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1、PLC知识讲座,1,PLC知识讲座,OMRON(上海)开发二部二课王亮 2008-02-16,目录,第一部分:PLC 基础知识PLC的定义 PLC的历史PLC的工作原理PLC的性能指标一体式PLC结构组合式PLC结构(CV series)PLC 总线,第二部分:硬件、AW Know-How OMRON PLC产品线一体式PLC：CP系列CP1H/L介绍PLC在PCB设计中的注意事项,PLC基础知识,国际委员会(IEC)PLC的定义:可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算，顺序控制、定时、计数和算术运算等操作指令
2、，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。,功能上已经超出了早期的定义,早期:只能进行开关量的逻辑控制.,现代:开关量的逻辑控制.模拟量的闭环控制.数字量的智能控制.数据采集和监控.通信联网、集散控制.,PLC的定义(Definition),1968 年 美国通用汽车公司（GM）提出要求和规格定义,1969 年 美国数字设备公司（DEC)发布第一台PLC(PDP-14),1970 年 日本OMRON 研制出本社第一台PLC,我国1974年开始研制,于1977年研制 成功,开始工业应用,PLC的历史(History),PLC的组成(一),可靠性高抗干扰能力强.编程直观简单
3、环境要求低适应性强功能完善接口功能强,中央处理器(CPU):PLC运算、控制中心.接收并存储从编程器输入的用户程序和数据.诊断电源,PC内部电路的工作状态和编程的语法错误.用扫描的方式接收输入信号,送入PC的数据寄存器保存起来.执行用户程序.读取编译执行用户程序结果送至输出端存储器 分系统程序存储器、用户程序存储器系统存储器:存放系统管理程序用户程序存储器:存放用户编制的控制程序,输入部分输出部分 是PLC与被控对象间传递输入输出信号的接口部件。输入部件是开关、按钮、传感器等。输出部件是电磁阀、接触器、继电器。通常具备滤波、光电隔离、电平转换等回路.电源 一般市电(AC220)DC24V 等手
4、持编程器、微机、触摸屏、其他外围通信设备,PLC的组成(二),循环扫描的工作方式扫描周期:一次循环的时间.决定因素:用户程序长短、优化程度、PLC本身性能.通常ms数十ms,PLC的工作原理(一),PLC的工作原理(二),I/O点数 外部接入输入开关器件、输出控制器件的数量,决定了系统的控制规模.CS 系列 达到 5120 点、CJ系列 达到 2560点、CQM系列达到512点、CP1H达到320点、CP1L达到160点用户程序存储器容量 决定了容纳用户程序长短.CS、CJ系列达到250Ks;CQM系列达到15.2Ks;CP1H达到20Ks;CP1L达到10Ks.扫描速度 扫描速度是指PLC执
5、行程序的速度.是衡量控制速度的重要指标.OMRON PLC规格中是以指令处理速度和公共处理时间来体现的.如CP1H:,PLC的性能指标(一),指令的种类 这是衡量PLC编程能力强弱的主要指标.指令种类、条数越多，其处理能力、控制能力越强.CP1H系列:内部器件的种类及数量 内部器件包括辅助继电器、定时器、计数器、保持继电器、特殊辅助继电器、数据存储器等.其种类和数量同样反映控制能力强弱.智能单元 PLC不仅仅完成开关量的逻辑控制，而且利用智能单元完成模拟量控制、位置和速度控制及通信联网等.智能单元的种类和功能强弱是衡量PLC产品水平高低的重要指标.,PLC的性能指标(二),小型PLC在微型PL
6、C的基础上添加了32bit MPU/ASIC 和 Memory 容量.,Medium PLC,Micro PLC,一体式PLC的结构,在ASIC机能的不断提升和发展下,不仅仅简单的提供基本指令的执行,而且发展到了应用指令Memory ASICBus control.通过ASIC来联接CPU和扩展的Bus控制提供了组合式PLC的发展平台.完成总线控制和网络功能,有效的扩大了控制规模.现在OMRON的 CS1系列最大控制点数已经达到5120点.,Communication BUS series/Fins/Serial,组合式PLC的结构,BUS Control method,根据不同形状和功能要求
