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② 继电器输出型可以接交流负载,也可以接直流负载;晶体管输出型只能接直流负载。
③ 继电器输出型由于机械特性,不适合作为脉冲串(PTO)输出。如果要使用PTO来控制伺服驱动器,必须选择晶体管输出型的CPU模块。EM DT0EM QT16是具有16个晶体管输出通道的数字量输出模块,其外形尺寸为45mm×
100mm×81mm(宽度×高度×厚度)之前介绍的数字量输入模块的通道全部是输入型,而数字量输出模块的通道全是输出型。如果工程项目还需要少量的输入及少量的输出通道,就需要分别购买数字量输入及数字量输出模块才能满足要求。有没有一种模块,其本身既集成了数字量输入通道,又集成了数字量输出通道呢?
S7-200 SMART的设计人员考虑到了这种需求,提供了四种同时集成数字量输入及输出的模块,分别是:EM DT16、EM DR16、EM DT32和 EM DR32。
2.5.2 数字量输入及输出模块——EM DT16
EM DT16是具有8通道的数字量输入及8通道的晶体管输出型数字量模块,模块的外形尺寸为45mm×100mm×81mm(宽度×高度×厚度)。每个EM DT16模块消耗背板5V电流145mA,每个输入通道消耗24V传感器电流4mA。EM DR16模块具有8个数字量输入通道和8个继电器型数字量输出通道,其外形尺寸为45mm×100mm×81mm(宽度×高度×厚度)。每个模块消耗背板5V电流145mA;模块的每个数字量输入通道消耗24V传感器电流4mA,每个继电器线圈消耗24V传感器电流11mA。
EM DR16上下各有两个接线端子排,上面两个编号为X10和X11,为数字量输入接线端子;下面两个编号为X12和X13,为数字量输出接线端子。EM DT32的输入通道既支持源型接线方式,也支持漏型接线方式,而输出通道仅支持漏型接线方式。其接线图见附录中
2.5.5 数字量输入及输出模块——EM DR32工业现场有很多模拟量信号需要采集和控制。所谓“模拟量”,是指其信号值随着时间的变化而连续变化的物理量,比如温度、压力、转速等。模拟量与数字量的区别在于:数字量是离散的,只有0和1两种取值;模拟量的值是连续变化的曲线,在大值和小值之间连续变化。
模拟量信号采集基本是这样一个过程:现场的模拟量传感器将采集的信号通过信号线传送到PLC的模拟量输入模拟量中,CPU通过读取模拟量输入模块的值来获取实际的物理量。常见的模拟量传输信号有:4~20mA、±10V等。
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假如当前信号线上的电流等于5mA,那么它表达了一个什么样的含义呢?这“5mA”的信号是怎样被转换成温度或压力的值的呢?我们知道现代的微电子计算机都是基于冯·诺依曼的二进制理论,它只能处理0和1组成的数字量的信号,CPU是无法理解“5mA”表示的含义的。模拟量的信号在被CPU处理之前,都要先转换成数字量,这就常说的模数转换。
模数转换也称为A/D转换,由专门的模数转换器完成。总体来说,模数转换器包括两个部分,即模拟部分和数字部分,模拟部分主要包括采样器和调节器,采样后的信号经过调制器,然后输出一位一位的数据位流;数字部分是一个数字滤波器,它对模拟部分输出的数字流进行除噪处理,滤除大部分的量化噪声,终得到转换后的数字量结果。
听起来有点抽象,对于模数转换,我们不探究太多的细节,先弄清楚几个与模拟量模块型号选择有关的概念。
① 分辨率:是指将满量程的信号分成N等份,每一份所表示的大小。N越大,分辨率就越高,转换后的数字量就越接近实际模拟量。比如S7-1200的模拟量输入模块SM 1231 AI 4×13bit,名称中的“13bit”表示“12bit”的分辨率+“1bit”的符号位。“12bit”的分辨率表示把满量程信号分成2的12次方(4096)等份;比如满量程信号为温度100℃,那么每一份等于100℃/4096=0.0244℃,表示该模拟量模块能检测到的小温度变化是0.0244℃。如果我们选择“8bit”的模块,它表示把满量程信号分成2的8次方(256)等份;仍以满量程信号为温度100℃为例,则每一份等于100℃/256=0.39℃,所以“8bit”的模块能检测到的小温度变化为0.39℃,显然它的分辨率比12bit的要小很多,对测量信号的变化的敏感度要低。可编程控制器是工业控制领域中自动化技术发展的产物。众所周知,工业生产过程中存在大量顺序控制和安全互锁逻辑控制,在20世纪60年代之前,这些功能是通过气动或电气控制系统实现的,相应的控制系统主要由继电器和计数器等构成。这种系统的主要缺点是体积大,接线复杂和可靠性差,特别是系统适应性差,不易维护和更改。上述缺点不但增加了生产成本,而且严重制约生产效率的进一步提高。为解决这一问题,美国通用汽车公司(GM)提出要设计一种新的系统来代替继电器系统,并于1968年向社会公开招标,同时给出了10条招标指标,即“通用十条”:
