1、4.1 可编程控制器的产生与发展4.2 可编程控制器的特点与分类4.3 可编程控制器的组成4.4 可编程控制器的软件系统4.5 可编程控制器的工作原理和工作过程4.6 可编程控制器的主要技术指标思考题与习题第4章可编程控制器的结构与工作原理主要内容：主要内容：(1)熟悉可编程控制器的结构。(2)掌握可编程控制器的工作原理。在工业控制中使用的控制系统主要有单片机系统、工业计算机和可编程控制器等。其中，单片机系统具有成本低和控制灵活等优点，但是其开发难度相当大，开发成本高；工业计算机通常和其他计算机(单片机或者 PLC等)进行通信控制，开发方便；可编程控制器是根据用户需要来选择相应的模块，用户程序
2、在系统程序上运行和编制，它具有开发简单、抗干扰能力强、语言简单等优点，使得许多电力工程师能够快速地适应设计工作，近年来发展迅速。可编程控制器是应用面广、功能强大、使用方便的工业自动控制通用装置，自研制成功以来，已经成为当代工业自动化的主要支柱之一。本章主要介绍可编程控制器的产生与发展、一般特征、工作原理、硬件架构、软件系统等内容。通过学习本章，读者可对PLC技术有一个全面的了解。4.1.1 可编程控制器的产生可编程控制器的产生在PLC问世之前，电器自动控制的任务基本上都由继电器接触器控制系统完成。这种系统主要由继电器、接触器、控制按钮和一些特殊电器构成，具有结构简单、抗干扰能力强和价廉等优点。
3、但同时，它也存在着体积大、耗电多、可靠性差、寿命短、运行速度慢等缺点。此外，这类系统对于生产的适应性很差，一旦生产任务或工艺流程发生变化，就要改变硬件结构，重新设计。这使得继电器接触器控制系统很难适应现代工业的需求。4.1 可编程控制器的产生与发展可编程控制器的产生与发展1968年，美国通用汽车公司(General Motors Corp.)提出了研制一种新型工业控制器的要求，并从用户角度出发提出新一代控制器应具备的10项指标：(1)编程简单，可在现场修改程序。(2)维护方便，采用插入式模块结构。(3)可靠性高于继电器控制柜。(4)体积小于继电器控制柜。(5)数据可直接送入管理计算机。(6)成
4、本可与继电器控制柜相竞争。(7)输入可以是115 V交流电压(即美国电网电压)。(8)输出为115 V交流电压，输出电流在2 A以上，能直接驱动电磁阀。(9)在扩展时，原有系统只需要很小的变更。(10)用户程序存储器容量至少能扩展到4 KB。指标提出后，立刻掀起了开发热潮。1969年，美国数字设备公司(DEC)研制出了世界上第一台符合要求的可编程控制器，并应用于通用汽车公司的生产线上。这就是第一代可编程控制器。早期的可编程控制器只具有逻辑运算的功能，人们将其称为可编程逻辑控制器，简称PLC(Programmable Logic Controller)。国外行业界在1980年正式命名为可编程控制
5、器，简称PC(Programmable Controller)，但为了与个人电脑PC(Persona1 Computer)相区别，常将可编程控制器仍简称为PLC。国际电工委员会(IEC)曾于1982年11月颁布了可编程控制器标准草案第一稿，1985年1月发表了第二稿，1987年2月又颁布了第三稿。1987年颁布的可编程控制器的定义如下：“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储和执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作，并通过数字式和模拟式的输入/输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关的外围设备
6、，都应按易于与工业系统联成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。”4.1.2 可编程控制器的发展历程可编程控制器的发展历程19691973年是PLC的发展初期。PLC的CPU(Central Process Unit，中央处理单元)由中小规模集成电路组成，存储器为磁芯存储器，其主要功能限于逻辑运算、计时、计数和顺序控制。19741977年是PLC的发展中期。在此期间，由于8位单片CPU和集成存储器芯片的出现，PLC技术得以迅速发展和完善，并开始向系列化和实用化方向发展，在工业生产过程控制中得到普遍的应用。此时的PLC除了具有原有功能外，还增加了数值运算、数据的传送和比较、模拟量的处理和控制等功能