7、,OMRON 有多种总线协议(Unit).最新的使用最广泛的协议是CS1 Bus(CS1 单元CJ1单元:base_less).,PLC总线(一),CS1 Bus（16 Bit Bus）在PLC系列中的应用：,BUS ASIC,PLC总线(二),UNIT SUMMARY SCPU（ASIC 2）,通信单元（CLK、Ethernet、Dnet）控制单元（LCU、MC）Unit No.（0F）EVENT2（1kw+0.5kw）+cyclic data（8kw）Clock/CPU StatusIOM mapping：1500+unit No.25CHParameter area：512w（flexi
8、ble）in the CPU unit,SIOU（ASIC 2）,Unit（AD/DA/TS/TC/NC etc）Unit No.（05F）EVENT1（0.5kw）+cyclic data（184kw）Clock/CPU StatusIOM mapping：1000+unit No.10CHParameter area：100w（DM）in the CPU unit,PLC总线(三),BASIC I/O（ASIC 3）,一共有2种基本I/O ASIC，IOCS 和 IOC；其中IOCS 是32点基本输入输出点数以下的（包括32点）的I/O刷新和总线控制ASIC。IOC是32点以上128点以下
9、（包括128点）的I/O刷新和总线控制ASIC.Cyclic I/O dataRegister（bus check、profile）,PLC总线(三),OMRON PLC的产品线,硬件、AW Know-How,现在OMRON最具市场竞争力的不同类型的三款PLC是：CS1、CJ1、CP1H（L）,一体式PLC:CP系列(CP1L/H)(1)具有高度扩展性的端子台型一体化PLC.它浓缩了丰富的功能.,一体式PLC:CP系列(CP1L/H)(2)CP1L 与CP1H 的规格,内存容量、处理速度、功能的扩展性等。,内置功能等。,一体式PLC:CP系列(CP1L/H),（4）CP1L 与 CP1H 的C
10、PU构成图：,(3)OMRON小型PLC比较表：,(5)CP1H 与CP1L的硬件结构图,CP1H 硬件结构图,一体式PLC:CP系列(CP1L/H),CP1L 硬件结构图,一体式PLC:CP系列(CP1L/H),(6)CP1H的内部PCB结构,CPU单元,高功能扩展单元,PCB.OPTION 是串行通信接口回路，由MPU端口直接服务.可选择RS232C、RS485通讯模式.,PCB.CPU 主要放置的回路有 RTC、LED device、Switch device、Memory、Reset、ASIC 等回路.,一体式PLC:CP系列(CP1L/H),PCB.I/O 主要放置的是输入输出回路.
11、输入回路通过规格分类有：高速计数回路、中断输入快速响应输入、普通输入.按极性分有：正逻辑输入、负逻辑输入等.,正逻辑输入：,负逻辑输入：,输出回路通过形式分类有：继电器输出、晶体管输出.按规格分有：高速脉冲输出、普通输出等.,普通输出：,高速脉冲输出：,一体式PLC:CP系列(CP1L/H),PCB.PS 主要外置电源转换成内部供电电源回路.单元内部主要应用电源形式有：24V(用于Service PS、继电器驱动等)、5V/3.3V（用于芯片驱动电源等）、PSPF（电源失效检测）.当然如果单元搭载模拟量功能，可能存在模拟量电源转换回路.,主要有2种电源形式：（1）Linear Regulato
12、r:Enables only stepping down voltage.（2）Switching Regulator:Enables both stepping up and down voltage.简单的说线形电源是通过串联或并联可调节电阻来实现电压转化.开关电源是通过反馈调节开关频率（占空比）来实现电压转化.,（1）PS with Three-terminal Regulators（Linear Regulator）：,通常IC1形式：日本JRC公司的NJM*系.,（2）PS with Three-terminal Regulators（Switch Regulator）：,IC形式：
