"追求技術(shù)進(jìn)步、服務(wù)科教興國(guó)、支持教育事業(yè)"
可編程控制器的組成,可編程控制器培訓(xùn),可編程控制器使用
1、可編程控制器的基本結(jié)構(gòu)
可編程控制器的主要由CPU模塊、輸入模塊、輸出模塊和編程器組成（見(jiàn)圖1）
圖1 plc控制系統(tǒng)示意圖
（1）CPU模塊
CPU模塊主要由微處理器（CPU芯片）和存儲(chǔ)器組成，在可編程控制器系統(tǒng)中，CPU模塊相當(dāng)于人的大腦和心臟，它不斷地采集輸入信號(hào)，執(zhí)行用戶程序，刷新系統(tǒng)的輸。存儲(chǔ)器用來(lái)儲(chǔ)存程序和數(shù)據(jù)。
（2）I/O模塊
輸入（Input）模塊和輸出（Output）模塊簡(jiǎn)稱(chēng)為I/O模塊，它們是系統(tǒng)的眼、耳、手、腳，是聯(lián)系外部現(xiàn)場(chǎng)和CPU模塊的橋梁。輸入模塊用接收和采集輸入信號(hào)，輸入信號(hào)有兩類(lèi)：一類(lèi)是從按鈕、選擇開(kāi)關(guān)、數(shù)字拔碼開(kāi)關(guān)、限位開(kāi)關(guān)、接近開(kāi)關(guān)、光電開(kāi)關(guān)、壓力繼電器等開(kāi)關(guān)量輸入信號(hào)；另一類(lèi)是由電位器、熱電偶、測(cè)速發(fā)電機(jī)、各種變送器提供的連續(xù)變化
的模擬量輸入/輸出信號(hào)電壓一般較高，如直流24V
和交流220V。從外部引入的尖銳電壓和干擾噪聲可能損壞CPU模塊中的元器件，或使用權(quán)可編程控制器不能正常工作。在I/O模塊中，用光電耦合器，光電可控硅、小型繼電器等器件來(lái)隔離外部輸入電路和負(fù)載，I/O模塊除了傳遞信號(hào)外，還有電平轉(zhuǎn)換與隔離的作用。
（3）編程器
編程器除了用來(lái)輸入和編輯用戶程序外，還可以用來(lái)監(jiān)視可編程控制器運(yùn)行中各種編程元件的工作狀態(tài) 。
編程器可以永久地連接在可編程控制器上，將編程取下來(lái)后系統(tǒng)也可以運(yùn)行。一般只在程序邏輯輸入、調(diào)試和檢修時(shí)使用編程器，一臺(tái)編程器可供多臺(tái)編程序控制器公用。
（4）電源
可編程控制器使用220V交流電源或24V直流電源。可編程控制器內(nèi)部的直流穩(wěn)壓電源為各模塊內(nèi)的電路供電，某些可編程控制器可以輸入電路和外部電子檢測(cè)裝置（如接近開(kāi)關(guān)）提供24V真流電源，驅(qū)動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的直流電源一般由用戶提供。
2、可編程控制器的物理結(jié)構(gòu)
根據(jù)硬件結(jié)構(gòu)的不同，可以將可編程控制器分整體式、模塊式和疊裝式。
（1） 整體式可編程序控制器
整體式又叫做單元式或箱體式CUP模塊、I/O模塊和電源裝在一個(gè)箱狀機(jī)殼內(nèi)，結(jié)構(gòu)非常緊湊，它的體積小，價(jià)格低，小型可編程序控制器一般采用整體式結(jié)構(gòu)。圖2中示出三菱公司的F1系列整體式可編程序控制器，上面是編程器，后面的小開(kāi)頭是模擬調(diào)試用戶程序用的。整體式可編程序控制器提供多種不同I/O點(diǎn)數(shù)的基本元和擴(kuò)展單元供用戶選用，基本單元內(nèi)有CPU模塊，I/O模塊和電源，擴(kuò)展單元內(nèi)只有I/O模塊和電源，基本單元之間用扁平電纜連接。各單元的輸入點(diǎn)與輸出點(diǎn)的比例一般是固定的，有的可編程序控制器有全輸入型和全輸出型的擴(kuò)展單元。選擇不同的基本單和擴(kuò)展單元，可以滿足用戶的不同要求。
