◆　PLC的硬件体系

?   硬件结构
    图1表示PLC及其与外部设备的联系框图。

图1   PLC及其外部设备联系框图

    PLC控制的对象是“过程”或“机械”，由传感器采集“过程”或“机械”的信息，送入PLC的输入单元，经PLC的中央处理单元处理，结果通过PLC的输出单元驱动执行机构，由执行机构控制“过程”或“机械”达到预期的目的。图1还表示了PLC的外部设备接口与外部设备之间的联系。主要的外部设备有编程器（编程器上配置有显示单元）、 HMI人－机接口、并行打印机、其它PLC或上位计算机。
    从原理上讲，PLC是计算机的一种，因此，它也由中央处理器、中央存储器和接口三部分组成。

图2   PLC的CPU结构框图

   图2表示了PLC的中央处理单元（CPU）的结构。中央处理单元的核心是中央处理器。
中央处理器包含指令计数器、指令存储器和地址寄存器、变址和基址寄存器、累加器和通用寄存器。
    除了中央处理器外，还有中央存储器，中央存储器划分成数据、程序和监控三部分。数据部分包含有输入变量、中间变量和输出变量的映像区。监控部分存放PLC的监控程序，用户程序区存放若干个用户的应用程序块。
? 　CPU和中央存储器
    PLC中的CPU是用来完成对某些不同类型的信息进行操作的单元。这些操作包括信息的转移，信息的转换（码的转换、数字的转换），计算，同步，译码等。
    中央处理器（Processor）是CPU中的智能机构（电脑）。它是用来控制程序指令的操作的，处理器本身由若干种寄存器组成。寄存器是由逻辑电路组成的高速半导体存储器（暂存器），它用来暂时存放数据，外部信息或中间运算结果和对它们进行操作。主要的寄存器有：
    (1)  内部寄存器  只能在计算机内部进行存取，允许内部的管理和控制操作。
    (2)  程序计数器  有时也称做“程序指针”，它始终包含有当前正在执行指令的地址，在每一条指令执行结束时，指针的值将被修改，自动地加1。只有在执行跳转指令时是例外。指针将被放置新的下一条执行指令的地址。
    (3)  指令存储器  由“程序指针”所指向的中央存储器中的当前指令的操作码（Operation Code），被送至指令寄存器。经过译码，在时钟脉冲控制下，指令寄存器将执行指令：从中央存储器转移信息到通用寄存器或取相反过程。对于执行的是跳转指令，如果命令是正向跳动n，则执行指令的结果是强迫程序计数器增量加n。
    (4)  地址寄存器　在指令寄存器取得操作码（OC）的同时，地址寄存器取得同一指令的操作数地址（Operand Address）。在一般情况下，地址寄存器涉及的就是操作数的地址，但在转移指令的情况下，由它决定信息转移的途径。例如，在执行向前跳动＋n的指令时，地址寄存器就包含数据值＋n，执行指令是将程序计数器的内容与地址寄存器的内容相加，再送回程序计数器。
    (5)  状态寄存器　是用来设置状态位的。某个状态位决定于处理器对某一事件将予以考虑或不予考虑，例如，对中断优先权的禁止或屏蔽。
    (6)  通用寄存器　是用户在编制应用程序时可以使用的一组寄存器，它们中的某些是非常特殊的，另一些则是一般的寄存器，它的数量和组织取决于PLC设计者的选择。
    (7)  变址寄存器　包含一潜在的基地址，当采用变址寻址方式时，是将预先存放在变址寄存器中的绝对基地址，与地址寄存器中存放的操作数地址（OA）部分相加，得到指令中所要存取信息的地址。这样一种技术可以扩展寻址的范围。与地址寄存器有限的地址长度相比可扩展至更大的范围，但执行指令时间较长。
