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關(guān)于可編程控制器的軟硬件組成詳細(xì)介紹

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可編程序控制器(Programmable Controller)原本應(yīng)簡(jiǎn)稱(chēng)PC,為了與個(gè)人計(jì)算機(jī)專(zhuān)稱(chēng)PC相區(qū)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(hào)。PLC是專(zhuān)門(mén)針對(duì)工業(yè)環(huán)境應(yīng)用設(shè)計(jì)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(xiàn)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(chǔ)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(shè)備接口、擴(kuò)展接口等)、外部設(shè)備編程器及電源模塊組成,見(jiàn)圖1。PLC內(nèi)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(shù)據(jù)總線(xiàn)連接,外部則根據(jù)實(shí)際控制對(duì)象配置相應(yīng)設(shè)備與控制裝置構(gòu)成PLC控制系統(tǒng).
1. 中央處理器
  中央處理器(CPU)由控制器、運(yùn)算器和寄存器組成并集成在一個(gè)芯片內(nèi)。CPU通過(guò)數(shù)據(jù)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(chǔ)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(jī),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(jī),如8086、96系列單片機(jī)等,這類(lèi)芯片主要特點(diǎn)是集成度高、運(yùn)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(nèi)系統(tǒng)程序賦予的功能指揮PLC控制系統(tǒng)完成各項(xiàng)工作任務(wù)。
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(hù)程序和數(shù)據(jù)等。
1)系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器
  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(chǎng)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(hù)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(hù)指令解釋程序?qū)LC的用戶(hù)指令轉(zhuǎn)換為機(jī)器語(yǔ)言指令,傳輸?shù)紺PU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(xiàn)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。
2)用戶(hù)程序存儲(chǔ)器
  用戶(hù)程序存儲(chǔ)器用于存放用戶(hù)載入的PLC應(yīng)用程序,載入初期的用戶(hù)程序因需修改與調(diào)試,所以稱(chēng)為用戶(hù)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(hù)修改與調(diào)試。
  通過(guò)修改與調(diào)試后的程序稱(chēng)為用戶(hù)執(zhí)行程序,由于不需要再作修改與調(diào)試,所以用戶(hù)執(zhí)行程序就被固化到EPROM內(nèi)長(zhǎng)期使用。
3)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(lèi)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。
3. 接口
  輸入輸出接口是PLC與工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制或檢測(cè)元件和執(zhí)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(fù)載、晶閘管輸出型用于高頻大功率負(fù)載;繼電器輸出為有觸點(diǎn)輸出型電路,用于低頻負(fù)載。
  現(xiàn)場(chǎng)控制或檢測(cè)元件輸入給PLC各種控制信號(hào),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(hào)轉(zhuǎn)換成CPU能夠接收和處理的信號(hào)。輸出接口電路將CPU送出的弱電控制信號(hào)轉(zhuǎn)換成現(xiàn)場(chǎng)需要的強(qiáng)電信號(hào)輸出,以驅(qū)動(dòng)電磁閥、接觸器等被控設(shè)備的執(zhí)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(hào),一類(lèi)是由按鈕、轉(zhuǎn)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(hào);另一類(lèi)是由電位器、測(cè)速發(fā)電機(jī)和各種變換器提供的連續(xù)變化的模擬量輸入信號(hào)。
  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(xiàn)場(chǎng)的強(qiáng)電干擾進(jìn)入PLC。由于輸入電信號(hào)與PLC內(nèi)部電路之間采用光信號(hào)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(xiàn)場(chǎng)的輸入信號(hào)通過(guò)光電耦合后轉(zhuǎn)換為5V的TTL送入輸入數(shù)據(jù)寄存器,再經(jīng)數(shù)據(jù)總線(xiàn)傳送給CPU。
2)輸出接口
  輸出接口電路向被控對(duì)象的各種執(zhí)行元件輸出控制信號(hào)。常用執(zhí)行元件有接觸器、電磁閥、調(diào)節(jié)閥(模擬量)、調(diào)速裝置(模擬量)、指示燈、數(shù)字顯示裝置和報(bào)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(nèi)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(shù)據(jù)寄存器、選通電路和中斷請(qǐng)求邏輯電路集成在芯片上,CPU通過(guò)數(shù)據(jù)總線(xiàn)將輸出信號(hào)送到輸出數(shù)據(jù)寄存器中,功率放大電路是為了適應(yīng)工業(yè)控制要求,將微電腦的輸出信號(hào)放大。
3)其它接口
 若主機(jī)單元的I/O數(shù)量不夠用,可通過(guò)I/O擴(kuò)展接口電纜與I/O擴(kuò)展單元(不帶CPU)相接進(jìn)行擴(kuò)充。PLC還常配置連接各種外圍設(shè)備的接口,可通過(guò)電纜實(shí)現(xiàn)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(chǔ)器,并利用編程器檢查、修改和調(diào)試用戶(hù)程序,監(jiān)視用戶(hù)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(chǎng)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(hù)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(hù)程序的雙向傳送、監(jiān)控PLC運(yùn)行狀態(tài)等。
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。 
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