管关断的感性负载应使用外部抑制电路，一般采用阻容吸收电路或二极管吸收电路（对直流电路，应并接续流二极管，对交流电路，应并接并接阻容电路）。

阻容电路中电阻可取51～120Ω，电容可以取0。

1～0.47μF。

电容的额定电压应大于电源的峰值电压，续流二极管可以选1A的管子，其额定电压应大于电源电压的3倍其示意图见图1。

3.1所示。

（a）

（b）

图1。

3。

1输入输出口的保护

（a）直流输入输出点的保护（b）交流输入输出点的保护

R－51～120Ω；C－0.1～0.47μF

第二章西门子PLC的硬件详细介绍

西门子公司的PLC产品有SIMATICS7和LOGO!

两大系列。

LOGO！

逻辑模块可以完美地适用于小型自动化工程，并可通过取代大量的时间开关和继电器、计数器和保护继电器使得自动化系统的建立变得简单.S7系列是传统意义的PLC产品,其包括S7-200、S7—200CN、S7—200SMART、S7—1200、S7-300、S7-400.

S7—200是小型低档PLC（MicroPLC），其设计更加小巧、指令执行更加快速、功能性更加提高，新一代的S7—200CN、S7-200SMARTPLC、S7-1200产品可以替代以前的产品。

S7—300是模块化中型中档PLC系统，最多可以扩展32个模块，能满足中等性能要求的应用。

各种单独的模块之间可进行广泛组合构成不同要求的系统，与S7-200PLC比较,S7—300PLC采用模块化结构，具备高速（0。

6~0。

1μs）的指令运算速度；用浮点数运算有效地实现了更为复杂的算术运算.S7—300PLC设有操作方式选择开关，操作方式选择开关像钥匙一样可以拔出,当钥匙拔出时，就不能改变操作方式，这样就可防止非法删除或改写用户程序；具备强大的通信功能,S7—300PLC具有多种不同的通信接口，并通过多种通信处理器来连接AS-I总线接口和工业以太网总线系统;串行通信处理器用来连接点到点的通信系统；多点接口（MPI）集成在CPU中，用于同时连接编程器、PC机、人机界面系统及其他SIMATICS7/M7/C7等.

S7—400是大型高档PLC，最多可以扩展300个模块,能满足性能要求高的应用。

S7—400PLC采用模块化无风扇的设计，可靠耐用，同时可以选用多种级别（功能逐步升级）的CPU,并配有多种通用功能的模板，这使用户能根据需要组合成不同的专用系统.当控制系统规模扩大或升级时，只要适当地增加一些模板，便能使系统升级和充分满足需要。

S7—300/400可以组成MPI（多点接口）、PROFIBUS网络和工业以太网等.其特点有如下:

可以用C、C++或CFC这类高级语言来对M7-300/400PLC编程，由S7-300PLC、HMI（人机接口）操作面板、I/O、通信和过程监控系统组成，面向用户配置/编程、数据管理与通信集成在一起，具有很高的性价比SIMATIC_WinAC基于WindowsNT/2000操作系统和标准的接口（ActiveX、OPC），提供软件PLC或插槽PLC.既能独立运行，也可连成网络,实现集散自动化系统的复杂控制功能,应用领域覆盖所有与自动检测、自动化控制有关的工业及民用领域.

2.1SIMATICS7-200CN小型PLC的硬件详细介绍

2。

1.1SIMATICS7-200CN小型PLC的CPU模块详细介绍

SIMATICS7—200CN小型PLC的CPU模块有CPU221、CPU222CN、CPU224CN、CPU224XPCN、CPU224XPsiCN、CPU226CN，分别有DC/DC/DC和AC/DC/Relay（继电器）两种。

继电器输出的工作电源是AC85～264V（47～63Hz），输出触点能接5～250VAC/5～30VDC负载；晶体管输出型的工作电源是DC24V，输出触点只能接直流额定电压24VDC负载。

其订货号和主要规范见表2.1。

1，其CPU模块的主要性能参数见表2。

1。

2，其CPU模块的其他性能参数见表2.1。

3。

本系列PLC有6种基本型号的CPU，在设计上具有如下特点和功能：

1）集成的24V负载电源.2）不同的设备类型的数字量输入/输出点。

3）模拟量输入/输出点。

4）中断输入。

5）高速计数器。

6）可方便地用数字量和模拟量等扩展模块进行扩展。

7）模拟电位器。

8）脉冲输出实时时钟。

9）EEPROM存储器模块10）电池模块.

S7—200CN系列PLC的CPU内部集成的PPI接口提供了强大的通信功能。

PPI接口物理特性为RS485，可在三种方式下工作：

1）PPI方式:

专为S7—200CN系列PLC开发的一个通信协议.2）MPI方式:

S7-200CN可以通过内置接口连接到MPI网络上，波特率为19.2K/187。

5Kbit/s。

3）自由通信口方式。

表2.1。

1西门子S7—200CN小型PLC的CPU模块的订货号详细表和主要规范

型号

CPU221

CPU222

CPU224

CPU226XP/XPsi

CPU226

用户存数据储器类型

EEPROM

程序存储器:

可在运行模式下编辑

不可在运行模式下编辑

4KB

8/12KB

12/16KB

16/24KB

用户数据存储区

2KB

8KB

10KB

数据后备（超级电容）典型

值/H（小时）

100

主机数字量I/O点数

主机模拟量I/O点数

6/4

无

8/6

无

14/10

无

14/10

2/1

24/16

无

可扩展模块

无

24VPLC自带电源最大电流/电源限制（mA）

180/600

280/600

400/约1500

I/O扩展接口的DC5V电源的输出电流（mA）

最大340

最大660

最大1000

最大模拟量输入/输出

无

16/8

32/28

继电器输出型PLC输入电流/负载电流

24VDC4mA/

最大2A

晶体管输出型PLC输入电流/负载电流

24VDC4mA/

24VDC0.75A

冲击电流

继电器输出型（264VAC）时，20A，晶体管输出型（28.8VDC）时10A

隔离（现场与逻辑）

继电器输出型不隔离，晶体管输出型1500VAC

保持时间（掉电）

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