13、MC34063,Motorola Inc.),PCB设计注意事项,提高PCB设计质量是保障产品可靠性的重要手段。设计一块好的PCB在掌握设计工具的同时也需要具备：,1.电路设计知识.2.电磁兼容方面的知识.3.生产工艺方面的知识.,电路知识相关PCB设计技巧,通常在我们设计的PLC产品中都具备以下几个Circuit Block,这些电路本质上的区别：工作频率、信号强弱、参考电势.如果布置混杂，就可能引起相互干扰.所以必须考虑 线宽、线长、线间距、回路隔离 等措施.,通常 工作频率：MPU（周围电路）/通信I/F I/O回路（电源回路）.信号强弱：I/O回路（电源回路）MPU（周围电路）/通信I
14、/F.参考电势：MPU（周围电路）/通信I/F 和 电源回路 及 I/O 回路都是不同的.,注意:(1)按照电路的流程安排各个功能电路单元的位置，使布局便于信号流通，并使信号尽可能保持一致的方向。,(2)以每个功能电路的核心元件为中心，围绕它来进行布局。元器件应均匀、整齐、紧凑地排列在PCB上尽量减少和缩短各元器件之间的引线和连接。,PCB设计注意事项,按频率高低一定顺序放置，不要交错安插.,信号强弱和线宽、线间距之间的关系.,印制导线宽度和允许电流关系表：,因此，在实际走线时，需要设计人员了解电路中信号强弱关系.特别是在电源回路和I/O回路中，对于主干回路需要特别指示导线宽度.,走线区别：地
15、线 电源线 信号线，要尽量加宽地线和电源线.通常信号线在 0.20.3 mm(Pin 3)、电源线在 1.2 2.5mm.在数字量电路中通常地都是经过铺铜处理或多层设计单独地层.但是模拟回路中不能这样应用.电源回路、I/O 回路、通信I/F（CN 基扳连接）处 这几个部分不采用大面积铺铜（表层、内层）以此作为切断外部噪音干扰的进入途径.,PCB设计注意事项,当然由于走线通过的信号强弱不同，他们的线间距要求也是不同的.一般线间距的规则是 2倍的线宽以上.,下面是一个直流输入和继电器交流输出的指示：,PCB设计注意事项,参考电势不同的隔离间距要求.,参考电势不同的隔离间距和信号强弱是有关的.通常安
16、全电压强度以内2mm的隔离间距已经可以了.例如在AC220等场合，一次侧和二次侧的隔离间距需要在3.5以上的基础上尽量加宽.,其它.,当然大家在熟悉电路的基础上，可以理解哪些信号是比较重要和脆弱的.那些信号是抗干扰能力比较强的.这样对于PCB的布局也是有帮助的.例如Bus信号、通信I/F信号、OSC信号、RTC信号等在布置的时候需要采取包地或者长度限制等手段处理.,电磁兼容知识相关的PCB设计技巧,主要有2个方面：（1）减少或切断外部干扰源路径.（2）减少及防止PCB内部辐射引起的干扰.,减少或切断外部干扰源路径.首先要对干扰源定位定性.,了解PCB哪些地方可能存在外部设备的干扰，引起错误.通
17、常我们设计的PLC以下几个端口和回路是容易受到外部干扰源通过辐射、传导等形式进行干扰的.传导方式：电源端口、通信端口、输入端口、输出端口、总线接口 等.辐射方式：MPU外围回路、通信I/F回路等,当然很多场合，传导和辐射引起的干扰是共存的.,通常情况下，在电路设计的时候对于这些可能存在干扰的场合都已经有对应对策.合理的进行布置和接线可以有效的发挥他们的作用.例如：扼流圈、接地电容、RC/LR回路 等.,减少及防止PCB内部辐射引起的干扰.,PCB 内部存在很多开关装置和高频率回路.他们就是我们需要注意的内部干扰源.,开关装置；di/dt,dv/dt 影响，急剧的信号突变。,高频率信号：信号间串
18、扰（Cross-Talk）和反射等.,电容耦合原理：,（2）减小、尽量消除环路，可以减少电感性耦合的影响.,电感耦合原理：,怎么样消除信号间的干扰呢？,（1）利用地线分隔离信号线路.可以减少电容性耦合的影响.,生产工艺知识在PCB设计上的应用技巧,生产工艺知识是一个PCB设计者必须掌握的基本知识,它将直接影响设计产品从图纸到实物的结果.,与PCB相关的主要的生产工艺知识：,通常我们在PCB设计时经常要先定义 A side 和 B side A Side：通常指的元件面，安装主要器件和大部分器件的面.其特性表现为器件复杂.B Side：通常指的焊接面，安装简单的少部分器件.,通过对元器件的配置决