整體式可編程控制器一般配備有許多專(zhuān)用的特殊功能單元 ，如模擬量I/O單元、位置控制單元、數(shù)據(jù)輸入輸出單元等，使可編程控制器的功能得到擴(kuò)展。
圖2 整體式可編程控制器
（2）模塊式可編程控制器
圖3 模塊式可編程控制器
大、中型可編程控制器和部分小型可編程控制器采用模塊式結(jié)構(gòu)。模塊式可編程控制器用搭積木的方式組成系統(tǒng)，它由框架和模塊組成（見(jiàn)圖3）。模塊插在模塊插座上，后者焊在框架中的總線連接板上，可編程控制器廠家備有不同的槽數(shù)的框架供用戶選用，如果一個(gè)框架容納不下所選用的模塊，可以增設(shè)一個(gè)或數(shù)個(gè)擴(kuò)展框架，各框架之間用I/O擴(kuò)展電纜相連。有的可編程控制器沒(méi)有框架，各各種模塊安裝在基板上。用戶可以選用不同檔次的CPU模塊，品種繁多的I/O模塊和特殊功能模塊，對(duì)硬件配置的選擇余地較大，維修時(shí)更換模塊也很方便。[page]
圖3給出了T1公司模塊式可編程控制形圖和I/O模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。
（3）疊裝式可編程控制器
三菱公司的FX系列可編程控制器吸取了整體式和模塊式可編程控制器的優(yōu)點(diǎn)，它的基本單元
、擴(kuò)展單元和擴(kuò)展模塊的高度和深度相同，但是寬度不同，它們不用基板，僅用扁平電纜連接，緊密拼裝后組成一個(gè)整齊的長(zhǎng)方體，輸入，輸出點(diǎn)數(shù)的配置也相當(dāng)靈活，有人將這種結(jié)構(gòu)稱(chēng)為疊裝式（見(jiàn)圖2.4）�；締卧�，擴(kuò)展單元和擴(kuò)展模塊安裝在DIN導(dǎo)軌
（1）上，或用安裝孔（2）安裝，從DIN導(dǎo)軌上卸下來(lái)時(shí)，往下拉下子（8）用擴(kuò)展電纜連接基本單元與擴(kuò)展單單元擴(kuò)展模塊時(shí)，應(yīng)打開(kāi)連接插座的蓋子（6）輸入端子（3）和輸出端子（9）上都有透明的端子美國(guó)）和（10），（5）為輸入顯示LED（7）為輸出顯示LED，基本單元上還有其他一些顯示可編程控制器狀態(tài)的LED（13）編程器插座在蓋子（12）下面存儲(chǔ)器盒連接器和鋰電池在蓋子（11）下面。
圖4 疊裝式可編程序控制器
3、CPU模塊
1、CPU芯片
CPU模塊主要由CPU芯片和存儲(chǔ)器組成，可編程控制器使用以下幾類(lèi)CPU芯片：
（1）通用微處理器，如Intel公司的8086、80186系列Pentium系統(tǒng)芯片；
（2）單片微處理器（單片機(jī)），如Intel公司的MC551/96系列單片機(jī)；
（3）位片式微處理器，如AMD2900系列位片式微處理器。
2、存儲(chǔ)器
可編程控制器的存儲(chǔ)器分為系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器和用戶程序存儲(chǔ)器，系統(tǒng)程序相當(dāng)于個(gè)人計(jì)算機(jī)的操作系統(tǒng)，它使可編程控制器生產(chǎn)廠家設(shè)計(jì)固化在ROM內(nèi)，用戶不能直接讀取，可編程控制器的用戶程序由用戶設(shè)計(jì)，它決定了可編程控制器的輸入信號(hào)與輸出信號(hào)之間的具體關(guān)系。用戶程序存儲(chǔ)器的容量一般以字（每個(gè)字由16位二進(jìn)制數(shù)組成）為單位，三菱的FX系列可編程控制器的用戶程序存儲(chǔ)器以步為單位。小型可編程控制器的用戶程序存儲(chǔ)器容量在1K字（1K=1024=
