船舶機(jī)艙自動(dòng)化2-3 可編程序控制器的硬件基礎(chǔ)

第三節(jié)可編程序控制器的硬件基礎(chǔ)

可編程序控制器（ProgrammableController）是一種專門為在工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)控制裝置。

可編程邏輯控制器(ProgrammableLogicController)，簡稱PLC，它主要用來代替繼電器實(shí)現(xiàn)邏輯控制。

PLC的功能>>邏輯控制的范圍，因此，被改稱作可編程序控制器，簡稱PC。為避免與PersonalCompute的簡稱混淆，所以仍然采用PLC的簡稱。一、可編程序控制器的結(jié)構(gòu)與工作原理存儲(chǔ)單元輸入接口單元中央處理單元(CPU)數(shù)據(jù)總線、地址總線、控制總線輸出接口單元系統(tǒng)程序存儲(chǔ)區(qū)電源外圍設(shè)備（編程器）用戶程序存儲(chǔ)區(qū)用戶數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)1.可編程序控制器的結(jié)構(gòu)中央處理單元（CPU）

CPU是PLC的核心部件，由大規(guī)?；虺笠?guī)模的集成電路微處理芯片構(gòu)成。主要完成邏輯或算術(shù)運(yùn)算任務(wù)。早期的CPU處理器內(nèi)核是8位的，目前已發(fā)展到32位。每個(gè)PLC至少有一個(gè)CPU。趨勢：采用了多CPU芯片的并行處理方式。（編程及監(jiān)控的CPU，執(zhí)行用戶程序的CPU）

電源為PLC內(nèi)部各模塊的集成電路提供工作電源。一般不提供給外圍的輸入輸出電路。（個(gè)別廠家的PLC也可以給輸入電路提供24V的工作電源)PLC電源的交流輸入端一般都有脈沖吸收電路，交流輸入電壓范圍比較寬，抗干擾能力強(qiáng)。有些PLC還配有大容量電容作為數(shù)據(jù)后備，停電可以保持50小時(shí)。

外部設(shè)備

PLC的外部設(shè)備主要包括：編程器、文本顯示器、操作面板、人機(jī)界面、打印機(jī)等。編程器是最基本的設(shè)備，在使用、維護(hù)、管理PLC時(shí)都需要用到編程器。編程器分為兩種：手持編程器和微機(jī)編程界面。

手持編程器----適合在生產(chǎn)現(xiàn)場使用，但是由于體積較小，所能顯示的信息量有限；

微機(jī)編程界面----通過PLC的通訊口與計(jì)算機(jī)相連，在編程軟件界面下，實(shí)現(xiàn)程序的上載、下載以及在線編程。

輸入接口單元

對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行濾波、隔離、電平轉(zhuǎn)換等。把輸入信號(hào)的邏輯值傳遞到可編程序控制器內(nèi)部。輸出接口單元把用戶程序的邏輯運(yùn)算結(jié)果輸出到PLC外部。具有隔離PLC內(nèi)部電路和外部執(zhí)行元件的作用.

具有功率放大的作用。

存儲(chǔ)單元

PLC的存儲(chǔ)芯片包括：

RAM（隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，斷電后數(shù)據(jù)會(huì)丟失）

EEPROM（電可擦只讀存儲(chǔ)器，斷電后數(shù)據(jù)不會(huì)丟失）中大型PLC則采用大容量的MMC(多媒體存儲(chǔ)卡，斷電后數(shù)據(jù)不會(huì)丟失)。

存儲(chǔ)單元一部分是給系統(tǒng)用的，另外一部分是給用戶使用的。⑴系統(tǒng)程序存儲(chǔ)區(qū)存放著相當(dāng)于微型計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)的系統(tǒng)程序。（包括監(jiān)控程序、管理程序、命令解釋程序、功能子程序、系統(tǒng)診斷子程序等。）由制造廠商將其固化在EEPROM中。不對(duì)用戶開放。其內(nèi)容也不可更改。⑵系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)操作系統(tǒng)與用戶程序之間交換信息的一個(gè)特殊存儲(chǔ)區(qū)域。采用RAM存儲(chǔ)芯片。

操作系統(tǒng)在管理、監(jiān)控系統(tǒng)以及執(zhí)行程序時(shí)的一些執(zhí)行結(jié)果、故障狀態(tài)，通常就存放在該區(qū)域。用戶程序可以訪問該區(qū)域。⑶用戶程序存儲(chǔ)區(qū)存放用戶編寫的程序，可以進(jìn)行讀寫操作。大多數(shù)PLC采用EEPROM的存儲(chǔ)芯片隨PLC型號(hào)的不同，該區(qū)域的空間大小也不同

