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二、PLC組成及原理

1- PLC的基本結構
PLC基本組成包括中央處理器（CPU）、存儲器、輸入/輸出接口（縮寫為I/O，包括輸入接口、輸出接口、外部設備接口、擴展接口等）、外部設備編程器及電源模塊組成，如圖1-1。
PLC內部各組成單元之間通過電源總線、控制總線、地址總線和數(shù)據(jù)總線連接，外部則根據(jù)實際控制對象配置相應設備與控制裝置構成PLC控制系統(tǒng)。
  

圖1-1  PLC的基本組成
1、中央處理單元(CPU)
     中央處理單元(CPU)是PLC 的控制中樞，它按照PLC 系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存儲從編程器鍵入的用戶程序和數(shù)據(jù)、檢查電源、存儲器I/O以及警戒定時器的狀態(tài)；并能診斷用戶程序中的語法錯誤。
    小型PLC的CPU采用8位或16位微處理器或單片機，如8031、M68000等，這類芯片價格很低；中型PLC的CPU采用16位或32位微處理器或單片機，如8086、96系列單片機等，這類芯片主要特點是集成度高、運算速度快且可靠性高；而大型PLC則需采用高速位片式微處理器。
當PLC 投入運行時，首先它以掃描的方式接收現(xiàn)場各輸入裝置的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并分別存入I/O 映象區(qū)，然后從用戶程序存儲器中逐條讀取用戶程序，經過命令解釋后，按指令的規(guī)定執(zhí)行邏輯或算數(shù)運算的結果送入I/O 映象區(qū)或數(shù)據(jù)寄存器內，等所有的用戶程序執(zhí)行完畢之后，最后將I/O 映象區(qū)的各輸出狀態(tài)或輸出寄存器內的數(shù)據(jù)傳送到相應的輸出裝置，如此循環(huán)運行直到停止運行。
    為了進一步提高PLC 的可靠性近年來對大型PLC 還采用雙CPU 構成冗余系統(tǒng)或采用三CPU 的表決式系統(tǒng)，這樣即使某個CPU 出現(xiàn)故障整個系統(tǒng)仍能正常運行。

