第二章PLC系统内部结构

1、1 第第2 2章章 PLCPLC系统内部结构系统内部结构 目目 标：标： 描述数据处理计算机和过程控制计算机的异同。描述数据处理计算机和过程控制计算机的异同。 列出和定义列出和定义PLC CPUPLC CPU各主要组成部分的功能。各主要组成部分的功能。 列出和描述列出和描述PLC CPUPLC CPU中固态内存的类型。中固态内存的类型。 描述典型输入模块的操作过程。描述典型输入模块的操作过程。 描述典型输出模块的操作过程。描述典型输出模块的操作过程。 2 2.1 2.1 概述概述 本章我们来看看本章我们来看看PLCPLC的内部结构，探讨其内部操作的内部结构，探讨其内部操作 原理。原理。 在本章

2、的第一部分，我们讨论的在本章的第一部分，我们讨论的PLCPLC是作为过程控是作为过程控 制计算机来使用的。在本章的第二部分，将介绍制计算机来使用的。在本章的第二部分，将介绍PLCPLC系系 统的统的4 4个主要组成部分，讨论非永久性和永久性的固态个主要组成部分，讨论非永久性和永久性的固态 内存，并介绍处理器的组成及其工作原理，分析离散内存，并介绍处理器的组成及其工作原理，分析离散 输入输出模块的结构，看看它是怎样将传感器、执行输入输出模块的结构，看看它是怎样将传感器、执行 器与器与PLCPLC联系起来的。最后将介绍能提供驱动联系起来的。最后将介绍能提供驱动PLCPLC所需所需 的的DCDC（直

3、流电）的电源供应系统。了解（直流电）的电源供应系统。了解PLCPLC内部结构将内部结构将 有助于读者提高对后续主题的理解能力。有助于读者提高对后续主题的理解能力。 3 2.2 2.2 作为计算机的作为计算机的PLCPLC PLCPLC是一台计算机，但它可能平时见到的计算机的形是一台计算机，但它可能平时见到的计算机的形 式不同。大部分人熟悉数据处理计算机，特别是微型计式不同。大部分人熟悉数据处理计算机，特别是微型计 算机。这些机器放在桌子或膝盖上，有很强的系统软件算机。这些机器放在桌子或膝盖上，有很强的系统软件 和应用软件支持，可以玩游戏、打字、画和应用软件支持，可以玩游戏、打字、画CADCAD

4、图等。这种图等。这种 计算机能处理大量的数据，这就是人们称之为数据处理计算机能处理大量的数据，这就是人们称之为数据处理 机的原因。机的原因。 其外围输入设备其外围输入设备 是键盘、光笔和鼠是键盘、光笔和鼠 标，外围输出设标，外围输出设 备有视频显示终端、备有视频显示终端、 打印机和绘图仪等。打印机和绘图仪等。 有另一种形式的计算机称为过程处理计算机。有另一种形式的计算机称为过程处理计算机。 尽管它能处理数据，但其主要功能是控制加工制造尽管它能处理数据，但其主要功能是控制加工制造 和工业处理过程（如机械、机器人和组装线等）。和工业处理过程（如机械、机器人和组装线等）。 这种计算机基于事件驱动。虽

5、然它有外围键盘输入，这种计算机基于事件驱动。虽然它有外围键盘输入， 但其输入信号主要是开关信号和传感器信号。但其输入信号主要是开关信号和传感器信号。 而它的外围而它的外围 输出设备，虽然输出设备，虽然 也有视频显示终也有视频显示终 端、打印机等，端、打印机等， 但该过程控制计但该过程控制计 算机主要用于控算机主要用于控 制设备，如电机、制设备，如电机、 电磁阀、电灯等。电磁阀、电灯等。 PLCPLC系统是一种过程控制计算机：它小巧，相系统是一种过程控制计算机：它小巧，相 对便宜，适应环境能力强，并且易于编程、操作、对便宜，适应环境能力强，并且易于编程、操作、 维护和维修。它一般安装在机器或控制

6、流程附近，维护和维修。它一般安装在机器或控制流程附近， 因此把它看成是工业设备的扩展。因此把它看成是工业设备的扩展。 6 2.3 2.3 中央处理器中央处理器 在小型在小型PLCPLC系统中，处理器、固态内存、系统中，处理器、固态内存、I/OI/O 模块和电源都放在一个紧凑的单元中。编程设备模块和电源都放在一个紧凑的单元中。编程设备 通常是便携式的，由键盘和液晶显示器（通常是便携式的，由键盘和液晶显示器（LCDLCD）组）组 成，与主要部件分离，但可通过电缆相连。在大成，与主要部件分离，但可通过电缆相连。在大 型型PLCPLC系统中，处理器和内存在一个单元中，电源系统中，处理器和内存在一个单元

