PLC是从继电控制系统发展而来的,它的梯形图程序与继电器系统电路图十分相似,梯形图中的某些编程元件也延续了继电器中的叫法。这些用计算机程序实现的“软继电器”,与继电器系统中的物理继电器在功能上有相似之处。
PLC的工作过程与计算机的工作原理基本一致,它通过执行用户程序来实现控制任务。但在时间上,PLC执行的任务是串行的,这与继电器控制系统中控制任务的执行有所不同。
由PLC的定义可知,PLC也是一种计算机,它有着与计算机相类似的结构,PLC的硬件主要由中央处理器( CPU)、存储器(memory)、输入/输出(I/O)单元、通信接口、扩展接口、电源等几部分组成。硬件组成结构如图1-4所示。
图1-4 PLC的硬件组成结构
1.中央处理器(CPU)
和计算机一样,CPU整个是PLC的核心。PLC中所配置的CPU随机型不同而不同,常用的CPU有三类:通用微处理器(如16位8086、80286等)、单片机(如8039、8031、M6801等)和位片式微处理器(如AMD2900、AMD2903等)。
可编程控制器的档次越高,CPU的位数也就越多,运算速度也就越快,功能指令也越强。
2.存储器
在PLC中,存储器主要用来存放系统程序、用户程序以及工作数据,可分为系统程序存储器和用户程序存储器。
常用的存储器主要有两种:一种是可读/写操作的随机存储器RAM,另一种是只读存储器ROM、PROM、EPROM和EEPROM。
3.输入/输出单元
输入/输出单元通常也称I/O单元或I/O模块,是PLC与工业生产现场之间连接的部件。PLC通过输入接口把外部设备(如开关、按钮、传感器)的状态或信息读入CPU,通过用户程序的运算与操作,把结果通过输出接口传给执行机构(如电磁阀、继电器、接触器等)。以实现控制的目的。
小型特别是超小型的PLC的I/O是和CPU、电源等组装在一个整体式结构中,I/O的点数受到一定的限制,且以开关量为主;而中型以上的PLC都是采用I/O模块的形式,且多数与CPU、电源等模块分离,以便I/O容量的扩展,模块种类也多样化,可以任意混装(即无固定安装位置),以便灵活地构成用户所需要的控制系统。但无论是哪一种形式,其功能和内部电路原理都是相似的。
I/O接口是PLC与现场I/O设备或其他外部设备之间的连接部件。PLC通过输入接口把外部设备(如开关、按钮、传感器)的状态或信息读入CPU,用户程序运算与操作后,把结果经输出接口传送给执行机构(如电磁阀、继电器、接触器等)。输入接口对输入信号进行滤波、隔离、电平转换等,把输入信号安全可靠地输入到PLC的内部。输出接口是把程序的结果输出到PLC的外部,输出接口具有隔离PLC内部电路和外部执行元件的作用,还具有功率放大的作用。
(1)输入接口电路
各种PLC的输入接口电路大都相同,通常有3种类型:第一种是直流12~24V输入;第二种是交流100~120V、200~240V输入;第三种是交直流12~24V输入。外部输入器件可以是开关量( ON/OFF)信号;数字信号,如数字开关输入;高速脉冲输入,如旋转编码等。这些外部输入器件是通过PLC的输入端子和PLC相连的。
PLC的输入接口电路中有光耦合隔离,并设有RC滤波器,用以消除输入触点的抖动和外部噪声的干扰。当开关闭合时,一次电路中有电流流过,输入指示灯亮,光耦合器被激励,三极管由截止状态变为饱和导通状态,一个外部信号送到PLC的内部电路中。图1-5是一个直流输入接口电路的原理图。
图1-5 直流输入端内部接线图
(2)输出接口电路
PLC的输出有3种形式:继电器输出、晶体管输出和晶闸管输出。图1-6给出了PLC的3种输出接口电路。
对于继电器输出,当CPU输出为“1”时,晶体管饱和导通,输出指示灯点亮,同时继电器的线圈有电流通过,继电器的触点接通,负载回路接通,负载工作;当CPU输出为“0”时,负载回路断开,负载不工作。负载回路的电源由负载特性决定,可以是交流也可以是直流,但一般不能超过AC 250V,电流不超过2A/点。
图1-6 PLC的输出接口电路
晶体管输出和晶闸管输出的工作原理和继电器输出是相似的。晶体管输出还分为NPN型和PNP型,负载电源只能用直流,一般不超过DC 24V,电流不超过0.5A/点。在接线时要注意电源的极性,否则不能正常控制负载。晶闸管输出的负载电源只能用交流电源。电源电压和每点能通过的电流大小在PLC厂商所提供的硬件手册中给出。
4.扩展接口
扩展接口是用于扩展I/O的,它使PLC的点数规模配置更为灵活,这种扩展接口实际上为总线形式,可以配置开关量的I/O,也可以配置如A/D、D/A转换模块,定位模块等特殊功能模块。现在PLC上都设有通信接口,连接通信适配器等。在大型机中,扩展接口为插槽扩展基板的形式。