【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 楊杰： PLC 在水位控制系統(tǒng)中的應(yīng)用 8 21 PLC 硬件結(jié)構(gòu) 2． 3． 1 中央處理單元 (CPU) PLC 中的 CPU 是 PLC 的核心，它按 PLC 的系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存貯用戶程序和資料，用掃描的方式采集由現(xiàn)場(chǎng)輸入裝置送來(lái)的 狀態(tài)或資料，并存入規(guī)劃的暫存器中，同時(shí)，診斷電源和 PLC 內(nèi)部電路的工作狀態(tài)和編程過(guò)程中的語(yǔ)法錯(cuò)誤等。進(jìn)入運(yùn)行后，從用戶程序存貯器中逐條讀取指令，經(jīng)分析后再按指令規(guī)定的任務(wù)產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)，去指揮有關(guān)的控制電路，與個(gè)人電腦一樣，主要由運(yùn)算器、控制器、寄存器及實(shí)現(xiàn)它們之間聯(lián)系的資料、控制及狀態(tài)總線構(gòu)成，還有周邊芯片、總線界面及有關(guān)電路。它確定了進(jìn)行控制的規(guī)模、工作速度、內(nèi)存容量等。 [3] 2． 3． 2 存儲(chǔ)器 PLC 內(nèi)的存儲(chǔ)器主要用于存放系統(tǒng)程序、用戶程序和數(shù)據(jù)等。 系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器： [4] PLC 系統(tǒng)程序決定了 PLC 的基本功能，該部分程序由 PLC 制造廠家編寫(xiě)并固化在系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器中，主要有系統(tǒng)管理程序、用戶指令解釋程序和功能程序與系統(tǒng)程序調(diào)用等部分。 系統(tǒng)管理程序主要控制 PLC 的運(yùn)行，使 PLC 按正確的次序工作；用戶指令解釋程序?qū)?PLC 的用戶指令轉(zhuǎn)換為機(jī)器語(yǔ)言指令，傳輸?shù)?CPU 內(nèi)執(zhí)行；功能程序與系統(tǒng)程序調(diào)用則負(fù)責(zé)調(diào)用不同的功能子程序及其管理程序。 系統(tǒng)程序?qū)儆谛栝L(zhǎng)期保存的重要數(shù)據(jù)，所以其存儲(chǔ)器采用 ROM 或 EPROM。 ROM 是只讀 華東交通大學(xué)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 9 存儲(chǔ)器，該存儲(chǔ)器只能讀出內(nèi)容，不能寫(xiě)入內(nèi)容， ROM 具有非易失性，即電源斷開(kāi)后仍能保存已存 儲(chǔ)的內(nèi)容。 EPEROM 為可電擦除只讀存儲(chǔ)器，須用紫外線照射芯片上的透鏡窗口才能擦除已寫(xiě)入內(nèi)容，可電擦除可編程只讀存儲(chǔ)器還有 E2PROM、 FLASH 等。 用戶程序存儲(chǔ)器 :[5] 用戶程序存儲(chǔ)器用于存放用戶載入的 PLC 應(yīng)用程序，載入初期的用戶程序因需修改與調(diào)試，所以稱為用戶調(diào)試程序，存放在可以隨機(jī)讀寫(xiě)操作的隨機(jī)存取存儲(chǔ)器 RAM 內(nèi)以方便用戶修改與調(diào)試。 通過(guò)修改與調(diào)試后的程序稱為用戶執(zhí)行程序，由于不需要再作修改與調(diào)試，所以用戶執(zhí)行程序就被固化到 EPROM 內(nèi)長(zhǎng)期使用。 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 : PLC 運(yùn)行過(guò)程中需生成或調(diào)用 中間結(jié)果數(shù)據(jù) (如輸入 /輸出元件的狀態(tài)數(shù)據(jù)、定時(shí)器、計(jì)數(shù)器的預(yù)置值和當(dāng)前值等 )和組態(tài)數(shù)據(jù) (如輸入輸出組態(tài)、設(shè)置輸入濾波、脈沖捕捉、輸出表配置、定義存儲(chǔ)區(qū)保持范圍、模擬電位器設(shè)置、高速計(jì)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(chǔ)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(zhǎng)期保存，所以采用隨機(jī)存取存儲(chǔ)器 RAM。 