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1、从可编程控制器的定义可知，PLC 也是一种计算机，它有着与通用计算机相类似的结构，即可编程控制也是由中央处理器（CPU ） 、存储器（MEMORY） 、输入/ 输出（I/O）接口及电源组成的。只不过它比一般的通用计算机具有更强的工业过程相连的接口和更直接的适应控制要求的编程语言。本节的重点是掌握 PLC 的硬件组成及其作用，掌握 PLC的等效工作电路，掌握 PLC 工作过程的两个显著特点：周期性顺序扫描和集中批处理。一、可编程控制器的硬件组成（一）PLC 的基本结构尽管可编程控制器的种类繁多，可以有各种不同的结构，为简化问题起见，以小型可编程控制器为例，来说明 PLC 的硬件组成。PLC 的基
2、本结构见图 2-4。由图 2-4 可知，用可编程控制器作为控制器的自动控制系统，就是工业计算机控制系统，它既可进行开关量的控制，也可实现模拟量的控制。由于 PLC 的中央处理器是由微处理器（通用或专用） 、单片机或位片式计算机组成，且具有各种功能的 I/O 接口及存储器，所以也可将 PLC 的结构用微型计算机控制系统常用的单总线结构形式来表示，如图 2-5 所示。（二）可编程控制器的各个组成部分的功能下面将结合图 2-4、图 2-5分别说明 PLC 各个组成部分的功能。1、中央处理器（CPU）众所周知，CPU 是计算机的核心，因此它也是PLC 的核心。它按照系统程序赋予的功能完成的主要任务是：
3、接收与存储用户由编程器键入的用户程序和数据。检查编程过程中的语法错误，诊断电源及PLC 内部的工作故障。用扫描方式工作，接收来自现场的输入信号，并输入到输入映像寄存器和数据存储器中。在进入运行方式后，从存储器中逐条读取并执行用户程序，完成用户程序所规定的逻辑运算、算术运算及数据处理等操作。根据运算结果，更新有关标志位的状态，刷新输出映像寄存器的内容，再经输出部件实现输出控制、打印制表或数据通信等功能。在模式 PLC 中，CPU 是一个专用模板，一般PLC 的 CPU 模板上还有存放系统程序的 ROM 或EPROM、存放用户程序或少量数据的 RAM，以及译码电路、通信接口和编程器接口等。在整体式
4、 PLC 中，CPU 是一块集成电路芯片，通常是通用的 8 位或 16 位的微处理器，如Z80， Z80，8085 ，6800 等。采用通用的微处理器（如 Z80A）作 CPU，其好处是这些微处理器及其配套的芯片普及、通用、价廉，有独立的 I/O 指令，且指令格式短，有利于译码及缩短扫描周期。随着大规模集成电路的发展，PLC 采用单片机作 CPU 的越来越多，在小型 PLC 中，尤其以 Intel公司的 MCS-5， MCS-96 系列作 CPU 的居多，它以高集成度，高可靠性，高功能，高速度及低价格的优势，正在占领小型 PLC 的市场。目前，小型 PLC 均为单 CPU 系统，而大、中型PL
5、C 通常是双 CPU 或多 CPU 系统。所谓双 CPU 系统，是在 CPU 模板上装有两个 CPU 芯片，一个作为字处理器，一个作为位处理器。字处理器是主处理器，它执行所有的编程器接口的功能，监视内部定时器（WDT）及扫描时间，完成字节指令的处理，并对系统总线和微处理器进行控制。位处理器是从处理器，它主要完成对位指令的处理，以减轻字处理器的负担，提高位指令的处理速度，并将面向控制过程的编程语言（如梯形图、流程图）转换成机器语言。在高档的 PLC 中，常采用位片式微处理器（如AM2900，AM2901，AM2903）作 CPU。由于位片式微处理器采用双极型工艺，所以比一般的 MOS 型微处理器
