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1、1,第2章 PLC系统内部结构,目 标：, 描述数据处理计算机和过程控制计算机的异同。 列出和定义PLC CPU各主要组成部分的功能。 列出和描述PLC CPU中固态内存的类型。 描述典型输入模块的操作过程。 描述典型输出模块的操作过程。,2,2.1 概述,本章我们来看看PLC的内部结构，探讨其内部操作原理。 在本章的第一部分，我们讨论的PLC是作为过程控制计算机来使用的。在本章的第二部分，将介绍PLC系统的4个主要组成部分，讨论非永久性和永久性的固态内存，并介绍处理器的组成及其工作原理，分析离散输入输出模块的结构，看看它是怎样将传感器、执行器与PLC联系起来的。最后将介绍能提供驱动PLC所需
2、的DC（直流电）的电源供应系统。了解PLC内部结构将有助于读者提高对后续主题的理解能力。,3,2.2 作为计算机的PLC,PLC是一台计算机，但它可能平时见到的计算机的形式不同。大部分人熟悉数据处理计算机，特别是微型计算机。这些机器放在桌子或膝盖上，有很强的系统软件和应用软件支持，可以玩游戏、打字、画CAD图等。这种计算机能处理大量的数据，这就是人们称之为数据处理机的原因。,其外围输入设备 是键盘、光笔和鼠 标，外围输出设 备有视频显示终端、 打印机和绘图仪等。,有另一种形式的计算机称为过程处理计算机。尽管它能处理数据，但其主要功能是控制加工制造和工业处理过程（如机械、机器人和组装线等）。这种
3、计算机基于事件驱动。虽然它有外围键盘输入，但其输入信号主要是开关信号和传感器信号。,而它的外围 输出设备，虽然 也有视频显示终 端、打印机等， 但该过程控制计 算机主要用于控 制设备，如电机、 电磁阀、电灯等。,PLC系统是一种过程控制计算机：它小巧，相对便宜，适应环境能力强，并且易于编程、操作、维护和维修。它一般安装在机器或控制流程附近，因此把它看成是工业设备的扩展。,6,2.3 中央处理器,在小型PLC系统中，处理器、固态内存、I/O模块和电源都放在一个紧凑的单元中。编程设备通常是便携式的，由键盘和液晶显示器（LCD）组成，与主要部件分离，但可通过电缆相连。在大型PLC系统中，处理器和内存
4、在一个单元中，电源在第二个单元，I/O模块在另一个单元。当然，编程设备可以是计算机（PC），它独立工作，通过电缆与其他设备相连。,无论PLC的规模如何，处理器和内存都在同一个单元中。该单元称为中央处理器（CPU）。在较大的PLC系统中，CPU只包括处理器和内存。在小型的PLC系统中，CPU还包括I/O模块和电源。,固态内存含有操作系统程序，与PC的DOS程序一样，此程序不能更改和删除。,非永久性内存,8,在2.3节，我们讨论了ROM和RAM集成芯片的使用。用在PLC CPU中的固态内存的其他主要类型有PROM、EPROM、EEPROM和NOVRAM。图2.4列出了这些芯片的主要特性。,2.4
5、固态内存,可编程只读存储器（PROM）与ROM类似，但用户/程序员只能编程一次。PROM很少使用，因为它需要特殊的编程电路。然而，它的优点是可作为ROM中程序的固定备份。 可删除可编程只读存储器（EPROM）是可擦除的PROM。通过将EPROM的顶部窗口暴露在紫外线中几分钟，即可删除其内部程序。EPROM也称UVPROM。 EPROM的优点是可以重复使用。然而它有两个主要缺点，一是重编程需要耗费一定的时间。第二个缺点是当EPROM暴露在紫外线中时，所有内存地址中的内容将被擦除。即使只有1-2个内存地址的内容需要更新，EPROM也需要对全部内存地址进行重编程。,电可删除可编程只读存储器（EEPR
6、OM）类似于EPROM。它不是通过紫外光照射来删除程序，而是在芯片中加入电信号进行删除处理。与EPROM相比，EEPROM的优点是复位和删除程序方便、快速。当你不想对芯片内存的每一部分都重新编程并希望节省时间时，可以用EEPROM来替代RAM。现在，EEPROM已成为存储、备份或转移PLC程序的存储器之一。 永久随机存储器（NOVRAM）是组合芯片，它是EEPROM和RAM的组合体。当电源即将断电时，RAM中的内容会很快存入EEPROM。当电源恢复时，被存储的数据可以读入到RAM中。NOVRAM芯片具有RAM的灵活性以及EEPROM的永久性。,无论是永久性的还是非永久性的，固态内存的芯片都按照
