《PLC教程理论篇之plc基本知识三.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《PLC教程理论篇之plc基本知识三.docx（9页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、PLC教程理论篇之plc基本知识三第二讲：PLC典型组成及系统配置关键词：CPU、总线、内存、I/O模块、特殊I/O模块、通讯模块、系统配置、基本配置、扩 展配置、特殊配置、冗余配置、联网配置、附加配置、入出点数、模入模出路数、输入输出映射 区、I/O分配、PLC典型组成从结构看，PLC是由一些箱体或模块组成。而这些箱体或模块则是由功能不同的单元做不 同的组合构成的。如箱体式PLC，其主箱体（也有程CPU箱体），则由CPU单元、内存单元、外设接口 （有的还有通讯接口）、I/O单元、电源、箱体间接口及其它附件等构成；其扩展箱体则由I/O单 元、箱体间接口、电源及其它附件等构成。再如模块式PLC，
2、其CPU模块，则由CPU单元、内存单元、接口单元、有时还有I/O 单元及接线器等构成。其输入模块，则是由多个输入电路、接线器及相应接口构成。等等。从功能看，它是由CPU单元、内存单元、I/O单元（有的称信号单元）、特殊单元（有 的称功能单元）、外设与通讯接口及电源等组成。图2-1示的为功能组成原理图。从图知，这些单元工作全由电源供电。之间的联系全是通过总线。用地址总线建立地址联 系，再用数据总线传送数据。而这两个总线则都受CPU管理的控制总线控制。如PLC进行I/O刷新，则CPU控制器管理的的控制总线，使I/O单元与内存的I/O区 建立地址联系，并在所联系的地址间有步骤地进行数据交换。再如执行
3、用户程序，则CPU控制器管理的控制总线，使CPU的指令寄存器与内存的用 户程序存贮区建立地址联系，然后把将要执行的指令、传送给这个寄存器。进而，经指令译码， 执行，再把结果送到内存的相应用内部器件区中。此外，PLC还提供外设、通讯接口，可用以连接PLC编程器、计算机、其它PLC或智 能装置。CPU单元：CPU主要含有，运算器、控制器、寄存器。不管什么样的CPU，其实质都是同步时序电 路，是分周期同步工作的。为了支持它工作，当然要向其提供振荡信号；同时，还要向其提供工 作电源。CPU的控制器控制CPU工作及控制总线。如指令的读取、解释及执行就是靠它控制。 但它的工作节奏由振荡信号控制。CPU的运
4、算器用以进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作。CPU的寄存器存贮参与运算的数据，并存储运算的中间结果。它也是在控制器指挥下工作。CPU虽划分有以上几个部分，但在物理上却是集成在一个芯片上。按原来意义的晶体管计， 一个CPU芯片集成了几万、几十万，甚至几百万个晶体管。有的芯片还集成了 ROM、串口、 并口等。PLC的CPU芯片实际就是微处理器（Micro Process Unit），或干脆就是单片机或嵌入式 计算机。只是它为专用于PLC，并多为厂家自行开发。这既可达到最佳的性能匹配，又可 实现商业保密。也有的PLC用的芯片就是通用的单片机，只是内部装有自编的监控程序，并靠这个监 控程序，使其实
5、现PLC的功能。由于这些电路是高度集成的，对CPU内部的详细分析已无必要。特别对使用者而言， 完全可把它看成为“黑箱”，只要弄清它的功能与性能，能正确地使用也就够了。内存单元：PLC的内存每个存贮单元的长度也是固定的。西门子PLC以字节计。OMRON、三菱 以字（或步）计。其种类是较多的，具体有：（1）依用途分，PLC内存有：用于存储系统程序（操作系统）的内存；用于存储工作数据的内存；用于存储系统设定的内存；用于存储用户程序的内存；用于种种备份的内存。尽管这么划分，但除了备份外，其地址是统一的。而对于用户，只有系统工作单元一一 PLC的内部器件、系统设定区及用户程序区。（2）依介质分，PLC的
