【文章內(nèi)容簡介】 F系列有了更強的控制能力。繼 F1/F2系列之后， 20世紀(jì) 80年代末，三菱公司又推出了 FX系列，在容量、速度、特殊功能，網(wǎng)絡(luò)功能的方面都有加強。 FX2系列是在20世紀(jì) 90年代推出的高功能的整體式小型機，它配有各種通信適配器和特殊功能單元。 FX2N系列是近幾年推出的高功能的整體式小型機，它是 FX2系列的換代產(chǎn)品。近年來三菱公司還推出了滿足不同要求的微型機 PLC，如 FX0S、 FX1S、 FX0N、 FX1N等系列的產(chǎn)品。本書以三菱 FX2N系列機型介紹 PLC的應(yīng)用技術(shù)。 上一頁 下一頁 返回 課題一 PLC控制器概述 歐姆龍 (OMRON)公司的 PLC產(chǎn)品，大、中、小、微型規(guī)格齊全。微型機以 SP系列為代表；小型機有 P型、 H型、 CPM1A、 CPM2A系列機 CPM2C、 CQM1系列等；中型機有 C200H、 C200HS、 C200HX、C200HG、 C200HE及 CS1等系列。 松下公司的 PLC產(chǎn)品中， FP0為微型機； FP1為整體式小型機； FP3為中型機； FP5/FP FP10S、 FP20為大型機。 上一頁 返回 課題二 PLC的基本組成和工作原理 學(xué)習(xí)目標(biāo) 1. 了解 PLC的基本組成。 2. 掌握 PLC的工作原理。 下一頁 返回 課題二 PLC的基本組成和工作原理 知識學(xué)習(xí) 一、 PLC的基本組成 目前 PLC種類繁多，功能和指令體系也各不相同，但都是以微處理器為核心，所以其結(jié)構(gòu)和工作原理大致相同，可編程控制器的本質(zhì)是工業(yè)控制專用計算機。它的軟、硬件配置與計算機極為類似。主要包括中央處理單元（ CPU模塊）、存儲器 ROM和 RAM、輸入輸出模塊、電源 I/O擴展接口、外部設(shè)備接口等，如 圖 121所示。 上一頁 下一頁 返回 課題二 PLC的基本組成和工作原理 1．中央處理器 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通過數(shù)據(jù)總線、地址總線、控制總線和電源總線與存儲器、輸入輸出接口、編程器和電源相連接。 小型 PLC的 CPU采用 8位或 16位微處理器或單片機，如 803 M68000等，這類芯片價格很低；中型 PLC的 CPU采用 16位或 32位微處理器或單片機，如 808 96系列單片機等，這類芯片主要特點是集成度高、運算速度快且可靠性高；而大型 PLC則需采用高速位片式微處理器。 CPU按照 PLC內(nèi)系統(tǒng)程序賦予的功能指揮 PLC控制系統(tǒng)完成各項工作任務(wù)。 上一頁 下一頁 返回 課題二 PLC的基本組成和工作原理 PLC內(nèi)的存儲器主要用于存放系統(tǒng)程序、用戶程序和數(shù)據(jù)等。 （ 1）系統(tǒng)程序存儲器 PLC系統(tǒng)程序決定了 PLC的基本功能，該部分程序由 PLC制造廠家編寫并固化在系統(tǒng)程序存儲器中，主要有系統(tǒng)管理程序、用戶指令解釋程序和功能程序與系統(tǒng)程序調(diào)用等部分。 系統(tǒng)管理程序主要控制 PLC的運行，使 PLC按正確的次序工作；用戶指令解釋程序?qū)?PLC的用戶指令轉(zhuǎn)換為機器語言指令，傳輸?shù)紺PU內(nèi)執(zhí)行；功能程序與系統(tǒng)程序調(diào)用則負責(zé)調(diào)用不同的功能子程序及其管理程序。 