7、位（或单元）来分类。一个位就是一个0或1（低或高电压）。各个单元根据插槽来确定，通常是8位或16位宽度。将位进行组合，就成为字，8位称为1个字节。两个字节常常相邻放置，形成16位字。目前，PLC系统有1-256 KB的固态内存，大部分是RAM。,显然，当要控制的过程越多，所需的PLC存储容量就越大。对于一个控制过程，模拟控制比离散控制所需的内存量要大。随着内存容量的增大，CPU单元的费用也会增加。 当一个工程项目需要用到PLC时，PLC所需内存取决于输入点的数量、输出点的数量以及控制梯形图的复杂性。PLC的重要性能指标之一是内存的可扩展性。一些PLC没有内存扩展能力，如果有大的工程项目需要更多
8、的内存时，则必须彻底更换PLC。建议在购买PLC时，考虑一下内存扩展性。,固态内存在PLC中是怎样组织的呢？要回答这个问题，需要画出某一类型PLC的内存图，这种图与图2.6类似。它可以分成两类：用户内存和数据存储内存。前者包含逻辑梯形图，后者存储执行用户程序所需的信息，这些信息包括离散输入输出设备的状态、计数器和时钟的预设定值和累加值、数字值、时序模式、内部I/O延时等。用户内存占整个内存的大部分，一般是75%或更多。一个16 KB的PLC通常要为逻辑梯形图分配12 KB或更多的存储空间，数据存储只占4 KB或更少。,图2.6 内存映射,存储离散状态、实时输入,存储输出的二进制数,定时器状态、
9、累积值、预设值,计数器状态、累积值、预设值,用于数制系统 转换,15,2.5 处理器,决定其处理能力的两个因素：位数和时钟频率。,时钟频率：执行指令的快慢。 时钟频率越高，处理能力越强。,位 数：指一次能处理的位数。 位数越高，处理能力越强。,1.决定因素,所有的计算机处理器都能执行算法和逻辑操作。微处理器可通过一系列编辑成程序的指令来控制计算机完成某种任务。,16,大部分PLC配置的是低端微处理器。一些小型 PLC通过4 MHz的8位微处理器进行控制，工作情况 很好。,为什么？,（1）性能可靠； （2）有许多现成的并经过调试的处理器程序； （3）大部分受控过程变化缓慢，没有必要配置 高端的微
10、处理器。,17,2.微处理器组成,微处理器是PLC CPU的一部分，它可以接收、 分析、处理和发送数据。 数据以数字脉冲的形式接收和发送。,ROM中程序管理PLC的操作,为微处理器的心脏,19,2.6 I/O模块（接口）,一. 输入模块,主要任务（4个）： （1）检测输入信号的状态。 （2）将输入信号（高电平或开）转化为相匹配的 直流电。 （3）实现电子隔离。 （4）产生可被PLC CPU检测到的输出。,20,PLC输入模块结构图,21,PLC的输入接口电路（直流输入型）,22,二. 输出模块,接收来自CPU的信号，每扫描一次接收一次。,模块的输出有继电器、DC或AC输出三种方式。,如果CPU
11、信号码与模块分配的编号相匹配，模块就处于导通状态。,在输出扫描过程中，如果没有匹配的信号被终端接收，终端将不能工作。,如果模块接受到匹配的CPU信号，模块就处于隔离状态，目的是防止不稳定浪涌电压返回到CPU。,23,PLC输出模块结构图,24,采用光电耦合电路，将CPU处理过的信号转换成现场需要的强电信号输出，以驱动接触器、电磁阀等外部设备的通断电。,开关量输出接口电路,有三种类型： （1）继电器输出型 （2）晶闸管输出型 （3）晶体管输出型,25,有触点输出方式，用于接通或断开开关频率较低的直流负载或交流负载回路。,（1）继电器输出型,26,无触点输出方式，用于接通或断开开关频率较高的交流电
12、源负载。,（2）晶闸管输出型,27,为无触点输出方式，用于接通或断开开关频率较高的直流电源负载。,（3）晶体管输出型,28,二. 其他输入输出模块,模拟量输入接口：把现场连续变化的模拟量标准信号转换成适合PLC内部处理的有若干位二进制数字表示的信号标准的模拟量信号。 电流信号：4-20mA 电压信号：1-10V 模拟量输出接口：将PLC运算处理的若干位数字量信号转换为相应的模拟量信号输出，以满足生产过程现场连续控制的要求信号。 智能输入输出接口：自带CPU，由专门的处理能力，与主CPU配合共同完成控制任务，可减轻主CPU工作负担，又可提高系统的工作效率。,29,2.7 电源供应,PLC的电源是指将外部输入的交流电处理后转换成满足PLC的CPU、存储器、输人输出接口等内部电路工作需要的直流电源电路或电源模块。许多PLC的直流电源采用直流开关稳压电源，不仅可提供多路独立的电压供内部电路使用，而且还可为输入设备（传感器）提供标准电源。,
