可編程控制器的軟硬件組成詳細介紹

可編程序控制器(Programmable Controller)原本應簡(jiǎn)稱(chēng)PC，為了與個(gè)人計算機專(zhuān)稱(chēng)PC相區別，所以可編程序控制器簡(jiǎn)稱(chēng)定為PLC(Programmable Logic Controller)，但并非說(shuō)PLC只能控制邏輯信號。PLC是專(zhuān)門(mén)針對工業(yè)環(huán)境應用設計的，自帶直觀(guān)、簡(jiǎn)單并易于掌握編程語(yǔ)言環(huán)境的工業(yè)現場(chǎng)控制裝置。

PLC的基本組成

PLC基本組成包括中央處理器(CPU)、存儲器、輸入/輸出接口(縮寫(xiě)為I/O，包括輸入接口、輸出接口、外部設備接口、擴展接口等)、外部設備編程器及電源模塊組成，見(jiàn)圖1。PLC內部各組成單元之間通過(guò)電源總線(xiàn)、控制總線(xiàn)、地址總線(xiàn)和數據總線(xiàn)連接，外部則根據實(shí)際控制對象配置相應設備與控制裝置構成PLC控制系統。

1. 中央處理器

中央處理器(CPU)由控制器、運算器和寄存器組成并集成在一個(gè)芯片內。CPU通過(guò)數據總線(xiàn)總線(xiàn)、地址總線(xiàn)、控制總線(xiàn)和電源總線(xiàn)與存儲器、輸入輸出接口、編程器和電源相連接。

小型PLC的CPU采用8位或16位微處理器或單片機，如8031、M68000等，這類(lèi)芯片價(jià)格很低;中型PLC的CPU采用16位或32位微處理器或單片機，如8086、96系列單片機等，這類(lèi)芯片主要特點(diǎn)是集成度高、運算速度快且可靠性高;而大型PLC則需采用高速位片式微處理器。

CPU按照PLC內系統程序賦予的功能指揮PLC控制系統完成各項工作任務(wù)。

2. 存儲器

PLC內的存儲器主要用于存放系統程序、用戶(hù)程序和數據等。

1)系統程序存儲器

PLC系統程序決定了PLC的基本功能，該部分程序由PLC制造廠(chǎng)家編寫(xiě)并固化在系統程序存儲器中，主要有系統管理程序、用戶(hù)指令解釋程序和功能程序與系統程序調用等部分。

系統管理程序主要控制PLC的運行，使PLC按正確的次序工作;用戶(hù)指令解釋程序將PLC的用戶(hù)指令轉換為機器語(yǔ)言指令，傳輸到CPU內執行;功能程序與系統程序調用則負責調用不同的功能子程序及其管理程序。

系統程序屬于需長(cháng)期保存的重要數據，所以其存儲器采用ROM或EPROM。ROM是只讀存儲器，該存儲器只能讀出內容，不能寫(xiě)入內容，ROM具有非易失性，即電源斷開(kāi)后仍能保存已存儲的內容。

EPEROM為可電擦除只讀存儲器，須用紫外線(xiàn)照射芯片上的透鏡窗口才能擦除已寫(xiě)入內容，可電擦除可編程只讀存儲器還有E2PROM、FLASH等。

2)用戶(hù)程序存儲器

用戶(hù)程序存儲器用于存放用戶(hù)載入的PLC應用程序，載入初期的用戶(hù)程序因需修改與調試，所以稱(chēng)為用戶(hù)調試程序，存放在可以隨機讀寫(xiě)操作的隨機存取存儲器RAM內以方便用戶(hù)修改與調試。

通過(guò)修改與調試后的程序稱(chēng)為用戶(hù)執行程序，由于不需要再作修改與調試，所以用戶(hù)執行程序就被固化到EPROM內長(cháng)期使用。

3)數據存儲器

PLC運行過(guò)程中需生成或調用中間結果數據(如輸入/輸出元件的狀態(tài)數據、定時(shí)器、計數器的預置值和當前值等)和組態(tài)數據(如輸入輸出組態(tài)、設置輸入濾波、脈沖捕捉、輸出表配置、定義存儲區保持范圍、模擬電位器設置、高速計數器配置、高速脈沖輸出配置、通信組態(tài)等)，這類(lèi)數據存放在工作數據存儲器中，由于工作數據與組態(tài)數據不斷變化，且不需要長(cháng)期保存，所以采用隨機存取存儲器RAM。