上一頁 下一頁 返回 課題二 PLC的基本組成和工作原理 系統(tǒng)程序?qū)儆谛栝L期保存的重要數(shù)據(jù)，所以其存儲器采用 ROM或EPROM。 ROM是只讀存儲器，該存儲器只能讀出內(nèi)容，不能寫入內(nèi)容， ROM具有非易失性，即電源斷開后仍能保存已存儲的內(nèi)容。 EPEROM為可電擦除只讀存儲器，須用紫外線照射芯片上的透鏡窗口才能擦除已寫入內(nèi)容，可電擦除可編程只讀存儲器還有E2PROM、 FLASH等。 上一頁 下一頁 返回 課題二 PLC的基本組成和工作原理 （ 2）用戶程序存儲器 用戶程序存儲器用于存放用戶載入的 PLC應(yīng)用程序，載入初期的用戶程序因需修改與調(diào)試，所以稱為用戶調(diào)試程序，存放在可以隨機讀寫操作的隨機存取存儲器 RAM內(nèi)以方便用戶修改與調(diào)試。 通過修改與調(diào)試后的程序稱為用戶執(zhí)行程序，由于不需要再作修改與調(diào)試，所以用戶執(zhí)行程序就被固化到 EPROM內(nèi)長期使用。 上一頁 下一頁 返回 課題二 PLC的基本組成和工作原理 （ 3）數(shù)據(jù)存儲器 PLC運行過程中需生成或調(diào)用中間結(jié)果數(shù)據(jù) (如輸入 /輸出元件的狀態(tài)數(shù)據(jù)、定時器、計數(shù)器的預(yù)置值和當(dāng)前值等 )和組態(tài)數(shù)據(jù) (如輸入輸出組態(tài)、設(shè)置輸入濾波、脈沖捕捉、輸出表配置、定義存儲區(qū)保持范圍、模擬電位器設(shè)置、高速計數(shù)器配置、高速脈沖輸出配置、通信組態(tài)等 )，這類數(shù)據(jù)存放在工作數(shù)據(jù)存儲器中，由于工作數(shù)據(jù)與組態(tài)數(shù)據(jù)不斷變化，且不需要長期保存，所以采用隨機存取存儲器 RAM。RAM是一種高密度、低功耗的半導(dǎo)體存儲器，可用鋰電池作為備用電源，一旦斷電就可通過鋰電池供電，保持 RAM中的內(nèi)容。 上一頁 下一頁 返回 課題二 PLC的基本組成和工作原理 3. 輸入 /輸出模板 輸入 (Input)和輸出 (Output)模板簡稱 I/O模塊， PLC通過此模塊實現(xiàn)與外圍設(shè)備的連接，它是可編程控制器與工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備或工業(yè)生產(chǎn)過程連接的接口，也是聯(lián)系外部現(xiàn)場和 CPU模塊的重要橋梁。 輸入模塊用來接收和采集輸入信號，輸入信號有兩類：一類是由按鈕開關(guān)、行程開關(guān)、數(shù)字撥碼開關(guān)、接近開關(guān)、光電開關(guān)、壓力繼電器等提供的開關(guān)量輸入信號；另一類是從電位器、熱電、測速電機、各種變送器送來的連續(xù)變化的模擬量輸入信號。輸入模塊還需將這些各式各樣的電平信號轉(zhuǎn)換成 CPU能夠接收和處理的數(shù)字信號。 上一頁 下一頁 返回 課題二 PLC的基本組成和工作原理 輸出模塊的作用是接收中央處理器處理過的數(shù)字信號，并把它轉(zhuǎn)換成現(xiàn)場的執(zhí)行部件能接收的信號，控制接觸器、電磁閥、調(diào)節(jié)閥、調(diào)速裝置，控制的另一類負載是指示燈、數(shù)字顯示器和報警裝置等。 數(shù)字量（包括開關(guān)量）輸入、輸出模塊，主要的問題是隔離問題，需實現(xiàn)現(xiàn)場與可編程控制器電氣上的隔離，從而保持系統(tǒng)工作的可靠性。模擬量輸入、輸出模塊，主要問題是模 /數(shù)轉(zhuǎn)換與數(shù) /模轉(zhuǎn)換的問題，電氣隔離也是不可缺少的。 