），大型可編程控制器的用戶程序存儲(chǔ)器容量可達(dá)數(shù)百K字，甚至數(shù)M（兆）字。
可編程控制器常用以下幾種存儲(chǔ)器：
（1）隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（RAM）
用戶可以用編程器讀出RAM中的內(nèi)容，也可以將用戶程序?qū)懭隦AM，因此RAM又叫讀/寫(xiě)存儲(chǔ)器。它是易失性的存儲(chǔ)器，將它的電源斷開(kāi)后，儲(chǔ)存的信息將會(huì)丟失。
RAM的工作速度高，價(jià)格低，改寫(xiě)方便。為了在關(guān)煌可編程控制器外部電源后，保存RAM中的用戶程序和某些數(shù)據(jù)（如計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值），為RAM配備了一個(gè)鋰電池，一般選用耗電極少的CMOS型RAM，鋰電池可用2—5年，需要更換鋰電池時(shí)由可編程序控制器發(fā)出信號(hào)彈，通知用戶，現(xiàn)在大多數(shù)可編程控制器仍用RAM來(lái)儲(chǔ)存用戶程序。
（2）只讀存儲(chǔ)器（ROM）
ROM的內(nèi)容只能讀出，不能寫(xiě)入。它是非易失的，它的電源消失后，仍能保存存儲(chǔ)的內(nèi)容。
（3）可擦除可編程的只讀存儲(chǔ)器（EPROM）
它是非易失性的，但是可以用編程器它編程，兼有ROM的非易失性和RAM的隨機(jī)存取優(yōu)點(diǎn)，但是它比RAM和ROM的價(jià)格高一些，與入信息所需的時(shí)間比RAM長(zhǎng)得多，EEPROM用來(lái)存放用戶程序。有的可編程控制器將EEPROM作為基本配置，有的可編程控制器將EEPROM作為可選件。
小型可編程控制器的用戶程序存儲(chǔ)器的容量一般是固定的，大中型可編程控制器的用戶存儲(chǔ)器容量可以由用戶選擇。
4、開(kāi)關(guān)量I/O模塊的外部接線方式
開(kāi)關(guān)量I/O模塊的輸入輸出信號(hào)僅有接通和斷開(kāi)兩種狀態(tài)。電壓等級(jí)有直流5V，12V，24V，48V，110V和交流110V，220V等。
各I/O點(diǎn)的通/斷狀態(tài)用發(fā)光二極管顯示，外部接線一般接在模塊面板的接線端子上，某些模塊使用可拆裝的插座型端子板，不需斷開(kāi)端子板上的外部連線，就可以迅速地更換模塊。點(diǎn)數(shù)很多的高密度I/O模塊的外部接線一般用插座連接，用戶可選用連接插座的電纜和端子板。
開(kāi)關(guān)量I/O模塊的點(diǎn)數(shù)一般是2的n次方，如4，8，16，32，64點(diǎn)。
I/O模塊的外部接線方式有匯點(diǎn)式、分組式和分隔式三種（見(jiàn)圖5）。
圖5 I/O模塊的外部接線方式
匯點(diǎn)式模塊的各I/O電路有一個(gè)公共點(diǎn)，所有I/O點(diǎn)共用一個(gè)電源。
分組式模塊的I/O點(diǎn)分為若干個(gè)組，每一組的各I/O電路有一個(gè)公共點(diǎn)，它們共用一個(gè)電源。各組之間是分隔開(kāi)的，可分別使用不同的電源。
分隔式模塊的各I/O點(diǎn)之間相互隔離，每一I/O點(diǎn)都可以使用單獨(dú)的電源，將它們的COM端連接起來(lái)，幾點(diǎn)可以使用同一個(gè)電源。
5、輸入模塊
輸入電路中設(shè)有RC濾波電路，以防止由于輸入觸點(diǎn)抖動(dòng)或外部干擾脈沖引起錯(cuò)誤的輸入信號(hào)。濾波電路延遲時(shí)間的典型值為10～20ms（信號(hào)上升沿）和20～50ms(信號(hào)下降沿)，輸入電流約5～10mA.
