鄭海春2022年1月第四章可編程控制器的硬件結(jié)構提綱電氣控制與S7-1200應用技術教程鄭海春2可編程控制器的硬件組成可編程控制器的工作原理可編程控制器的硬件組成電氣控制與S7-1200應用技術教程鄭海春3硬件主要由CPU、存儲器、電源、I/O單元以及外部接口等部分組成可編程控制器的硬件組成電氣控制與S7-1200應用技術教程鄭海春4中央處理器（CPU）中央處理器（CPU）由控制器、運算器和寄存器組成并集成在一個芯片內(nèi)。CPU是PLC的控制中樞，CPU按照PLC內(nèi)程序賦予的功能指揮PLC控制系統(tǒng)有條不紊地協(xié)調(diào)工作，從而實現(xiàn)對現(xiàn)場的各個設備進行控制。可編程控制器的硬件組成電氣控制與S7-1200應用技術教程鄭海春5存儲器1．系統(tǒng)程序存儲器系統(tǒng)程序存儲器用來存放系統(tǒng)管理、用戶指令解釋等系統(tǒng)程序，由PLC制造廠家編寫并在出廠時固化在ROM、EPROM或E2PROM中，用戶不能進行修改。2．用戶程序存儲器用戶程序存儲器分為裝載存儲器和工作存儲器。下載用戶程序是下載到PLC的裝載存儲器中，裝載存儲器是非易失的，一般是EPROM、E2PROM或Flash存儲器。CPU運行用戶程序時，將所有與執(zhí)行相關的程序自動復制到工作存儲器中，工作存儲器是高速存取的RAM，易失。提示：裝載存儲器類似于計算機的硬盤，工作存儲器類似于計算機的內(nèi)存條?？删幊炭刂破鞯挠布M成電氣控制與S7-1200應用技術教程鄭海春6存儲器3．數(shù)據(jù)存儲器數(shù)據(jù)存儲器也稱為系統(tǒng)存儲器，它包括輸入和輸出映像區(qū)、輔助繼電器映像區(qū)、定時器區(qū)、計數(shù)器區(qū)、臨時數(shù)據(jù)（局部變量）區(qū)、數(shù)據(jù)塊區(qū)等存儲區(qū)。可編程控制器的硬件組成電氣控制與S7-1200應用技術教程鄭海春7電源PLC通常使用AC220V（電壓范圍85V~230V）或DC24V電源供電。PLC內(nèi)部配有的一個開關電源，將供電電源轉(zhuǎn)化為PLC內(nèi)部電路需要的工作電源（DC5V、DC24V等）。小型PLC可以為輸入電路和外部的電子傳感器提供DC24V的電源。驅(qū)動PLC負載的電源由用戶提供?？删幊炭刂破鞯挠布M成電氣控制與S7-1200應用技術教程鄭海春8輸入/輸出（I/O）單元I/O單元是PLC與工業(yè)現(xiàn)場連接、交互的重要橋梁。I/O單元均具有信號的傳遞、電平的轉(zhuǎn)換和隔離三個功能。由于外部的信號或執(zhí)行機構有多種形式，為了匹配盡可能多的設備，PLC也設計了多種I/O單元供用戶選用?？删幊炭刂破鞯挠布M成電氣控制與S7-1200應用技術教程鄭海春9輸入/輸出（I/O）單元1．數(shù)字量輸入單元數(shù)字量輸入單元常用的是直流輸入，直流輸入分為源型輸入和漏型輸入。光電耦合器將電路的通斷信號變成光信號來導通/截止內(nèi)部電路。光電耦合器同時起到了電平轉(zhuǎn)換和隔離的作用，防止現(xiàn)場強電干擾進入內(nèi)部電路。R-C為濾波電路，以增強其抗干擾能力?？删幊炭刂破鞯挠布M成電氣控制與S7-1200應用技術教程鄭海春10輸入/輸出（I/O）單元1．數(shù)字量輸入單元數(shù)字量輸入單元常用的是直流輸入，直流輸入分為源型輸入和漏型輸入。光電耦合器和輸入指示燈通常做成二極管反向并聯(lián)，這樣的好處是外部電源可以反接（即該輸入端口可以接成源型輸入也可以接成漏型輸入）?？删幊炭刂破鞯挠布M成電氣控制與S7-1200應用技術教程鄭海春11輸入/輸出（I/O）單元1．數(shù)字量輸入單元數(shù)字量輸入單元常用的是直流輸入，直流輸入分為源型輸入和漏型輸入。注意：對于PLC的端子，如果電流從參考點流出，可以把它看成電流的“源頭”，即為“源型”；如果電流流入到參考點內(nèi)，那么就是“漏型”。