PLC的硬件組成

PLC的硬件主要由中央處理器（CPU）、存儲器、輸入單元、輸出單元、通信接口、擴(kuò)展接口電源等部分組成。其中，CPU是PLC的核心，輸入單元與輸出單元是連接現(xiàn)場輸入/輸出設(shè)備與CPU之間的接口電路，通信接口用于與編程器、上位計算機(jī)等外設(shè)連接。

對于整體式PLC，所有部件都裝在同一機(jī)殼內(nèi)，其組成框圖如圖1所示；對于模塊式PLC，各部件獨立封裝成模塊，各模塊通過總線連接，安裝在機(jī)架或?qū)к壣希浣M成框圖如圖2所示。無論是哪種結(jié)構(gòu)類型的PLC，都可根據(jù)用戶需要進(jìn)行配置與組合。

圖1 整體式PLC組成框圖

圖2 模塊式PLC組成框圖

盡管整體式與模塊式PLC的結(jié)構(gòu)不太一樣，但各部分的功能作用是相同的，下面對PLC主要組成各部分進(jìn)行簡單介紹。

1．中央處理單元（CPU）

同一般的微機(jī)一樣，CPU是PLC的核心。PLC中所配置的CPU 隨機(jī)型不同而不同，常用有三類：通用微處理器（如Z80、8086、80286等）、單片微處理器（如8031、8096等）和位片式微處理器(如AMD29W等) 。小型PLC大多采用8位通用微處理器和單片微處理器；中型PLC大多采用16位通用微處理器或單片微處理器；大型PLC大多采用高速位片式微處理器。

目前，小型PLC為單CPU系統(tǒng)，而中、大型PLC則大多為雙CPU系統(tǒng)，甚至有些PLC中多達(dá)8 個CPU。對于雙CPU系統(tǒng)，一般一個為字處理器，一般采用8位或16位處理器；另一個為位處理器，采用由各廠家設(shè)計制造的專用芯片。字處理器為主處理器，用于執(zhí)行編程器接口功能，監(jiān)視內(nèi)部定時器，監(jiān)視掃描時間，處理字節(jié)指令以及對系統(tǒng)總線和位處理器進(jìn)行控制等。位處理器為從處理器，主要用于處理位操作指令和實現(xiàn)PLC編程語言向機(jī)器語言的轉(zhuǎn)換。位處理器的采用,提高了PLC的速度，使PLC更好地滿足實時控制要求。

在PLC中CPU按系統(tǒng)程序賦予的功能，指揮PLC有條不紊地進(jìn)行工作，歸納起來主要有以下幾個方面：

1） 接收從編程器輸入的用戶程序和數(shù)據(jù)。

2） 診斷電源、PLC內(nèi)部電路的工作故障和編程中的語法錯誤等。

3） 通過輸入接口接收現(xiàn)場的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并存入輸入映象寄有器或數(shù)據(jù)寄存器中。

4） 從存儲器逐條讀取用戶程序，經(jīng)過解釋后執(zhí)行。

5） 根據(jù)執(zhí)行的結(jié)果，更新有關(guān)標(biāo)志位的狀態(tài)和輸出映象寄存器的內(nèi)容，通過輸出單元實現(xiàn)輸出控制。有些PLC還具有制表打印或數(shù)據(jù)通信等功能。

2．存儲器

存儲器主要有兩種：一種是可讀/寫操作的隨機(jī)存儲器RAM，另一種是只讀存儲器ROM、PROM 、EPROM 和EEPROM。在PLC中，存儲器主要用于存放系統(tǒng)程序、用戶程序及工作數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)程序是由PLC 的制造廠家編寫的，和PLC的硬件組成有關(guān)，完成系統(tǒng)診斷、命令解釋、功能子程序調(diào)用管理、邏輯運算、通信及各種參數(shù)設(shè)定等功能，提供PLC運行的平臺。系統(tǒng)程序關(guān)系到PLC的性能，而且在PLC使用過程中不會變動，所以是由制造廠家直接固化在只讀存儲器ROM、PROM或EPROM中，用戶不能訪問和修改。

用戶程序是隨PLC的控制對象而定的，由用戶根據(jù)對象生產(chǎn)工藝的控制要求而編制的應(yīng)用程序。為了便于讀出、檢查和修改，用戶程序一般存于CMOS靜態(tài)RAM中，用鋰電池作為后備電源，以保證掉電時不會丟失信息。為了防止干擾對RAM中程序的破壞，當(dāng)用戶程序經(jīng)過運行正常，不需要改變，可將其固化在只讀存儲器EPROM中?，F(xiàn)在有許多PLC直接采用EEPROM作為用戶存儲器。