7、，其可靠性进一步提高，并具备自诊断功能。随着微型计算机行业的发展，以Intel为代表的制造商推出了一系列高性能微处理器，PLC也开始朝着大规模、高速度和高性能方向发展。在这个时期(19781983年)，PLC技术开始走向成熟，年增长率一直保持在30%40%。在结构上，PLC除了采用微处理器及EPROM、EEPROM、CMOS RAM等大规模集成电路外，还向多位微处理器发展，使PLC的功能增大和处理速度提高。在功能方面，PLC增加了浮点运算、平方、三角函数、相关数、查表、列表、脉宽调制变换(PWM)等功能，分布式可编程控制器的网络系统初步形成，具有通信功能和远程输入/输出处理能力，编程语言也更加
8、规范和标准化。此外，自诊断功能及容错技术的迅速发展，使PLC系统的可靠性得到了进一步提升。其后，PLC的规模日益增长，存储器的容量不断增大，有的PLC已采用了32位微处理器，多台PLC可与上位系统一起组成分布式控制系统(Distributed Control System，DCS)。编程语言进一步丰富，除了传统的梯形图、流程图语句表外，还增加了接近于高级编程语言(如BASIC和PASCAL)的编程语言及其他更加直观的编程语言，使得以往很难在PLC上实现的复杂控制任务也能轻松完成。例如，结构化文本(Structured Text，ST)设计语言，用结构化的描述语句来描述程序，它是一种类似于高级语
9、言PASCAL的程序设计语言，但为了应用方便，在语句的表达方法及语句的种类等方面都进行了简化。在大中型的可编程控制器系统中，常采用结构化文本设计语言来描述控制系统中各个变量的关系。它也被用于集散控制系统的编程和组态。另外，很多PLC在软件上还留有与高级语言(例如C语言)的接口，使得系统的功能更为强大，开发更迅捷。在人机接口(Human Machine Interface，HMI)方面，从以往最简单的指示灯和按钮，发展到目前普遍采用的以液晶显示器(或触摸屏)作为显示设备的一体化操作员终端，PLC系统的交互功能越来越强大。而组态软件的应用，则使一般用户根据自身需求开发人机界面更加简单、方便。在实践
10、中，由运行组态软件的计算机充当人机界面非常普及。由于采用了更直观的现实信息，完全代替了原来的仪表盘，故用户的编程和操作更加方便、灵活。在PLC的输入/输出(I/O)模块上，一方面发展内嵌微处理器的智能输入/输出模块，另一方面也注意增大输入/输出点数，以适应控制范围的增大及在系统中使用模/数(A/D)、数/模(D/A)转换与其他特殊功能模块的需求。同时，各PLC生产厂家还注意提高输入/输出点的密集度，生产高密度的输入/输出模块，以节省空间、降低系统成本。4.1.3 可编程控制器的应用可编程控制器的应用目前，PLC在国内外已被广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、
11、环保及文化娱乐等各个行业，随着其性能价格比的不断提高，应用范围还在不断扩大。其应用情况大致可归纳为如下几类。1.开关逻辑和顺序控制开关逻辑和顺序控制开关逻辑和顺序控制是可编程控制器应用最广的领域。由于可编程控制器具有“与”、“或”、“非”等逻辑运算能力，其内部还有计时器/计数器，因此可以实现逻辑运算，用触点和电路的串、并联代替继电器进行组合逻辑控制，实现定时控制与顺序逻辑控制。数字量逻辑控制可以用于单台设备，也可以用于自动生产线，其应用领域还涉及微电子和家电行业。2.运动控制运动控制可编程控制器通过使用专用的运动控制模块或灵活运用指令，可以使运动控制与顺序控制功能有机地结合在一起。随着变频器、
12、电动机起动器的普遍使用，可编程控制器可以与变频器结合，运动控制功能更为强大。此外，PLC还广泛地用于各种机械，如金属切削机床、装配机械、机器人、电梯等。3.模拟控制模拟控制通过模拟量输入/输出模块，可编程控制器可以接收温度、压力、流量等连续变化的模拟量，实现模拟量和数字量之间的模/数转换和数/模转换，并对被控模拟量进行PID(Proportional-Integral-Derivative，比例-积分-微分)闭环控制。现代的大中型可编程控制器一般都有PID闭环控制功能，此功能已经被广泛地应用于工业生产、加热炉、锅炉等设备，以及轻工、化工、机械、冶金、电力、建材等行业中。4.数据处理数据处理新型
