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類型分類：: 科普知識

數據分類：: 大型PLC可編程控制器

PLC的基本組成

發布日期：2022-04-26 點擊率：116

PLC是微機技術和控制技術相結合的產物，是一種以微處理器為核心的用于控制的特殊計算機，因此PLC的基本組成與一般的微機系統類似。

一、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場輸入/輸出設備與CPU之間的接口電路，通信接口用于與編程器、上位計算機等外設連接。

對于整體式PLC，所有部件都裝在同一機殼內，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，安裝在機架或導軌上，其組成框圖如圖2所示。無論是哪種結構類型的PLC，都可根據用戶需要進行配置與組合。

圖2 模塊式PLC組成框圖

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

1．中央處理單元（CPU）

同一般的微機一樣，CPU是PLC的核心。PLC中所配置的CPU隨機型不同而不同，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，而中、大型PLC則大多為雙CPU系統，甚至有些PLC中多達8個CPU。對于雙CPU系統，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，采用由各廠家設計制造的專用芯片。字處理器為主處理器，用于執行編程器接口功能，監視內部定時器，監視掃描時間，處理字節指令以及對系統總線和位處理器進行控制等。位處理器為從處理器，主要用于處理位操作指令和實現PLC編程語言向機器語言的轉換。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按系統程序賦予的功能，指揮PLC有條不紊地進行工作，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據。

2）診斷電源、PLC內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場的狀態或數據，并存入輸入映象寄有器或數據寄存器中。

4）從存儲器逐條讀取用戶程序，經過解釋后執行。

5）根據執行的結果，更新有關標志位的狀態和輸出映象寄存器的內容，通過輸出單元實現輸出控制。有些PLC還具有制表打印或數據通信等功能。

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程序、用戶程序及工作數據。

系統程序是由PLC的制造廠家編寫的，和PLC的硬件組成有關，完成系統診斷、命令解釋、功能子程序調用管理、邏輯運算、通信及各種參數設定等功能，提供PLC運行的平臺。系統程序關系到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，由用戶根據對象生產工藝的控制要求而編制的應用程序。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，當用戶程序經過運行正常，不需要改變，可將其固化在只讀存儲器EPROM中。現在有許多PLC直接采用EEPROM作為用戶存儲器。

工作數據是PLC運行過程中經常變化、經常存取的一些數據。存放在RAM中，以適應隨機存取的要求。在PLC的工作數據存儲器中，設有存放輸入輸出繼電器、輔助繼電器、定時器、計數器等邏輯器件的存儲區，這些器件的狀態都是由用戶程序的初始設置和運行情況而確定的。根據需要，部分數據在掉電時用后備電池維持其現有的狀態，這部分在掉電時可保存數據的存儲區域稱為保持數據區。

由于系統程序及工作數據與用戶無直接聯系，所以在PLC產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與工業生產現場之間的連接部件。PLC通過輸入接口可以檢測被控對象的各種數據，以這些數據作為PLC對被控制對象進行控制的依據；同時PLC又通過輸出接口將處理結果送給被控制對象，以實現控制目的。

由于外部輸入設備和輸出設備所需的信號電平是多種多樣的，而PLC內部CPU的處理的信息只能是標準電平，所以I/O接口要實現這種轉換。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指示，工作狀況直觀，便于維護。

PLC提供了多種操作電平和驅動能力的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：數字量（開關量）輸入、數字量（開關量）輸出、模擬量輸入、模擬量輸出等。

常用的開關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。

常用的開關量輸出接口按輸出開關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動交流或直流負載，但其響應時間長，動作頻率低；而晶體管輸出和雙向晶閘管輸出接口的響應速度快，動作頻率高，但前者只能用于驅動直流負載，后者只能用于交流負載。

PLC的I/O接口所能接受的輸入信號個數和輸出信號個數稱為PLC輸入/輸出（I/O）點數。I/O點數是選擇PLC的重要依據之一。當系統的I/O點數不夠時，可通過PLC的I/O擴展接口對系統進行擴展。

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視器、打印機、其它PLC、計算機等設備實現通信。PLC與打印機連接，可將過程信息、系統參數等輸出打印；與監視器連接，可將控制過程圖像顯示出來；與其它PLC連接，可組成多機系統或連成網絡，實現更大規模控制。與計算機連接，可組成多級分布式控制系統，實現控制與管理相結合。

遠程I/O系統也必須配備相應的通信接口模塊。

5．智能接口模塊

智能接口模塊是一獨立的計算機系統，它有自己的CPU、系統程序、存儲器以及與PLC系統總線相連的接口。它作為PLC系統的一個模塊，通過總線與PLC相連，進行數據交換，并在PLC的協調管理下獨立地進行工作。