RAM是一種高密度、低功耗的半導體存儲器，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中的內容。

3. 接口

輸入輸出接口是PLC與工業(yè)現場(chǎng)控制或檢測元件和執行元件連接的接口電路。PLC的輸入接口有直流輸入、交流輸入、交直流輸入等類(lèi)型;輸出接口有晶體管輸出、晶閘管輸出和繼電器輸出等類(lèi)型。晶體管和晶閘管輸出為無(wú)觸點(diǎn)輸出型電路，晶體管輸出型用于高頻小功率負載、晶閘管輸出型用于高頻大功率負載;繼電器輸出為有觸點(diǎn)輸出型電路，用于低頻負載。

現場(chǎng)控制或檢測元件輸入給PLC各種控制信號，如限位開(kāi)關(guān)、操作按鈕、選擇開(kāi)關(guān)以及其他一些傳感器輸出的開(kāi)關(guān)量或模擬量等，通過(guò)輸入接口電路將這些信號轉換成CPU能夠接收和處理的信號。輸出接口電路將CPU送出的弱電控制信號轉換成現場(chǎng)需要的強電信號輸出，以驅動(dòng)電磁閥、接觸器等被控設備的執行元件。

1)輸入接口

輸入接口用于接收和采集兩種類(lèi)型的輸入信號，一類(lèi)是由按鈕、轉換開(kāi)關(guān)、行程開(kāi)關(guān)、繼電器觸頭等開(kāi)關(guān)量輸入信號;另一類(lèi)是由電位器、測速發(fā)電機和各種變換器提供的連續變化的模擬量輸入信號。

以圖2所示的直流輸入接口電路為例，R1是限流與分壓電阻，R2與C構成濾波電路，濾波后的輸入信號經(jīng)光耦合器T與內部電路耦合。當輸入端的按鈕SB接通時(shí)，光耦合器T導通，直流輸入信號被轉換成PLC能處理的5V標準信號電平(簡(jiǎn)稱(chēng)TTL)，同時(shí)LED輸入指示燈亮，表示信號接通。微電腦輸入接口電路一般由寄存器、選通電路和中斷請求邏輯電路組成，這些電路集成在一個(gè)芯片上。交流輸入與交直流輸入接口電路與直流輸入接口電路類(lèi)似。

濾波電路用以消除輸入觸頭的抖動(dòng)，光電耦合電路可防止現場(chǎng)的強電干擾進(jìn)入PLC。由于輸入電信號與PLC內部電路之間采用光信號耦合，所以?xún)烧咴陔姎馍贤耆綦x，使輸入接口具有抗干擾能力?，F場(chǎng)的輸入信號通過(guò)光電耦合后轉換為5V的TTL送入輸入數據寄存器，再經(jīng)數據總線(xiàn)傳送給CPU。

2)輸出接口

輸出接口電路向被控對象的各種執行元件輸出控制信號。常用執行元件有接觸器、電磁閥、調節閥(模擬量)、調速裝置(模擬量)、指示燈、數字顯示裝置和報警裝置等。輸出接口電路一般由微電腦輸出接口電路和功率放大電路組成，與輸入接口電路類(lèi)似，內部電路與輸出接口電路之間采用光電耦合器進(jìn)行抗干擾電隔離。

微電腦輸出接口電路一般由輸出數據寄存器、選通電路和中斷請求邏輯電路集成在芯片上，CPU通過(guò)數據總線(xiàn)將輸出信號送到輸出數據寄存器中，功率放大電路是為了適應工業(yè)控制要求，將微電腦的輸出信號放大。

3)其它接口

若主機單元的I/O數量不夠用，可通過(guò)I/O擴展接口電纜與I/O擴展單元(不帶CPU)相接進(jìn)行擴充?！　LC還常配置連接各種外圍設備的接口，可通過(guò)電纜實(shí)現串行通信、EPROM寫(xiě)入等功能。

4. 編程器

編程器作用是將用戶(hù)編寫(xiě)的程序下載至PLC的用戶(hù)程序存儲器，并利用編程器檢查、修改和調試用戶(hù)程序，監視用戶(hù)程序的執行過(guò)程，顯示PLC狀態(tài)、內部器件及系統的參數等。

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)機編程，適合小型PLC的編程及現場(chǎng)調試。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)行脫機編程。

目前PLC制造廠(chǎng)家大都開(kāi)發(fā)了計算機輔助PLC編程支持軟件，當個(gè)人計算機安裝了PLC編程支持軟件后，可用作圖形編程器，進(jìn)行用戶(hù)程序的編輯、修改，并通過(guò)個(gè)人計算機和PLC之間的通信接口實(shí)現用戶(hù)程序的雙向傳送、監控PLC運行狀態(tài)等。

5. 電源

PLC的電源將外部供給的交流電轉換成供CPU、存儲器等所需的直流電，是整個(gè)PLC的能源供給中心。PLC大都采用高質(zhì)量的工作穩定性好、抗干擾能力強的開(kāi)關(guān)穩壓電源，許多PLC電源還可向外部提供直流24V穩壓電源，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。