【文章內(nèi)容簡介】 工業(yè)控制的計算機(jī)，其硬件結(jié)構(gòu)基本上與微型計算機(jī)相同，如圖 11 所示： 一 、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(tǒng)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(shù)據(jù)；檢查電源、存儲器、 I/O 以及警戒定時器的狀態(tài)，并能診斷用戶程序中的語法錯誤。當(dāng) PLC 投入運(yùn)行時，首先它以掃描的方式接收現(xiàn)場各輸入裝 置的狀 態(tài)和數(shù)據(jù)，并分別存入 I/O 映象區(qū)，然后從用戶程序存儲器中逐條讀取用戶程序，經(jīng)過命令解釋后按指令的規(guī)定執(zhí)行邏輯或算數(shù)運(yùn)算的結(jié)果送入 I/O 映象區(qū)或數(shù)據(jù)寄存器內(nèi)。等所有的用戶程序執(zhí)行完畢之后，最后將 圖 11 PLC 控制系統(tǒng)示意圖 如此循環(huán)運(yùn)行，直到停止運(yùn)行。 為了進(jìn)一步提高 PLC 的可靠性，近年來對大型 PLC 還采用雙 CPU 構(gòu)成冗余系統(tǒng)，或采用三 CPU 的表決式系統(tǒng)。這樣，即使某個 CPU 出現(xiàn)故障，整個系統(tǒng)仍能正常運(yùn)行。 二 、存儲器 存放系統(tǒng)軟件的存儲器稱為系 統(tǒng)程序存儲器。存放應(yīng)用軟件的存儲器稱為用戶程序存儲器。 PLC 常用的存儲器類型 RAM （ Random Assess Memory） 這是一種讀 /寫存儲器 (隨機(jī)存儲器 )，其存取速度最快，由鋰電池支持。 畢業(yè)設(shè)計 5 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(nèi)的所有內(nèi)容保持不變。 (在紫外線連續(xù)照射下可擦除存儲器內(nèi)容 )。 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(nèi)容進(jìn)行修改。 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(jù) PLC 的工作原理，其存儲空間一般包括以下三個區(qū)域： 系統(tǒng)程序存儲區(qū) 系統(tǒng) RAM 存儲區(qū)（包括 I/O 映象區(qū)和系統(tǒng)軟設(shè)備等） 用戶程序存儲區(qū) 系統(tǒng)程序存儲區(qū)：在系統(tǒng)程序存儲區(qū)中存放著相當(dāng)于計算機(jī)操作系統(tǒng)的系統(tǒng)程序。包括監(jiān)控程序、管理程序、命令解釋程序、功能子程序、系統(tǒng)診斷子程序等。由制造廠商將其固化在 EPROM 中，用戶不能直接存取。它和硬件一起決定了該 PLC 的性能。 系統(tǒng) RAM 存儲區(qū)：系統(tǒng) RAM 存儲區(qū)包括 I/O 映象區(qū)以及各類軟設(shè)備，如：邏輯線圈；數(shù)據(jù)寄存器；計時器；計數(shù)器；變址寄存器；累加器等存儲器。 I/O 映象區(qū)：由于 PLC 投入運(yùn)行后，只是在輸入采樣階段才依次讀入各輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)，在輸出刷新階段才將輸出的狀態(tài)和數(shù)據(jù)送至相應(yīng)的外設(shè)。因此，它需要一定數(shù)量的存儲單元 (RAM)以存放 I/O 的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，這些單元稱作 I/O映象區(qū)。