PLC在地铁设备中的组成及应用

PLC实质上是一种工业控制计算机，所以它与计算机的组成十分相似，从硬件结构上看，也有中央处理器（CPU）、存储器、输入/输出（I/O）接口等。

1.中央处理器（CPU）单元

与计算机一样，中央处理单元是PLC的主要组成部分，由大规模或超大规模集成电路微处理芯片构成，是系统的控制中枢。它按PLC中系统程序赋予的功能指挥PLC有条不紊地进行工作，它的主要功能是：

（1）接收并存储从编程器键入的用户程序和数据，以扫描方式通过I/O部件接收现场各输入装置的状态或数据，并分别存入输入映像寄存器或数据存储器中。

（2）检查电源、存储器、I/O及警戒定时器的状态，并诊断用户程序的语法错误。

（3）当PLC投入运行时，从用户程序存储器中逐条读取指令，经过命令解释按指令规定的任务进行数据传送、逻辑或算术运算；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；等到所有用户程序扫描执行完毕后，再经输出部件实现输出控制、制表打印或数据通信等功能。

PLC中的中央处理单元多数使用8位到32位字长的单片机。CPU的性能关系到PLC处理控制信号的能力与速度，CPU位数越高，系统处理的信息量越大，运算速度也越快。PLC的功能是随着CPU芯片技术的发展而提高和增强的。

2.存储器单元

PLC的存储器包括系统存储器和用户存储器两部分。

系统存储器用来存放由PLC生产厂家编写的系统程序。系统程序固化在ROM内，用户不能直接更改，它使PLC具有基本的功能，能够完成PLC设计者规定的各项工作。系统程序质量的好坏，很大程度上决定了PLC的性能，其内容主要包括三部分：

第一部分为系统管理程序。它主要控制PLC的运行，使整个PLC按部就班地工作。

第二部分为用户指令解释程序。通过用户指令解释程序，将PLC的编程语言变为机器语言指令，再由CPU执行这些指令。

第三部分为标准程序模块与系统调用。它包括许多不同功能的子程序及其调用管理程序，如完成输入、输出及特殊运算等的子程序。PLC的具体工作都是由这部分程序来完成的，这部分程序的多少也决定了PLC性能的高低。

用户存储器包括用户程序存储器（程序区）和数据存储器（数据区）两部分。用户程序存储器用来存放用户针对具体控制任务用规定的PLC编程语言编写的各种用户程序。用户程序存储器根据所选用的存储器类型不同，可以是RAM（有掉电保护）、EPROM或EEPR0 M存储器，其内容可以由用户任意修改或增删。用户数据存储器可以用来存放（记忆）用户程序中所使用器件的ON/OFF状态和数值、数据等。它的大小关系到用户程序容量的大小，是反映PLC性能的重要指标之一。

3.输入/输出单元

输入/输出单元是PLC与现场输入输出设备或其他外部设备之间的连接部件。PLC通过输入模块把工业设备或生产过程的状态或信息读入中央处理单元，通过用户程序的运算和处理，把结果通过输出模块输出给执行单元。

输入单元接收和采集两种类型的输入信号：一是由限位开关、操作按钮、选择开关、行程开关等开关量输入的信号；二是电位器和其他一些传感器等传来的模拟量输入信号。输出映像寄存器由输出点相对应的触发器组成，输出接口电路将其由弱电控制信号转换成现场需要的强电信号输出，从而驱动电磁阀、接触器、指示灯等被控设备。

1）开关量输入接口电路

为防止各种干扰信号和高电压信号进入PLC，影响其可靠性或造成设备损坏，现场输入接口电路一般由光电耦合电路进行隔离。光电耦合电路的关键器件是光耦合器，一般由发光二极管和光电三极管组成。

通常PLC的输入类型可以是直流、交流和交直流输入电路。输入电路的电源可由外部供给，有的也可由PLC内部提供。图1-3为开关量直流输入电路。

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图1-3　开关量直流输入电路

2）开关量输出接口电路

输出接口电路通常有三种类型：继电器输出型、晶体管输出型和晶闸管输出型。每种输出电路都采用电气隔离技术，电源由外部提供，输出电流一般为0.5～2 A，输出电流的额定值与负载的性质有关。图1-4为这三种类型的开关量输出电路。继电器输出型为有触点输出方式，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（低速大功率）；晶闸管输出型为无触点输出方式，用于接通或断开开关频率较高的交流电源负载（高速大功率）；晶体管输出型为无触点输出方式，用于接通或断开开关频率较高的直流电源负载（高速小功率）。

图1-4　开关量输出电路

由于输入和输出端是靠光信号耦合的，在电气上是完全隔离的，因此输出端的信号不会反馈到输入端，也不会产生地线干扰或其他串扰，因此PLC具有很高的可靠性和极强的抗干扰能力。

4.电源部分

PLC一般使用220 V的交流电源。小型整体式的PLC内部有一个开关稳压电源，一方面为PLC的中央处理器（CPU）、存储器等电路提供5 V直流电源，使PLC能正常工作；另一方面为外部输入元件提供24 V直流电源。

电源部件的位置形式有多种，对于整体式结构的PLC，通常电源封装到机壳内部；对于模块式PLC，有的采用单独电源模块，有的将电源与CPU封装到一个模块中。

5.接口单元

接口单元包括扩展接口、编程器接口、存储器接口和通信接口。

扩展接口用于扩展输入输出单元。它使PLC的控制规模配置得更加灵活。这种扩展接口实际上为总线形式，可以配置开关量的I/O单元，也可配置如模拟量、高速计数等特殊I/O单元和通信适配器等。

编程器接口是连接编程器的，PLC本体通常不带编程器。为了能对PLC编程及监控，PLC上专门设置有编程器接口，通过这个接口可以连接各种形式的编程装置，还可以利用此接口完成通信和监控工作。

存储器接口是为了扩展存储区而设置的，用于扩展用户程序存储区和用户数据参数存储区，可以根据使用的需要扩展存储器。其内部也是接到总线上的。

通信接口是为了在微机与PLC、PLC与PLC之间建立通信网络而设立的接口。

6.外部设备

PLC的外部设备主要有编程器、文本显示器、操作面板、打印机等。

PLC正常使用时，通常不需编程器。因此，将编程器设计为独立的部件。编程器的档次很多，性能、价格相差悬殊。编程器至少包括一个键盘，一些数码字符显示器。这里的键盘不是微型机上的那种键盘，而是直接表示PLC指令系统的键盘，因而使用很方便，其显示部分可以显示程序地址序号、指令的操作码和操作数。它具有输入编辑、检索程序的功能，同时还具有系统监控的功能，有些还设有存储转接插口用于将PLC中的程序转存到诸如盒带、软盘等存储介质中去。这种编程器的缺点是无法用梯形图图形的方式输入、编辑和监控运行程序。档次较高的编程器设置了小型液晶显示器，用于图形编辑和监控。这种编程器对于习惯使用梯形图的人员来说，无疑方便了许多。目前，PLC的编程、监控多采用先进的编程软件在个人计算机上操作，PLC和个人计算机之间则用通信电缆连接，使PLC的编程、监控达到真正意义上的简单、方便、快捷。

操作面板和文本显示器不仅是一个用于显示系统信息的显示器，还是一个操作控制单元。它可以在执行程序的过程中修改某个量的数值，也可直接设置输入或输出量，以便立即启动或停止一台外部设备的运行。

打印机可以把过程参数和运行结果以文字形式输出。