PLC的智能接口模塊種類很多，如：高速計數模塊、閉環控制模塊、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、調試、輸入用戶程序，也可在線監控PLC內部狀態和參數，與PLC進行人機對話。它是開發、應用、維護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系統。專用編程器是由PLC廠家生產，專供該廠家生產的某些PLC產品使用，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機編程，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，本質上它是一臺專用便攜式計算機，如三菱的GP-80FX-E智能型編程器。它既可聯機編程，又可脫機編程。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，操作也比較復雜。大多數智能編程器帶有磁盤驅動器，提供錄音機接口和打印機接口。

專用編程器只能對指定廠家的幾種PLC進行編程，使用范圍有限，價格較高。同時，由于PLC產品不斷更新換代，所以專用編程器的生命周期也十分有限。因此，現在的趨勢是使用以個人計算機為基礎的編程裝置，用戶只要購買PLC廠家提供的編程軟件和相應的硬件接口裝置。這樣，用戶只用較少的投資即可得到高性能的PLC程序開發系統。

基于個人計算機的程序開發系統功能強大。它既可以編制、修改PLC的梯形圖程序，又可以監視系統運行、打印文件、系統仿真等。配上相應的軟件還可實現數據采集和分析等許多功能。

7.電源

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

8.其它外部設備

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

EPROM寫入器是用來將用戶程序固化到EPROM存儲器中的一種PLC外部設備。為了使調試好用戶程序不易丟失，經常用EPROM寫入器將PLC內RAM保存到EPROM中。

PLC內部的半導體存儲器稱為內存儲器。有時可用外部的磁帶、磁盤和用半導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，實現與內存儲器之間相互傳送用戶程序。

人/機接口裝置是用來實現操作人員與PLC控制系統的對話。最簡單、最普遍的人/機接口裝置由安裝在控制臺上的按鈕、轉換開關、撥碼開關、指示燈、LED顯示器、聲光報警器等器件構成。對于PLC系統，還可采用半智能型CRT人/機接口裝置和智能型終端人/機接口裝置。半智能型CRT人/機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，也可作為獨立的節點接入PLC網絡。

二、PLC的軟件組成

PLC的軟件由系統程序和用戶程序組成。

系統程序由PLC制造廠商設計編寫的，并存入PLC的系統存儲器中，用戶不能直接讀寫與更改。系統程序一般包括系統診斷程序、輸入處理程序、編譯程序、信息傳送程序、監控程序等。

PLC的用戶程序是用戶利用PLC的編程語言，根據控制要求編制的程序。在PLC的應用中，最重要的是用PLC的編程語言來編寫用戶程序，以實現控制目的。由于PLC是專門為工業控制而開發的裝置，其主要使用者是廣大電氣技術人員，為了滿足他們的傳統習慣和掌握能力，PLC的主要編程語言采用比計算機語言相對簡單、易懂、形象的專用語言。

PLC編程語言是多種多樣的，對于不同生產廠家、不同系列的PLC產品采用的編程語言的表達方式也不相同，但基本上可歸納兩種類型：一是采用字符表達方式的編程語言，如語句表等；二是采用圖形符號表達方式編程語言，如梯形圖等。

以下簡要介紹幾種常見的PLC編程語言。

1.梯形圖語言

梯形圖語言是在傳統電器控制系統中常用的接觸器、繼電器等圖形表達符號的基礎上演變而來的。它與電器控制線路圖相似，繼承了傳統電器控制邏輯中使用的框架結構、邏輯運算方式和輸入輸出形式，具有形象、直觀、實用的特點。因此，這種編程語言為廣大電氣技術人員所熟知，是應用最廣泛的PLC的編程語言，是PLC的第一編程語言。

如圖5所示是傳統的電器控制線路圖和PLC梯形圖。

從圖中可看出，兩種圖基本表示思想是一致的，具體表達方式有一定區別。PLC的梯形圖使用的是內部繼電器，定時／計數器等，都是由軟件來實現的，使用方便，修改靈活，是原電器控制線路硬接線無法比擬的。

2.語句表語言

這種編程語言是一種與匯編語言類似的助記符編程表達方式。在PLC應用中，經常采用簡易編程器，而這種編程器中沒有CRT屏幕顯示，或沒有較大的液晶屏幕顯示。因此，就用一系列PLC操作命令組成的語句表將梯形圖描述出來，再通過簡易編程器輸入到PLC中。雖然各個PLC生產廠家的語句表形式不盡相同，但基本功能相差無幾。以下是與圖2-9中梯形圖對應的（FX系列PLC）語句表程序。