工作數(shù)據(jù)是PLC運行過程中經(jīng)常變化、經(jīng)常存取的一些數(shù)據(jù)。存放在RAM中，以適應(yīng)隨機(jī)存取的要求。在PLC的工作數(shù)據(jù)存儲器中，設(shè)有存放輸入輸出繼電器、輔助繼電器、定時器、計數(shù)器等邏輯器件的存儲區(qū)，這些器件的狀態(tài)都是由用戶程序的初始設(shè)置和運行情況而確定的。根據(jù)需要，部分?jǐn)?shù)據(jù)在掉電時用后備電池維持其現(xiàn)有的狀態(tài)，這部分在掉電時可保存數(shù)據(jù)的存儲區(qū)域稱為保持?jǐn)?shù)據(jù)區(qū)。

由于系統(tǒng)程序及工作數(shù)據(jù)與用戶無直接聯(lián)系，所以在PLC 產(chǎn)品樣本或使用手冊中所列存儲器的形式及容量是指用戶程序存儲器。當(dāng)PLC提供的用戶存儲器容量不夠用，許多PLC還提供有存儲器擴(kuò)展功能。

3．輸入/輸出單元

輸入/輸出單元通常也稱I/O單元或I/O模塊，是PLC與工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場之間的連接部件。 PLC通過輸入接口可以檢測被控對象的各種數(shù)據(jù)，以這些數(shù)據(jù)作為PLC對被控制對象進(jìn)行控制的依據(jù)；同時PLC又通過輸出接口將處理結(jié)果送給被控制對象，以實現(xiàn)控制目的。

由于外部輸入設(shè)備和輸出設(shè)備所需的信號電平是多種多樣的，而PLC內(nèi)部CPU的處理的信息只能是標(biāo)準(zhǔn)電平，所以I/O接口要實現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換。I/O接口一般都具有光電隔離和濾波功能，以提高PLC的抗干擾能力。另外，I/O接口上通常還有狀態(tài)指示，工作狀況直觀，便于維護(hù)。

PLC提供了多種操作電平和驅(qū)動能力的I/O接口，有各種各樣功能的I/O接口供用戶選用。I/O接口的主要類型有：數(shù)字量（開關(guān)量）輸入、數(shù)字量（開關(guān)量）輸出、模擬量輸入、模擬量輸出等。

常用的開關(guān)量輸入接口按其使用的電源不同有三種類型：直流輸入接口、交流輸入接口和交/直流輸入接口，其基本原理電路如圖3所示。

圖3 開關(guān)量輸入接口

a）直流輸入 b）交流輸入 c）交/直流輸入

常用的開關(guān)量輸出接口按輸出開關(guān)器件不同有三種類型：是繼電器輸出、晶體管輸出和雙向晶閘管輸出，其基本原理電路如圖4所示。繼電器輸出接口可驅(qū)動交流或直流負(fù)載，但其響應(yīng)時間長，動作頻率低；而晶體管輸出和雙向晶閘管輸出接口的響應(yīng)速度快，動作頻率高，但前者只能用于驅(qū)動直流負(fù)載，后者只能用于交流負(fù)載。

圖4 開關(guān)量輸出接口

a）繼電器輸出 b）晶體管輸出 c）晶閘管輸出

PLC的I/O接口所能接受的輸入信號個數(shù)和輸出信號個數(shù)稱為PLC輸入/ 輸出（I/O）點數(shù)。I/O點數(shù)是選擇PLC的重要依據(jù)之一。當(dāng)系統(tǒng)的I/O點數(shù)不夠時，可通過PLC的I/O擴(kuò)展接口對系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展。

4．通信接口

PLC配有各種通信接口，這些通信接口一般都帶有通信處理器。PLC通過這些通信接口可與監(jiān)視器、打印機(jī)、其它PLC、計算機(jī)等設(shè)備實現(xiàn)通信。PLC與打印機(jī)連接，可將過程信息、系統(tǒng)參數(shù)等輸出打印；與監(jiān)視器連接，可將控制過程圖像顯示出來；與其它PLC連接，可組成多機(jī)系統(tǒng)或連成網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)更大規(guī)模控制。 與計算機(jī)連接，可組成多級分布式控制系統(tǒng)，實現(xiàn)控制與管理相結(jié)合。

遠(yuǎn)程I/O系統(tǒng)也必須配備相應(yīng)的通信接口模塊。

5．智能接口模塊

智能接口模塊是一獨立的計算機(jī)系統(tǒng)，它有自己的CPU、系統(tǒng)程序、存儲器以及與PLC系統(tǒng)總線相連的接口。它作為PLC系統(tǒng)的一個模塊，通過總線與PLC相連，進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，并在PLC的協(xié)調(diào)管理下獨立地進(jìn)行工作。