(1)编程方便,可现场修改和调试程序;
(2)维护方便,采用模块化结构;美国电器制造商协会(NEMA)经过4年的调查,于1980年把它正式命名为可编程控制器(Programmable Controller,PC),但是为了与个人计算机(Personal Computer,PC)相区别,仍将可编程控制器简称为PLC。
PLC自诞生起就进入了快速发展阶段,国际电工委员会(IEC)分别于1982年11月、1985年1月和1987年2月颁布了可编程控制器标准的草案稿、第二稿和第三稿,并在草案第三稿中将可编程控制器定义为:“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。它采用了可编程序的存储器,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的指令。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。PLC及其有关外部设备,都应按易于与工业系统连成一个整体,易于扩充其功能的原则设计。”作为一种应用于工业环境下的计算机,该定义强调了PLC应具有抗干扰性强,适应性好和应用范围广泛的特点,这正是工业控制计算机区别于一般微型计算机的重要特征。CPU 与所有微型计算机系统(如通用计算机系统和单片微型计算机系统)相同,CPU是PLC的核心部件,主要包含运算器、控制器和寄存器。控制器控制CPU工作,由CPU读取指令、解释指令及执行指令。运算器用于进行算术、逻辑等运算,其工作由控制器控制完成。另外,CPU内部还有一些寄存器参与运算,并存储运算的中间结果。CPU可以是通用微处理器(如8086、80286和80386等)和单片机(如8051和M6800)等。可读可写;二是只读存储器ROM(Read only Memory),只能读不能写。
按照存储功能,PLC存储空间可划分为:系统程序存储区、系统RAM存储区和用户程序存储区。
(1)系统程序存储区:存放系统程序即所谓的系统软件(相当于计算机操作系统软件),是由PLC制造厂家编写的与PLC硬件有关的程序,和硬件一起决定了PLC的性能。它主要完成系统诊断,命令解释,提供PLC运行平台等功能,通常固化到ROM中,用户不能访问和修改。
(2)系统RAM存储区:存放I/O映像区及各类软设备,如逻辑线圈、数据寄存器、计时器、计数器、变址寄存器、累加器等。
(3)用户程序存储区:存放用户编制的程序,不同类型的PLC,其存储容量各不相同。
3)I/O模块 I/O模块又称I/O单元,负责实现I/O信号的扩展,这些数据可以由被控对象通过I/O模块传送给PLC,也可由PLC通过I/O模块传送给被控对象。在数据传输过程中,I/O模块的作用是实现PLC与外部输入和输出设备间不同信号间的电平转换。
4)其他功能模块
(1)A/D、D/A模块:A/D模块主要用于将电压、电流、湿度和温度等模拟信号转换成PLC能够处理的数字量。D/A模块与A/D模块的作用相反,其作用是把PLC内部的数字量转换成电压、电流等模拟信号以控制外部设备,如变频器和温度控制器等。
(2)电源模块:为PLC的各个模块提供工作电源。电源模块的一般输入为AC220V(有的AC220V与AC110V均可以),部分电源模块输入为宽电压范围(AC86~240V),输出电源电压可以是交流的,也可以是直流的。
(3)通信模块:主要通过通信网络实现PLC之间、PLC与个人计算机间及与其他设备间的信息交换。通信模块实现PLC与各种控制总线或工业以太网的通信,如西门子S7-200CN PLC的CP243-1、CP243-1IT CP241等。通信模块使得PLC与其他计算机系统和被控对象之间形成一个统一的整体,使分散集中的远程控制和信息交换成为可能。
5)PLC的外部设备
(1)编程器,是用户进行PLC程序设计和系统监控的必备设备,可以对PLC在线编程和修改程序。
(2)存储设备,用于性地存储用户资料,PLC应用中一般为专用的存储卡。
(3)I/O设备,用于接收输入信号和发送输出信号,如打印机和键盘等。4.PLC程序的存储和执行过程
作为一种用于工业控制的计算机,PLC与通用的个人计算机有所不同,这主要表现在程序存储方式和程序执行过程两方面。上电初始化:对堆栈指针、工作单元和编程接口进行初始化,并进行PLC工作状态的选择(主要是设置编程状态和运行状态),这部分工作由操作系统完成,并且只进行一次。