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    根據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn)，給PLC下的定義是：它是在工業(yè)環(huán)境中使用的數(shù)字操作的電子系統(tǒng)，它使用可編程存儲器內(nèi)部儲存用戶設(shè)計的指令，這些指令用來實(shí)現(xiàn)特殊的功能，諸如邏輯運(yùn)算、順序操作、定時、計數(shù)以及算術(shù)運(yùn)算和通過數(shù)字或模擬輸入/輸出來控制各種類型的機(jī)械或過程。不論是PLC和與它有關(guān)的外部設(shè)備都設(shè)計成容易集成在一個工業(yè)控制系統(tǒng)內(nèi)以及容易應(yīng)用所有計劃中的功能。由上述PLC的定義，可以看到PLC的許多特點(diǎn)，概括如下：
    (1)   控制程序可變，具有很好的柔性  在生產(chǎn)工藝流程改變或生產(chǎn)設(shè)備更新的情況下，不必改變PLC的硬設(shè)備，只需改變程序就可滿足要求。因此，除單機(jī)控制外，PLC在柔性制造單元（FMC），柔性制造系統(tǒng)（FMS），以致工廠自動化（FA）中也被大量采用。
    (2)   具有高度可靠性，適用于工業(yè)環(huán)境  PLC產(chǎn)品的平均故障間隔時間（MTBF）一般可達(dá)到5年以上，因此是一種高度可靠的工業(yè)產(chǎn)品，大大提高了生產(chǎn)設(shè)備的運(yùn)行效率。PLC不要求專用設(shè)備的機(jī)房，這為工業(yè)現(xiàn)場的大量直接使用提供了方便。
    (3)   功能完善  現(xiàn)代PLC具有數(shù)字和模擬量輸入/輸出、邏輯和算術(shù)運(yùn)算、定時、計數(shù)、順序控制、PID調(diào)節(jié)、各種智能模塊、遠(yuǎn)程I/O模塊、通信、人－機(jī)對話，自診斷，記錄和圖形顯示、組態(tài)等功能。除了適用于離散型開關(guān)量控制系統(tǒng)外，現(xiàn)在也能應(yīng)用于連續(xù)的流程控制系統(tǒng)，從而使設(shè)備的控制水平大大提高。
    (4)   易于掌握，便于維修  由于PLC使用編程器進(jìn)行編程和監(jiān)控，使用人員只需掌握工程上通用的梯形圖語言（或語句表、流程圖）就可進(jìn)行用戶程序的編制和測試。因此，即使不太懂得計算機(jī)的操作人員，也能掌握和使用PLC。也由于PLC有完善的自診斷功能，輸入／輸出均有明顯的指示，在線監(jiān)控軟件的功能很強(qiáng)，因此，很容易進(jìn)行維修，能很快查找出故障的原因。PLC本身高可靠性也保證了故障的幾率是很低的。
    (5)   體積小，省電  與傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)相比，PLC的體積很小，一臺收錄機(jī)一樣大小的PLC具有相當(dāng)于三個1.8m高繼電器控制柜的功能。PLC消耗的功能只是傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的三分之一至二分之一。
    (6)   價格低廉  隨著集成電路芯片功能的提高，價格的降低，可編程控制器硬件的價格也一直不斷地在下降。根據(jù)最近市場統(tǒng)計，國外小型PLC平均每一個I/O點(diǎn)為14~20美元，中型PLC折算每個I/O點(diǎn)為20~35美元，大型PLC折算每個I/O點(diǎn)為40~80美元。雖然PLC的軟件價格在系統(tǒng)中所占的比重在不斷提高，但由于縮短了整個工程項(xiàng)目的設(shè)計，編程和投運(yùn)費(fèi)用以及縮短了整個投運(yùn)周期，因此，使用PLC的總造價是低廉的，而且還呈不斷下降的趨勢。

◆　PLC的硬件體系

?   硬件結(jié)構(gòu)
    圖1表示PLC及其與外部設(shè)備的聯(lián)系框圖。

圖1   PLC及其外部設(shè)備聯(lián)系框圖

    PLC控制的對象是“過程”或“機(jī)械”，由傳感器采集“過程”或“機(jī)械”的信息，送入PLC的輸入單元，經(jīng)PLC的中央處理單元處理，結(jié)果通過PLC的輸出單元驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，由執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制“過程”或“機(jī)械”達(dá)到預(yù)期的目的。圖1還表示了PLC的外部設(shè)備接口與外部設(shè)備之間的聯(lián)系。主要的外部設(shè)備有編程器（編程器上配置有顯示單元）、 HMI人－機(jī)接口、并行打印機(jī)、其它PLC或上位計算機(jī)。
    從原理上講，PLC是計算機(jī)的一種，因此，它也由中央處理器、中央存儲器和接口三部分組成。