13、的可编程控制器多具有数据处理能力，不仅可以进行数学运算、数据传送、转换、排序和查表、位操作等操作，还可以完成数据的采集、分析和处理。这些数据可以是运算的中间参考值，可通过通信功能传送到别的智能装置上进行保存、打印。数据处理一般用于大型控制系统(如无人柔性制造系统)，也可以用于过程控制系统(如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统)。5.通信联网控制通信联网控制可编程控制器的通信包括主机与远程输入/输出单元之间的通信、多台可编程控制器之间的通信、可编程控制器和其他智能控制设备(如计算机、变频器)之间的通信。可编程控制器与其他智能控制设备一起，可以组成“集中管理、分散控制”的分布式控制系统(Di
14、stributed Control System，DCS)。4.1.4 现代可编程控制器的发展趋势现代可编程控制器的发展趋势长期以来，PLC始终处于工业自动化控制领域的主战场，为各种各样的自动化控制设备提供了非常可靠的应用平台。一方面，PLC能够为自动化控制应用提供安全、可靠和比较完善的解决方案，适合于当前工业企业对自动化的需要；另一方面，PLC也面临着其他行业工控产品的挑战，必须依靠新技术来面对市场份额逐渐缩小所带来的冲击，尤其是工业PC所带来的冲击。PLC需要解决的问题依然是新技术的采用、系统开放性和价格。展望未来，PLC技术将向以下几个方面发展：(1)向小型化、专用化、低成本方向发展。随
15、着微电子技术的发展，新型电子元器件功能的提高，PLC的结构更为紧凑，其大小仅相当于一本精装书，操作、使用十分方便。PLC的功能不断增强，将原来大、中型PLC才有的功能部分地移植到小型PLC上，如模拟量处理、数据通信和复杂的功能指令等，但价格却不断下降，真正成为了现代电气控制系统中不可替代的控制装置。目前，各PLC生产厂家相继推出高速、高性能、小型、特别是微型的PLC。例如三菱的FXos14点(8个24 V(DC)输入，6个继电器输出)，其尺寸仅为58 mm89 mm，仅大于信用卡几个毫米，而功能却有所增强，使PLC的应用领域扩大到远离工业控制的其他行业，如快餐厅、医院手术室、旋转门和车辆等，甚
16、至引入家庭住宅、娱乐场所和商业部门。(2)向大容量、高速度方向发展。大型可编程控制器大多采用多CPU结构。由于当前微处理器技术、存储技术的发展十分迅猛，功能更强大，价格更便宜，研发的微处理器针对性更强，因此为可编程控制器的发展提供了良好的基础。不断地向高性能、高速度和大容量方向发展是今后大型PLC的一个趋向。同时，在模拟量控制方面，除了专门用于模拟量闭环控制的PID指令和智能PID模块外，某些大型可编程控制器还具有模糊控制、自适应、参数自整定等功能，使系统的调试时间减少，控制精度提高。(3)智能型I/O模块的发展。智能型I/O模块是以微处理器和存储器为基础的功能部件，它们的CPU与PLC的主C
17、PU并行工作，占用主CPU的时间很少，有利于提高PLC的扫描速度。它们本身就是一个小的微型计算机系统，有很强的信息处理能力和控制功能，有的模块甚至可以自成系统，单独工作。智能型I/O模块可以完成PLC的主CPU难以兼顾的功能，简化了某些控制系统的系统设计和编程，提高了PLC的适应性和可靠性。智能型I/O模块主要有模拟量I/O、高速计数输入、中断输入、机械运动输入、热电偶输入、热电阻输入、条形码阅读器、多路BCD码输入/输出、模糊控制器、PID回路控制和各种通信等模块。(4)基于PC的编程软件取代编程器。随着计算机的日益普及，越来越多的用户使用基于个人计算机的编程软件。编程软件可以对PLC控制系
18、统设置硬件结构和参数，例如设置各框架各个插槽上模块的型号、模块的参数、各串行通信接口的参数等。在屏幕上可以直接生成和编辑梯形图、语句表、功能块图和顺序功能图程序，并可以实现不同编程语言的相互转换。可以将程序编译后下载到PLC，也可以将用户程序上传到计算机。程序可以存盘或打印，还可以通过网络或Modem卡实现远程操作。编程软件的调试和监控功能远远超过手持式编程器。例如，在调试时可以设置执行用户程序的扫描次数，有的编程软件可以在调试程序时设置断点，有的具有跟踪功能，用户可以周期性地选择保存若干编程软件的历史数据，并可以将数据上传后存为文件。通过与PLC通信，可以在梯形图中显示触点的通断和线圈的状态