小心避坑：西門子廠家的PLC以輸入端子為參考點，三菱廠家的PLC以公共端（COM）為參考點。此外，也可以按光耦發(fā)光二極管公共端的連接方式分為共陽極和共陰極輸入電路。可編程控制器的硬件組成電氣控制與S7-1200應用技術教程鄭海春12輸入/輸出（I/O）單元2．數(shù)字量輸出單元PLC的數(shù)字量輸出單元分為繼電器（Relay）型、晶體管型（Transistor）和晶閘管（Silicon）型三類。繼電器型輸出的優(yōu)點是既可以帶直流負載，也可以帶交流負載，而且?guī)лd能力較強，沒有導通壓降；缺點是輸出頻率低、壽命短?？删幊炭刂破鞯挠布M成電氣控制與S7-1200應用技術教程鄭海春13輸入/輸出（I/O）單元2．數(shù)字量輸出單元PLC的數(shù)字量輸出單元分為繼電器（Relay）型、晶體管型（Transistor）和晶閘管（Silicon）型三類。晶體管型輸出的優(yōu)點是輸出頻率高、壽命長；缺點是僅限直流負載、有導通壓降、帶載能力弱?？删幊炭刂破鞯挠布M成電氣控制與S7-1200應用技術教程鄭海春14輸入/輸出（I/O）單元2．數(shù)字量輸出單元PLC的數(shù)字量輸出單元分為繼電器（Relay）型、晶體管型（Transistor）和晶閘管（Silicon）型三類。晶閘管（雙向可控硅）的輸出方式僅能用于交流電源負載，帶負載能力比繼電器輸出小，比晶體管輸出大。晶閘管和晶體管輸出接口都是無觸點的，因此輸出頻率高，使用壽命長?？删幊炭刂破鞯挠布M成電氣控制與S7-1200應用技術教程鄭海春15輸入/輸出（I/O）單元2．數(shù)字量輸出單元PLC的數(shù)字量輸出單元分為繼電器（Relay）型、晶體管型（Transistor）和晶閘管（Silicon）型三類。總結(jié)：繼電器輸出型：可帶交、直流負載，響應時間長，動作頻率低；晶體管輸出型：只能帶直流負載，響應速度快，動作頻率高；晶閘管輸出型：只能帶交流負載，響應速度快，動作頻率高?？删幊炭刂破鞯挠布M成電氣控制與S7-1200應用技術教程鄭海春16輸入/輸出（I/O）單元3．模擬量輸入/輸出單元PLC的模擬量輸入單元是把現(xiàn)場連續(xù)變化的電量標準信號，轉(zhuǎn)換為PLC能夠處理的由若干二進制位表示的數(shù)字量信號。模擬量輸入單元的核心是模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）。工業(yè)生產(chǎn)中，諸如溫度、壓力等連續(xù)變化的物理量，經(jīng)過傳感器變換為相應的4~20mA，0~5V等模擬量標準電信號，模擬量輸入單元接收模擬量信號后，經(jīng)過濾波、ADC、光耦隔離，轉(zhuǎn)換成二進制數(shù)字量信號，送給PLC內(nèi)部電路進行處理?？删幊炭刂破鞯挠布M成電氣控制與S7-1200應用技術教程鄭海春17輸入/輸出（I/O）單元3．模擬量輸入/輸出單元PLC模擬量輸出將PLC運算處理過的二進制數(shù)字轉(zhuǎn)換成相應的電量（如0~10V，4~20mA）,輸出到現(xiàn)場的執(zhí)行機構。其核心部件是數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）?？删幊炭刂破鞯挠布M成電氣控制與S7-1200應用技術教程鄭海春18外部接口PLC的外部接口有I/O擴展口（連接I/O擴展單元或者特殊功能單元）和通信接口。I/O擴展單元的作用是當PLC主機的I/O點數(shù)不夠時，可通過PLC的I/O擴展接口連接I/O擴展模塊，以適應和滿足更加復雜控制功能的需要。為了增強PLC的功能，擴大其應用范圍，PLC廠家開發(fā)了品種繁多的特殊功能單元。特殊功能單元包括模擬量I/O模塊、通信模塊、高速計數(shù)與運動控制模塊等。其通過I/O擴展口與PLC系統(tǒng)總線相連。