2、存儲器
2.1 PLC 常用的存儲器類型
    2.1.1 RAM (Random Assess Memory)，這是一種讀/寫存儲器(隨機存儲器) ，其存取速度最快，由鋰電池支持。
    2.1.2 EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory)，這是一種可擦除的只讀存儲器，在斷電情況下存儲器內的所有內容保持不變(在紫外線連續(xù)照射下可擦除存儲器內容)。
    2.1.3 EEPROM(Electrical Erasable Programmable Read Only Memory)，這是一種電可擦除的只讀存儲器，使用編程器就能很容易地對其所存儲的內容進行修改。
2.2 PLC 存儲空間的分配
    雖然各種PLC 的CPU 的最大尋址空間各不相同，但是根據(jù)PLC 的工作原理其存儲空間一般包括以下三個區(qū)域：
    系統(tǒng)程序存儲區(qū)；
    系統(tǒng)RAM 存儲區(qū)(包括I/O 映象區(qū)和系統(tǒng)軟設備等)；
    用戶程序存儲區(qū)。
    2.2.1 系統(tǒng)程序存儲區(qū)
PLC系統(tǒng)程序由PLC制造廠家編寫并固化在系統(tǒng)程序存儲區(qū)中，相當于計算機操作系統(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)診斷子程序等部分。用戶不能直接存取，它和硬件一起決定了該PLC 的性能。
　　系統(tǒng)管理程序主要控制PLC的運行，使PLC按正確的次序工作；命令解釋程序將PLC的用戶指令轉換為機器語言指令，傳輸?shù)紺PU內執(zhí)行；功能程序與系統(tǒng)程序調用則負責調用不同的功能子程序及其管理程序。
　　系統(tǒng)程序屬于需長期保存的重要數(shù)據(jù)，所以其存儲器采用ROM或EPROM。ROM是只讀存儲器，該存儲器只能讀出內容，不能寫入內容，ROM具有非易失性，即電源斷開后仍能保存已存儲的內容。
    2.2.2 數(shù)據(jù)存儲區(qū)
PLC運行過程中需生成或調用中間結果數(shù)據(jù)（如輸入/輸出元件的狀態(tài)數(shù)據(jù)、定時器、計數(shù)器的預置值和當前值等 ）和組態(tài)數(shù)據(jù)（如輸入輸出組態(tài)、設置輸入濾波、脈沖捕捉、輸出表配置、定義存儲區(qū)保持范圍、模擬電位器設置、高速計數(shù)器配置、高速脈沖輸出配置、通信組態(tài)等），這類數(shù)據(jù)存放在工作數(shù)據(jù)存儲器中，由于工作數(shù)據(jù)與組態(tài)數(shù)據(jù)不斷變化，且不需要長期保存，所以采用隨機存取存儲器RAM。
    系統(tǒng)RAM 存儲區(qū)包括I/O 映象區(qū)以及各類軟設備如：邏輯線圈、數(shù)據(jù)寄存器、計時器、計數(shù)器、變址寄存器、累加器、等存儲器。
    (1) I/O 映象區(qū)，由于PLC 投入運行后只是在輸入采樣階段才依次讀入各輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)在輸出刷新階段才將輸出的狀態(tài)和數(shù)據(jù)送至相應的外設，因此它需要一定數(shù)量的存儲單元(RAM)以存放I/O 的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，這些單元稱作I/O 映象區(qū)，一個開關量I/O 占用存儲單元中的一個位(bit)，一個模擬量I/O 占用存儲單元中的一個字(16 個bit)， 因此整個I/O 映象區(qū)可看作兩個部分組成：開關量I/O 映象區(qū)，模擬量I/O 映象區(qū)。
    (2) 系統(tǒng)軟設備存儲區(qū)
    除了I/O 映象區(qū)區(qū)以外，系統(tǒng)RAM 存儲區(qū)還包括PLC 內部各類軟設備(邏輯線圈、計時器、計數(shù)器、數(shù)據(jù)寄存器和累加器等)的存儲區(qū)，該存儲區(qū)又分為具有失電保持的存儲區(qū)域和無失電保持的存儲區(qū)域，前者在PLC 斷電時由內部的鋰電池供電，數(shù)據(jù)不會遺失，后者當PLC 斷電時數(shù)據(jù)被清零。
    1) 邏輯線圈
     與開關輸出一樣，每個邏輯線圈占用系統(tǒng)RAM 存儲區(qū)中的一個位，但不能直接驅動外設，只供用戶在編程中使用，其作用類似于電器控制線路中的繼電器，另外不同的PLC 還提供數(shù)量不等的特殊邏輯線圈，具有不同的功能。
    2) 數(shù)據(jù)寄存器
    與模擬量I/O 一樣，每個數(shù)據(jù)寄存器占用系統(tǒng)RAM 存儲區(qū)中的一個字(16bits) ，另外PLC 還提供數(shù)量不的特殊數(shù)據(jù)寄存器，具有不同的功能。
    3) 計時器
    4) 計數(shù)器
    2.2.3 用戶程序存儲區(qū)
　　用戶程序存儲器用于存放用戶編制的PLC應用程序，不同類型的PLC 其存儲容量各不相同。