19、，非常方便地查找到复杂电路的故障。(5)PLC编程语言的标准化。与个人计算机相比，PLC的硬件、软件的体系结构都是封闭的而不是开放的。在硬件方面，各厂家的CPU模块和I/O模块互不通用。PLC的编程语言与指令系统的功能和表达方式也不一致，因此各厂家的可编程控制器互不兼容。为了解决这一问题，IEC(国际电工委员会)制定了可编程控制器标准(IEC1131)，其中的第3部分(IEC1131-3)是PLC的编程语言标准。标准中共有五种编程语言，其中的顺序功能图(SFC)是一种结构块控制程序流程图，梯形图和功能块图是两种图形语言，还有两种文字语言语句表和结构文本。除了提供几种编程语言供用户选择外，标准还
20、允许编程者在同一程序中使用多种编程语言，这使编程者能够选择不同的语言来适应特殊的工作。目前已有越来越多的工控产品厂商推出了符合IEC1131-3标准的PLC指令系统或在PC(个人计算机)上运行的软件包(软件PLC)。如西门子公司的STEP 7-Micro/WIN32编程软件给用户提供了两套指令集，一套符合IEC1131-3标准，另一套指令集(SIMATIC指令集)中的大多数指令也符合IEC1131-3标准。(6)PLC通信的易用化和网络化。PLC的通信联网功能使它能与个人计算机和其他智能控制设备交换数字信息，使系统形成一个统一的整体，实现分散控制和集中管理。通过双绞线、同轴电缆或光纤联网，信息
21、可以传送到几十千米远的地方，通过Modem和互联网可以与世界上其他地方的计算机装置通信。为了尽量减少用户在通信编程方面的负担，PLC厂商做了大量的工作，使设备之间的通信自动地周期性地进行，不需要用户为通信编程，用户的工作只是在组成系统时做一些硬件或软件上的初始化设置。PLC网络系统已经不再是自成体系的封闭系统，而是迅速向开放式系统发展。PLC除了能形成自己的网络系统，完成设备控制任务之外，还可以与上位计算机管理系统联网，实现信息交流。它已成为整个信息管理系统的一部分。同时，随着现场总线技术的广泛应用，PLC与其他安装在现场的智能化设备，比如智能化仪表、智能传感器、智能型电磁阀、智能型驱动执行机
22、构等，通过总线连接起来，并按照同一通信规约互相传输信息，由此构成一个现场工业控制网络，这种网络与单纯的PLC远程网络相比，配置更灵活，扩容更方便，造价更低，性能价格比更好，也更具开放意义。这方面，西门子的产品具有代表性，它具有自己的PROFIBUS协议的网络标准，现已被世界上绝大多数国家所接受，已经成为国际标准之一，获得了广泛的应用。此外，在当前的过程控制领域，最大的发展趋势之一就是 Ethernet技术的扩展。PLC也不例外，现在，越来越多的PLC供应商开始提供Ethernet接口部件。例如Schneider公司推出的一种运行于Premium PLC平台的Ethernet(100 Mb/s)
23、模件。该模件为PLC连接到TCP/IP的Ethernet提供了全双工自适应10/100 Mb/s的连接速度，现场过程控制器之间可以共享实时数据信息，自动扫描Momentum I/O模件和其他任何基于Modbus通信协议的现场控制设备，采用一个嵌入式Web服务器提供HTML通信服务，同时提供了SNMP用于标准网络通信管理。未来技术的发展将使PLC连接到Ethernet和Web变得更加方便。(7)组态软件与PLC的软件化。个人计算机(PC)的价格便宜，有很强的数学运算、数据处理、通信和人机交互的功能。过去个人计算机主要用作PLC、操作站或人机接口终端，工业控制现场一般使用工业控制计算机(IPC)，
24、这样相应地出现了应用于工业控制系统的组态软件，利用这些软件可以方便地进行工业控制流程的实时和动态监控，完成报警、历史趋势和各种复杂的控制功能，同时节约控制系统的设计时间，提高系统的可靠性。既然使用了PC，为何不把PLC的功能也用软件在PC上来实现呢?这也就是软PLC产生的动机，再加上现在智能I/O终端的发展，更使得软PLC的开发出现了上升的势头。目前已有很多家厂商推出了在PC上运行的可实现PLC功能的软件包。(8)PLC与现场总线相结合。IEC对现场总线(Field bus)的定义是：“安装在制造和过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线称为现场总线”。
25、它是当前工业自动化的热点之一。现场总线以开放的、独立的、全数字化的双向多变量通信代替010 mA或420 mA的现场电动仪表信号。现场总线I/O集检测、数据处理、通信为一体，可以代替变送器(限于信号调理)、调节器、记录仪等模拟仪表。它不需要框架、机柜，可以直接安装在现场导轨槽上。现场总线I/O的接线极为简单，只需一根电缆，从主机开始，沿数据链从一个现场总线I/O连接到下一个现场总线I/O。使用现场总线后，自控系统的配线、安装、调试和维护等方面的费用可以节约2/3左右。现场总线I/O与PLC可以组成功能强大的、廉价的DCS系统。现场总线控制系统将DCS的控制站功能分散给现场控制设备，仅靠现场总线