7、中，电源 在第二个单元，在第二个单元，I/OI/O模块在另一个单元。当然，编模块在另一个单元。当然，编 程设备可以是计算机（程设备可以是计算机（PCPC），它独立工作，通过），它独立工作，通过 电缆与其他设备相连。电缆与其他设备相连。 无论无论PLCPLC的规模如何，处理器和内存都在同一个单元中。的规模如何，处理器和内存都在同一个单元中。 该单元称为中央处理器（该单元称为中央处理器（CPUCPU）。在较大的）。在较大的PLCPLC系统中，系统中，CPUCPU只只 包括处理器和内存。在小型的包括处理器和内存。在小型的PLCPLC系统中，系统中，CPUCPU还包括还包括I/OI/O模块模块 和电源

8、。和电源。 输出模块输出模块 外围设备：打外围设备：打 印机等印机等 监视器监视器 输入指输入指 令：键盘令：键盘 输入模块输入模块ACAC电源电源 电源供应电源供应 处理器处理器 电池电池 备用电源备用电源 可变内存可变内存 逻辑逻辑 编辑编辑 监控监控 通信通信 只读存储器（只读存储器（ROMROM） 图表图表 数据数据 功能状态功能状态 I/O I/O状态状态 “擦写板擦写板” 随机读写内存（随机读写内存（RAMRAM） 逻辑逻辑 时钟时钟 固态内存固态内存 固态内固态内 存含有操存含有操 作系统程作系统程 序，与序，与PCPC 的的DOSDOS程程 序一样，序一样， 此程序不此程序不

9、能更改和能更改和 删除。删除。 非永非永 久性久性 内存内存 8 在在2.32.3节，我们讨论了节，我们讨论了ROMROM和和RAMRAM集成芯片的使用。用集成芯片的使用。用 在在PLC CPUPLC CPU中的固态内存的其他主要类型有中的固态内存的其他主要类型有PROMPROM、EPROMEPROM、 EEPROMEEPROM和和NOVRAMNOVRAM。图。图2.42.4列出了这些芯片的主要特性。列出了这些芯片的主要特性。 2.4 2.4 固态内存固态内存 芯片类型芯片类型 固定固定 (F)(F) 或或 可变可变 (A)(A) 应用应用可擦除性可擦除性 ROMROM RAMRAM PROM

10、PROM EPROMEPROM EEPROMEEPROM NOVRAMNOVRAM F F A A F F A A A A A A 固定的程序固定的程序 用户程序用户程序 用户程序用户程序 用户程序用户程序 用户程序用户程序 用户程序用户程序 无无 无无 无无 紫外线紫外线 电信号电信号 电信号电信号 可编程只读存储器（可编程只读存储器（PROMPROM）与）与ROMROM类似，但用类似，但用 户户/ /程序员只能编程一次。程序员只能编程一次。PROMPROM很少使用，因为它很少使用，因为它 需要特殊的编程电路。然而，它的优点是可作为需要特殊的编程电路。然而，它的优点是可作为 ROMROM中程

11、序的固定备份。中程序的固定备份。 可删除可编程只读存储器（可删除可编程只读存储器（EPROMEPROM）是可擦除的）是可擦除的 PROMPROM。通过将。通过将EPROMEPROM的顶部窗口暴露在紫外线中几的顶部窗口暴露在紫外线中几 分钟，即可删除其内部程序。分钟，即可删除其内部程序。EPROMEPROM也称也称UVPROMUVPROM。 EPROMEPROM的优点是可以重复使用。然而它有两个主的优点是可以重复使用。然而它有两个主 要缺点，一是重编程需要耗费一定的时间。第二个要缺点，一是重编程需要耗费一定的时间。第二个 缺点是当缺点是当EPROMEPROM暴露在紫外线中时，所有内存地址暴露在紫

12、外线中时，所有内存地址 中的内容将被擦除。即使只有中的内容将被擦除。即使只有1-21-2个内存地址的内个内存地址的内 容需要更新，容需要更新，EPROMEPROM也需要对全部内存地址进行重也需要对全部内存地址进行重 编程。编程。 电可删除可编程只读存储器（电可删除可编程只读存储器（EEPROMEEPROM）类似于）类似于 EPROMEPROM。它不是通过紫外光照射来删除程序，而是。它不是通过紫外光照射来删除程序，而是 在芯片中加入电信号进行删除处理。与在芯片中加入电信号进行删除处理。与EPROMEPROM相比，相比， EEPROMEEPROM的优点是复位和删除程序方便、快速。当的优点是复位和删