3、接口
　　輸入輸出接口是PLC與工業(yè)現(xiàn)場控制或檢測元件和執(zhí)行元件連接的接口電路。PLC的輸入接口有直流輸入、交流輸入、交直流輸入等類型；輸出接口有晶體管輸出、晶閘管輸出和繼電器輸出等類型。晶體管和晶閘管輸出為無觸點輸出型電路，晶體管輸出型用于高頻小功率負載、晶閘管輸出型用于高頻大功率負載；繼電器輸出為有觸點輸出型電路，用于低頻負載。
　　 現(xiàn)場控制或檢測元件輸入給PLC各種控制信號，如限位開關、操作按鈕、選擇開關以及其他一些傳感器輸出的開關量或模擬量等，通過輸入接口電路將這些信號轉換成CPU能夠接收和處理的信號。輸出接口電路將CPU送出的弱電控制信號轉換成現(xiàn)場需要的強電信號輸出，以驅動電磁閥、接觸器等被控設備的執(zhí)行元件。
　　3.1 輸入接口
　　輸入接口用于接收和采集兩種類型的輸入信號，一類是由按鈕、轉換開關、行程開關、繼電器觸頭等開關量輸入信號；另一類是由電位器、測速發(fā)電機和各種變換器提供的連續(xù)變化的模擬量輸入信號。
以圖1-2所示的直流輸入接口電路為例，R1是限流與分壓電阻，R2與C構成濾波電路，濾波后的輸入信號經光耦合器T與內部電路耦合。當輸入端的按鈕SB接通時，光耦合器T導通，直流輸入信號被轉換成PLC能處理的5V標準信號電平（簡稱TTL），同時LED輸入指示燈亮，表示信號接通。微電腦輸入接口電路一般由寄存器、選通電路和中斷請求邏輯電路組成，這些電路集成在一個芯片上。交流輸入與交直流輸入接口電路與直流輸入接口電路類似。
  

圖1-2  直流輸入接口電路
　　濾波電路用以消除輸入觸頭的抖動，光電耦合電路可防止現(xiàn)場的強電干擾進入PLC。由于輸入電信號與PLC內部電路之間采用光信號耦合，所以兩者在電氣上完全隔離，使輸入接口具有抗干擾能力。現(xiàn)場的輸入信號通過光電耦合后轉換為5V的TTL送入輸入數(shù)據(jù)寄存器，再經數(shù)據(jù)總線傳送給CPU。
　　3.2輸出接口
　　輸出接口電路向被控對象的各種執(zhí)行元件輸出控制信號。常用執(zhí)行元件有接觸器、電磁閥、調節(jié)閥（模擬量）、調速裝置（模擬量）、指示燈、數(shù)字顯示裝置和報警裝置等。輸出接口電路一般由微電腦輸出接口電路和功率放大電路組成，與輸入接口電路類似，內部電路與輸出接口電路之間采用光電耦合器進行抗干擾電隔離。
　　3.3 其它接口
　　若主機單元的I/O數(shù)量不夠用，可通過I/O擴展接口電纜與I/O擴展單元（不帶CPU）相接進行擴充。
PLC還常配置連接各種外圍設備的接口，可通過電纜實現(xiàn)串行通信、EPROM寫入等功能。

4、編程器
編程器作用是將用戶編寫的程序下載至PLC的用戶程序存儲器，并利用編程器檢查、修改和調試用戶程序，監(jiān)視用戶程序的執(zhí)行過程，顯示PLC狀態(tài)、內部器件及系統(tǒng)的參數(shù)等。
　　編程器有簡易編程器和圖形編程器兩種。簡易編程器體積小，攜帶方便，但只能用語句形式進行聯(lián)機編程，適合小型PLC的編程及現(xiàn)場調試。圖形編程器既可用語句形式編程，又可用梯形圖編程，同時還能進行脫機編程。
　　目前PLC制造廠家大都開發(fā)了計算機輔助PLC編程支持軟件，當個人計算機安裝了PLC編程支持軟件后，可用作圖形編程器，進行用戶程序的編輯、修改，并通過個人計算機和PLC之間的通信接口實現(xiàn)用戶程序的雙向傳送、監(jiān)控PLC運行狀態(tài)等。
5、電源
PLC的電源將外部供給的交流電轉換成供CPU、存儲器等所需的直流電，是整個PLC的能源供給中心。PLC大都采用高質量的工作穩(wěn)定性好、抗干擾能力強的開關穩(wěn)壓電源，許多PLC電源還可向外部提供直流24V穩(wěn)壓電源，用于向輸入接口上的接入電氣元件供電，從而簡化外圍配置。
PLC 的電源在整個系統(tǒng)中起著十分重要得作用。如果沒有一個良好的可靠得電源系統(tǒng)是無法正常工作的，因此PLC 的制造商對電源的設計和制造也十分重視，一般交流電壓波動在+10%(+15%)范圍內可以不采取其它措施，而將PLC 直接連接到交流電網上去。

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