26、设备就可以实现自动控制的基本功能。例如，将电动调节阀及其驱动电路、输出特性补偿、PID控制和运算、阀门自校验和自诊断功能集成在一起，再配上温度变送器就可以组成一个闭环温度控制系统，有的传感器中也植入了PID控制功能。现在功能强大的PLC也配有和现场总线联网的模块，使之可以就近挂接到现场总线上。使用现场总线后，操作员可以在中央控制室实现远程监控，对现场设备进行参数调整，还可以通过现场设备的自诊断功能预测故障和寻找故障点。(9)控制与管理功能一体化。随着VLSI技术和计算机技术的发展，在一台控制器上可同时实现控制功能和信息处理功能及网络通信功能。采用分布式控制系统可实现广泛意义上的控制管理一体化。
27、(10)PLC、IPC与PC-Based PLC的发展。随着PC技术的飞速发展，使得IPC(工业控制计算机)以及基于IPC的应用技术也得到了突飞猛进的发展。同时，随着Internet技术的应用和所有生产信息过程和控制信息过程的集成与发展，通过Internet/Intranet浏览生产过程信息流中的制造过程、操作和监控现场智能设备等，IPC越来越多地承担着SCADA(数据采集与监视控制)的人机交互控制任务和协同下级小型控制器或智能现场设备的控制任务。总体而言，IPC是最适合应用于自动化控制平台的。但作为传统主流控制器的PLC，它拥有稳定性好、可靠性高、逻辑顺序控制能力强等优点，在自动化控制领域具
28、有不可替代的优势。但有一大遗憾：PLC的封闭式构架、封闭式系统(研发必须具备自己或OEM的CPU、芯片组、BIOS、操作系统、梯形图编程软件)、较差的开放性势必会造成其应用上的壁垒，也增加了用户维修的难度和集成的成本。有人断言，在不久的将来，基于PC的控制器将会逐步取代PLC而成为主流控制设备。为改善这种局面，传统PLC生产厂家正在逐步将PLC的功能PC化(如Siemens的WinAC)，而IPC厂家也逐步将IPC的逻辑功能PLC化，使PLC和IPC在功能和规格方面越来越接近，由此就出现了基于PLC和IPC技术的中间控制器：PC-Based PLC。PC-Based PLC也称嵌入式控制器，它
29、不再像IPC那样以机箱加主板为主体结构，再搭配诸如A/D、D/A、DI/DO等功能I/O板卡的组合产品，而是一个独立的基于嵌入式PC技术的专用系统，适用于小型的SCADA系统。如泓格的I-8000系列，其主机内部是40MHz主频的80188 CPU，操作系统为兼容DOS的MiniOS7，其编程环境是基于PC的标准C语言程序，程序开发过程与PLC极其相似：首先在PC上编写常驻任务程序，并将其编译好后传送到主机内的Flash上，再让其脱机运行。另外，为了使其具备PLC的优势特性，PC-Based PLC也可以用梯形图编程，如泓格的ISaGRAF(配合I-8417/8817主机)。相对于PLC而言，
30、PC-Based PLC的优势在于拥有IPC强大的运算、数据处理和通信功能。在软件方面，PC-Based PLC支持IEC-61131-3(LD、SFC、FBD、IL、ST)的五种国际标准语言和软件逻辑。由于以上特点，PC-Based PLC将会更加开放和标准化，能适应更加复杂的控制和管控一体化信息的需求。总的来说，IPC是开放式架构、开放式系统，PLC则是封闭式架构、封闭式系统，而PC-Based PLC介于二者之间，是开放式架构、封闭式系统。严格地说，IPC一般承担着管理控制任务和协同下级小型控制器或智能现场设备的控制任务，而PLC一般用作现场控制器。可编程控制器的特点我们在1.3.1节中
31、已经详细叙述过，下面简述其分类。PLC产品种类繁多，为便于不同应用场合选择合适的PLC，人们一般将其按如下方法分类。1.按输入按输入/输出点数分类输出点数分类可编程控制器用于对外部设备的控制，外部信号的输入、PLC的运算结果的输出都要通过PLC输入/输出端子来进行接线，输入/输出端子的数目之和被称做PLC的输入/输出点数，简称I/O点数。由I/O点数的多少可将PLC分成小型、中型和大型，以适应不同控制规模的应用。4.2 可编程控制器的特点与分类可编程控制器的特点与分类小型PLC的I/O点数小于256。小型PLC以开关量控制为主，具有体积小、价格低等优点。它可用于开关量的控制、定时/计数的控制、