    (8)  累加器寄存器　它是用来执行CPU的指令的，对PLC来说，这些指令典型的有按“位”执行和按“字”执行。对某些PLC类型，只有单一的累加器，“位”是作为“字”的一个位来处理的，对另一些PLC系统，逻辑运算和数字运算是分开在不同的累加器进行的。
    处理PLC系统信息的存储器通常分为两大部分：中央存储器和大容量存储器（硬盘、软磁盘、磁带、Flash memory等）。大容量存储器一般作为PLC的外部设备。中央存储器有很高的存取速度，但由于价格较昂贵，限制了它的使用容量；大容量存储器虽然存取速度较慢，但由于价格相对便宜，适于储存大容量数据。
    中央存储器在PLC的内部，一般由三部分组成。由于对存取速度有要求，所以都采用半导体存储器，常用的半导体存储器有静态RAM、EPROM和E2PROM。
    (1)  中央存储器的数据部分主要用作输入变量、输出变量、中间变量的映像区，因为在PLC的运行过程中，这部分变量是不断变化的，所以都是采用随机存取存储器（一般为静态RAM）构成的。
    (2)  监控程序或操作系统，是PLC设计者为了给用户使用PLC提供方便，其功能是对PLC及其外设进行资源管理，同时使PLC的用户编制应用程序时，可以使用级别较高的语言（如语句表、梯形图或SFC控制图形语言等）。一般监控程序或操作系统都是驻留在中央存储器中的，例如，固化在中央存储器的EPROM上，有一些PLC使用较大的操作系统，则除了驻留在中央存储器上的软件外，还有一部分软件放在外设的大容量存储器中。
    (3)  中央存储器中的用户应用软件是用户针对不同的控制任务，用PLC编程语言编制的应用程序，放置在中央存储器的用户存储器区。有些用户存储区可以放置若干个应用程序块。由于应用程序在调试过程中要不断修改，又希望在掉电或正常关机时，这部分程序不会丢失，因此，在中央存储器中常用带后备电池的CMOS RAM作用户存储器区，也可以用E2PROM存放应用程序。如果应用程序经调试后，不再需要改变，这部分程序可以固化在EPROM中。
在CPU与中央存储器交换信息的过程中，很重要的一点是存储器的寻址，发展寻址技术的目的是在键入数据时增加灵活性，使更为安全和得到更大地址范围。PLC系统中使用的寻址方式有以下几种：
    (1)  立即数寻址  这种寻址方式的操作数直接放置在指令的地址场中。这种寻址方法，对简单的计算，例如，计算用户程序的地址是很方便的。
    (2)  相对寻址  在指令的地址场中包含的是正的或负的整数，用它与现行地址（例如，程序计数器的值）代数相加，得到指令的操作数的有效地址。这种寻址方式在执行转移指令，条件转移指令或循环指令（LOOP）时是非常有用的。
    (3)  间接寻址  这种寻址方式的指令的地址场包含的是操作数所在单元的地址（即指令的操作数有效地址的地址），用这种寻址方式，可以扩展可寻址存储器的范围。
    (4)  变址或基址寻址  在变址寄存器或通用寄存器中，预先放置一基地址，将此与指令操作数地址场的内容（偏移量）代数相加得到指令操作数的有效地址。
    (5)  组合寻址  上面所提到的某些寻址方式可组合起来形成新的寻址方式，例如，相对变址寻址等。
    图3表示了与寻址方法有关的指令的结构。

图3   与PLC的寻址方式有关的指令结构

    在中央存储器中，还有一种特殊的应用区，称为“堆栈”。“堆栈”是中央存储器中的一个特殊区域，用来存放程序执行过程中的结果或者在子程序调用过程中用来保护“现场”信息，以便子程序结束时能正确地返回。在PLC中使用的“堆栈”主要有两种形式：一种称后进先出堆栈（LIFO-Last In First Out），另一种称先进先出堆栈（FIFO-First In First Out）。图4表示了这两种“堆栈”在进行栈操作时的数据位置。

图4   LIFO和FIFO两种堆栈的操作方式说明