13、除程序方便、快速。当 你不想对芯片内存的每一部分都重新编程并希望你不想对芯片内存的每一部分都重新编程并希望 节省时间时，可以用节省时间时，可以用EEPROMEEPROM来替代来替代RAMRAM。现在，。现在， EEPROMEEPROM已成为存储、备份或转移已成为存储、备份或转移PLCPLC程序的存储器程序的存储器 之一。之一。 永久随机存储器（永久随机存储器（NOVRAMNOVRAM）是组合芯片，它）是组合芯片，它 是是EEPROMEEPROM和和RAMRAM的组合体。当电源即将断电时，的组合体。当电源即将断电时， RAMRAM中的内容会很快存入中的内容会很快存入EEPROMEEPROM。当电

14、源恢复时，。当电源恢复时， 被存储的数据可以读入到被存储的数据可以读入到RAMRAM中。中。NOVRAMNOVRAM芯片具有芯片具有 RAMRAM的灵活性以及的灵活性以及EEPROMEEPROM的永久性。的永久性。 无论是永久性的还是非永久性的，固态内存的芯片都按无论是永久性的还是非永久性的，固态内存的芯片都按 照位（或单元）来分类。一个位就是一个照位（或单元）来分类。一个位就是一个0 0或或1 1（低或高电（低或高电 压）。各个单元根据插槽来确定，通常是压）。各个单元根据插槽来确定，通常是8 8位或位或1616位宽度。位宽度。 将位进行组合，就成为字，将位进行组合，就成为字，8 8位称为位称

15、为1 1个字节。两个字节常常个字节。两个字节常常 相邻放置，形成相邻放置，形成1616位字。目前，位字。目前，PLCPLC系统有系统有1-256 KB1-256 KB的固态的固态 内存，大部分是内存，大部分是RAMRAM。 地址地址 00000000 00010001 00020002 00030003 00040004 00050005 7 76 65 54 43 32 21 10 0 位位 10181018 10191019 10201020 10211021 10221022 10231023 1 1字节字节 (a)(a)1024 1024 1 1字节字节 地址地址 00000000 0

16、0010001 00020002 00030003 00040004 00050005 7 76 65 54 43 32 21 10 0 位位 10181018 10191019 10201020 10211021 10221022 10231023 2 2字节字节 (b)(b)1024 1024 2 2字节字节 1515 1414 1313 1212 1111 10109 98 8 显然，当要控制的过程越多，所需的显然，当要控制的过程越多，所需的 PLCPLC存储容量就越大。对于一个控制过程，存储容量就越大。对于一个控制过程， 模拟控制比离散控制所需的内存量要大。模拟控制比离散控制所需的内存

17、量要大。 随着内存容量的增大，随着内存容量的增大，CPUCPU单元的费用也会单元的费用也会 增加。增加。 当一个工程项目需要用到当一个工程项目需要用到PLCPLC时，时，PLCPLC 所需内存取决于输入点的数量、输出点的所需内存取决于输入点的数量、输出点的 数量以及控制梯形图的复杂性。数量以及控制梯形图的复杂性。PLCPLC的重要的重要 性能指标之一是内存的可扩展性。一些性能指标之一是内存的可扩展性。一些PLCPLC 没有内存扩展能力，如果有大的工程项目没有内存扩展能力，如果有大的工程项目 需要更多的内存时，则必须彻底更换需要更多的内存时，则必须彻底更换PLCPLC。 建议在购买建议在购买PL

18、CPLC时，考虑一下内存扩展性。时，考虑一下内存扩展性。 固态内存在固态内存在PLCPLC中是怎样组织的呢？要回答中是怎样组织的呢？要回答 这个问题，需要画出某一类型这个问题，需要画出某一类型PLCPLC的内存图，这的内存图，这 种图与图种图与图2.62.6类似。它可以分成两类：类似。它可以分成两类：用户内存用户内存 和数据存储内存和数据存储内存。前者包含逻辑梯形图，后者存。前者包含逻辑梯形图，后者存 储执行用户程序所需的信息，这些信息包括离散储执行用户程序所需的信息，这些信息包括离散 输入输出设备的状态、计数器和时钟的预设定值输入输出设备的状态、计数器和时钟的预设定值 和累加值、数字值、时序

19、模式、内部和累加值、数字值、时序模式、内部I/OI/O延时等。延时等。 用户内存占整个内存的大部分，一般是用户内存占整个内存的大部分，一般是75%75%或更或更 多。一个多。一个16 KB16 KB的的PLCPLC通常要为逻辑梯形图分配通常要为逻辑梯形图分配12 12 KBKB或更多的存储空间，数据存储只占或更多的存储空间，数据存储只占4 KB4 KB或更少。或更少。 1717 1616 1515 1414 1313 1212 1111 1010 0707 0606 0505 0404 0303 0202 0101 0000 比特地址比特地址 8 8位地址位地址 110110 117117 1

