科普：PLC 的基本组成与各部分的作用，你都知道吗？
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PLC是一种通用的工业控制装置，其组成与一般的微机系统基本相同。按结构形式的不同，PLC可分为整体式和组合式两类。 整体式 PLC 是将中央处理单元（CPU）、存储器、输入单元、输出单元、电源、通信接口等组装成一体，构成主机。另外还有独立的 I/O 扩展单元与主机配合使用。主机中，CPU是PLC的核心，I/O单元是连接CPU与现场设备之间的接口电路，通信接口用于PLC与编程器和上位机等外部设备的连接。 组合式PLC将CPU单元、输入单元、输出单元、智能I/O单元、通信单元等分别做成相应的电路板或模块，各模块插在底板上，模块之间通过底板上的总线相互联系。装有CPU单元的底板称为 CPU 底板，其他称为扩展底板。CPU 底板与扩展底板之间通过电缆连接，距离一般不超过10m。 无论哪种结构类型的PLC，都可根据需要进行配置与组合。例如OMRON CPM1A 型PLC为整体式结构，通过主机连接I/O扩展单元，I/O点数可在10～160点的范围内进行配置。组合式PLC则在I/O配置上更方便、更灵活。 图1所示为整体式PLC的组成示意图，图2所示为组合式PLC的组成示意图。
图1 整体式PLC的组成示意图
图2 组合式PLC的组成示意图 1.中央处理单元（CPU） CPU在PLC中的作用类似于人体的神经中枢，它是PLC的运算、控制中心。它按照系统程序所赋予的功能，完成以下任务。 （1）接收并存储从编程器输入的用户程序和数据。 （2）诊断电源、PLC内部电路的工作状态和编程的语法错误。 （3）用扫描的方式接收输入信号，送入PLC的数据寄存器保存起来。 （4）PLC进入运行状态后，根据存放的先后顺序逐条读取用户程序，进行解释和执行，完成用户程序中规定的各种操作。 （5）将用户程序的执行结果送至输出端。 现代PLC使用的CPU主要有以下几种。 （1）通用微处理器，如8080、6800、Z80A、8086等。通用微处理器的价格便宜，通用性强，还可以借用微机成熟的实时操作系统、丰富的软硬件资源。 （2）单片机，如8051等。单片机由于集成度高、体积小、价格低和可扩充性好，很适合在小型PLC上使用，也广泛地用于PLC的智能I/O模块。 （3）位片式微处理器，如AMD2900系列等。位片式微处理器是独立于微型机的另一分支。它主要追求运算速度快，它以 4 位为一片。用几个位片级联，可以组成任意字长的微处理器。改变微程序存储器的内容，可以改变计算机的指令系统。位片式结构可以使用多个微处理器，将控制任务划分为若干个可以并行处理的部分，几个微处理器同时进行处理。这种高运算速度与可以适应用户需要的指令系统相结合，很适合于以顺序扫描方式工作的PLC使用。 2.存储器 根据存储器在系统中的作用，可以把它们分为以下3种。 （1）系统程序存储器：和各种计算机一样，PLC也有其固定的监控程序、解释程序，它们决定了PLC的功能，称为系统程序，系统程序存储器就是用来存放这部分程序的。系统程序是不能由用户更改的，故所使用的存储器为只读存储器ROM或EPROM。 （2）用户程序存储器：用户根据控制功能要求而编制的应用程序称为用户程序，用户程序存放在用户程序存储器中。由于用户程序需要经常改动、调试，故用户程序存储器多为可随时读写的RAM。由于RAM掉电会丢失数据，因此使用RAM作用户程序存储器的PLC，都有后备电池（锂电池）保护 RAM，以免电源掉电时，丢失用户程序。当用户程序调试修改完毕，不希望被随意改动时，可将用户程序写入 EPROM。目前较先进的 PLC（如欧姆龙公司的CPM1A型PLC）采用快闪存储器作用户程序存储器，快闪存储器可随时读写，掉电时数据不会丢失，不需用后备电池保护。 （3）工作数据存储器：工作数据是经常变化、经常存取的一些数据。这部分数据存储在RAM中，以适应随机存取的要求。在PLC的工作数据存储区，开辟有元件映象寄存器和数据表。 元件映象寄存器用来存储 PLC 的开关量输入/输出和定时器、计数器、辅助继电器等内部继电器的ON/OFF状态。 数据表用来存放各种数据，它的标准格式是每一个数据占一个字。它存储用户程序执行时的某些可变参数值，如定时器和计数器的当前值和设定值。它还用来存放A/D转换得到的数字和数学运算的结果等。 根据需要，部分数据在停电时用后备电池维持其当前值，在停电时可以保持数据的存储器区域称为数据保持区. 3.I/O单元 I/O单元也称为I/O模块。PLC通过I/O单元与工业生产过程现场相联系。输入单元接收操作指令和现场的状态信息，如控制按钮、操作开关和限位开关、光电管、继电器触点、行程开关、接近开关等信号，并通过输入电路的滤波、光电隔离和电平转换等将这些信号转换成CPU能够接收和处理的信号。输出单元将CPU送出的弱电控制信号通过输出电路的光电隔离和功率放大等转换成现场需要的强电信号输出，以驱动接触器、电磁阀、电磁铁等执行元件。 I/O单元有多种类型，但各种I/O单元的原理基本相同。下面介绍几种常用的I/O单元，并说明其工作原理。 （1）开关量输入单元 PLC的开关量输入单元按照输入端电源类型的不同，分为直流输入单元和交流输入单元。 ① 直流输入单元。直流输入单元外接直流电源，电路如图 3 所示，虚线框内为 PLC内部输入电路，框外左侧为外部用户接线，图中只画出对应于一个输入点的输入电路，各个输入点所对应的输入电路均相同。图中，T 为一光电耦合器，它是将发光二极管与光电三极管封装在一个管壳中，当二极管中有电流流过时，二极管发光，使光电三极管导通；当二极管中无电流流过时，三极管不导通。 发光二极管LED指示该点输入状态。R1为限流电阻， R2 和 C 构成滤波电路，可滤除输入信号中的高频抖动。输入单元的外接直流电源的极性任意。当S闭合时，光电耦合器导通，A点为高电平，经滤波器、输入选择器后，送到I/O总线，CPU访问该路信号时，将该点对应的输入映象寄存器状态置1；发光二极管LED点亮，指示输入开关处于接通状态。当S断开时，光电耦合器不导通，A点为低电平，该电平经滤波电路、输入选择器后，送到I/O总线，CPU访问该路信号时，将该点对应的输入映象寄存器状态置0；发光二极管LED不亮，指示输入开关处于断开状态。 |