圖6 直流輸入電路
圖6是某直流輸入模塊的內(nèi)部電路和外部接線圖。在本節(jié)輸入電路和輸出電路中一般只畫(huà)出了一路，COM是各路的公共點(diǎn)。圖中的輸入觸點(diǎn)直接在公共點(diǎn)和輸入端X001之間，不需要外接輸入回路的電源，有的可編程序控制器還可以為接近開(kāi)關(guān)、光電開(kāi)關(guān)之類(lèi)的傳感器提供24V電源（見(jiàn)圖6）。
當(dāng)圖6中的外接觸點(diǎn)接通時(shí)，光電耦合器中的發(fā)光二極管亮，光敏三極管飽和導(dǎo)通；外接觸點(diǎn)斷開(kāi)時(shí)，光電耦合器中的發(fā)光二極管熄滅，光敏三極管截止，信號(hào)經(jīng)內(nèi)部電路傳送給CPU模塊。
開(kāi)關(guān)量輸入模塊外接電子傳感器的輸出信號(hào)時(shí)，應(yīng)注意傳感器的輸出電路與可編程序控制器輸入電路的配合，對(duì)于圖6中輸入模塊的內(nèi)部電路，傳感器的輸出電路應(yīng)為NPN管集電極開(kāi)路的共發(fā)射極電路。
圖7是另一種交流輸入電路，光電耦合器中有兩個(gè)反并聯(lián)的發(fā)光二極管，顯示用的兩個(gè)發(fā)光二極管也是反并聯(lián)的，所以這個(gè)電路可以接收外部的交流輸入電壓。
圖8所示的交流/直流輸入電路的輸入觸點(diǎn)的接通后，輸入信號(hào)被濾波和整流，交流電壓或直流電壓被轉(zhuǎn)換為直流電流，送給顯示用的發(fā)光二極管和光電耦合器。[page]
圖7 交流輸入電路
圖8 交流/直流輸入電路
6、輸出模塊
輸出模塊的功率放大元件有驅(qū)動(dòng)直流負(fù)載的大功率晶體管和場(chǎng)效應(yīng)管、驅(qū)動(dòng)交流負(fù)載的雙向可控硅，以及既可以驅(qū)動(dòng)交流負(fù)載又可以驅(qū)動(dòng)直流負(fù)載的小型繼電器。輸出電流的典型值為0.5～2A，負(fù)載電源由外部現(xiàn)場(chǎng)提供。
輸出電流的額定值與負(fù)載的性質(zhì)有關(guān)，例如某模塊可以驅(qū)動(dòng)AC220V/2A的電阻性負(fù)載，但是只能驅(qū)動(dòng)80VA/AC220V的電感性負(fù)載和100W的白熾燈。額定輸出電流還與溫度有關(guān)，溫度升高時(shí)額定輸出電流減小，有的可編程序控制器提供了有關(guān)的曲線。
輸出模塊內(nèi)可能設(shè)置有熔斷器，并在模塊面板上用發(fā)光二極管顯示熔斷的狀態(tài)。某些新式的模塊用非破壞性的電子保護(hù)電路代替熔斷器。
圖9(a)是繼電器輸出電路，繼電器同時(shí)起隔離和功率放大作用，每一路只給用戶提供一對(duì)常開(kāi)觸點(diǎn)。與觸點(diǎn)并聯(lián)的RC電路和壓敏電阻用來(lái)消除斷開(kāi)時(shí)產(chǎn)生的電弧。
圖9（b）是晶體管集電極輸出電路。輸出信號(hào)送給內(nèi)部電路中的輸出儲(chǔ)存器，再經(jīng)光電耦合器送給輸出晶體管，后者的飽和導(dǎo)通狀態(tài)和截止?fàn)顟B(tài)相當(dāng)于觸點(diǎn)的接通和斷開(kāi)。圖中的穩(wěn)壓管用來(lái)抑制關(guān)斷過(guò)電壓和外部的浪涌電壓，以保護(hù)晶體管，晶體管輸出電路的延遲時(shí)間〈1ms。
