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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
1.1.1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
1.1.2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。
1.1.3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
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
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
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
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
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,其扫描过程图见图
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
(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
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
EEPROM
EEPROM
EEPROM
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
4KB
4KB
4KB
8/12KB
8/12KB
12/16KB
12/16KB
16/24KB
16/24KB
用户数据存储区
2KB
2KB
8KB
10KB
10KB
数据后备(超级电容)典型
值/H(小时)
50
50
100
100
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
2
7
7
7
24VPLC自带电源最大电流/电源限制(mA)
180/600
180/600
280/600
280/600
400/约1500
I/O扩展接口的DC5V电源的输出电流(mA)
0
最大340
最大660
最大660
最大1000
最大模拟量输入/输出
无
16/8
32/28
32/28
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)
继电器输出型10ms,24VDC,晶体管输出型20/80120/240VAC
保险(不可替换)
继电器输出型3A,250V慢速熔断,晶体管输出型2A,250V慢速熔断
浮点数运算
有
I/O映象区
数字量I/O映象区256(128入/128出)
布尔指令执行速度
0.22us/指令
型号
CPU221
CPU222
CPU224
CPU226XP