32、顺序控制及少量模拟量的控制场合，代替继电器接触器控制在单机或小规模生产过程中使用。中型PLC的I/O点数在2561024之间。中型PLC的功能比较丰富，兼有开关量和模拟量的控制能力，适用于较复杂系统的逻辑控制和闭环过程的控制。大型PLC的I/O点数在1024以上。大型PLC用于大规模过程控制、集散式控制和工厂自动化网络。2.按结构形式分类按结构形式分类考虑到工业现场的特殊性及便于PLC的安装、扩展和接线，通常从结构形式上将PLC分为整体式、模块式和混合式三大类。1)整体式结构早期的PLC一般采用整体式结构。整体式结构的PLC将CPU模块、输入/输出模块、电源模块及通信模块等基本模块紧凑地封装在
33、一个机壳内，从而构成一个整体。一般地，微型、小型PLC采用整体式结构。这种结构适用于控制比较集中的工业现场。2)模块式结构模块式结构的PLC按其各个组成部分划分为不同的模块，并将这些模块分别进行独立的封装。安装时，将这些模块插在框架上或基板上，它们由系统自动进行寻址连接，插入什么模块可根据需要进行配置。大、中型PLC多采用模块式结构。这种结构适用于各种工业现场的分布式控制中。3)混合式结构混合式PLC实际上是对整体式结构和模块式结构的整合。它由PLC主机和扩展模块组成。PLC主机由CPU、存储器、通信接口电路、基本输入/输出电路及电源这些基本模块组成，相当于一个整体式PLC，可以独立完成控制功
34、能。扩展模块可以是输入/输出模块、模拟量模块、位置控制模块、PID模块及联网控制模块等智能模块。这种结构适用于各种复杂、恶劣的分布式或集中控制中。虽然PLC的品种繁多，但其基本结构和工作原理基本相同。广义上，和工业PC一样，PLC也是一种计算机系统，只不过它更加适应工业环境，具有更强的抗干扰能力。可编程控制器主要由CPU、存储器、基本I/O接口电路、外设接口、编程装置、电源等组成，如图4-1所示。编程装置将用户程序送入可编程控制器，在可编程控制器运行状态下，输入单元接收到外部元件发出的输入信号，可编程控制器执行程序，并根据程序运行后的结果，由输出单元驱动外部设备。4.3 可编程控制器的组成可编
35、程控制器的组成 1.CPUCPU(Central Processing Unit，中央处理单元)是可编程控制器的核心部分，相当于人的大脑。CPU一般由控制器、运算器和寄存器组成，这些电路通常都被封装在一个集成的芯片上。CPU通过地址总线、数据总线、控制总线与存储单元、输入/输出接口电路连接。CPU在系统监控程序的控制下工作，通过扫描方式，将外部输入信号的状态写入输入映像寄存器区域，PLC进入运行状态后，从存储器逐条读取用户指令，按指令规定的任务进行数据的传送、逻辑运算、算术运算等，然后将结果送到输出映像寄存器区域。图4-1 可编程控制器系统结构PLC常用的微处理器主要有通用型微处理器、单片机或
36、双极型位片式微处理器。通用型微处理器按其处理数据的位数可分为4位、8位、16位和32位等。PLC大多采用8位和16位微处理器。常见的通用型微处理器有Intel公司的8086、80186等系列和Pentium系列芯片，单片机型微处理器有Intel公司的MCS-96系列单片机，位片式微处理器有AMD 2900系列的微处理器。小型PLC 的CPU多采用单片机或专用CPU，中型PLC的CPU大多采用16位微处理器或单片机，大型PLC的CPU多采用高速位片式处理器，具有高速处理能力。2.存储器存储器存储器是PLC存放系统程序、用户程序和工作数据的单元。PLC的存储器由只读存储器(Read Only Me
37、mory，ROM)和随机存储器(Random Access Memory，RAM)组成。只读存储器在使用时，只能对其进行读取而无法执行写入操作。随机存储器在使用过程中能够随时读取和写入数据。只读存储器按其编程方式的不同又分为ROM、PROM、EPROM和EEPROM等。ROM又称掩模只读存储器，其存储的内容写入后无法改变。PROM(Programmable Read-Only Memory)是可编程只读存储器，它只能被使用者修改一次，使用者可以通过PROM编程器等硬件将数据写入设备中。在PROM被编程后，它就只能专用那些数据，并且不能被再编程。EPROM(Erasable Programmab