c) 雙向可控硅型
圖9PLC的輸出電路
圖9（c）是雙向可控制硅輸出電路，它用光電可控硅實(shí)現(xiàn)隔離。圖中的 RC電路和壓敏電阻，用來(lái)抑制可控硅的關(guān)斷過(guò)電壓和外部的浪涌電壓。
雙向可控硅由關(guān)斷變?yōu)閷?dǎo)通的延遲時(shí)間小于1ms，由導(dǎo)通變?yōu)殛P(guān)斷的延遲時(shí)間小于10ms�？煽毓柙谪�(fù)載電流過(guò)小不能導(dǎo)通，遇到這種情況時(shí)可以在負(fù)載兩端并用電阻。
除了輸入模塊和輸出模塊，還有一種既有輸入電路又有輸出電路的模塊，輸入、輸出的點(diǎn)數(shù)一般相同，這種模塊使用戶確定可編程序控制器、的硬件配置更為方便。
7、本地I/O和遠(yuǎn)程I/O
1.本地I/O
可編程序控制器的本地I/O框架一般距CPU框架很近，它們往往裝在同一個(gè)控制柜內(nèi)。對(duì)于單臺(tái)機(jī)械設(shè)備，如中小型機(jī)床，一般只有本地I/O。本地I/O用多芯電纜（一般是扁平電纜）實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展I/O框架與CPU框架之間的通信。扁平電纜可能多達(dá)數(shù)十根導(dǎo)線，信息是并行傳送的，這種通信方式實(shí)際上是總線通信的擴(kuò)展，其主要優(yōu)點(diǎn)是數(shù)據(jù)傳輸速度快，在某些情況下可以同步地刷新CPU模塊中的I/O映象表�！氨镜亍�(Local)這一名詞不是很確切的，因?yàn)橛袝r(shí)本地I/O與CPU模塊的距離可能長(zhǎng)達(dá)數(shù)百m。（http://www.diangon.com/版權(quán)所有）本地I/O模塊的主要特征是框架之間采用并行通信方式，通常用編程器可以直接對(duì)本地I/O存取數(shù)據(jù)，對(duì)系統(tǒng)調(diào)試和查錯(cuò)特別方便。但是多芯電纜價(jià)格很貴，對(duì)于改造舊設(shè)備，電纜的安裝（如穿管）可能不是很方便。
2.遠(yuǎn)程I/O
遠(yuǎn)程I/O又叫做串行I/O，用于遠(yuǎn)距離分布式框架系統(tǒng)。某些大型可編程序控制器控制系統(tǒng)，如物資存儲(chǔ)自動(dòng)控制系統(tǒng)，可能有成百上千個(gè)傳感器分布在很寬的范圍內(nèi)，系統(tǒng)可能包括30—50個(gè)距離分布的框架，每個(gè)框架中有10—20塊模塊。遠(yuǎn)程I/O系統(tǒng)一船只需要4根導(dǎo)線的電纜來(lái)連接各框架，但是大多數(shù)系統(tǒng)需要專(zhuān)用的I/O驅(qū)動(dòng)順模塊和接收器模塊來(lái)完成框架之間的串行通信。遠(yuǎn)程通信使用便宜的4芯電纜，其傳送速度雖比并行通信的低，但是已能滿足工業(yè)控制系統(tǒng)的要求。CPU框架與遠(yuǎn)程I/O框架之間的距離一般為60～3000m。
