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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、地址總線和數據總線連接，外部則根據實際控制對象配置相應設備與控制裝置構成PLC控制系統。
  

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據、檢查電源、存儲器I/O以及警戒定時器的狀態；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場各輸入裝置的狀態和數據，并分別存入I/O 映象區，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，按指令的規定執行邏輯或算數運算的結果送入I/O 映象區或數據寄存器內，等所有的用戶程序執行完畢之后，最后將I/O 映象區的各輸出狀態或輸出寄存器內的數據傳送到相應的輸出裝置，如此循環運行直到停止運行。
    為了進一步提高PLC 的可靠性近年來對大型PLC 還采用雙CPU 構成冗余系統或采用三CPU 的表決式系統，這樣即使某個CPU 出現故障整個系統仍能正常運行。

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PLC 的工作原理其存儲空間一般包括以下三個區域：
    系統程序存儲區；
    系統RAM 存儲區(包括I/O 映象區和系統軟設備等)；
    用戶程序存儲區。
    2.2.1 系統程序存儲區
PLC系統程序由PLC制造廠家編寫并固化在系統程序存儲區中，相當于計算機操作系統的系統程序，包括監控程序、管理程序、命令解釋程序、功能子程序、系統診斷子程序等部分。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，傳輸到CPU內執行；功能程序與系統程序調用則負責調用不同的功能子程序及其管理程序。
　　系統程序屬于需長期保存的重要數據，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 數據存儲區
PLC運行過程中需生成或調用中間結果數據（如輸入/輸出元件的狀態數據、定時器、計數器的預置值和當前值等 ）和組態數據（如輸入輸出組態、設置輸入濾波、脈沖捕捉、輸出表配置、定義存儲區保持范圍、模擬電位器設置、高速計數器配置、高速脈沖輸出配置、通信組態等），這類數據存放在工作數據存儲器中，由于工作數據與組態數據不斷變化，且不需要長期保存，所以采用隨機存取存儲器RAM。
    系統RAM 存儲區包括I/O 映象區以及各類軟設備如：邏輯線圈、數據寄存器、計時器、計數器、變址寄存器、累加器、等存儲器。
    (1) I/O 映象區，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和數據在輸出刷新階段才將輸出的狀態和數據送至相應的外設，因此它需要一定數量的存儲單元(RAM)以存放I/O 的狀態和數據，這些單元稱作I/O 映象區，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 映象區可看作兩個部分組成：開關量I/O 映象區，模擬量I/O 映象區。
    (2) 系統軟設備存儲區
    除了I/O 映象區區以外，系統RAM 存儲區還包括PLC 內部各類軟設備(邏輯線圈、計時器、計數器、數據寄存器和累加器等)的存儲區，該存儲區又分為具有失電保持的存儲區域和無失電保持的存儲區域，前者在PLC 斷電時由內部的鋰電池供電，數據不會遺失，后者當PLC 斷電時數據被清零。
    1) 邏輯線圈
     與開關輸出一樣，每個邏輯線圈占用系統RAM 存儲區中的一個位，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 還提供數量不等的特殊邏輯線圈，具有不同的功能。
    2) 數據寄存器
    與模擬量I/O 一樣，每個數據寄存器占用系統RAM 存儲區中的一個字(16bits) ，另外PLC 還提供數量不的特殊數據寄存器，具有不同的功能。
    3) 計時器
    4) 計數器
    2.2.3 用戶程序存儲區
　　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與工業現場控制或檢測元件和執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、測速發電機和各種變換器提供的連續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。現場的輸入信號通過光電耦合后轉換為5V的TTL送入輸入數據寄存器，再經數據總線傳送給CPU。
　　3.2輸出接口
　　輸出接口電路向被控對象的各種執行元件輸出控制信號。常用執行元件有接觸器、電磁閥、調節閥（模擬量）、調速裝置（模擬量）、指示燈、數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，監視用戶程序的執行過程，顯示PLC狀態、內部器件及系統的參數等。
　　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機編程，適合小型PLC的編程及現場調試。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用戶程序的雙向傳送、監控PLC運行狀態等。
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定性好、抗干擾能力強的開關穩壓電源，許多PLC電源還可向外部提供直流24V穩壓電源，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。