第四节 PLC的硬件与工作原理
一、PLC的结构
（一）基本结构：
1、CPU模块：
(1)组成：
CPU芯片
功能：采集输入信号，执行用户程序，刷新系统的输出。
类型：通用CPU；单片微处理器；位片式CPU
存储器
功能：存储程序和数据
分类：
系统程序M：功能：使PLC具有基本智能，相当于操作系统，完成PLC设计者规定的工作
特点：系统程序由PLC生产厂家固化在ROM中， 用户不能直接存取。
用户程序M：功能：由用户设计，决定PLC的输入信号与输出信息之间的具体关系。
特点：容量以字为单位，字亦称“步”，每步存一条指令。
数据表寄存器：包括元件映象表和数据表
元件映象表：存储PLC的开关量I/O信号和内部编程元件的ON/OFF状态
数据表： 存放用户程序执行时的某些可变参数值；
定时器和计数器的当前值、设定值；
经A/D转换得到的数字及运算的结果。
高速暂存M：功能：存放临时的结果和一些统计资料
存储器种类：
RAM： 读写M，易失性（掉电信息丢失），工作速度高，
价格低，改写方便，存放用户程序
ROM： 非易失性，只能读、不能写，存放系统程序
EPROM： 非易失性。紫外线照射透镜窗口半小时改内容；
用EPROM写入器写入EPROM，
存放系统程序。
EEPROM：非易失性。用编程器编程（可读可写）
价格高，存信息时间长。
存放用户程序。
(2)工作方式：扫描方式。
补充：一次扫描完成的任务：输入处理、程序执行、输出处理。
2、I/O模块：
(1)总体功能描述：传递信号，电平转换，噪声隔离。
(2)输入模块：
功能：接收和采集输入信号
输入信号的分类：开关量信号，模拟量信号
输入电路：直流输入电路；交/直流输入电路
(3)输出模块：
功能：控制执行器或外部负载
输出电路：继电器型；晶体管集电极型；双向可控硅型
功率放大元件：驱动DC负载的大功率晶体管、场效应管
驱动AC负载的双向可控硅
驱动DC/AC负载的小型继电器
影响输出电流的额定值的因素： 负载的性质；温度
(4)开关量I/O模块的外部接线方式：
汇点式：各I/O电路有一个公共点，所有I/O点共用一个电源
分组式：I/O点分为若干组，每组各I/O电路有一个公共点，共用一个电源，各组间分开，分别用不同电源。
分隔式：各I/O点之间相互隔离，每一I/O点都可以用单独电源，将其COM端连接起来，几个可以用同一电源。
(5)本地I/O与远程I/O：
(6)I/O模块工作电压：直流24V；交流220V。（注：CPU工作电压：5V）
3、编程器：
(1)功能：输入和编辑检查修改用户程序\监视PLC运行时梯形图中各种编程元件的工作状态\保存打印
(2)特点：可以永久地连接在PLC上，取下后也可使PLC运行，在程序输入调试检修时一台编程器可供多台PLC使用。
(3)专用编程器：
简易编程器：又指令编程器，不能直接输入和编辑梯形图程序，只能输入和编辑指令表程序。
图形编程器：可以直接生成和编辑梯形图程序。
液晶点阵显示地编程器（手持式）
CRT显示的编程器（阴极射线管）
4、电源：
PLC使用220V交流电源或24V直流电源，开关式稳压电源模块，
对PLC内部电源供电，将外部供给的电源变换成系统内部各单元所需要的电源，
还包括掉电保护电路和后备锂电池电源。
5、PLC硬件系统简化框图：
（二）物理结构
1、整体式： 又单元式、箱体式
(1)特点:结构紧凑，体积小，安装方便，价格低；
但各单元之间尺寸大小不一致，不易安装整齐。
适用于小型PLC。
(2)组成:基本单元：CPU模块、I/O模块、电源
扩展单元：I/O模块、电源
2、模块式：
(1)适用于大中型PLC、部分小型PLC
(2)组成：大规模综合控制系统电缆、基板、CPU、电源、I/O模块、特殊功能模块
(3)特点：由框架和模块组成，CPU为独立的模块，输入/输出也是独立的模块，
配置、更换灵活方便，但尺寸较大，难与小型设备相连。
3、叠装式：
组成部分：基本单元、扩展单元、扩展模块
二、继电器内容
1、含义：继电器是一种用弱电信号控制输出信号的电磁开关，是继电器控制系统中最基本的元件。
2、组成：主要由磁线圈、铁芯、触点、复位弹簧组成。
触点：常开触点：在线圈断电时处于断开状态的触点（NO）
常闭触点：在线圈断电时处于闭合状态的触点（NC）
3、工作特点：（与线圈的通断电有关）
（1）当线圈通电时：电磁铁产生磁力，吸引衔铁，NC断开，NO闭合。
（2）当线圈断电时：复位弹簧使衔铁返回复位，NO断开，NC闭合。
（3）注意：继电器的线圈，NO、NC的状态同时变化。
（4）继电器的电路符号：
NO：（常开触点）
NC：（常闭触点）
线圈： 
4、继电器在控制系统中的作用：
（1）功率放大：实现弱电对强电的控制
（2）电气隔离：各元件间互不干扰，独立工作
（3）逻辑运算：对变量的两种相反的工作状态进行运算
举例：设A、B为输入逻辑变量，M为输出逻辑变量，进行逻辑变量的运算。
1）逻辑运算关系：与：M=A·B
或：M=A＋B
非：M= A （B）
2）基本逻辑关系：与：串联
或：并联
非：取反
5、接触器：控制大电流负载（如：可控制额定电流几十A至几KA的异步电动机（起动-保持-停止电路） ）
三、PLC的工作原理
（一）补充名词：
1、线圈：由一匝或多匝导线绕成，作为电路中电感参数的基本元件，在电子电路中，它是获得振荡、
谐振、耦合、滤波、振流等作用或产生感应电动势的主要元件。
2、传感器：接收地面物体电磁波辐射的仪器。
（二）PLC的基本工作原理：
1、
（1）工作过程分析：循环扫描程序
1）公共处理阶段：CPU进行复位监视定时器、硬件检查、用户内存检查等操作
2）程序执行阶段CPU对用户程序按先左后右、先上后下的顺序逐条地进行解释和执行
3）扫描周期计算处理阶段：
a）若预先设定扫描周期为固定值，则进入等待状态，至达到该设定值时扫描再往下进行
b）若设定扫描周期为不定的，则要进行扫描周期的计算。
4）I/O刷新阶段
A）从输入电路中读取各输入点的状态，并将此状态写入输入映像寄存器中（刷新输入映像寄存器的内容）
B）将所有输出继电器的元件映像寄存器状态传送到相应的输出锁存电路中，再经输出电路的隔离
和功率放大部分传送到PLC的输出端，驱动外部执行元件动作。
5）外设端口服务阶段：CPU完成与外设端口连接的外围设备的通信处理
（2）两种工作状态：
RUN STOP
（3）输入映象寄存器：存放输入信号的状态
输出映象寄存器：存放输出信号的状态
2、扫描周期T：执行一次循环扫描5个阶段所需要的时间。1~100ms
3、PLC与I/O装置连接原理图：
4、PLC的I/O滞后现象：
I/O滞后时间：是指PLC的外部输入信号发生变化的时刻至它控制有关外部输出信号发生变化的时刻之间的时间间隔。
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