用戶在使用時(shí)只需要注意所編寫的程序不要超過全部存儲(chǔ)空間的大小即可⑷用戶數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)供系統(tǒng)和用戶共同使用，主要用來存儲(chǔ)輸入輸出狀態(tài)、計(jì)數(shù)、計(jì)時(shí)、全局變量、局部變量等?？梢赃M(jìn)行讀寫操作。采用RAM存儲(chǔ)芯片，可采用后備電池進(jìn)行數(shù)據(jù)保護(hù)。2.可編程序控制器的工作原理

PLC采用循環(huán)掃描工作方式。一個(gè)掃描周期分為三個(gè)階段：輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新。

PLC以一定的掃描速度重復(fù)執(zhí)行掃描周期。

輸入采樣

PLC依次讀入所有物理輸入點(diǎn)的狀態(tài)，并將其存入用戶程序存儲(chǔ)區(qū)中的專用區(qū)域――I/O區(qū)。輸入采樣結(jié)束后，隨即轉(zhuǎn)入用戶程序執(zhí)行和輸出刷新階段。在后兩個(gè)階段中，即使外圍輸入狀態(tài)發(fā)生變化，I/O區(qū)相應(yīng)單元的狀態(tài)也不會(huì)改變。如果輸入是脈沖信號(hào)，則該脈沖信號(hào)的寬度必須大于一個(gè)掃描周期，才能保證該輸入能被讀入。

用戶程序執(zhí)行

PLC按由上而下、由左至右的順序依次地掃描用戶程序（梯形圖）。將運(yùn)算的最終輸出結(jié)果送至用戶程序存儲(chǔ)區(qū)中的I/O區(qū)，但沒有送至實(shí)際的物理輸出點(diǎn)，那是輸出刷新階段的所要做的工作。輸出刷新

PLC按照I/O區(qū)對(duì)應(yīng)的狀態(tài)刷新至所有的輸出鎖存電路，再經(jīng)輸出電路驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的外設(shè)?？删幊绦蚩刂破鞯牡刃щ娐稩0.0I0.1輸入過程映象寄存器輸入端子輸出端子Q0.0Q0.1輸出過程映象寄存器輸出鎖存器～輸入采樣用戶程序執(zhí)行輸出刷新本次掃描周期下個(gè)周期上個(gè)周期可編程控制器在輸入／輸出處理方面遵循以下幾點(diǎn)：①輸入過程映象寄存器的數(shù)據(jù)，取決于本掃描周期的第一階段“輸入采樣”時(shí)輸入端子上當(dāng)時(shí)的實(shí)際物理狀態(tài)。且一直維持到下個(gè)周期的輸入采樣階段。②輸出過程映象寄存器的數(shù)據(jù)，由輸出指令決定。③輸出鎖存器的數(shù)據(jù)，由上個(gè)掃描周期的第三階段“輸出刷新”時(shí)輸出過程映象寄存器的數(shù)據(jù)確定。④輸出端子板上的輸出端的狀態(tài)，由輸出鎖存器確定。二、

可編程序控制器的硬件1.可編程序控制器的接口電路

PLC最常用的接口電路分為兩種：輸入接口電路和輸出接口電路。⑴

開關(guān)量輸入接口電路直流輸入接口電路輸入接口電路交流輸入接口電路直流輸入接口電路公用端子COM，并非一定要接在電源的負(fù)極上。一個(gè)PLC模塊上可能有多個(gè)COM端子，在PLC內(nèi)部并沒有將這些COM端子連在一起。DC24VCOMR1CLEDR2RT+5V濾波輸入選擇器IO總線交流輸入接口電路AC220VCOMR1CLEDR2RT+5V濾波輸入選擇器～I(xiàn)/O總線⑵

開關(guān)量輸出接口電路輸出接口電路有三種：晶體管輸出接口電路、可控硅輸出接口電路、繼電器輸出接口電路。晶體管輸出接口電路I/O總線輸出鎖存器LEDTFUD2D1負(fù)載負(fù)載COMDC24VT0晶體管輸出接口電路特點(diǎn)①外接電源：只能帶直流負(fù)載（只能使用直流電源），且電源的方向是唯一。②負(fù)載能力：帶負(fù)載能力弱，允許的負(fù)載電流一般都小于1A；防沖擊電流的過載能力??；一般不用于直接驅(qū)動(dòng)繼電器、接觸器、電磁閥這種大負(fù)載。③響應(yīng)時(shí)間：響應(yīng)時(shí)間快（約0.2ms），通斷速度高。④使用壽命：屬無觸點(diǎn)形式，使用壽命長。