圖2   PLC的CPU結(jié)構(gòu)框圖

   圖2表示了PLC的中央處理單元（CPU）的結(jié)構(gòu)。中央處理單元的核心是中央處理器。
中央處理器包含指令計數(shù)器、指令存儲器和地址寄存器、變址和基址寄存器、累加器和通用寄存器。
    除了中央處理器外，還有中央存儲器，中央存儲器劃分成數(shù)據(jù)、程序和監(jiān)控三部分。數(shù)據(jù)部分包含有輸入變量、中間變量和輸出變量的映像區(qū)。監(jiān)控部分存放PLC的監(jiān)控程序，用戶程序區(qū)存放若干個用戶的應(yīng)用程序塊。
? 　CPU和中央存儲器
    PLC中的CPU是用來完成對某些不同類型的信息進(jìn)行操作的單元。這些操作包括信息的轉(zhuǎn)移，信息的轉(zhuǎn)換（碼的轉(zhuǎn)換、數(shù)字的轉(zhuǎn)換），計算，同步，譯碼等。
    中央處理器（Processor）是CPU中的智能機(jī)構(gòu)（電腦）。它是用來控制程序指令的操作的，處理器本身由若干種寄存器組成。寄存器是由邏輯電路組成的高速半導(dǎo)體存儲器（暫存器），它用來暫時存放數(shù)據(jù)，外部信息或中間運(yùn)算結(jié)果和對它們進(jìn)行操作。主要的寄存器有：
    (1)  內(nèi)部寄存器  只能在計算機(jī)內(nèi)部進(jìn)行存取，允許內(nèi)部的管理和控制操作。
    (2)  程序計數(shù)器  有時也稱做“程序指針”，它始終包含有當(dāng)前正在執(zhí)行指令的地址，在每一條指令執(zhí)行結(jié)束時，指針的值將被修改，自動地加1。只有在執(zhí)行跳轉(zhuǎn)指令時是例外。指針將被放置新的下一條執(zhí)行指令的地址。
    (3)  指令存儲器  由“程序指針”所指向的中央存儲器中的當(dāng)前指令的操作碼（Operation Code），被送至指令寄存器。經(jīng)過譯碼，在時鐘脈沖控制下，指令寄存器將執(zhí)行指令：從中央存儲器轉(zhuǎn)移信息到通用寄存器或取相反過程。對于執(zhí)行的是跳轉(zhuǎn)指令，如果命令是正向跳動n，則執(zhí)行指令的結(jié)果是強(qiáng)迫程序計數(shù)器增量加n。
    (4)  地址寄存器　在指令寄存器取得操作碼（OC）的同時，地址寄存器取得同一指令的操作數(shù)地址（Operand Address）。在一般情況下，地址寄存器涉及的就是操作數(shù)的地址，但在轉(zhuǎn)移指令的情況下，由它決定信息轉(zhuǎn)移的途徑。例如，在執(zhí)行向前跳動＋n的指令時，地址寄存器就包含數(shù)據(jù)值＋n，執(zhí)行指令是將程序計數(shù)器的內(nèi)容與地址寄存器的內(nèi)容相加，再送回程序計數(shù)器。
    (5)  狀態(tài)寄存器　是用來設(shè)置狀態(tài)位的。某個狀態(tài)位決定于處理器對某一事件將予以考慮或不予考慮，例如，對中斷優(yōu)先權(quán)的禁止或屏蔽。
    (6)  通用寄存器　是用戶在編制應(yīng)用程序時可以使用的一組寄存器，它們中的某些是非常特殊的，另一些則是一般的寄存器，它的數(shù)量和組織取決于PLC設(shè)計者的選擇。
    (7)  變址寄存器　包含一潛在的基地址，當(dāng)采用變址尋址方式時，是將預(yù)先存放在變址寄存器中的絕對基地址，與地址寄存器中存放的操作數(shù)地址（OA）部分相加，得到指令中所要存取信息的地址。這樣一種技術(shù)可以擴(kuò)展尋址的范圍。與地址寄存器有限的地址長度相比可擴(kuò)展至更大的范圍，但執(zhí)行指令時間較長。
    (8)  累加器寄存器　它是用來執(zhí)行CPU的指令的，對PLC來說，這些指令典型的有按“位”執(zhí)行和按“字”執(zhí)行。對某些PLC類型，只有單一的累加器，“位”是作為“字”的一個位來處理的，對另一些PLC系統(tǒng)，邏輯運(yùn)算和數(shù)字運(yùn)算是分開在不同的累加器進(jìn)行的。