RAM 是一種高密度、低功耗的半導(dǎo)體存儲(chǔ)器，可用鋰電池作為備用電源，一旦斷電就可通過(guò)鋰電池供電，保持 RAM 中的內(nèi)容。 2． 3． 3 輸入 /輸出 PLC 的對(duì)外功能，主要是通過(guò)各種輸 入 /輸出模組與外界聯(lián)系的，按 I/O 點(diǎn)數(shù)確定模組規(guī)格及數(shù)量， I/O 模組可多可少，但其最大數(shù)受 CPU 所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或機(jī)架槽數(shù)限制。 I/O 模組集成了 PLC 的 I/O 電路，其輸入暫存器反映輸入信號(hào)狀態(tài)，輸出點(diǎn)反映輸出鎖存器狀態(tài)。 輸入單元是用來(lái)連結(jié)擷取輸入元件的信號(hào)動(dòng)作并透過(guò)內(nèi)部總線將資料送進(jìn)內(nèi)存由CPU 處理驅(qū)動(dòng)程序指令部分。 PLC 輸入模組 PLC 系統(tǒng)的架構(gòu)和輸入模組產(chǎn)品的選擇端視需要被監(jiān)測(cè)的輸入信號(hào)位準(zhǔn)而定。 來(lái)自不同類型被監(jiān)測(cè)的傳感器與流程控制之變量信號(hào)，可以涵蓋從177。 10mV 至177。 10V的輸 入信號(hào)范圍。 輸出單元是用來(lái)驅(qū)動(dòng)外部負(fù)載的接口，主要原理是由 CPU 處理以書(shū)寫(xiě)在 PLC 里的程序指令，判斷驅(qū)動(dòng)輸出單元在進(jìn)而控制外部負(fù)載，如指示燈、電磁接觸器、繼電器、氣（油）壓閥等。 PLC 輸出模組在工業(yè)環(huán)境中用來(lái)控制制動(dòng)器、氣閥及馬達(dá)等的 PLC 系統(tǒng)模擬輸出范圍包括177。 5V、177。 10V、 0V 到 5V、 0V 到 10V、 4 到 20mA、或 0 到 20mA 等。 [6] 楊杰： PLC 在水位控制系統(tǒng)中的應(yīng)用 10 2． 3． 4 編程器 編程器作用是將用戶編寫(xiě)的程序下載至 PLC 的用戶程序存儲(chǔ)器，并利用編程器檢查、修改和調(diào)試用戶程序，監(jiān)視用戶程序的執(zhí)行過(guò)程，顯示 PLC 狀態(tài)、內(nèi)部器 件及系統(tǒng)的參數(shù)等。 編程器有簡(jiǎn)易編程器和圖形編程器兩種。簡(jiǎn)易編程器體積小，攜帶方便，但只能用語(yǔ)句形式進(jìn)行聯(lián)機(jī)編程，適合小型 PLC 的編程及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試。圖形編程器既可用語(yǔ)句形式編程，又可用梯形圖編程，同時(shí)還能進(jìn)行脫機(jī)編程。 目前 PLC 制造廠家大都開(kāi)發(fā)了計(jì)算機(jī)輔助 PLC 編程支持軟件，當(dāng)個(gè)人計(jì)算機(jī)安裝了PLC 編程支持軟件后，可用作圖形編程器，進(jìn)行用戶程序的編輯、修改，并通過(guò)個(gè)人計(jì)算機(jī)和 PLC 之間的通信接口實(shí)現(xiàn)用戶程序的雙向傳送、監(jiān)控 PLC 運(yùn)行狀態(tài)等。 [7] 2． 3． 5 電源 PLC 的電源將外部供給的交流電轉(zhuǎn)換成供 CPU、存儲(chǔ)器等所需的直流電，是整個(gè) PLC的能源供給中心。 PLC 大都采用高質(zhì)量的工作穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)的開(kāi)關(guān)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(jiǎn)化外圍配置。 [8] PLC 的運(yùn)作方式 PLC 是采用“順序掃描，不斷循環(huán)”的方式進(jìn)行工作的，大致 如下圖 22 所示。 