6、在速度上快一个数量级。位片的宽度有 2 位、4 位、8 位等，用几个位片进行“级联” ，可以组成任意字长的微机。另外在位片式微处理器中，都采用微程序设计，只要改变微程序存储器中的内容，就可以改变机器的指令系统，因此，其灵活性很强。位片式微处理器易于实现“流水线”操作，即重叠操作，能更有效地发挥其快速的特点。、存储器可编程控制器存储器中配有两种存储系统，即用于存放系统程序的系统程序存储器和存放用户程序的用户程序存储器。系统程序存储器主要用来存储可编程控制器内部的各种信息。在大型可编程控制器中，又可分为寄存器存储器、内部存储器和高速缓存存储器。在中、小型可编程控制器中，常把这 3 种功能的存储器混
7、合在一起，统称为功能存储器，简称存储器。一般系统程序是由 PLC 生产厂家编写的系统监控程序，不能由用户直接存取。系统监控程序主要由有关系统管理、解释指令、标准程序及系统调用等程序组成。系统程序存储器一般由 PROM 或 EPROM构成。由用户编写的程序称为用户程序。用户程序可存放在用户程序存储器中，用户程序存储器的容量不大，主要存储可编程控制器内部的输入输出信息，以及内部继电器、移位寄存器、累加寄存器、数据寄存器、定时器和计数器的动作状态。小型可编程控制器的存储容量一般只有几个 K 字节的容量（不超过 8KB） ，中型可编程控制器的存储能力为 264KB，大型可编程控制器的存储能力可达到几百
8、 KB 以上。我们一般讲 PLC 的内存大小，是指用户程序存储器的容量，用户程序存储器常用 RAM 构成。为防止电源掉电时RAM 中的信息丢失，常采用锂电池做后备保护。若用户程序已完全调试好，且一段时间内不需要改变功能，也可将其固化到 EPROM 中。但是用户程序存储器中必须有部分 RAM，用以存放一些必要的动态数据。用户程序存储器一般分为两个区，程序存储区和数据存储区。程序存储区用来存储由用户编写的、通过编程器输入的程序。而数据存储区用来存储通过输入端子读取的输入信号的状态、准备通过输出端子输出的输出信号的状态、PLC 中各个内部器件的状态，以及特殊功能要求的有关数据。PLC 存储器的存储结
9、构如表 2-3 所示。表 2-3 PLC 存储器的存储结构存 储 器 存 储 内 容系统程序存储器系统监控程序程序存储区用户程序（如梯形图，语句表等）用户程序存储器数据存储 I/O 及内部器件的状态区当用户程序很长或需存储的数据较多时，PLC基本组成中的存储器容量可能不够用，这时可考虑选用较大容量的存储器或进行存储器扩展。很多 PLC都提供了存储器扩展功能，用户可将新增加的存储器扩展模板直接插入 CPU 模板中，也有的 PLC 机是将存储器扩展模板插在中央基板上。在存储器扩展模板上通常装有可充电的锂电池（或超级电容） ，如果在系统运行过程中突然停电，RAM 立即改由锂电池（或超级电容）供电，使
10、 RAM 中的信息不因停电而丢失，从而保证复电后系统可从掉电状态开始恢复工作。目前，常的存储器有 CMOS-SRAM，EPROM和 EEPROM。（1）CMOS-SRAM 可读写存储器CMOS-SROM 是以 CMOS 技术制造的静态可读写存储器，用以存放数据。读写时间小于 200ns，几乎不消耗电流。用锂电池作后备电源，停电后可保存数据 35 年不变。静态存储器的可靠性比动态存储器DRAM 高，因为 SRAM 不必周而复始地刷新，只有在片选信号（脉冲）有效、写操作有效时，从数据总线进入的干扰信号才能破坏其存储的内容，而这种概率是非常小的。（2）EPROM 只读存储器EPROM 是一种可用紫外
11、光擦除、在电压为 25V的供电状态下写入的只读存储器。使用时，写入脚悬空或接+5V（窗口盖上不透光的薄箔） ，其内容可长期保存。这类存储器可根据不同需要与各种微处理器兼容，并且可以和 MCS-51 系列单片机直接兼容。EPROM 一个突出的优点是把输出元件控制（OE ）和片选控制（CE）分开，保证了良好的接口特性，使其在微机应用系统中的存储器部分修改、增删设计工作量最小。由于 EPROM 采用单一 +5V 电源、可在静态维持方式下工作以及快速编程等特点，使 EPROM在存储系统设计中，具有快速、方便和经济等一系列优点。使用 EPROM 芯片时，要注意器件的擦除特性，当把芯片放在波长约 4000