    處理PLC系統(tǒng)信息的存儲器通常分為兩大部分：中央存儲器和大容量存儲器（硬盤、軟磁盤、磁帶、Flash memory等）。大容量存儲器一般作為PLC的外部設(shè)備。中央存儲器有很高的存取速度，但由于價格較昂貴，限制了它的使用容量；大容量存儲器雖然存取速度較慢，但由于價格相對便宜，適于儲存大容量數(shù)據(jù)。
    中央存儲器在PLC的內(nèi)部，一般由三部分組成。由于對存取速度有要求，所以都采用半導(dǎo)體存儲器，常用的半導(dǎo)體存儲器有靜態(tài)RAM、EPROM和E2PROM。
    (1)  中央存儲器的數(shù)據(jù)部分主要用作輸入變量、輸出變量、中間變量的映像區(qū)，因?yàn)樵赑LC的運(yùn)行過程中，這部分變量是不斷變化的，所以都是采用隨機(jī)存取存儲器（一般為靜態(tài)RAM）構(gòu)成的。
    (2)  監(jiān)控程序或操作系統(tǒng)，是PLC設(shè)計者為了給用戶使用PLC提供方便，其功能是對PLC及其外設(shè)進(jìn)行資源管理，同時使PLC的用戶編制應(yīng)用程序時，可以使用級別較高的語言（如語句表、梯形圖或SFC控制圖形語言等）。一般監(jiān)控程序或操作系統(tǒng)都是駐留在中央存儲器中的，例如，固化在中央存儲器的EPROM上，有一些PLC使用較大的操作系統(tǒng)，則除了駐留在中央存儲器上的軟件外，還有一部分軟件放在外設(shè)的大容量存儲器中。
    (3)  中央存儲器中的用戶應(yīng)用軟件是用戶針對不同的控制任務(wù)，用PLC編程語言編制的應(yīng)用程序，放置在中央存儲器的用戶存儲器區(qū)。有些用戶存儲區(qū)可以放置若干個應(yīng)用程序塊。由于應(yīng)用程序在調(diào)試過程中要不斷修改，又希望在掉電或正常關(guān)機(jī)時，這部分程序不會丟失，因此，在中央存儲器中常用帶后備電池的CMOS RAM作用戶存儲器區(qū)，也可以用E2PROM存放應(yīng)用程序。如果應(yīng)用程序經(jīng)調(diào)試后，不再需要改變，這部分程序可以固化在EPROM中。
在CPU與中央存儲器交換信息的過程中，很重要的一點(diǎn)是存儲器的尋址，發(fā)展尋址技術(shù)的目的是在鍵入數(shù)據(jù)時增加靈活性，使更為安全和得到更大地址范圍。PLC系統(tǒng)中使用的尋址方式有以下幾種：
    (1)  立即數(shù)尋址  這種尋址方式的操作數(shù)直接放置在指令的地址場中。這種尋址方法，對簡單的計算，例如，計算用戶程序的地址是很方便的。
    (2)  相對尋址  在指令的地址場中包含的是正的或負(fù)的整數(shù)，用它與現(xiàn)行地址（例如，程序計數(shù)器的值）代數(shù)相加，得到指令的操作數(shù)的有效地址。這種尋址方式在執(zhí)行轉(zhuǎn)移指令，條件轉(zhuǎn)移指令或循環(huán)指令（LOOP）時是非常有用的。
    (3)  間接尋址  這種尋址方式的指令的地址場包含的是操作數(shù)所在單元的地址（即指令的操作數(shù)有效地址的地址），用這種尋址方式，可以擴(kuò)展可尋址存儲器的范圍。
    (4)  變址或基址尋址  在變址寄存器或通用寄存器中，預(yù)先放置一基地址，將此與指令操作數(shù)地址場的內(nèi)容（偏移量）代數(shù)相加得到指令操作數(shù)的有效地址。
    (5)  組合尋址  上面所提到的某些尋址方式可組合起來形成新的尋址方式，例如，相對變址尋址等。
    圖3表示了與尋址方法有關(guān)的指令的結(jié)構(gòu)。

圖3   與PLC的尋址方式有關(guān)的指令結(jié)構(gòu)

    在中央存儲器中，還有一種特殊的應(yīng)用區(qū)，稱為“堆棧”。“堆棧”是中央存儲器中的一個特殊區(qū)域，用來存放程序執(zhí)行過程中的結(jié)果或者在子程序調(diào)用過程中用來保護(hù)“現(xiàn)場”信息，以便子程序結(jié)束時能正確地返回。在PLC中使用的“堆棧”主要有兩種形式：一種稱后進(jìn)先出堆棧（LIFO-Last In First Out），另一種稱先進(jìn)先出堆棧（FIFO-First In First Out）。圖4表示了這兩種“堆棧”在進(jìn)行棧操作時的數(shù)據(jù)位置。

圖4   LIFO和FIFO兩種堆棧的操作方式說明