19、定了PCB的加工工艺：波峰焊、回流焊、波峰+回流焊、波峰加点胶等,现在OMRON生产上比较常见的几种加工方式有：,（1）单面回流焊接技术（单面SMT）（2）双面回流焊接技术（双面SMT）（3）单面回流+波峰焊接技术（单面SMT+THT）（4）双面回流+波峰焊接技术（双面SMT+THT）,BGA、PLCC、QFP 以及其它细间距引线的部品不能放置在波峰焊接面.元器件布局在条件允许的范围下：同类器件按相同的方向排列.相同功能的期间集中在一起,放置.相同封装的器件等距离放置.方便贴装、焊接和检查.,位于电路板边缘的元器件，是否离电路板边缘小于2mm？元器件之间的安全距离？（防止焊桥等不良)工艺边宽度
20、（拼板）？（是否符合设备传送带传送）PCB是否作成圆弧角？（直角的PCB板在传送时容易产生卡板）手插元件腿的处理（电气性能考虑应该是与铜面满接最好，但是在焊接的时候容易造成虚焊点.是否做成十字花焊盘.这样能使过分散热引起的虚焊.）波峰焊接面上的大小SMT元器件不能排成一条直线要错开位置这样可以防止焊接时因焊料波峰的“阴影”效应造成的虛焊和漏焊。BGA 封装：面阵列器件.BGA旁3mm内不能放置其他器件.通常不能放置在焊接面，不能进行波峰焊接.QFP封装：方型扁平封装，由于是四边引线封装，也不能放置在焊接面.SOP封装：对边引线封装.适合回流焊接.如果引线距离小，焊盘托起高度底的话可以波峰焊接.
21、同时还有DIP（双列直插封装）、SIP（单列直插封装）、CHIP（片式电阻、电容、电感等无源器件）基于以上原因，所以我们设计的PWB数据图纸需要生产技术部门的审查，防止设计的遗漏和疏忽.,电气设计的一些注意的地方：,1、旁路电容的放置 芯片电源端的旁路电容是吸收噪音的.避免过细、过长的电源走线.,2、信号走线注意点：信号走线（包括电源、地线）的宽度尽量保持一致.走线薄弱的环节会引起较大的阻抗，容易导致特别是高频率信号的失真.用过空或跳线在信号线空的地方铺地,3、电源的coil和filter的放置 就近放置、并且防止芯片之间的相互干扰.4、高频率的信号线（例如Clock、低电平信号线、高频回路步
22、线）高频率信号线要尽量短、宽.在设计的时候需要包地处理.这一类的信号线不要用连接器做2块不同PCB之间的连接.,5、信号线分支上的走线处理 可能会在设计的时候造成疏忽.6、不要把连接器等可能导致天线效应的部品放置在ROM旁边.,7、FG走线的时候的处理 可能会在设计的时候造成疏忽.在部品放置的时候，不要把Memory等MPU周遍芯片离的过近.尽量走直线、并且不要过FG线不要放置部品,8、模拟电路放置在基板的边缘，数字电路靠近通信端.降低由数字开关造成的di/dt效应。模拟地平面和数字地平面分开.,9、PCB层叠设计的基本原则,单板层的排布一般原则：A）与元件面相邻的层为地平面，提供器件屏蔽层以
23、及为顶层布线提供回流平面；B）所有信号层尽可能与地平面相邻（确保关键信号层与地平面相邻）；C）主电源尽可能与其对应地相邻；D）尽量避免两信号层直接相邻；E）兼顾层压结构对称。（忽略）,其中S：信号层 P：电源层 G：地层,10、如果地平面被信号走线隔断，为降低对地电流回路的干扰，应使信号走线与地平面垂直.11、电解电容不要放置在发热原器件的周遍，其他原器件距离发热原器件也要大于设计人员要求.大功率原器件之间的间距也要保证，防止在电路工作时局部过热产生引力，造成焊点可靠性.12、布线方向为水平或垂直，由垂直转入水平要走45 度进入。13、有些原器件之间或走线间的电压差比较大，应注意它们的间距.14、信号线布在电（地）层上 在多层制板布线时，由于在信号线层没有布完剩余的线已经不多，再多加层就会造成成本浪费，或生产增加工作量.为解决这一矛盾，可以考虑在电（地）层上布线.首先考虑是电源层，其次才是地层（保证地的完整性）。15、CMOS芯片输入端的输入阻抗非常大，非常容易受干扰，所以不使用引脚需要接地或电源.不要悬空.,THE END THAKS!,