直流輸出接口電路也有兩個(gè)基本概念：信號(hào)流和信號(hào)源。信號(hào)流（Sink，又稱灌電流輸出）

DC24V的負(fù)端接PLC的公共端COM。上圖T采用了NPN三極管，所以其連接方式是信號(hào)流。信號(hào)源（Source，又稱拉電流輸出）

DC24V的正端接PLC的公共端COM。如果上圖T采用PNP三極管，則DC24V須反向，其連接方式變?yōu)樾盘?hào)源。

S7-200PLC采用固態(tài)MOSFET，所以其輸出既可接成信號(hào)流，也可接成信號(hào)源。可控硅輸出接口電路適用于驅(qū)動(dòng)交流大容量負(fù)載I/O總線輸出鎖存器LEDT負(fù)載負(fù)載RCOMAC220VFU光控雙向可控硅～C可控硅輸出接口電路的特點(diǎn)①外接電源：帶交流負(fù)載（使用交流電源），適用的電壓范圍較寬。②負(fù)載能力：帶負(fù)載能力強(qiáng)，允許的負(fù)載電流一般為2A，個(gè)別型號(hào)允許最大可達(dá)8A；有一定的過載能力；可直接驅(qū)動(dòng)各種大容量交流負(fù)載。③響應(yīng)時(shí)間：響應(yīng)時(shí)間較快（約1ms）。④使用壽命：屬無觸點(diǎn)形式，使用壽命長。繼電器輸出接口電路適用于驅(qū)動(dòng)交直流供電、低速通斷的大容量負(fù)載，是應(yīng)用最多的一種輸出電路形式。I/O總線輸出鎖存器LED負(fù)載負(fù)載J～繼電器輸出接口電路的特點(diǎn)①外接電源：對(duì)外提供的是無源干觸點(diǎn)，所以可帶各種形式的交、直流負(fù)載，且直流電源的方向任意。②負(fù)載能力：帶負(fù)載能力強(qiáng)，允許的負(fù)載電流一般為2A；過載能力強(qiáng)；可直接驅(qū)動(dòng)繼電器、接觸器、電磁閥這種大負(fù)載。③響應(yīng)時(shí)間：響應(yīng)時(shí)間慢（約10ms），通斷速度慢。④使用壽命：屬有觸點(diǎn)形式，且觸點(diǎn)的通斷次數(shù)有壽命限制。⑶模擬量輸入接口電路

RA端子：將傳感器送來的0～20mA的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)。（RA與A-間有一個(gè)250歐姆標(biāo)準(zhǔn)電阻）用戶通過配置開關(guān)選擇通道接入的信號(hào)種類以及量程。⑶模擬量輸出接口電路電壓信號(hào)輸出（“V0”端子）電流信號(hào)輸出（“I0”端子）2.可編程序控制器的模塊種類⑴CPU模塊RUN/STOP撥碼開關(guān)擴(kuò)展電纜連接端口RS232/485通訊端口輸入端子輸出端子電源

組建一個(gè)PLC控制系統(tǒng)，一個(gè)CPU模塊是必不可少的。在復(fù)雜系統(tǒng)中，會(huì)采用兩個(gè)CPU模塊進(jìn)行冗余熱備，一臺(tái)CPU工作時(shí)，另外一臺(tái)處在備用狀態(tài)。一個(gè)系統(tǒng)中也可以有多個(gè)CPU獨(dú)立運(yùn)行，他們分別控制自己的I/O點(diǎn)。由于PLC采用了模塊化的設(shè)計(jì)思路，有些CPU模塊本身也可以不帶任何I/O點(diǎn)，輸入輸出接口電路全部由其他模塊完成。帶I/O點(diǎn)的S7300CPU模塊不帶I/O點(diǎn)的S7300CPU模塊S7400兩個(gè)CPU模塊的冗余熱備2.擴(kuò)展模塊除了CPU模塊以外，其它的PLC模塊都統(tǒng)稱為擴(kuò)展模塊。由于擴(kuò)展方式的不同，同一廠家的不同級(jí)別CPU的擴(kuò)展模塊也不通用。擴(kuò)展模塊內(nèi)部可能有CPU芯片，但不能歸類為CPU模塊，因?yàn)樵揅PU芯片不能編譯以及執(zhí)行梯形圖的程序。

