DQZHAN技術(shù)訊：可編程控制器的硬件系統(tǒng)組成

可編程控制器的構(gòu)成框圖和計(jì)算機(jī)是一樣的，都由中央處理器（CPU）、存貯器和輸入/輸出接口等構(gòu)成。因此，從硬件結(jié)構(gòu)來說，可編程控制器實(shí)際上就是計(jì)算機(jī)，圖1是其硬件系統(tǒng)的簡化框圖。從圖中可以看出PLC內(nèi)部主要部件有:

（1）CPU（Central  Process  Unit）

CPU是PLC的核心組成部分，與通用微機(jī)的CPU一樣，它在PLC系統(tǒng)中的作用類似于人體的神經(jīng)**，故稱為“電腦”。其功能是：

a、按PLC中系統(tǒng)程序賦予的功能，接收并存儲從編程器輸入的用戶程序和數(shù)據(jù)。

b、用掃描方式接收現(xiàn)場輸入裝置的狀態(tài)式數(shù)據(jù)，并存入映象寄存器或數(shù)據(jù)寄存器中。

c、診斷電源、PLC內(nèi)部電路的工作狀態(tài)和編程過程中的語法錯(cuò)誤。

d、在PLC進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)后，從存儲器中逐條讀取用戶程序，經(jīng)過命令解釋后按指令規(guī)定的任務(wù)，產(chǎn)生相應(yīng)的信號，去啟閉有關(guān)控制門電路。分時(shí)分渠道地去執(zhí)行數(shù)據(jù)的存取、傳送、組合、比較和變換等操作，完成用戶程序中規(guī)定的邏輯式算術(shù)運(yùn)算等任務(wù)。根據(jù)運(yùn)算結(jié)果，更新有關(guān)標(biāo)志位的狀態(tài)和輸出映象寄存器的內(nèi)容，再由輸出映象寄存器的位狀態(tài)式數(shù)據(jù)寄存器的有關(guān)內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)輸出控制、制表、打印式數(shù)據(jù)通訊等。

PLC常用的CPU主要采用通用微處理器、單片機(jī)或雙極型位片式微處理器。通用的微處理器常用的是8位機(jī)和16位機(jī)，如Z80A、8085、8086、6502、M6800、M6809、M68000等。單片機(jī)常用的有8039、8049、8031、8051等。雙極型位片式微處理器常用的有AMD2900、AMD2903等。

①用通用微處理器作CPU

在低檔PLC中，用Z80A做CPU較為普遍，Z80A用于PLC有如下長處： Z80（或Z80A）CPU及其配套的芯片廉價(jià)、普及、通用，用這套芯片制成的PC，給維修及推廣普及帶來方便。Z80有獨(dú)立的輸入/輸出指令,而且指令格式較短，執(zhí)行時(shí)間也較短，這樣有利于掃描周期的縮短。Z80輸入/輸出指令格式較短，相應(yīng)的輸入/輸出設(shè)備編碼也較短，所以相應(yīng)的譯碼硬件器較簡單。由于Z80的信息是采用輸入/輸出映射方式，因而設(shè)計(jì)流程序時(shí)，對輸入/輸出與存儲器尋址容易區(qū)別。

②用單片機(jī)作CPU

自從1974年出現(xiàn)單片機(jī)以來，已有不少產(chǎn)品采用單片機(jī)做可編程序控制器。日本三菱F系列PLC就采用美國INTEL公司MES－48系列的單片機(jī)8049和8039做處理器，8039單片機(jī)在一塊片子上集成了8位的CPU，128×8的數(shù)據(jù)存儲器。27條輸入/輸出線，T0、T1、INT測試線及8位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，時(shí)鐘振蕩電路等。

自80年代以來，出現(xiàn)了集成度更高。功能更強(qiáng)，并帶有“布爾機(jī)”而又便于作數(shù)據(jù)通信的MCS-51系列單片機(jī)以及功能更高的16位單片機(jī)，大有取代MCS－48系列之勢。日本三菱的F2系列PLC即采用CPU8031。MCS－51系列單片機(jī)是美國INTEL公司在MCS－48單片機(jī)基礎(chǔ)上，于80年代初推出的產(chǎn)品，具有高集成度、高可靠性、高功能、高速度、低價(jià)格等特點(diǎn)。它有三個(gè)代表產(chǎn)品：8051、8751和8031，它們分別有不同的應(yīng)用特性。8051是以4K字節(jié)EPR0M代替4K字節(jié)的R0M的8051； 8031是內(nèi)部無R0M8051。必須外接EPR0M；INTEL公司的96系列的單片機(jī)，字長為16，運(yùn)算速度比51系列更高，這必將為**次的PLC開發(fā)和應(yīng)用帶來美好的遠(yuǎn)景。用單片機(jī)制成的PLC有以下顯著特點(diǎn)：為機(jī)電設(shè)備一體化創(chuàng)造了條件，因?yàn)橛蓡纹瑱C(jī)制成PLC，體積更小。同時(shí)PLC邏輯功能很強(qiáng)，并且具有數(shù)值運(yùn)算和通信接口。