12、 埃的光线下曝光时，就开始擦除。阳光和某些荧光灯含有 30004000 埃的波长，EPROM 器件暴露在照明日光灯下，约需三年才能擦除，而在直射日光下，约一周就可擦除，这些特性在使用中要特别注意。为延长 EPROM 芯片的使用寿命，必须用不透明的薄箔，帖在其窗口上，防止无意识擦除。如果真正需要对 EPROM 芯片进行擦除操作时，必须将芯片放在波长为 2537 埃的短波紫外线下曝光，擦除的总光量（紫外光光强曝光时间）必须大于15Ws/cm2。用 12000W/ cm2 紫外线灯，擦除的时间约为 1520min，擦除操作时，需把芯片靠近灯管约 1 英寸处。有些灯在管内放有滤色片，擦除前需把滤色片取
13、出，才能进行擦除。EPROM 用来固化完善的程序，写入速度为毫秒级。固化是通过与 PLC 配套的专用写入器进行的，不适宜多次反复的擦写。（3）EEPROM 电可擦除可编程的只读存储器EEPROM 是近年来被广泛重视的一种只读存储器，它的主要优点是能在 PLC 工作时“在线改写” ，既可以按字节进行擦除和全新编程，也可进行整片擦除，且不需要专门的写入设备，写入速度也比EPROM 快，写入的内容能在断电情况下保持不变，且不需要保护电源。它具有与 RAM 相似的高度适应性，又保留了 ROM 不易失的特点。一些 PLC 出厂时配有 EEPROM 芯片，供用户研制调试程序时使用，内容可多次反复修改。EE
14、PROM的擦写电压约为 20V，此电压可由 PLC 供给，也可由 EEPROM 芯片自身提供，使用很方便。但从保存数据的长期性、可靠性来看，不如 EPROM。模拟量输入/输出接口模板小型 PLC 一般没有模拟量输入/输出接口模板，或者只有通道数有限的 8 位 A/D，D/A 模板。大、中型 PLC 可以配置成百上千的模拟量通道，它们的A/D，D/A 转换器一般是 10 位或 12 位的。模拟量 I/O 接口模板的模拟输入信号或模拟输出信号可以是电压，也可以是电流。可以是单极性的，如 05V，010V，420mA，也可以是双极性的，如50mV，5V， 10V，20mA 。一个模拟量 I/O 接口
15、模板的通道数，可能有2，4，6，8。也有的模板既有输入通道，也有输出通道。在一些高精度和高抗干扰的 PLC 控制系统中，模拟量 I/O 接口模板也需要有光电隔离措施。由于模拟信号的隔离问题远比数字信号隔离困难，因此常在模拟量 I/O 模板上只配置若干具有隔离措施的端口，以降低系统的复杂度和成本。在模拟量 I/O 接口模板中，一般不能用光电耦合器作隔离，因为它不能保证良好的线性度，所以往往采用成本较高的隔离放大器来实现隔离作用。在模拟量 I/O 接口模板中的数字逻辑部分可以采用光电耦合器来隔离。通信接口通信接口是专用于数据通信的一种智能模板，它主要用于“人- 机”对话或“机 -机”对话。PLC通
16、过通信接口可以与打印机、监视器相连，也可与其他的 PLC 或上位计算机相连，构成多机局部网络系统或多级分布式控制系统，或实现管理与控制相结合的综合系统。通信接口有串行接口和并行接口两种，它们都在专用系统软件的控制下，遵循国际上多种规范的通信协议来工作。用户应根据不同的设备要求选择相应的通信方式并配置合适的通信接口。9、编程器编程器用于用户程序输入、编辑、调试和监视，还可以通过其键盘去调用和显示 PLC 的一些内部继电器状态和系统参数。它经过编程器接口与 CPU 联系，完成“人- 机”对话。可编程控制器的编程器一般由 PLC 生产厂家提供，它们只能用于某一生产厂家的某些 PLC 产品，可分为简易编程器和智能编程器。（1）简易编程器简易编程器一般由简易键盘、发光二极管阵列或液晶显示器（LCD）等组成。它的体积小，价格便宜，可以直接插在 PLC 的编程器插座上，或者用电缆与PLC 相连。它不能直接输入和编辑梯形图程序，只能通过