6、内存有：只读存储器，ROM或EPROM，用于存储系统程序（操作系统）。早期的PLC，用户 程序定型后，也可存于这种类型的存储器中。这种内存不掉程序，免维护。电可擦除存储器，EEPROM，程序写入后，掉电也不丢失，并且可多次改写。少的几百次， 多的几乎不受限制。近来这种内存用得很多，且多用于存储用户程序。挥发（Flash）式内存，可多次改写，掉电后也不丢程序。CPM1A机用的即为这种内存， 其容量可达2k字。随机存储内存，RAM，访问速度快，可任意改写，但要有电池支持。多用它存储数据 及用户程序。（3）依内存的分布分，有：主内存：是内存的主体，而且也是CPU直接访问的对象。早期的PLC多数只有是
7、这种内 存。辅助内存：只用以存储用户程序或其它数据的备份。一般为内存卡，也是闪烁存储器。多是 选件，也可不用。在主辅内存间，可通过相应操作或通过用户程序交换数据。此外，一些功能很强的模块往往自身也带内存。只是对这些内存，用户可不必去处理它。I/O 单元：I/O单元是集成了 I/O电路的单元，类型、规格很多。图2-2为一个输入单元的电路原 理图。从图知，当输入点IN 00 （IN01等未画出）ON （如本例加上24伏电压）时会在该输 入回路上产生接近8毫安的电流，使输入发光二极管亮，经光的藕合，使内部电路对应的输入寄存器置1。反之，若IN 00, OFF （去除所加电压），则置0。从图还可知，输
8、入用的电源正 负极可任意连接。图2 - 3为一个输入单元的接线参考图。该图为16个输入点，并只有两个公用回路（COM 端）。图二二5A单元接线图图2 2示的为输出单元的电气原理图。图a为继电器输出的。从图知，其继电器线圈与 内部电路（输出锁存器等）相接，而继电器触点则直接用于接用户电路。这里的继电器还起到PLC 与外电路隔离的作用。图b为晶闸管输出。图c、d为晶体管输出。它们的内部电路与输出， 在电路上是隔离的，但通过光的藕合建立联系。输出电路的可通过的电流受继电器触点容量的限制，一般为1到2安培，并依负载而定。 感性负载时，可通过的电流要小些。半导体输出有源型与漏型两种，以便驱动相应直流负载
9、。它的响应速度快，但可通过的 电流小。可控硅可通过的电流大，只能用于交流负载。其响应速度快比继电器快，但当从ON到 OFF时，比晶体管慢。- J；曲型）康击器Ed图顼输出电路原理囹图2-5为一个继电器输出单元的接线参考图。囹2-5输出单元接线图该图的L为负载，COM为公用端。因为PLC只提供触点，故外电路用直流或交流均可。 输出模块的点数也有多种规格，如12点、16点32点等。外设与通讯接口：集成在主机上，其功能是编程与联网通讯。多还可另配接口单元，如上位通讯单元、以 太网单元、控制网络单元、远程单元及现场总线单元等，以组成相应的网络。最基本的接口为串口、OMRON为RS-232C，西门子、三
10、菱为RS-485，可用以与上位计算机通讯。建立通讯后，可用PLC编程软件对PLC编程。电源单元：有可接交流的，也有可接直流的。目的是为内电路工作提供工作能量。同时，还可为输 入电路提供24伏的直流电源。外部设备：主要用于，进行PLC编程、数据的读入、显示、存储及打印。具体有四大类：（1）编程设备：简单的为简易编程器，多只接受助记符编程，个别的也可用图形编程（如日本东芝公司的EX 型PLC）。复杂一点的有图形编程器，可用梯形图语编程。（2）监控设备：小的有数据监视器，可监视数据；大的还可能有图形监视器，可通过画面监视数据。除 了不能改变PLC的用户程序，编程器能做的它都能做，是使用PLC很好的介
11、面。性能好的PLC， 这种外部设备已越来越丰富。（3）存储设备：用于永久性地存储用户数据。有存卡器、磁带机、软驱或ROM写入器，以及相应的接 口部件。各种PLC大体都有这方面的配套设施。(4) 输入输出设备：如条码读入器，小型打印机等。在某种意义上说，最一般的PLC外部设备可以说是个人计算机。PLC配有通讯口，计算 机安装上相应的软件，两者链接后，即可用计算机实现PLC程序的编制、调试、存储，也可实 现PLC数据的显示、存储及打印。外部设备已发展成为PLC系统的不可分割的一个部分。但它不是PLC工作所必备的。二、PLC系统配置PLC系统配置，也称组态，要确定PLC硬件系统的构成。如果不考虑传感