③用位片式微處理器作CPU

位片式微處理器的主要特點(diǎn)是：速度快、靈活性強(qiáng)、效率高等特點(diǎn)?？梢赃M(jìn)行“級聯(lián)”，易于“流水線”操作。

（2）系統(tǒng)程序存儲器

< 　　它用以存放系統(tǒng)工作程序（監(jiān)控程序）、模塊化應(yīng)用功能子程序、命令解釋功能子程序的調(diào)用管理程序，以及對應(yīng)定義（I/0、內(nèi)部繼電器、計(jì)時(shí)器、計(jì)數(shù)器、移位寄存器等存儲系統(tǒng)）參數(shù)等功能。

（3）用戶存儲器

用以存放用戶程序即存放通過編程器輸入的用戶程序。PLC的用戶存儲器通常以字（16位/字）為單位來表示存儲容量。同時(shí)，由于前面所說的系統(tǒng)程序直接關(guān)系到PLC的性能，不能由用戶直接存取。因而通常PLC產(chǎn)品資料中所指的存儲器型式或存儲方式及容量，是對用戶程序存儲器而言。

常用的用戶存儲方式及容量型式或存儲方式有CM0SRAM，EPR0M和EEPR0M。信息儲存常用盒式磁帶和磁盤。

CM0SRAM存儲器是一種中高密度、低功能、價(jià)格便宜的半導(dǎo)體存儲器，可用鋰電池作為備用電源。一旦交流電源停電，用鋰電池來維持供電，可保存RAM內(nèi)停電前的數(shù)據(jù)。鋰電池壽命一般為1―5年左右。

EPR0M存儲器是一種常的只讀存儲器，定入時(shí)加高電平，擦除時(shí)用紫外線照射。PLC通過寫入器可將RAM區(qū)的用戶程序固化到R0M盒中的EPR0M中去。在PLC機(jī)中插入R0M盒，PLC則執(zhí)行R0M盒中用戶程序；反之，不插上R0M盒，PLC則執(zhí)行RAM區(qū)用戶程序。

EEPR0M存儲器是一種可用電改寫的只讀存儲器。

（4）輸入輸出組件（I/0模塊）

I/0模塊是CPU與現(xiàn)場I/0裝置或其它外部設(shè)備之間的連接部件。PLC提供了各種操作電平與驅(qū)動(dòng)能力的I/0模塊和各種用途的I/0組件供用戶選用。如輸入/輸出電平轉(zhuǎn)換、電氣隔離、串/并行轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)、誤碼較驗(yàn)、A/D或D/A轉(zhuǎn)換以及其它功能模塊等。I/0模塊將外界輸入信號變成CPU能接受的信號，或?qū)PU的輸出信號變成需要的控制信號去驅(qū)動(dòng)控制對象（包括開關(guān)量和模擬量），以確保整個(gè)系統(tǒng)正常工作。

輸入的開關(guān)量信號接在IN端和0V端之間，PLC內(nèi)部提供24V電源，輸入信號通過光電隔離，通過R/C濾波進(jìn)入CPU控制板，CPU發(fā)出輸出信號至輸出端。PLC輸出有三種型式：繼電器方式、晶體管方式和晶閘管方式。

（5）編程器

編程器是用于用戶程序的編制、編輯、調(diào)試檢查和監(jiān)視等。還可以通過其鍵盤去調(diào)用和顯示PLC的一些內(nèi)部狀態(tài)和系統(tǒng)參數(shù)。它通過通訊端口與CPU聯(lián)系，完**機(jī)對話連接。編程器上有供編程用的各種功能鍵和顯示燈以及編程、監(jiān)控轉(zhuǎn)換開關(guān)。編程器的鍵盤采用梯形圖語言鍵符式命令語言助記符，也可以采用軟件指定的功能鍵符，通過屏幕對話方式進(jìn)行編程。

編程器分為簡易型和智能型兩類。前者只能連機(jī)編程，而后者既可連機(jī)編程又可脫機(jī)編程。同時(shí)前者輸入梯形圖的語言鍵符，后者可以直接輸入梯形圖。根據(jù)不同檔次的PLC產(chǎn)品選配相應(yīng)的編程器。

（6）外部設(shè)備

一般PLC都配有盒式錄音機(jī)、打印機(jī)、EPR0M寫入器、高分辨率屏幕彩**形監(jiān)控系統(tǒng)等外部設(shè)備。

（7）電源

根據(jù)PLC的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，它對電源并無特別要求，可使用一般工業(yè)電源。