一個開關(guān)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(qū)可看作兩個部 分組成：開關(guān)量 I/O 映象區(qū)；模擬量 I/O 映象區(qū)。 系統(tǒng)軟設(shè)備存儲區(qū) ：除了 I/O 映象區(qū)區(qū)以外，系統(tǒng) RAM 存儲區(qū)還包括 PLC內(nèi)部各類軟設(shè)備（邏輯線圈、計時器、計數(shù)器、數(shù)據(jù)寄存器和累加器等）的存儲區(qū)。該存儲區(qū)又分為具有失電保持的存儲區(qū)域和無失電保持的存儲區(qū)域，前者在PLC 斷電時，由內(nèi)部的鋰電池供電，數(shù)據(jù)不會遺失；后者當(dāng) PLC 斷電時，數(shù)據(jù)被清零。 用戶程序存儲區(qū) ：主要用來存放用戶的應(yīng)用程序。所謂用戶程序是指使用戶根據(jù)工程現(xiàn)場的生產(chǎn)過程和工藝要求編寫的控制程序。此程序由使用者通過編程畢業(yè)設(shè)計 6 器輸入到 PLC 機(jī)的 RAM 存貯器中 ，以便于用戶隨時修改。也可將用戶程序存放在 EEPROM 中。 三 、輸入 /輸出模塊 輸入 /輸出模塊是可編程控制器與工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備或工業(yè)生產(chǎn)過程連接的接口?，F(xiàn)場的輸入信號，如按鈕開關(guān)，行程開關(guān)、限位開關(guān)以及傳感輸出的開關(guān)量或模擬量 (壓力、流量、溫度、電壓、電流 )等，都要通過輸入模塊送到 PLC。由于這些信號電平各式各樣，而可編程控制器 CPU 所處理的信息只能是標(biāo)準(zhǔn)電平，所以輸入模塊還需將這些信號轉(zhuǎn)換成 PLC 能夠接受和處理的數(shù)字信號。輸出模塊的作用是接收中央處理器處理過的數(shù)字 信號，并把它轉(zhuǎn)換成現(xiàn)場執(zhí)行部件所能接受的控制信號，以驅(qū)動如電磁閥、燈光顯示、電機(jī)等執(zhí)行機(jī)構(gòu)。可編程控制器有多種輸入 /輸出模塊，其類型有數(shù)字量輸入 /輸出模塊和模擬量輸入 /輸出模塊。這些模塊又分直流和交流、電壓和電流類型，每種類型又有不同的參數(shù)等級，主要有數(shù)字量輸入 /輸出模塊和模擬量輸入 /輸出模塊，部件上都設(shè)有輸入接線端子排，為了濾除信號的噪聲和便于 PLC 內(nèi)部對信號的處理，這些模塊上都帶有濾波、電平轉(zhuǎn)換、信號鎖存電路。數(shù)字量輸入模塊帶有光電禍合電路，其目的是把PLC 與外部電路隔離開來，以提高 PLC 的抗千擾能力。 數(shù)字量輸出有繼電器輸出、晶體管輸出和可控硅輸出三種方式。模擬量輸入 /輸出模塊主要用來實(shí)現(xiàn)模擬量一數(shù)字量之間的轉(zhuǎn)換，即 A/D 或 D/A 轉(zhuǎn)換。由于工業(yè)控制系統(tǒng)中有傳感器或執(zhí)行機(jī)構(gòu)有一些信號是連續(xù)變化的模擬量，因此這些模擬量必須通過模擬量輸入 /輸出模塊與 PLC 的中央處理器連接。模擬量輸入模塊 A/D 轉(zhuǎn)換后的二進(jìn)制數(shù)字量，經(jīng)光電禍合器和輸入鎖存緩沖器與 PLC 的 1/0 總線掛接。模擬量輸出模塊 D/A 轉(zhuǎn)換前的二進(jìn)制數(shù)字量，經(jīng)光電禍合器和輸出鎖存器與 PLC 的 1/0 總線掛接?，F(xiàn)在標(biāo)準(zhǔn)量程的模擬電壓主要是 0 一 5 伏和 O 一 10 伏兩種， 模擬電流主要是 0 一 ZomA 和 4 一 ZomA 兩種。另外還有。一 somV， o 一 IV、一 5 一 +SV、一 10 一 +10V， o 一 10mA 等。模擬量輸入模塊接收到標(biāo)準(zhǔn)量程的模擬電壓或電流后，把它轉(zhuǎn)換成 8 位、 10 位或 12 位的二制數(shù)字信號，送給中央處理器進(jìn)行處理。