PLC的硬件

    PLC的硬件主要由中央处理器(CPU)、存储器、输入单元、输出单元、通信接口、扩展接口电源等部分组成。其中，CPU是PLC的核心，输入单元与输出单元是连接现场输入／输出设备与CPU之间的接口电路，通信接口用于与编程器、上位计算机等外设连接。PLC的硬件结构主要指其结构框架硬件的主要组成，其结构框图如图2-7所示。    PLC的内部采用总线结构进行数据和指令的传输。外部的各种信号送入PLC的输入接口，在PLC内部进行逻辑运算或数据处理，最后以输出变量的形式经输出接口，驱动输出设备进行各种控制。硬件连接图如图2-8所示，电路接线图如图2-9所示。    尽管各种PLC的结构不太一样，但各部分的功能作用是相同的，下面对PLC主要组成各部分进行简单介绍。
    图2-7    PLC结构框图
    图2-8    PLC的硬件连接图
    图2-9    电路接线图    (1)中央处理单元(CPU)    CPU即中央处理器，是PLC的核心和控制指挥中心，它在系统程序的控制下，完成逻辑运算、数学运算、协调系统内部各部分工作等任务。    1) CPU的主要功能有：接收输入信号并存人存储器，读出指令，执行指令将结果输出，处理中断请求，准备下一条指令。    在系统程序的控制下，①诊断电源、PLC内部电路工作状态；②接收、诊断并存储从编程器输入的用户程序和数据；③用扫描方式接收现场输入装置的状态或数据，并存入输入映像寄存器或数据寄存器。    在PLC进入运行状态后，①从存储器中逐条读取用户程序；②按指令规定的任务，产生相应的控制信号，去启闭有关控制门电路，分时分渠道地去执行数据的存取、传送、组合、比较和变换等动作；③完成用户程序中规定的逻辑或算术运算等任务。    根据运算结果，更新有关标志位的状态和输出映像寄存器的内容，实现输出控制、制表、打印或数据通信等。    2) PLC采用的CPU -般有三大类：    ①通用微处理器，如80286、80386等。    ②单片机芯片，如8031、8096等。    ③位处理器，如AMD2900、AMD2903等。    (2)存储器    PLC是工业控制计算机，除了硬件以外，还必须有软件才能正常工作。存储器为记忆性部件，用于存放系统程序、用户程序及运算数据的单元。根据存储器在系统中的作用，PLC的存储器可以分为系统程序存储器、用户程序存储器、工作数据存储器。PLC的存储器区域按用途不同，又可分为程序区及数据区。    1)系统程序存储器（ROM区）。系统程序存储器即只读存储器(ROM)，用于储存PLC产品生产厂编写的各种系统工作程序，用户不能更改或调用。用来存放系统工作程序、模块化应用功能子程序、命令解释、功能子程序的调用管理程序以及按对应定义存储各种系统参数（I/O、内部继电器、计时／计数器、数据寄存器等）等功能。只读存储器又分为掩膜只读存储器和电可擦除只读存储器。    系统程序存储器是对整个PLC系统进行调度、管理、监视及服务的程序，控制和完成PLC各种功能。    2)用户程序存储器（RAM区）。用户程序存储器即随机读写存储器(RAM)，其特点是写入与擦除都很容易，但在掉电情况下存储的数据就会丢失。用来储存用户编写的控制程序和用户数据，该区域用户可读可写，可随意增加或删减。在PLC中一般采用锂电池对用户程序进行掉电保护（一般能保持5-10年，经常带负载可保存2-5年）。    用户程序是用户在各自的控制系统中开发的程序。用来存放用户程序及系统运行中产生的临时数据，大都存放在RAM存储器中。使用者可对用户程序进行修改。    (3)输入／输出接口电路    输入／输出接口电路(I/O)是PLC与现场I/O设备相连接的部件，主要是PLC与工业生产现场之间的连接部件。PLC将输入信号转换为CPU能够接收和处理的信号，通过用户程序的运算，把结果通过输出模块输出给执行机构。输入接口用来接受生产过程的各种参数。输出接口用来送出可编程序控制器运算后得出的控制信息，并通过机外的执行机构完成工业现场的各类控制。    生产现场对可编程序控制器接口的要求是：一要有较好的抗干扰能力，二是能满足工业现场各类信号的匹配要求，因此厂家为可编程序控制器设计了不同的接口单元。    由于外部输入设备和输出设备所需的信号电平是多种多样的，而PLC内部CPU的处理的信息只能是标准电平，所以I/O接口要实现转换。I/O接口一般都具有光电隔离和滤波功能，以提高PLC的抗干扰能力。另外，I/O接口上通常还有状态指示，工作状况直观，便于维护。    PLC提供了多种操作电平和驱动能力的I/O接口，有各种各样功能的I/O接口供用户选用。I/O接口的主要类型有数字量（开关量）输入、数字量（开关量）输出、模拟量输入、模拟量输出等。
    图2-10    直流+24V输入端内部接线示意图    1)输入接口电路。输入接口电路的作用是将来自现场设备的输入信号通过电平变换、速度匹配、信号隔离和功率放大，转换成可供CPU处理的标准电平信号。图2-10所示为PLC产品中常见的一种直流输入端内部接线示意图。PLC输入电路中有光隔离器、RC滤波器，用以消除输入抖动和外部噪声干扰。当输入器件被激励时，一次电路中流过电流，输入指示灯亮，光耦合器接通，晶体管从截止状态变为饱和导通状态，这是一个数据输入的过程。+24V端子仍需接24V电源，输入按钮或开关则可直接连在输入端子和COM端之间，电路更为简单。只要程序运行，PLC内部就可以识别输入端子和COM之间的通或断。    ①开关量输入接口，其作用是把现场的开关量信号变成PLC内部处理的标准信号。常用的开关量输入接口按其使用外信号的电源不同有三种类型：直流输入接口、交流输入接口和交／直流输入接口，如图2. 11~图2-13所示。
    图2-11    直流输入电路    作为直流开关输入接口电路，可接入直流80 -150V的电压。若为交流开关信号输入接口电路，可接入交流97 -132V、50 - 60Hz的电压。电路中R1和R2为分压电路，电容C为抗干扰电容，R3为限流电阻，光隔离器起到隔离及耦合的双重作用。    输入接口中都有滤波电路及耦合隔离电路，滤波有抗干扰的作用，耦合有抗干扰及产生标准信号的作用。
    图2-12    交流输入电路
    图2-13    交/直流输入电路    ②模拟量输入接口。其作用是把现场连续变化的模拟量标准电压或电流信号转换成适合PLC内部处理的二进制数字信号。标准信号是指符合国际标准的通用交互用电压电流信号值，如4 - 20mA的直流电流信号、1-10V的直流电压信号等。    工业现场中模拟量信号的变化范围一般是不标准的，在送人模拟量接口时一般都需经过变送处理才能使用。图2-14所示是模拟量输入接口的内部电路框图。模拟量信号输入后一般经运算放大器放大后进行A/D转换，再经光耦合后为PLC提供一定位数的数字量信号。
    图2-14    模拟量输入接口的内部电路框图