上一頁 下一頁 返回 課題二 PLC的基本組成和工作原理 （ 1）開關(guān)量 I/O模塊的外部接線方式 開關(guān)量 I/O模塊輸入信號只有接通和斷開兩種狀態(tài)。電壓等級有直流5V， 12V， 24V， 48V， 110V 和交流 110V， 220V 等。 各輸入 /輸出點的通 /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式端子板，不需要斷開端子板上的外部接線，即可迅速地更換模塊。 開關(guān)量輸入 /輸出模塊的點數(shù)一般是 2 的 n次方，如 1 32點。 上一頁 下一頁 返回 課題二 PLC的基本組成和工作原理 開關(guān)量輸入 /輸出模塊的外部接線方式有匯點式、分組式和分隔式，如 圖 122所示。 匯點式模塊的所有輸入、輸出電路只有一個公共點，且共用一個電源。 分組式模塊的輸入 /輸出點分為若干組，每一組的各輸入 /輸出電路有一個公共點，它們共用一個電源。各組之間是隔開的，也可分別使用不同的電源。 分隔式模塊的各輸入 /輸出點之間相互隔離，每個輸入 /輸出點可使用單獨的電源，如將它們的 COM端連接起來，這幾個點就可以使用同一電源。 上一頁 下一頁 返回 課題二 PLC的基本組成和工作原理 （ 4）輸入模塊的電路結(jié)構(gòu) 輸入電路中設(shè)有 RC濾波電路，以防止由于輸入觸點抖動或外部干擾脈沖引起錯誤的輸入信號。濾波電路輸入電流為 5~10mA,濾波延遲時間的典型值為 10~20ms（信號上升沿）和 20~50ms（信號下降沿）。輸入電路一般有三種類型，關(guān)鍵是電氣隔離。 直流輸入模塊的內(nèi)部電路和外部接線圖如 圖 123所示（為說明問題，以后各圖只畫出一路輸入和輸出， COM是公共點。圖中的輸入觸點直接接在公共點和輸入端 X001之間， 不需要外接輸入回路的電源（ PLC內(nèi)部有自帶 24V電源）。有的可編程控制器還可以為接近開關(guān)、光電開關(guān)之類的傳感器提供 24V直流電源，如圖 123所示。 上一頁 下一頁 返回 課題二 PLC的基本組成和工作原理 當(dāng)上圖中的外接觸點接通時，傳感器輸出信號（接通），經(jīng)電阻串聯(lián)分壓后形成穩(wěn)定電壓，使光電隔離器的發(fā)光二極管亮，光電三極管導(dǎo)通；外接觸點斷開時，光電隔離器中的發(fā)光二極管熄滅，光電三極管截止，信號經(jīng)內(nèi)部電路形成適合 CPU需要的標(biāo)準(zhǔn)信息。 交流 /直流輸入電路如 圖 124所示，輸入觸點接通，輸入信號被限流電阻降壓后，再經(jīng)濾波整流，交流電壓或直流電壓信號被轉(zhuǎn)換為直流電流，經(jīng)過發(fā)光二極管送給光電隔離器。另外，交流信號輸入也可采用雙向發(fā)光二極管來保證信號連續(xù)，如圖 124所示，顯示用的兩個發(fā)光二極管也是反向并聯(lián)的。此電路可接收交流信號與直流信號。 上一頁 下一頁 返回 課題二 PLC的基本組成和工作原理 （ 3）輸出模塊輸出方式 可編程控制器的輸出方式按負載使用電源（即用戶電源）來分，有直流輸出、交流輸出和交直流輸出三種方式；按輸出開關(guān)器件的種類來分，有晶體管、晶閘管和繼電器三種輸出方式。輸出電流典型值為~2A，負載電源由外部現(xiàn)場提供。 輸出電流的額定值與負載性質(zhì)有關(guān)，如某端子輸出可驅(qū)動 AC220V/2A的電阻性負載，但只能驅(qū)動 AC220V/80VA的電感性負載和 100W的白燈；額定輸出電流還與溫度有關(guān)。 