38、le Read-Only Memory，可擦除可编程只读存储器)是一种特殊的PROM，其内部的信息可以用紫外线来擦除，一旦擦除后，就可以再次被写入信息。EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory，电擦除可编程只读存储器)和EPROM一样，其内容也可以被擦除，只要在一定电压下就可以进行擦除操作，而不用紫外线，且掉电后信息不会消失。随着技术的进步，近年来一种新型的只读存储器Flash ROM发展起来，它拥有比EPROM和EEPROM更多的优势，它在使用上类似于EPROM，因此，有些书籍上便把Flash ROM作为EPROM的
39、一种。事实上，二者还是有差别的。Flash ROM在擦除时，也要执行专用的刷新程序，但是在删除资料时，并非以Byte为基本单位，而是以Sector(又称Block)为最小单位，Flash ROM芯片的读和写操作都是在单电压下进行的，只要利用专用的程序即可方便地修改其内容。Flash ROM能够为参数数据提供非易失性存储，例如定制产品设置和配置信息。在读操作的时候，它像一般的只读存储器。一个Flash ROM通常被分为很多块或扇区(例如64 KB块)，每个块可以被单独地擦除和写入。由于只读存储器在断电状态下还可以保持所存储的数据，因此它被用作PLC的系统存储器，可编程控制器在生产过程中将系统程序
40、固化在ROM中，用户是不可改变的。用户逻辑解释程序和标准程序模块也不能被用户改变，制造商一般会把这些内容存放在PROM或EPROM内提供给用户。随机存储器有两种类型：静态随机存储器(SRAM)和动态随机存储器(DRAM)。SRAM(Static Random Access Memory)是一种半导体存储器。“静态”是指只要不掉电，存储在SRAM中的数据就不会丢失。SRAM的速度非常快，在快速读取和刷新时能够保持数据完整性。SRAM的电路结构非常复杂，往往要采用大量的晶体管来构造寄存器以保留数据。但采用大量的晶体管需要大量的硅，这在无形之中就增加了制造成本。制造相同容量的SRAM比DRAM的成本
41、贵许多。DRAM(Dynamic Random-Access Memory)只能将数据保持很短的时间。为了保持数据，DRAM 必须隔一段时间刷新(Refresh)一次。如果存储单元没有被刷新，数据就会丢失。随机存储器由于是易失性的，当断电后，存放其中的数据会丢失，因此在实际使用中会为其配置掉电保护电路。当正常电源关闭后，由备用电池为它供电，以保护其中的数据。随机存储器在PLC 中用于存储用户程序和数据。为了调试和修改的方便，总是先把用户程序存放在随机存储器中，经过运行、修改、完善，达到设计要求后，再把它固化到EEPROM中，替代RAM使用。3.输入输入/输出单元和输入输出单元和输入/输出扩展单
42、元输出扩展单元PLC的控制对象是工业生产设备或工业生产过程，工作环境是工业生产现场。PLC与工业生产过程的联系是通过输入/输出(I/O)单元来实现的。通过I/O单元可以检测被控生产过程的各种参数，并以这些现场数据作为控制信息对被控对象进行控制。同时通过I/O单元将控制器的处理结果送给被控设备或工业生产过程，从而驱动各种执行机构来实现控制。PLC从现场收集的信息及输出给外部设备的控制信号都需经过一定距离，为了确保这些信息的正确无误，PLC的I/O单元都具有较好的抗干扰能力。根据实际需要，一般情况下，PLC都有许多I/O单元，包括开关量输入单元、开关量输出单元、模拟量输入单元、模拟量输出单元以及其
43、他一些特殊模块。1)开关量输入单元开关量输入/输出单元通过标准的输入/输出接口从传感器和开关(如按钮、限位开关等)及控制设备(如指示灯、报警器、电动机起动器等)接收信号。直流开关量输入电路如图4-2所示，交流开关量输入电路如图4-3所示。在图4-2中，电阻R1和R2构成一个分压器，而R2和电容C组成阻容滤波。双向耦合器T用于隔离输入电路和PLC内部电路，并使外部信号变成内部电路接收的标准信号。可以看到，图4-3中的交流输入电路是与此类似的。图4-2 直流开关量输入电路图4-3 交流开关量输入电路上述电路中使用双向耦合器是为了提高接口电路的抗干扰能力。生产过程中使用的各种开关、按钮、传感器等输入
44、器件是直接接到PLC输入接口电路上的，触点抖动或干扰脉冲会引起错误的输入信号，干扰PLC的正常工作，因此大部分PLC的I/O接口电路利用光电耦合器和滤波电路来抑制干扰。光电耦合器的工作原理是：发光二极管有驱动电流流过时，导通发光，光敏三极管接收到光线，由截止变为导通，将输入信号送入PLC内部。光电耦合器中的发光二极管是电流驱动元件，要有足够的能量才能驱动。干扰信号虽然有的电压值很高，但能量较小，不能使发光二极管导通发光，所以不能进入PLC内，实现了电隔离。滤波电路最常用的是电阻电容滤波。有些PLC还在接口电路中设置了消除较大瞬态过电压的浪涌保护电路。2)开关量输出单元开关量输出单元的作用是把P