12、器、执行机 构等，它就是若干PLC的模块或箱体、外设及有关附件。系统配置是对问题的综合，要从多个方案中优选一个。1. 系统配置原则(1) 完整性原则PLC系统必须完整。该配的都得配齐。如果丢项，在安装或使用时再追加，不仅将带 来诸多麻烦，还将可能延误工期。(2) 可靠性原则PLC系统必须可靠。可从四个方面考虑：一是PLC自身产品质量；二是供货方的技术服 务；三是重要或特殊场合下的工作要求能否达到；四要否冗余配置。(3) 发展性原则PLC的工作寿命较长，但技术寿命并不长。PLC往往不是使用坏了，而是还未用坏，由 于落后了，不得不淘汰。为此，PLC系统配置应坚持发展性原则。有两个要点：作系统配置时
13、 要留有发展的余地；对PLC选型时应尽可能用新型号。(4) 继承性原则系统配置还要考虑到曾经使用过PLC的历史情况。如果新配置的系统与原有的有继承关 系，编程器及一些编程软件还可再用；所积累的宝贵经验也可派上用场；甚至有的程序模块还可 移植。这对缩短编程时间，以至于正确地使用PLC都大有好处。(5) 经济性原则经济上是否合算，也应作为是否采用PLC，要用什么样的PLC的重要评价标准。显然， 进行系统配置，最后还应由效益作评价。2. 系统配置根据主要有四点：所配置PLC的用途。所需要的I/O点数及特殊要求。使用环境。经济性考虑。3. 系统配置方法系统配置可以用类比法、估算法、计算法及测试法。(1
14、) 类比法类比法也就是经验法。用经验与所要配置的系统作类比。从类比中初步确定要选用什么厂家 的PLC，用什么型号，用那些模块等等。要注意的是，在类比时一定要考虑PLC的发展，应 使用新的机型替代旧机型。(2) 估算法估算法主要用于算I/O点数，以粗略确定用大型机、中型机、小型机还是微型机。因为机 型与厂家有关，还与PLC的结构相联系，估算好了可较有把握地进行配置。输入点数Ni为：INi= S EiX (Pi-D 、 . . nm . . . .式中Ei-所使用的某类输出元件总数；如用了一台正、反转电机即为1；Pi该类输出器件可能处于的工作状态，如要求正、反转电机则有三种状态，即正 转、反转及停
15、车；I输出器件的类型总数。开关量总数N=Ni+No模拟量比较好算。有多少监视量就有多少路输入。有多少控制输出，就有多少路输出。估算出I/O点数及模拟量路数后，可依大、中、小型机划分的大致标准，估算要选用的 PLC机型。一般大、中、小机型间点数均有搭接，没有把握不妨都作考虑，再用计算法进一步确定。(3) 计算法一般要作四方面计算：模块数计算：确定了 I/O点数，还要按I/O的物理要求，确定各用什么样的模块。对输入点，要依输 入信号电压区分，是交流的，还是直流的？信号间有什么隔离要求？还要确定选用多少种，各有 多少输入点的模块？等等。对输出模块要考虑输出型式，是继电器，半导体，还是可控硅？还有就是
16、公共回路。一 般点数多的模块，其公共回路就少；反之则多。选用公共回路多的模块便于电路配线，但要 用的模块多。选定了模块类型，再依总数具体计算应采用多少种，各多少个模块。模拟量也有相应的模块要选择。如有的是4路入，或8路入，有的是2路出，或1路 出，有的还有入，还有出，等等。选了合适的模块之后，再根据总的路数，计算模块数。I/O模块数计算之后，再算要使用的机架槽位数，进而确定机架数。电源容量计算：箱体式的PLC，电源容量一般为自动满足，可不考虑。只是在确定隔离变压器(市电电源 经隔离变压器再加载到PLC，以减少电网对PLC的干扰)时，对变压器的容量要稍作计算。 模块式的电源种类较多，要作相应计算
