可編程控制器的構(gòu)成原理與應用(下)(已修改)

　

【正文】 第 4章 可編程控制器的結(jié)構(gòu)和工作原理 第 4章 可編程控制器的結(jié)構(gòu)和工作原理 返回總目錄 第 4章 可編程控制器的結(jié)構(gòu)和工作原理 PLC的產(chǎn)品型號很多，發(fā)展非常迅速，應用日益廣泛，不同的產(chǎn)品在硬件結(jié)構(gòu)、資源配置和指令系統(tǒng)等方面各不相同。但從總體來看，不同廠商的PLC在硬件結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)等方面大同小異。對于初學者而言，只要熟悉一種 PLC的組成和指令系統(tǒng)，在涉及其他 PLC時就可以做到觸類旁通，舉一反三。本章主要介紹 PLC的硬件組成、工作原理和系統(tǒng)資源配置等內(nèi)容。 第 4章 可編程控制器的結(jié)構(gòu)和工作原理 本章內(nèi)容 ● 可編程控制器的基本結(jié)構(gòu) ● 可編程控制器的資源與編程語言 ● 可編程控制器的工作原理 ● 思考題與習題 第 4章 可編程控制器的結(jié)構(gòu)和工作原理 可編程控制器的基本結(jié)構(gòu) PLC從組成形式上一般分為整體式和模塊式兩種，但在邏輯結(jié)構(gòu)上基本上相同。整體式 PLC一般由 CPU板、 I/O板、顯示面板、內(nèi)存和電源等組成，一般按 PLC性能又分為若干型號，并按 I/O點數(shù)分為若干規(guī)格。模塊式 PLC一般由CPU模塊、 I/O模塊、內(nèi)存模塊、電源模塊、底板或機架等組成。無論哪種結(jié)構(gòu)類型的 PLC，都屬于總線式的開放結(jié)構(gòu)，其 I/O能力可根據(jù)用戶需要進行擴展與組合。 PLC的組成如圖 。 C P U 存儲器 電源 輸入單元 輸出單元 編程器或其他設備 按鈕 接觸器 電磁閥 指示燈 行程開關 繼電器觸點 圖 PLC的組成 第 4章 可編程控制器的結(jié)構(gòu)和工作原理 CPU(中央處理器 ) 與通用計算機中的 CPU一樣， PLC中 CPU也是整個系統(tǒng)的核心部件，主要由運算器、控制器、寄存器及實現(xiàn)它們之間聯(lián)系的地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線構(gòu)成。此外還有外圍芯片、總線接口及有關電路。 CPU在很大程度上決定了 PLC的整體性能，如整個系統(tǒng)的控制規(guī)模、工作速度和內(nèi)存容量等。 CPU中的控制器控制 PLC工作，由它讀取指令，解釋并執(zhí)行指令。工作的時序 (節(jié)奏 )則由振蕩信號控制。 CPU中的運算器用于完成算術(shù)或邏輯運算，在控制器的指揮下工作。 CPU中的寄存器參與運算，并存儲運算的中間結(jié)果。它也是在控制器的指揮下工作。 作為 PLC的核心， CPU的功能主要包括以下幾個方面。 (1) CPU接收從編程器或計算機輸入的程序和數(shù)據(jù)，并送入用戶程序存儲器中存儲。 (2) 監(jiān)視電源、 PLC內(nèi)部各個單元電路的工作狀態(tài)。 (3) 診斷編程過程中的語法錯誤，對用戶程序進行編譯。 (4) 在 PLC進入運行狀態(tài)后，從用戶程序存儲器中逐條讀取指令，并分析、執(zhí)行該指令。 (5) 采集由現(xiàn)場輸入裝置送來的數(shù)據(jù)，并存入指定的寄存器中。 可編程控制器的基本結(jié)構(gòu) 第 4章 可編程控制器的結(jié)構(gòu)和工作原理 (6) 按程序進行處理，根據(jù)運算結(jié)果，更新有關標志位的狀態(tài)和輸出狀態(tài)或數(shù)據(jù)寄存器的內(nèi)容。 (7) 根據(jù)輸出狀態(tài)或數(shù)據(jù)寄存器的有關內(nèi)容，將結(jié)果送到輸出接口。 (8) 響應中斷和各種外圍設備 (如編程器、打印機等 )的任務處理請求。 當 PLC處于運行狀態(tài)時，首先以掃描的方式接收現(xiàn)場各輸入裝置的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并分別存入相應的輸入緩沖區(qū)。然后從用戶程序存儲器中逐條讀取用戶程序，經(jīng)過命令解釋后，按指令的規(guī)定執(zhí)行邏輯或數(shù)據(jù)運算，將運算結(jié)果送入相應的輸出緩沖區(qū)或數(shù)據(jù)寄存器內(nèi)。