课题二:可编程控制器的概述(二)
【教学目的】:1、掌握可编程控制器的硬件结构
2、了解可编程序控制器的软件组成
【教学重点】:可编程控制器的硬件结构
【教学难点】:理解可编程控制器的硬件结构各部分的作用
【课型】:新授课
【课时】:2课时
【讲授内容】
可编程控制器的组成
可编程控制器由CPU、存储器（RAM、ROM）、输入输出单元（I/O）、I/O扩展接口、电源和编程器等组成。
一、PLC的硬件结构
PLC是一种工控计算机，与计算机的组成十分相似，但具有更强的与工业过程相连接的接口。其结构框图如下：
（一）CPU
CPU是整个PLC系统的核心，指挥PLC有条不紊地进行各种工作。
1、CPU类型：1）通用微处理器（8080、8086、80286、80386等）
2）单片机（8031、8096等）
3）位片式微处理器（AM2900、AM2901、AM2903等）
小型PLC：单CPU系统。
中、大型PLC：双CPU系统（字处理器、位处理器）
2、CPU的作用：
CPU是PLC系统的核心，其主要作用：
1）接收并存储用户程序和数据。
2）检查、校验用户程序。
对正在输入的用户程序进行检查，发现语法错误立即报警，并停止输入；在程序运行过程中若发现错误，则立即报警或停止程序的执行。
3）接收现场的状态或数据并存储。
将接收到现场输入的数据保存起来，在需要改数据的时候将其调出、并送到需要该数据的地方。
4）PLC进入运行后，执行用户程序，存储执行结果，并将执行结果输出。
当PLC进入运行状态，CPU根据用户程序存放的先后顺序，逐条读取、解释和执行程序，完成用户程序中规定的各种操作，并将程序执行的结果送至输出端口，以驱动可编程控制器的外部负载。
5）诊断电源、PLC内部电路的工作故障。
诊断电源、可编程控制器内部电路的故障，根据故障或错误的类型，通过显示器显示出相应的信息，以提示用户及时排除故障或纠正错误。
（二）存储器
1、存储器为记忆性部件。
2、PLC存储器的分类
PLC的存储器可以分为：系统程序存储器、用户程序存储器、工作数据存储器。
1）系统程序存储器
存放由可编程控制器生产厂家编写的系统监控程序，并固化在ROM内，用户不能直接更改。
2）用户程序存储器
根据控制要求而编制的应用程序称为用户程序。
小型的PLC的存储容量一般在8K字节以下。
（三）输入/输出接口单元
输入/输出单元：PLC与被控对象之间传送输入输出信号的接口部件，输入/输出单元有良好的电隔离和滤波功能。
1、I/O单元的作用：
1）电平转换功能：由于外部输入设备和输出设备所需的信号电平是多种多样的，而PLC内部CPU的处理的信息只能是标准电平
2）光电隔离和滤波功能：以提高PLC的抗干扰能力
3）状态指示：工作状况直观，便于维护
2、开关量输入/输出接口
1）开关量输入接口
开关量输入器件：按钮、选择开关、数字拨码开关、行程开关、接近开关、光电开关、继电器触点等。
作用：现场的数字（开关）量信号变成可编程控制器内部处理的标准信号。
分类：按可接纳的外部信号电源的类型不同分为直流输入接口单元和交流输入接口单元。如图1、图2、图3所示。
一般单元式PLC中输入接口单元都使用可编程本机的直流电源供电，不再需要外接电源。
2）开关量输出接口
开关量输出器件：接触器线圈、电磁阀、电磁铁、指示灯、数字显示装置和报警装置等输出设备。
作用：将PLC内部的标准信号转换成现场执行机构所需的开关量信号。
开关量输出接口类型：
继电器输出（电磁隔离）
说明：用于交流、直流负载，但接通断开的频率低。
晶体管输出（光电隔离）
说明：有较高的接通断开频率，用于直流负载。
（3）晶闸管输出（光触发型进行电气隔离）
说明：仅适用于交流负载。
说明：a）输出电路的负载电源由外部提供。