17、，然后再选型。响应时间计算：有的PLC厂家提供有经验公式：大体的关系是内存总量与要使用的点数有关，这既可 用以确定选多大容量的内存，也可大体确定循环时间。算出循环时间，就可进一步计算响应 时间了。特殊输入量的响应时间更要分别计算。有的可查有关模块的特性。投入费用计算：在模块种类及数量确定后，一般还要依报价进行投入费用的计算。如果配置的方案多， 对每个方案的投入费用也都要计算。(4) 测试法系统配置时，一些重要的数据不仅要计算，有的还要进行实际测试。如循环时间，可把 编完的程序，送入PLC进行实际测定。有的数据可由厂方提供，或委托厂方作测试。类比、估 算、计算及测试运用得好，可使所配置的系统建立
18、在科学与经验的基础之上，将有助于使系统配 置得更为完善。4 .系统配置步骤系统配置过程也是从粗到细一步步推进，要分步骤进行。一个配置完成后又可能再返回 来，再逐步完善，直到从多个方案中挑选一个最为满意的方案为止。4. 配置步骤为：1. 用类比法，大致确定可选用的厂家产品及机型；确定时要遵循发展性及继承性原则。2. 用估算法，估算I/O点数及模拟量路数，并确定要选用的机型。3. 用计算法，依完整性原则计算所需的模块数。这里可能有多个方案，那就应计算出各个 方案的结果。4. 再依可靠性原则，考虑必要的冷备份、热备份或冗余配置。若为一般系统，这个步骤可省略。5. 计算各个方案的投入费用，并依经济性原
19、则选其中最优者。6. 必要时再进一步作性能计算或进行实物测试。再根据计算或测试结果，对原有的配置作 修正。5. 系统配置类型基本配置：这种配置控制规模小，所用的模块少。对箱体式PLC，则仅用一个CPU箱体，就是一 台完整的PLC。对模块式PLC，基本配置选择的项目要多些。有：CPU模块：它确定了可进行控制的规模、工作速度、内存容量，等等。内存模块：它在CPU规定的范围选择，要满足存储程序与数据的要求。电源模块：多与其它模块相配套的。其型号与规格要满足要求。I/O模块：依I/O点数确定模块规格及数量。I/O模块数量可多可少，但其最大数受CPU 所能管理的基本配置的能力的限制。底板或机架：基本配置
20、仅仅用一个底板或机架，称这种配置简单，原因就在于此。但底 板也有不同规格。所以，还要依I/O模块数作不同选择。有的PLC不用底板，那就没有什 么底板或机架可选择了。扩展配置：箱体式PLC扩展配置是增加I/O箱体。I/O箱体有不同的型号和规格。可按所须增加的 点数，选用相应的I/O箱体。模块式PLC的扩展配置有两种：一为当地扩展，另一为远程扩展。当地扩展配置：在基本配置的基础上，于当地增加I/O模块及相应底板或机架，这可使 PLC的控制规模有较可观地扩大。远程扩展配置；这种配置所增加的机架可远离当地，近的几百米，远的可达数千米。远程 配置可简化系统配线，而且也可扩大控制规模。扩展配置时应着重弄清
21、两个问题：（1）该型号PLC最大可能的扩展配置。显然，充份利用最大可能的扩展配置，可降低PLC 单点费用，提高使用PLC的经济性。（2） I/O地址的分配规律。显然，只有弄清了 I/O地址是怎么分配的，才可能编写PLC程序。特殊配置：这里的特殊配置是指增加特殊（有的称功能或智能模块）I/O模块的配置。特殊配置后 的PLC可进行那些方面的控制，与所配置的特殊单元紧密相关。较常见的特殊模块，若按功能划分，有：高速计数单元：可计入与处理高频脉冲信号，从处理几十kHz,几百kHz的都有。位置控制单元：可通过输出脉冲控制位置移动量及位置移动速度。有单坐标控制的，还 有双坐标控制的，以至于多坐标控制的。双
22、坐标或多坐标的还可实现两坐标运动协调。这实际是 数控技术通过PLC特殊单元予以实现。模入、模出单元：可把传感器模拟量转换成数字量存于输入通道中，或把输出通道的内容 转换成模拟量作为控制信号，可对一路信号作转换，也可对多路的，可多达8路，以至于更多， 即一个单元可处理8路或更多的模拟量。有的既有模入、又有模出。等等。温度检测控制单元：温度是工业中常见的模拟量。为检测与控制它，PLC厂家开发专门针 对它的检测与控制的单元。实质上它也是模拟量，只是它作了更多的预处理工作，如可适用不同 的温度传感器，可测的温度范围也可相应选择，用起来更方便。检测单元只能用于读温度值，并 显示，也可用作处理，但要另编程