45、LC内部信号转换成现场执行机构的各种开关信号。按现场执行机构使用的电源类型的不同，开关量输出单元一般可分为直流输出单元(晶体管输出方式或继电器输出方式)和交流输出单元(晶闸管输出方式或继电器输出方式)。如图4-4所示为继电器输出电路，其中继电器是作为开关器件，同时又是隔离器件。当PLC输出一个信号时，内部电路使继电器线圈通电，同时点亮LED，通电线圈使继电器触点闭合，从而使负载回路接通得电。图4-4 继电器输出电路3)模拟量输入单元模拟量输入/输出接口一般用来感知传感器产生的信号。这些接口可用于测量流量、温度和压力，并可用于控制电压或电流输出设备。这些接口的典型量程为-10+10 V、0+10
46、 V、420 mA或1050 mA。如图4-5所示是模拟量输入单元框图，输入信号首先进行滤波，然后进入A/D转换器，模拟信号转换为数字信号后，再经光电耦合隔离器进入PLC内部回路。根据A/D转换器的量化精度不同，一般把模拟输入单元分为8位、10位、12位和14位。图4-5 模拟量输入单元框图4)模拟量输出单元模拟量输出单元的作用是将PLC中的数字信号转换为模拟量信号输出，一般是420 mA(或010 mA)的电流信号或010 V的电压信号，如图4-6所示。其处理过程与模拟量输入单元相反，PLC输出的数字量信号由内部回路送至光电耦合隔离器，光电耦合隔离器的输出端会将相应的信号输出至D/A转换器，
47、转换后的模拟信号经由放大器等元件处理，输出驱动执行部件。和模拟量输入单元一样，模拟量输出单元也可根据D/A转换器的分辨率区分为8位、10位、12位和14位。图4-6 模拟量输出单元框图5)输入/输出扩展单元可编程控制器利用I/O扩展单元可实现I/O扩展单元与PLC的基本单元的连接，当基本I/O单元的输入或输出点数不够使用时，可以用I/O扩展单元来扩充开关量的I/O点数和增加模拟量的I/O端子。4.外设接口外设接口外设接口电路用于连接手持式编程器或其他图形编程器、文本显示器，并能通过外设接口组成PLC的控制网络，实现编程、监控、联网等功能。为满足更加复杂控制功能的需要，PLC还配有多种智能I/O
48、接口，例如满足位置控制需要的位置闭环控制模块、可进行高速脉冲计数的高速计数模块等。这些智能模块一般自身都带有处理器系统。网络在自动化系统集成工程中的重要性越来越显著，多数PLC具有通信联网的功能，它使PLC与PLC 之间、PLC与上位计算机以及其他智能设备之间能够交换信息，形成一个统一的整体，实现分散集中控制。以往很多PLC支持RS-232协议下的通信，还有一些内置有支持各自通信协议的接口，现在，PLC的通信主要采用现场总线、光纤或工业以太网进行联网。5.电源电源电源单元的作用是把外部电源(通常是220 V的交流电源)转换成内部工作电压。外部连接的电源，通过PLC内部配有的一个专用开关式稳压电
49、源，将交流/直流供电电源转化为PLC内部电路需要的工作电源(直流5 V、12 V、24 V)，并为外部输入元件(如接近开关)提供24 V直流电源(仅供输入端点使用)。驱动PLC负载的电源由用户提供。电源部件的位置有多种，对于整体式PLC，电源通常封装在机箱内部；对于模块式PLC，有的采用单独的电源模块，有的将电源与CPU封装到一个模块中。6.编程器编程器编程器是PLC开发应用、监测运行、检查维护的重要器件，用于编程、对系统作一些设定、监控PLC及PLC所控制的系统的工作状况，但它不直接参与现场控制运行。编程器分为简易型和智能型两大类。简易型的编程器只能联机编程，而且往往需要将梯形图语言编制的程
50、序转化为指令表语言后，才能输入。它一般由简易键盘和发光二极管或其他显示器件组成。智能型的编程器又称为图形编程器，它可以联机编程，也可以脱机编程，一般用LCD(液晶显示器)或CRT(阴极射线管)显示器作为显示器件，适用于大中型PLC，除可用于编制和输入程序外，还可编辑和打印程序文本。除专用编程器外，目前很多PLC厂商还提供编程软件，使得用户可以在PC上进行编程，并通过专用电缆将编译好的程序下载到PLC上。在PLC上电运行时，用户可以在PC上实时监控PLC上的各种变量、参数，还可以在线修改数据和变量值。这使编程和调试工作的效率大大提高。例如西门子(SIEMENS)的STEP 7，就是针对其S7-3