模擬量輸出模塊將中央處理器的二進(jìn)制數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)量程的電壓或電流輸出信號，提供給執(zhí)行機(jī)構(gòu)。 四 、擴(kuò)展模塊 畢業(yè)設(shè)計 7 當(dāng)一個 PLC 中心單元的 1/0 點(diǎn)數(shù)不夠用時，就要對系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展，擴(kuò)展接口就是用于連接中心基本單元與擴(kuò)展單元的。模塊 隨著可編程控制器在工業(yè)控制中的廣泛應(yīng)用和發(fā)展，各可編程控制器制造廠家已經(jīng)開發(fā)出一系列的智能接口模塊，使可編程控制器的功能更加強(qiáng)大和完善。智能 1/0 接口模塊種類很多，例如高速技術(shù)模塊、 PLCA 控制模塊、數(shù)字位基于 PLC 的變頻恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計置譯碼模塊、閥門控制模塊、中斷控制模塊、智能存貯模塊以及智能 1/0 模塊等。 五 、編程器 它的作用是供用戶進(jìn)行程序的編制、編輯、調(diào)試和監(jiān)視。有的編程器還可與打印機(jī)或磁帶機(jī)相連，以將用戶程序和有關(guān)信息打印出來或存放在磁帶上，磁帶上 的信息可以重新裝入 PLC。目前編程器主要有以下三種類型 :便攜式編程器 (也叫簡易編程器 )。圖形編程器 。用于 IBM 一 PC 及其兼容機(jī)的編程器。便于攜帶的特點(diǎn)，一般只能用指令形式編程，通過按鍵輸入指令，通過數(shù)碼管或液晶顯示器加以顯示、這種編程器適合小型可編程控制器的編程要求。圖形編程器以液晶顯示器 (LCD)或陰極射線管 (CRT)作屏幕，用來顯示編程內(nèi)容和提供如輸入、輸出、輔助繼電器的占有情況、程序容量等各種信息，還可在調(diào)試程序、檢查程序執(zhí)行時顯示各種信號狀態(tài)、出錯提示等。使用圖形編程器可以月多種編程語言編程，梯形圖 顯示在屏幕上十分直觀。圖形編程器還可與打印機(jī)、錄音機(jī)、繪畫儀等設(shè)備連接，有較強(qiáng)的監(jiān)控功能。但它的價格高，適用于中、大型可編程控制器的編程要求。用于 IBM 一 PC 及其兼容機(jī)的編程器是個人計算機(jī)加上適當(dāng)?shù)挠布涌诤蛙浖鳛榫幊唐鳎部芍苯泳幹瞥商菪螆D，其監(jiān)控功能也很強(qiáng)。編程器工作方式主要有編程和監(jiān)控兩種，編程工作方式是在 PLC 機(jī)處于停機(jī)狀態(tài)時可以進(jìn)行編程，它的功能主要是輸入新的程序，或者對已有的程序予以編輯和修改。監(jiān)控工作方式可以對運(yùn)行中的控制器工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視和跟蹤，一般可以對某一線圈或觸點(diǎn)的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視 ，也可以對成組器件的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視，還可以跟蹤某一器件在不同時間的工作狀態(tài)，除搜索、監(jiān)視、跟蹤外，還可以對一些器件進(jìn)行操作。因此編程器的監(jiān)控方式對控制器中新輸入程序的調(diào)試與試運(yùn)行是非常有用和方便的。編程器的結(jié)構(gòu)一般包括顯示部分與鍵盤部分。顯示一般用液晶顯示器，主要的顯示內(nèi)容包括地址、數(shù)據(jù)、工作方式、指令執(zhí)行情況及系統(tǒng)工作狀態(tài)等。鍵盤有單功能鍵和雙功能鍵，在使用雙功能鍵的時候鍵盤中都備有一畢業(yè)設(shè)計 8 個選擇鍵，以選擇其中一種方式工作。