23、序。而控制单元，可自成控制回路，无须编程，也无须PLC运 行相关程序，即可实现温度控制。回路控制单元：用于进行模拟量的回路控制。有的自身带模拟量输入、输出点。如上述温度控制单元一样，既能采集模拟量数据，又能进行数据计算、处理，进而产生控制输出， 可完整地实现模拟量控制。而有的自身没有模拟量输入、输出点，只用于进行有关控制算法计算。 使用它，虽然须与别的模拟量输入、输出单元配合，但它的控制计算能力很强，可完成几十、几 百路的有关控制运算，使PLC实现很复杂模拟量控制。其它特殊单元：如计算机单元，可把有关个人计算机的主板、外设作成PLC的单元，插 在底板上，可直接与PLC通讯。再如ASCII单元，
24、也具有运算与通讯功能，可协助PLC的CPU 作数据处理。等等。更特殊配置算是多CPU配置，即一个PLC系统或机架中可配置多个CPU单元。这多 个CPU可以是不同功能的，有的还可以是同一功能的。这些CPU单元共享系统I/O总线， 但各控制各的I/O模块或对象。同时，各CPU间又可方便地交换数据，进行控制协调。这样 系统，将极大地提升PLC控制规模与功能，是目前大型PLC发展的新动向。冗余配置：冗余配置指的是除所需的模块之外，还附加有多余模块的配置。目的是提高系统的可靠性。能否进行 冗余配置，可进行什么样的冗余配置，代表着一种PLC适应特殊需要的能力，是高性能PLC的一个体 现。一般的PLC是不具
25、备有这个性能的。冗余配置的目的是提高整个系统的可靠性。冗余配置为何能提高可靠性？这是因为：PLC是由各种 模块组成的，而各模块都有其统计出的可靠度及失效率。在PLC非冗余配置时，任一模块出现故障，都 会影响PLC工作。按若干独立事件构成的事件的概率计算原则，PLC的可靠度应为组成它的各模块可靠 度的乘积。即：R =R1 . R2 . R3 Rn式中 RPLC的可靠度R1Rn 各模块的可靠度如有10个模块组成，各模块的失效率（以规定寿命计）为万分之一，则其可靠度为：1 - 1/10000 = 9999 / 10000这10个模块构成的系统的可靠度近似为：INi= S EiX （PD . 口 ,
26、imm .!其失效率为 1 - 999/1000 = 1 / 1000若为100个模块构成的系统，其失效率将为1 / 100。可知，系统越大，组成的模块越多，出现故障 的机率也越大。但若为冗余配置，情况就不同了。至少有两个模块同时出现故障系统才不能工作。这两个模块同时出 现故障这种独立事件，构成系统出故障的合成事件，其概率关系也是乘，只是失效率的乘。同样以上例作 讨论，若这100个模块均为热备，则只有在两个相同的模块同时出现故障时，系统才失效。其故障率的计 算可先分别算出各模块的失效率，再合成算PLC的可靠度。即：两个模块同时失效的机率为(同样以单模块失效率为万分之一计)：(1 / 10000
27、5 x (|/C000 = 1 /10S 即亿分之一的机率。再算PLC失效率的机率为：1 - (9. 999. 99/10 )100 1 /1,000,000|为百万分之一。确实是万无一失。当然，实际上不会所有热备，所以失效率会比这个大。联网配置：为提高控制性能，往往要把在地理上处于不同位置的PLC与PLC，或PLC与计算机，或 PLC与其它控制装置或智能装置通过传送介质连接起来，实现通讯，以构成功能更强、性能更 好的控制系统。目前PLC网络大体有三个层次：设备网，用以与底层的设备，智能传感器，智能执行机 构通讯；控制网，用以PLC与PLC间通讯；信息网，用以与管理层的计算机通讯，以至于进 互联网。要不要组网，如何组网，选用什么样的通讯模块，是在配置PLC时要考虑的重要侧面。 联网是PLC技术发展中的活跃领域，内容非常丰富，并不断有新的技术及系统推出。附加配置：附加配置是为PLC配备外部设备所作配置。目的是为PLC程序的编制、调试、存储， 以及数据的显示、存储及打印提供条件。附加配置就是按需要选用这些外设，以使所配置的 PLC系统合乎设计要求。