等所有的用戶程序執(zhí)行完畢之后，最后將I/O緩沖區(qū)的各輸出狀態(tài)或輸出寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)傳送到相應的輸出裝置。如此循環(huán)運行，直到 PLC處于編程狀態(tài)，用戶程序停止運行。 CPU模塊的外部表現(xiàn)就是具有工作狀態(tài)的顯示、各種接口及設定或控制開關。 CPU模塊一般都有相應的狀態(tài)指示燈，如電源指示、運行指示、輸入 /輸出指示和故障指示等。箱體式 PLC的面板上也有這些顯示。總線接口用于連接 I/O模塊或特殊功能模塊，內(nèi)存接口用于安裝存儲器，外設接口用于連接編程器等外部設備，通信接口則用于通信。此外， CPU模塊上還有許多設定開關，用以對 PLC進行設定，如設定工作方式和內(nèi)存區(qū)等。 為了進一步提高 PLC的可靠性，近年來對大型 PLC還采用雙 CPU構(gòu)成冗余系統(tǒng)，或采用 3CPU的表決式系統(tǒng)。這樣，即使某個 CPU出現(xiàn)故障，整個系統(tǒng)仍能正常運行。 可編程控制器的基本結(jié)構(gòu) 第 4章 可編程控制器的結(jié)構(gòu)和工作原理 存儲器 存儲器 (內(nèi)存 )主要用于存儲程序及數(shù)據(jù)，是 PLC不可缺少的組成單元。PLC中的存儲器一般包括系統(tǒng)程序存儲器和用戶程序存儲器兩部分。系統(tǒng)程序存儲器用于存儲整個系統(tǒng)的監(jiān)控程序，一般采用只讀存儲器 (Read Only Memory， ROM)，具有掉電不丟失信息的特性。用戶程序存儲器用于存儲用戶根據(jù)工藝要求或控制功能設計的控制程序，早期一般采用隨機讀寫存儲器(Random Access Memory， RAM)，需要后備電池在掉電后保存程序。目前則傾向于采用電可擦除的只讀存儲器 (Electrical Erasable Programmable Read Only Memory， EEPROM或 E2PROM)或閃存 (Flash Memory)，免去了后備電池的麻煩。有些 PLC的存儲器容量固定，不能擴展，多數(shù) PLC則可以擴展存儲器。 1. PLC常用的存儲器類型 (1) RAM是一種讀 /寫存儲器 (隨機存儲器 )，存取速度最快，但掉電后信息就丟失，需要鋰電池作為后備電源。 (2) EPROM(Erasable Programmable Read Only Memory)是一種可擦除的只讀存儲器。在斷電情況下，存儲器內(nèi)的所有內(nèi)容保持不變。在紫外線連續(xù)照射下 (約 20分鐘 )可擦除存儲器原來的內(nèi)容，然后可以重新寫入。由于 EPROM擦寫不方便，目前已逐漸被 EEPROM所取代。 可編程控制器的基本結(jié)構(gòu) 第 4章 可編程控制器的結(jié)構(gòu)和工作原理 (3) EEPROM是一種電可擦除的只讀存儲器，擦除時間很短，不需要專用的擦除設備。使用編程器可以很方便地對其中所存儲的內(nèi)容進行修改。 2. PLC中存儲空間的分配 雖然各種 PLC的 CPU的最大尋址空間各不相同，但是根據(jù) PLC的工作原理，其存儲空間一般包括系統(tǒng)程序存儲區(qū)、系統(tǒng) RAM存儲區(qū) (包括 I/O緩沖區(qū)和系統(tǒng)軟元件等 )和用戶程序存儲區(qū) 3個部分。 1) 系統(tǒng)程序存儲區(qū) 系統(tǒng)程序存儲區(qū)中存放著相當于計算機操作系統(tǒng)的系統(tǒng)程序，包括監(jiān)控程序、管理程序、命令解釋程序、功能子程序、系統(tǒng)診斷子程序等，由制造商將其固化在 ROM中，用戶不能直接存取。它和硬件一起決定了 PLC的性能。 2) 系統(tǒng) RAM存儲區(qū) 系統(tǒng) RAM存儲區(qū)包括 I/O緩沖區(qū)以及各類軟元件，如工作寄存器、內(nèi)部繼電器、定時器、計數(shù)器、數(shù)據(jù)寄存器、變址寄存器等。 (1) I/O緩沖區(qū) 由于 PLC投入到運行狀態(tài)后，只是在輸入采樣階段才依次讀入各個輸入信號的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，在輸出刷新階段才將輸出的狀態(tài)和數(shù)據(jù)送至相應的外設。因此，它需要一定數(shù)量的存儲單元 (RAM)來暫時存