PLC的主機或通信模塊上，集成有RS-232C、RS-485、ProfiNet等通信接口，用于與人機交互界面（humanmachineinterface，HMI）、其它PLC、遠程I/O、PC機、編程器、變頻器等外部設備的通信，實現(xiàn)PLC與上述設備之間的數(shù)據(jù)及信息的交換，組成局域網(wǎng)絡或分布式控制系統(tǒng)?？删幊炭刂破鞯墓ぷ髟黼姎饪刂婆cS7-1200應用技術教程鄭海春19硬件電路（In）-軟件邏輯-硬件電路（Out）可編程控制器的工作原理電氣控制與S7-1200應用技術教程鄭海春20循環(huán)掃描工作方式PLC主要有兩種基本的工作模式，即運行（RUN）模式與停止（STOP）模式。PLC的周而復始的循環(huán)工作方式稱為循環(huán)掃描工作方式。PLC在RUN工作模式時，完成一次循環(huán)所需的時間，稱為一個掃描周期。掃描周期的長短與用戶程序的長短、指令的種類和CPU執(zhí)行指令的速度有關。由于掃描工作方式的原因，PLC可能檢測不到窄脈沖輸入信號，輸入脈沖寬度應大于PLC的掃描周期。可編程控制器的工作原理電氣控制與S7-1200應用技術教程鄭海春21循環(huán)掃描工作過程在內(nèi)部處理階段，PLC進行CPU自診斷，主要檢查工作電壓是否正常，I/O連接是否正常，用戶程序是否存在語法錯誤等。同時定期復位監(jiān)控定時器，監(jiān)控定時器又被稱為“看門狗”（watchdogtimer，WDT），其定時時間略長于掃描周期，只要系統(tǒng)正常工作，“看門狗”就不會申請定時中斷。如果系統(tǒng)出現(xiàn)問題，則“看門狗”申請定時中斷，同時系統(tǒng)響應，并在中斷程序中對故障信息進行處理。可編程控制器的工作原理電氣控制與S7-1200應用技術教程鄭海春22循環(huán)掃描工作過程在通信服務階段，PLC完成與其他設備的通信任務，包括與PLC主從站、操作員站（operatorstation，OS）、人機交互界面等進行信息交換?？删幊炭刂破鞯墓ぷ髟黼姎饪刂婆cS7-1200應用技術教程鄭海春23循環(huán)掃描工作過程在輸入處理階段，PLC把所有外部輸入電路的接通、斷開狀態(tài)集中采樣并存入相應的輸入映像寄存器中，此時輸入映像寄存器被刷新，其內(nèi)容保持不變，直到下一個掃描周期的輸入處理階段。即當輸入處理階段結(jié)束后，如果外部輸入電路的狀態(tài)發(fā)生變化，也只能在下一個掃描周期才能被PLC接收到。注意：輸入映像寄存器用戶是無法改寫的（只讀），僅受外部硬件電路通斷的控制。每一個外部的輸入端口都有一個內(nèi)部的輸入映像寄存器位與之對應?？删幊炭刂破鞯墓ぷ髟黼姎饪刂婆cS7-1200應用技術教程鄭海春24循環(huán)掃描工作過程在程序執(zhí)行階段，CPU根據(jù)指令的需要從輸入映像寄存器、輸出映像寄存器或元件映像寄存器中讀出各繼電器的狀態(tài)，并根據(jù)此狀態(tài)按自上而下、先左后右的順序依次執(zhí)行梯形圖中的指令，執(zhí)行結(jié)果再寫入輸出映像寄存器或元件映像寄存器中?？删幊炭刂破鞯墓ぷ髟黼姎饪刂婆cS7-1200應用技術教程鄭海春25循環(huán)掃描工作過程在輸出處理階段中，將輸出映像寄存器中的內(nèi)容傳送到輸出鎖存器中，再經(jīng)過輸出接口（繼電器、晶體管或晶間管）電路輸出，驅(qū)動外部負載。在下一個輸出處理階段開始之前，輸出鎖存器的狀態(tài)不會改變?？删幊炭刂破鞯墓ぷ髟黼姎饪刂婆cS7-1200應用技術教程鄭海春26循環(huán)掃描工作過程可編程控制器的工作原理電氣控制與S7-1200應用技術教程鄭海春27系統(tǒng)響應時間循環(huán)掃描是PLC最大的工作特點，這種“串行”工作方式既可以避免繼電器、接觸器控制系統(tǒng)因“并行”工作方式存在的觸點競爭，又可提高PLC的運算速度，這是PLC系統(tǒng)可靠性高、響應快的原因。但這種工作方式也會帶來系統(tǒng)響應的滯后，又稱系統(tǒng)響應時