上一頁 下一頁 返回 課題二 PLC的基本組成和工作原理 繼電器輸出方式電路如 圖 125所示，它可帶直流負載也可帶交流負載，電源由用戶提供。繼電器同時起隔離和功率放大作用，每一路只提供一對常開觸點。與觸點并聯(lián)的 RC電路和壓敏電阻用來消除觸點斷開時產(chǎn)生的電弧。 晶體管輸出電路如 圖 126所示，只能帶直流負載，直流電源由用戶提供。輸出信號經(jīng)光電隔離器送給輸出晶體管，晶體管的飽和導(dǎo)通和截止?fàn)顟B(tài)相當(dāng)于觸點的接通和斷開。穩(wěn)壓管用來消除關(guān)斷過電壓和外部的浪涌電壓，以保護晶體管。 上一頁 下一頁 返回 課題二 PLC的基本組成和工作原理 雙向可控硅輸出電路如 圖 127 所示，只能帶交流負載（屬于交流輸出方式），交流電源由用戶提供。輸出信號經(jīng)光電隔離器控制雙向可控硅。 RC電路和壓敏電阻用來消除可控硅的關(guān)斷過電壓和外部的浪涌電壓。 4. 特殊功能模塊（功能模塊或智能模塊） 隨著可編程控制器在工業(yè)控制中的廣泛應(yīng)用和發(fā)展，為了增強可編程控制器的功能，擴大其應(yīng)用范圍。生產(chǎn)廠家開發(fā)了許多供用戶選用的特殊功能模塊。 上一頁 下一頁 返回 課題二 PLC的基本組成和工作原理 （ 1）模擬量輸入輸出模塊 模擬量的輸入在過程控制中的應(yīng)用很廣泛，如溫度、壓力、流量、酸堿度、位移等工業(yè)檢測都是對應(yīng)電壓、電流的大小模擬量，再經(jīng)過一定的運算（如 PID）后控制生產(chǎn)過程，達到一定的目的（如恒溫、恒壓等）。模擬量經(jīng)傳感器和變送器轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的信號（ IEC 標(biāo)準(zhǔn)4~20mA為電流信號，或 1~5V， 10~10V， 0~10V 的直流電壓信號）。輸入模塊用 A/D轉(zhuǎn)換器將它們轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，送給 CPU模塊處理。因此，模擬量輸入模塊又叫 A/D轉(zhuǎn)換輸入模塊。 上一頁 下一頁 返回 課題二 PLC的基本組成和工作原理 模擬量輸出模塊是將 CPU模塊處理后的二進制數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬電壓或電流，再去控制執(zhí)行機構(gòu)。因此，模擬量輸出模塊又叫 D/A轉(zhuǎn)換輸出模塊。 總之，模擬量 I/O模塊的主要任務(wù)是完成 A/D轉(zhuǎn)換（模擬量輸入）和 D/A轉(zhuǎn)換（模擬量輸出）。 上一頁 下一頁 返回 課題二 PLC的基本組成和工作原理 小型可編程控制器往往沒有模擬量 I/O模塊，或者只有通道數(shù)有限的 8位 A/D、 D/A模塊。大中型可編程控制器可以配置成百上千個模擬量通道，它們的 D/A， A/D轉(zhuǎn)換器是 12位的。模擬量 I/O模塊的輸入、輸出信號可以是電壓或電流 ?？梢允菃螛O性的如 0~5V， 0~10V， 1~5V，4~20mA，也可以是雙極性的如 177。 5V， 177。 10V 和 177。 20 mA，模塊一般可輸入多種量程的電流或電壓。 上一頁 下一頁 返回 課題二 PLC的基本組成和工作原理 （ 2）高速計數(shù)器模塊 高速計數(shù)器模塊是工業(yè)控制中常用的智能模塊之一，它可把過程控制變量（如位置信號、速度值、流量值累計等）送入可編程控制器。這些參量的變化速度很快，脈沖寬度小于可編程控制器掃描周期，若按正常掃描輸入 /輸出信號來處理，則會丟失部分參量，因此，使用脫離可