即在PLC 運(yùn)行時(shí)， CPU 根據(jù)用戶按控制要求編制好并存于用戶存儲(chǔ)器中的程序，按指令步序號(hào)（或地址號(hào)）作周期性循環(huán)掃描，如無(wú)跳轉(zhuǎn)指令，則從第一條指令開(kāi)始逐條順序執(zhí)行用戶程序，直至程序結(jié)束 。然后重新返回第一條指令，開(kāi)始下一輪新的掃描。在每次掃描過(guò)程中，還要完成對(duì)輸入信號(hào)的采樣和對(duì)輸出狀態(tài)的刷新等工作。 PLC 的一個(gè)掃描周期必經(jīng)輸入采樣、程序執(zhí)行和輸出刷新三個(gè)階段。 PLC 在輸入采樣階段：首先以掃描方式按順序?qū)⑺袝捍嬖谳斎腈i存器中的輸入端子的通斷狀態(tài)或輸入數(shù)據(jù)讀入，并將其寫(xiě)入各對(duì)應(yīng)的輸入狀態(tài)寄存器中，即刷新輸入。隨即關(guān)閉輸入端口，進(jìn)入程序執(zhí)行階段。 PLC 在程序執(zhí)行階段：按用戶程序指令存放的先后順序掃描執(zhí)行每條指令，經(jīng)相應(yīng)的運(yùn)算和處理后，其結(jié)果再寫(xiě)入 輸出狀態(tài)寄存器中，輸出狀態(tài)寄存器中所有的內(nèi)容隨著程序的執(zhí)行而改變。 輸出刷新階段：當(dāng)所有指令執(zhí)行完畢，輸出狀態(tài)寄存器的通斷狀態(tài)在輸出刷新階段送至輸出鎖存器中，并通過(guò)一定的方式（繼電器、晶體管或晶閘管）輸出，驅(qū)動(dòng)相應(yīng)輸出設(shè)備工作。 [9] 華東交通大學(xué)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 11 圖 22 可編程控制器的選型 PLC 作為時(shí)代發(fā)展必須的產(chǎn)物，在世界上擁有眾多的生產(chǎn)商 ,比較著名的有德國(guó)產(chǎn)的西門(mén)子、日本產(chǎn)的三菱與松下， 還有 美國(guó) 的 GE 公司 。 完成系統(tǒng)的設(shè) 計(jì)主要是選型和程序設(shè)計(jì)。 在 不同的系統(tǒng) 里，有著不同的工作環(huán)境，工藝流程，對(duì)控制功能的要求，由于各程序難易程度不一樣，因此有一定的選擇標(biāo)準(zhǔn)： （ 1） PLC 機(jī)型選擇主要考慮 I/O 點(diǎn)數(shù)。根據(jù)控制系統(tǒng)所需要的輸入設(shè)備（如按鈕、限位開(kāi)關(guān)、轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)等）、輸出設(shè)備（如接觸器、電磁閥、信號(hào)指示燈等）以及 A/D、 D/A轉(zhuǎn)換的個(gè)數(shù) 。 確定 I/O 的點(diǎn)數(shù)。一般要留有一定裕量（約占 10%），滿足生產(chǎn)發(fā)展和工藝的改進(jìn)。 楊杰： PLC 在水位控制系統(tǒng)中的應(yīng)用 12 （ 2）隨著 PLC 功能日益完善 ，很多小型機(jī)也具有中、大型機(jī)的功能 。對(duì)于 PLC 的功能選擇，一般只要滿足 I/O 點(diǎn)數(shù)，大 多數(shù)機(jī) 型也能滿足 。目前大多數(shù) PLC 機(jī)型都具有I/O 擴(kuò)展模塊、 A/D、 D/A 轉(zhuǎn)換模塊，以及高級(jí)指令、中斷能力與外設(shè)通信能力。 （ 3） PLC 一般根據(jù) I/O 點(diǎn)數(shù)的不同，內(nèi)存容量會(huì)有相應(yīng)的差別。在選擇內(nèi)存容量時(shí)同樣應(yīng)留有一定余量，一般時(shí)實(shí)際程序的 25%。不應(yīng)單純追求大容量，以夠用為原則。 （ 4）在 PLC 機(jī)型選取上要考慮控制系統(tǒng)與 PLC 結(jié)構(gòu)功能的合理性。如果是單機(jī)系統(tǒng)控制， I/O 點(diǎn)數(shù)不多，不涉及 PLC 之間的通信，但又要求功能更強(qiáng)，要求有處理模擬信號(hào)的能力，可選擇整體式機(jī)，如松下 FP0、 FP FPM 系列，以及 OMRON C200H 系列等。如果