20、20120 127127 130130 157157 160160 217217 220220 227227 用户内存（梯用户内存（梯 形逻辑程序）形逻辑程序） 输入映像状态输入映像状态 输出映像状态输出映像状态 定时器状态定时器状态 计数器状态计数器状态 数字数据数字数据 其他功能其他功能 存储存储 内存内存 图图2.6 2.6 内存映射内存映射 存储离散状态、存储离散状态、 实时输入实时输入 存储输出的二进存储输出的二进 制数制数 定时器状态、累定时器状态、累 积值、预设值积值、预设值 计数器状态、累计数器状态、累 积值、预设值积值、预设值 用于数制系统用于数制系统 转换转换 15 2.5

21、 处理器处理器 决定其处理能力的两个因素：决定其处理能力的两个因素：位数位数和和时钟频率时钟频率。 时钟频率：时钟频率：执行指令的快慢。执行指令的快慢。 时钟频率越高，处理能力越强。时钟频率越高，处理能力越强。 位位 数：数：指一次能处理的位数。指一次能处理的位数。 位数越高，处理能力越强。位数越高，处理能力越强。 1.1.决定因素决定因素 所有的计算机处理器都能执行算法和逻辑操作。所有的计算机处理器都能执行算法和逻辑操作。 微处理器可通过一系列编辑成程序的指令来控制计微处理器可通过一系列编辑成程序的指令来控制计 算机完成某种任务。算机完成某种任务。 16 大部分大部分PLCPLC配置的是低端

22、微处理器。一些小型配置的是低端微处理器。一些小型 PLCPLC通过通过4 MHz4 MHz的的8 8位微处理器进行控制，工作情况位微处理器进行控制，工作情况 很好。很好。 为什么？为什么？ （1 1）性能可靠；）性能可靠； （2 2）有许多现成的并经过调试的处理器程序；）有许多现成的并经过调试的处理器程序； （3 3）大部分受控过程变化缓慢，没有必要配置）大部分受控过程变化缓慢，没有必要配置 高端的微处理器。高端的微处理器。 17 2.2.微处理器组成微处理器组成 微处理器是微处理器是PLC CPUPLC CPU的一部分，它可以的一部分，它可以接收、接收、 分析、处理和发送数据分析、处理和发送

23、数据。 数据以数据以数字脉冲数字脉冲的形式接收和发送。的形式接收和发送。 ROMROM中程序管理中程序管理 PLCPLC的操作的操作 为微处理器的心为微处理器的心 脏脏 19 2.6 I/O模块（接口）模块（接口） 一一. . 输入模块输入模块 主要任务（主要任务（4 4个）：个）： （1 1）检测输入信号的状态。）检测输入信号的状态。 （2 2）将输入信号（高电平或开）转化为相匹配的）将输入信号（高电平或开）转化为相匹配的 直流电。直流电。 （3 3）实现电子隔离。）实现电子隔离。 （4 4）产生可被）产生可被PLC CPUPLC CPU检测到的输出。检测到的输出。 20 PLCPLC输入模

24、块结构图输入模块结构图 21 PLC的输入接口电路（直流输入型）的输入接口电路（直流输入型） 22 二二. . 输出模块输出模块 接收来自接收来自CPUCPU的信号，每扫描一次接收一次。的信号，每扫描一次接收一次。 模块的输出有模块的输出有继电器、继电器、DCDC或或ACAC输出三种方式。输出三种方式。 如果如果CPUCPU信号码与模块分配的编号相匹配，模信号码与模块分配的编号相匹配，模 块就处于导通状态。块就处于导通状态。 在输出扫描过程中，如果没有匹配的信号被在输出扫描过程中，如果没有匹配的信号被 终端接收，终端将不能工作。终端接收，终端将不能工作。 如果模块接受到匹配的如果模块接受到匹配

25、的CPUCPU信号，模块就处于信号，模块就处于 隔离状态，目的是防止不稳定浪涌电压返回到隔离状态，目的是防止不稳定浪涌电压返回到CPUCPU。 23 PLCPLC输出模块结构图输出模块结构图 24 采用光电耦合电路，采用光电耦合电路，将将CPUCPU处理过的信号处理过的信号 转换成现场需要的强电信号输出转换成现场需要的强电信号输出，以驱动接触，以驱动接触 器、电磁阀等外部设备的通断电。器、电磁阀等外部设备的通断电。 开关量输出接口电路开关量输出接口电路 有三种类型：有三种类型： （1 1）继电器输出型）继电器输出型 （2 2）晶闸管输出型）晶闸管输出型 （3 3）晶体管输出型）晶体管输出型 25 有触点输出方式，用于接通或断开开关频有触点输出方式，用于接通或断开开关频 率较低的直流负载或交流负载回路。率较低的直流负载或交流负载回路。 （1 1）继电器输出型）继电器输出型 26 无触点输出方式，用于接通或断开开无触点输出方式，用于接通或断开开 关频率较