b）负载电流一般不超过2A。使用中，输出电流额定值与负载性质有关系。
3）输出端子的接线方式
输出端子有两种接线方式：
输出各自独立（无公共点）
b)每4～8个输出点构成一组，公用一个公共点。
注：1）输出公用一个公共点时，同组用同一电压类型和等级，不同组之间可以用不同类型和等的电压。
2）PLC的输入接口个数和输出接口个数之和称为PLC的点数。
3、模拟量输入/输出接口
1）模拟量输入接口
作用：将现场的模拟量标准信号转换成PLC内部处理的的信号。
模拟量输入接口接受标准模拟信号，标准模拟信号可以是电压信号或电流信号。
标准信号：符合国际标准的通用交互用电压电流信号值，如4～20mA的直流电流信号，1～10V的直流电压信号等。
工业现场中模拟量信号的变化范围一般是不标准的，在送入模拟量接口时一般都需经变送处理才能使用，模拟量输入接口的内部电路框图：
模拟量信号输入后一般经运算放大器放大后进行A/D转换，再经光电耦合后转换为PLC能识别数字量信号。
2）模拟量输出接口
作用：将PLC运算处理后的数字量信号转换模拟量信号输出，以满足生产过程现场连续控制信号的需求。
组成：光电隔离、D/A转换和信号驱动等。
其原理框图：
模拟量输入输出接口一般安装在专门的模拟量工作单元上。
4、智能输入输出接口
PLC智能控制单元：PID工作单元、高速计数器工作单元、温度控制单元等。
智能控制单元大多是独立的工作单元，有单独的CPU，有专门的处理能力。在工作中，每个扫描周期智能单元和主机的CPU交换一次信息，共同完成控制任务。
从近期的发展来看，不少新型的可编程控制器本身也带有PID功能及高速计数器接口，但它们的功能一般比专用智能输入输出单元的功能稍弱。
通信接口：通过各种通信接口，PLC可与监视器、打印机、PLC或计算机相连，实现数据和信息的交换。
（五）扩展接口：扩展接口用于将扩展单元与基本单元相连,使PLC的配置更加灵活。
（六）智能I/O接口：闭环控制模板，高速计数模板等。
（七）电源
1、电源一般为单相交流电源（AC100240V，50/60Hz），也有用直流24V供电的。2、对电源的稳定性要求不是太高，允许在额定电源电压值的±10%~15%范围波动。3、小型PLC，电源与CPU合为一体，中大型PLC，用单独的电源模块。
（八）编程器
1、作用：供用户进行程序的编制，编辑，调试和监视。
2、编程器分类：
1）简易型：只能联机编程，且往往需要将梯形图转化为机器语言助记符（指令表）后，才能输入。它一般由简易键盘和发光二极管或其他显示器件组成。
2）智能型两类（图形编程器）：可以联机，也可以脱机编程，具有LCD或CRT图形显示功能，可以直接输入梯形图和通过屏幕对话.
说明：配有相应的编程软件包微机也可作为编程器，如要直接与PLC通信，还应配有通信电缆。
（九）其他部件：盒式磁带机，EPROM写入器存储器卡等其他外部设备
二、可编程序控制器的软件组成
1、系统程序
诊断程序、键盘输入处理程序、翻译程序、信息传送程序、监控程序
用户程序
用户程序是用户根据设备控制的要求编制的控制程序，相当于继电器控制系统的控制电路。
常见的PLC的编程语言有梯形图，语句表，功能表图。
系统监控程序：
a)、系统运行管理程序(控制PLC的运行，使整个PLC按部就班地工作)
b)、用户指令解释程序（将PLC的编程语言变为机器语言指令）
c)、标准程序模块与系统调用程序（子程序及其调用管理程序等）
图2交/直流输入接口单元电路
图1直流输入接口单元电路
图3交流输入电路
路
开关量输出电路
PLC输入/输出接口等效电路图
图4模拟量输入电路框图
模拟量输出电路框图
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