PLC的智能接口模塊種類很多，如：高速計數(shù)模塊、閉環(huán)控制模塊、運動控制模塊、中斷控制模塊等。

6．編程裝置

編程裝置的作用是編輯、調(diào)試、輸入用戶程序，也可在線監(jiān)控PLC內(nèi)部狀態(tài)和參數(shù)，與PLC進(jìn)行人機(jī)對話。它是開發(fā)、應(yīng)用、維護(hù)PLC不可缺少的工具。編程裝置可以是專用編程器，也可以是配有專用編程軟件包的通用計算機(jī)系統(tǒng)。專用編程器是由PLC廠家生產(chǎn)，專供該廠家生產(chǎn)的某些PLC產(chǎn)品使用，它主要由鍵盤、顯示器和外存儲器接插口等部件組成。專用編程器有簡易編程器和智能編程器兩類。

簡易型編程器只能聯(lián)機(jī)編程，而且不能直接輸入和編輯梯形圖程序，需將梯形圖程序轉(zhuǎn)化為指令表程序才能輸入。簡易編程器體積小、價格便宜，它可以直接插在PLC的編程插座上，或者用專用電纜與PLC相連，以方便編程和調(diào)試。有些簡易編程器帶有存儲盒，可用來儲存用戶程序，如三菱的FX-20P-E簡易編程器。

智能編程器又稱圖形編程器，本質(zhì)上它是一臺專用便攜式計算機(jī)，如三菱的GP-80FX-E智能型編程器。它既可聯(lián)機(jī)編程，又可脫機(jī)編程。可直接輸入和編輯梯形圖程序，使用更加直觀、方便，但價格較高，操作也比較復(fù)雜。大多數(shù)智能編程器帶有磁盤驅(qū)動器，提供錄音機(jī)接口和打印機(jī)接口。

專用編程器只能對指定廠家的幾種PLC進(jìn)行編程，使用范圍有限，價格較高。同時，由于PLC產(chǎn)品不斷更新?lián)Q代，所以專用編程器的生命周期也十分有限。因此，現(xiàn)在的趨勢是使用以個人計算機(jī)為基礎(chǔ)的編程裝置，用戶只要購買PLC廠家提供的編程軟件和相應(yīng)的硬件接口裝置。這樣，用戶只用較少的投資即可得到高性能的PLC程序開發(fā)系統(tǒng)。

基于個人計算機(jī)的程序開發(fā)系統(tǒng)功能強(qiáng)大。它既可以編制、修改PLC的梯形圖程序，又可以監(jiān)視系統(tǒng)運行、打印文件、系統(tǒng)仿真等。配上相應(yīng)的軟件還可實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和分析等許多功能。

7.電源

PLC配有開關(guān)電源，以供內(nèi)部電路使用。與普通電源相比，PLC電源的穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)。對電網(wǎng)提供的電源穩(wěn)定度要求不高，一般允許電源電壓在其額定值±15% 的范圍內(nèi)波動。許多PLC還向外提供直流24V穩(wěn)壓電源，用于對外部傳感器供電。

8.其它外部設(shè)備

除了以上所述的部件和設(shè)備外，PLC還有許多外部設(shè)備，如EPROM寫入器、外存儲器、人/機(jī)接口裝置等。

EPROM寫入器是用來將用戶程序固化到EPROM存儲器中的一種PLC外部設(shè)備。為了使調(diào)試好用戶程序不易丟失，經(jīng)常用EPROM寫入器將PLC內(nèi)RAM保存到EPROM中。

PLC內(nèi)部的半導(dǎo)體存儲器稱為內(nèi)存儲器。有時可用外部的磁帶、磁盤和用半導(dǎo)體存儲器作成的存儲盒等來存儲PLC的用戶程序，這些存儲器件稱為外存儲器。外存儲器一般是通過編程器或其它智能模塊提供的接口，實現(xiàn)與內(nèi)存儲器之間相互傳送用戶程序。

人/機(jī)接口裝置是用來實現(xiàn)操作人員與PLC控制系統(tǒng)的對話。最簡單、最普遍的人/機(jī)接口裝置由安裝在控制臺上的按鈕、轉(zhuǎn)換開關(guān)、撥碼開關(guān)、指示燈、LED顯示器、聲光報警器等器件構(gòu)成。對于PLC系統(tǒng)，還可采用半智能型CRT人/機(jī)接口裝置和智能型終端人/機(jī)接口裝置。半智能型CRT人/機(jī)接口裝置可長期安裝在控制臺上，通過通信接口接收來自PLC的信息并在CRT上顯示出來；而智能型終端人/機(jī)接口裝置有自己的微處理器和存儲器，能夠與操作人員快速交換信息，并通過通信接口與PLC相連，也可作為獨立的節(jié)點接入PLC網(wǎng)絡(luò)。