I/O模塊

PLC的擴(kuò)展模塊可分為三大類功能模塊通訊模塊

①I/O模塊數(shù)字量I/O模塊

I/O模塊包括模擬量I/O模塊測溫模塊SiemensS7-200的I/O模塊型號(hào)：

EM（ExpansionModules）+數(shù)字。例如EM221就是一種數(shù)字量輸入模板的型號(hào)。SiemensS7-300的I/O模塊型號(hào)：

SM（SignalModules）+數(shù)字。例如SM321就是一種數(shù)字量輸入模板的型號(hào)。

數(shù)字量I/O模塊其硬件接口電路與CPU模塊自帶的I/O接口電路一樣。

不同點(diǎn)：與CPU總線的連接方式。數(shù)字量I/O模塊通過擴(kuò)展電纜（擴(kuò)展的I/O總線）與CPU模塊相連。

SiemensS7-200的擴(kuò)展電纜是10針扁平電纜。擴(kuò)展電纜陰型連接陽型連接

模擬量I/O模塊模擬量I/O模塊分為：模擬量輸入模塊、模擬量輸出模塊、兼有模擬量輸入和輸出的模塊。模擬量輸入模塊擴(kuò)展電纜陰型連接輸入1輸入2輸入3輸入4輸出1擴(kuò)展電纜陽型連接②

功能模塊位置控制模塊稱重模塊高速計(jì)數(shù)器模塊閉環(huán)控制模塊SiemensS7-200的功能模塊型號(hào)：

EM（ExpansionModules）+數(shù)字。SiemensS7-300的功能模塊型號(hào)：

FM（FunctionModules）+數(shù)字。常見的功能模塊③

通訊模塊

Ethernet模塊

ProfibusDP模塊

AS-i模塊

Modem模塊

SiemensS7-200的部分通訊模塊和SiemensS7-300的全部通訊模塊的型號(hào)用CP（CommunicationsProcessor）+數(shù)字的方式來表示。S7200PLC的通訊模塊3.可編程序控制器的抗干擾⑴

干擾的產(chǎn)生在測量信號(hào)（主要指模擬量信號(hào)）傳輸過程中，由于內(nèi)部和外部干擾的影響，會(huì)在測量信號(hào)上又疊加干擾電壓或電流，通常把這種干擾稱為噪聲。當(dāng)噪聲電壓影響到系統(tǒng)的正常工作時(shí)，該噪聲電壓就稱為干擾電壓。根據(jù)干擾電壓進(jìn)入測量電路的不同方式，可將干擾分為串模干擾（又稱為差模干擾）和共模干擾（又稱為并聯(lián)干擾）兩種。

串模干擾在被測信號(hào)兩端與被測信號(hào)串聯(lián)的干擾電壓稱為串模干擾電壓，串模干擾屬于對(duì)稱性干擾。由于這種干擾是疊加在信號(hào)上的，所以直接影響測量的結(jié)果。PLC傳感器～串模干擾電壓M串模干擾產(chǎn)生的原因：①外部線路的交變磁場通過分布電容耦合進(jìn)線路。交變磁場通常來自于高壓輸電線、與信號(hào)線平行鋪設(shè)的電源線以及大電流控制線所產(chǎn)生的空間電磁場。②電源交變磁場漏電流的耦合作用。③信號(hào)輸入通路中的接觸不良。抑制串模干擾的方法①用雙絞線傳輸信號(hào)，可有效減少干擾介入的途徑。②當(dāng)被測信號(hào)變化緩慢時(shí)，利用RC濾波器，可較好的抑制串模干擾噪聲。

共模干擾出現(xiàn)在信號(hào)的任一輸入端和公共端（大地或機(jī)殼）之間的干擾電壓稱為共模干擾電壓。共模干擾屬于非對(duì)稱性干擾。雖然不直接影響測量結(jié)果，但是當(dāng)信號(hào)輸入電路參數(shù)不對(duì)稱時(shí)，它會(huì)轉(zhuǎn)化成串模干擾，對(duì)測量產(chǎn)生影響。PLC傳感器共模干擾電壓～接地環(huán)路

共模干擾的產(chǎn)