現(xiàn)在產(chǎn)品越來越模塊化，可編程控制器也不例外，它的結(jié)構(gòu)緊密、堅固，外形小巧， CPU 本身只 提供了一定數(shù)量的數(shù)字輸入和輸出點(diǎn)數(shù)。不同廠家、不同型號的 PLC 的輸入 /輸出點(diǎn)數(shù)也不同，有的大型機(jī)輸入 /輸出點(diǎn)數(shù)可達(dá) 16K，而很多小型機(jī)僅有 10 來點(diǎn)，而且 CPU 本身不帶模擬輸入與輸出，但 CPU 一般都帶有擴(kuò)展接口。因此，用戶選型后，所需的輸入或輸出點(diǎn)數(shù)不夠時，就需對系統(tǒng)做出必要的擴(kuò)展，各個廠家也生產(chǎn)了專用于擴(kuò)展用的各模板供用戶選用。擴(kuò)展模板的外形一般也小巧、堅固，有易于接線的端子排，帶有擴(kuò)展總線或通過總線連接器與 CPU 相連。主要有數(shù)字輸入 /輸出模板，模擬輸入 /輸出模板，熱電阻、電偶擴(kuò)展模板，還有智能模板等許多具 有專用功能的特殊模板。用擴(kuò)展模板來擴(kuò)展系統(tǒng)，具有以下的優(yōu)點(diǎn) 用戶可根據(jù)自己時間控制系統(tǒng)的要求，選用各種合適的擴(kuò)展模塊對 PLC 作硬件組態(tài)，以求達(dá)到各種功能或控制精度，同時節(jié)省開支，減少不必要的投資。當(dāng)己運(yùn)行的系統(tǒng)需要改造或擴(kuò)充時， PLC 可以隨時進(jìn)行升級或改版，所作的工作僅僅是替換或增加擴(kuò)展模板和修改相應(yīng)的控制軟件。特殊模板及智能模板的開發(fā)將進(jìn)一步擴(kuò)展可編程控制的功能，專用模板的開發(fā)不僅擴(kuò)大了可編程控制系統(tǒng)的控制功能，而且將進(jìn)一步提高控制質(zhì)量與可靠性。 六 、 電源 PLC 中的電源一般有三類： +5V、 177。15V 直流電源：供 PLC 中 TTL 芯片和集成運(yùn)放使用； 供輸出接口使用的高壓大電流的功率電源； 鋰電池及其充電電源。 考慮到系統(tǒng)的可靠性以及光電隔離器的使用，不同類型的電源其地線也不同。 目前 PLC 的發(fā)展非常迅速，型號眾多，各種特殊功能模板不斷涌現(xiàn)。通常根據(jù)其 I/O 點(diǎn)的數(shù)量將 PLC 分為三大類： 小型機(jī)： 256 點(diǎn)以下（無模擬量）； 中型機(jī)： 256 ~ 2048 點(diǎn)（ 64 ~ 128 路模擬量）； 大型機(jī)： 2048 點(diǎn)以上（ 128 ~ 512 路模擬量）。 具體實(shí)現(xiàn)時， 通常采用模板式結(jié)構(gòu)，以便用戶根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求進(jìn)行配置。畢業(yè)設(shè)計 9 但一些小型機(jī)常制作成一體機(jī)，其配置固定，主要供定型成套設(shè)備使用；而一些大型機(jī)一般在電源、或者 CPU，甚至兩者都作了熱備份。 PLC 的 控制 原理 最初研制生產(chǎn)的 PLC 主要用于代替?zhèn)鹘y(tǒng)的由繼電器接觸器構(gòu)成的控制裝置，但這兩者的運(yùn)行方式是不相同的 。 繼電器控制裝置采用硬邏輯并行運(yùn)行的方式，即如果這個繼電器的線圈通電或斷電，該繼電器所有的觸點(diǎn)（包括其常開或常閉觸點(diǎn)）在繼電器控制線路的哪個位置上都會立即同時動作。 PLC 的 CPU 則采用順序邏輯掃描用戶程序的 運(yùn)行方式，即如果一個輸出線圈或邏輯線圈被接通或斷開，該線圈的所有觸點(diǎn) (包括其常開或常閉觸點(diǎn) )不會立即動作，必須等掃描到該觸點(diǎn)時才會動作。 為了消除二者之間由于運(yùn)行方式不同而造成的差異，考慮到繼電器控制裝置各類觸點(diǎn)的動作時間一般在 100ms 以上，而 PLC 掃描用戶程序的時間一般均小于