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,執(zhí)行用戶程序,刷新系統(tǒng)的輸。存儲器用來儲存程序和數(shù)據(jù)。
(2)I/O模塊
輸入(Input)模塊和輸出(Output)模塊簡稱為I/O模塊,它們是系統(tǒng)的眼、耳、手、腳,是聯(lián)系外部現(xiàn)場和CPU模塊的橋梁。輸入模塊用接收和采集輸入信號,輸入信號有兩類:一類是從按鈕、選擇開關(guān)、數(shù)字拔碼開關(guān)、限位開關(guān)、接近開關(guān)、光電開關(guān)、壓力繼電器等開關(guān)量輸入信號;另一類是由電位器、熱電偶、測速發(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隔離外部輸入電路和負(fù)載,I/O模塊除了傳遞信號外,還有電平轉(zhuǎn)換與隔離的作用。
(3)編程器
編程器除了用來輸入和編輯用戶程序外,還可以用來監(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)試和檢修時使用編程器,一臺編程器可供多臺編程序控制器公用。
(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裝置(如接近開關(guān))提供24V真流電源,驅(qū)動現(xiàn)場執(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箱狀機(jī)殼內(nèi),結(jié)構(gòu)非常緊湊,它的體積小,價格低,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,如果一個框架容納不下所選用的模塊,可以增設(shè)一個或數(shù)個擴(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,對硬件配置的選擇余地較大,維修時更換模塊也很方便。[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整齊的長方體,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)稱為疊裝式(見圖2.4);締卧瑪U(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)軌上卸下來時,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,應(yīng)打開連接插座的蓋子(6)輸入端子(3)和輸出端子(9)上都有透明的端子美國)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芯片和存儲器組成,可編程控制器使用以下幾類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、存儲器
可編程控制器的存儲器分為系統(tǒng)程序存儲器和用戶程序存儲器,系統(tǒng)程序相當(dāng)于個人計算機(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,它決定了可編程控制器的輸入信號與輸出信號之間的具體關(guān)系。用戶程序存儲器的容量一般以字(每個字由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器以步為單位。小型可編程控制器的用戶程序存儲器容量在1K字(1K=1024=
),大型可編程控制器的用戶程序存儲器容量可達(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器:
(1)隨機(jī)存取存儲器(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/寫存儲器。它是易失性的存儲器,將它的電源斷開后,儲存的信息將會丟失。
RAM的工作速度高,價格低,改寫方便。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)(如計數(shù)器的計數(shù)值),為RAM配備了一個鋰電池,一般選用耗電極少的CMOS型RAM,鋰電池可用2—5年,需要更換鋰電池時由可編程序控制器發(fā)出信號彈,通知用戶,現(xiàn)在大多數(shù)可編程控制器仍用RAM來儲存用戶程序。
(2)只讀存儲器(ROM)
ROM的內(nèi)容只能讀出,不能寫入。它是非易失的,它的電源消失后,仍能保存存儲的內(nèi)容。
(3)可擦除可編程的只讀存儲器(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的價格高一些,與入信息所需的時間比RAM長得多,EEPROM用來存放用戶程序。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器的容量一般是固定的,大中型可編程控制器的用戶存儲器容量可以由用戶選擇。
4、開關(guān)量I/O模塊的外部接線方式
開關(guān)量I/O模塊的輸入輸出信號僅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電路有一個公共點(diǎn),所有I/O點(diǎn)共用一個電源。
分組式模塊的I/O點(diǎn)分為若干個組,每一組的各I/O電路有一個公共點(diǎn),它們共用一個電源。各組之間是分隔開的,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,幾點(diǎn)可以使用同一個電源。
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)抖動或外部干擾脈沖引起錯誤的輸入信號。濾波電路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關(guān)、光電開關(guān)之類的傳感器提供24V電源(見圖6)。
當(dāng)圖6中的外接觸點(diǎn)接通時,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)斷開時,光電耦合器中的發(fā)光二極管熄滅,光敏三極管截止,信號經(jīng)內(nèi)部電路傳送給CPU模塊。
開關(guān)量輸入模塊外接電子傳感器的輸出信號時,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反并聯(lián)的發(fā)光二極管,顯示用的兩個發(fā)光二極管也是反并聯(lián)的,所以這個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)動直流負(fù)載的大功率晶體管和場效應(yīng)管、驅(qū)動交流負(fù)載的雙向可控硅,以及既可以驅(qū)動交流負(fù)載又可以驅(qū)動直流負(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AC220V/2A的電阻性負(fù)載,但是只能驅(qū)動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,繼電器同時起隔離和功率放大作用,每一路只給用戶提供一對常開觸點(diǎn)。與觸點(diǎn)并聯(lián)的RC電路和壓敏電阻用來消除斷開時產(chǎn)生的電弧。
圖9(b)是晶體管集電極輸出電路。輸出信號送給內(nèi)部電路中的輸出儲存器,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。圖中的穩(wěn)壓管用來抑制關(guān)斷過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,它用光電可控硅實現(xiàn)隔離。圖中的 RC電路和壓敏電阻,用來抑制可控硅的關(guān)斷過電壓和外部的浪涌電壓。
雙向可控硅由關(guān)斷變?yōu)閷?dǎo)通的延遲時間小于1ms,由導(dǎo)通變?yōu)殛P(guān)斷的延遲時間小于10ms?煽毓柙谪(fù)載電流過小不能導(dǎo)通,遇到這種情況時可以在負(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控制柜內(nèi)。對于單臺機(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,因為有時本地I/O與CPU模塊的距離可能長達(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本地I/O存取數(shù)據(jù),對系統(tǒng)調(diào)試和查錯特別方便。但是多芯電纜價格很貴,對于改造舊設(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),如物資存儲自動控制系統(tǒng),可能有成百上千個傳感器分布在很寬的范圍內(nèi),系統(tǒng)可能包括30—50個距離分布的框架,每個框架中有10—20塊模塊。遠(yuǎn)程I/O系統(tǒng)一船只需要4根導(dǎo)線的電纜來連接各框架,但是大多數(shù)系統(tǒng)需要專用的I/O驅(qū)動順模塊和接收器模塊來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。