1.2.1 PLC基本单元及PLC控制系统的硬件系统构成

PLC主机（也称基本单元）由中央处理器（CPU）、存储器、输入/输出接口（I/O接口）、通信接口、扩展接口、外围设备接口和电源等部分组成。而PLC控制系统则由PLC主机、输入设备、输出设备组成，如图1.6所示。PLC主机的主要组成部件及其作用如下。

1.中央处理器

CPU是PLC的核心部件，是PLC的运算和控制中心，PLC的工作过程都是在CPU的统一指挥和协调下进行的。CPU由微处理器和控制器组成，可以实现逻辑运算和数学运算，协调控制系统内部各部分的工作。它的运行是按照系统程序所赋予的任务进行的。

PLC常用的CPU有通用微处理器、单片机和位片式微处理器。通用微处理器按其处理数据的位数可分为4位、8位、16位和32位等。PLC大多用8位和16位微处理器。

控制器的作用是控制整个微处理器的各个部件有条不紊地进行工作，其基本功能就是从内存中读取指令和执行指令。控制器接口电路是微处理器与主机内部其他单元进行联系的部件，主要有数据缓冲、单元选择、信号匹配、中断管理等功能。微处理器通过它来实现与各个单元之间的可靠的信息交换和最佳的时序配合。控制器的主要功能有以下几点。

（1）采集由现场输入装置送来的状态或数据，通过输入接口存入输入映像寄存器或数据寄存器中，用扫描方式接收输入设备的状态信号，并存入相应的数据区（输入映像寄存器）。

（2）按用户程序存储器中存放的先后次序逐条读取指令，完成各种数据的运算、传递和存储等功能，进行编译解释后，按指令规定的任务完成各种运算和操作。

（3）将各种运算结果向外界输出。

（4）监测和诊断电源以及PLC内部电路工作状态以及用户程序编程过程中出现的语法错误。

（5）根据数据处理的结果，刷新有关标志位的状态和输出状态寄存器的内容，响应各种外围设备（如编程器、打印机、上位计算机、图形监控系统、条码判读器等）的工作请求，以实现输出控制、制表打印或数据通信等功能。

2.存储器

存储器是PLC存放系统程序、用户程序和运行数据的单元。PLC的存储器由系统程序存储器和用户程序存储器两部分组成。系统程序存储器是PLC用于存放系统程序如指令（软件）等内容的部件，这部分存储器用户不能访问。

用户程序存储器是为用户程序提供存储的区域。用户程序存储器容量的大小，决定了用户程序的大小和复杂程度，从而决定了用户程序所能完成的功能和任务的大小。用户程序存储器的容量一般以字节为单位。小型PLC的用户程序存储器容量在1KB左右，典型PLC的用户程序存储器容量可达数兆字节（MB）。PLC的用户存储区一般包括几个部分，每一部分都有特定的功能和用途。PLC的存储器主要包括以下几种类型。

1）只读存储器（Read Only Memory，ROM）

ROM一般用来存放PLC的系统程序，其内容可读，但数据存储后不可再写或修改。大多数PLC采用了程序固化的运行方法，不仅将系统启动、自检及基本的I/O驱动程序写入ROM中，而且将各种控制、检测功能模块，用户组态的应用程序及所有固定参数也全部固化在ROM中，即所有的系统程序和绝大部分的用户程序都存储在ROM中。因此在PLC的存储器中，ROM占有较大的比例。只要一接通电源，PLC就可正常运行，由于这一特点，ROM基本不受掉电、噪声等的影响。ROM的内容只能读出，不能写入，是非易失的内容。

2）可编程只读存储器（Programmable Read Only Memory，PROM）

存入PROM的程序是用户用编程器一次性写入的，不能再改变。PLC很少使用PROM作为应用存储器。一般在使用这类存储器时需用RAM作永久备份。虽然PROM可编程，像ROM有非易失性，但它需要专门的编程设备，一旦编程便不易修改或擦除，对程序的任一修改则要求一组新的PROM芯片。

3）可擦除可编程只读存储器（Erasable Programmable Read Only Memory，EPROM）

EPROM是特制的PROM，也是非易失性的，兼有ROM的非易失性和RAM的随机存取的优点。EPROM可视为半永久性存储器，可永久地存储某一程序直至需要修改。如果需要对芯片内容进行彻底清除，只需将芯片窗口暴露在紫外线下约20min即可，在彻底清除EPROM原内容后可对程序进行重新编制。EPROM的永久存储能力及易修改的RAM特性使其构成一个适宜的存储系统。

4）电可擦除可编程只读存储器（Electrically Erasable Programmable Read Only Memory，EEPROM）

EEPROM是非易失性存储器，然而也具有与RAM同样的编程灵活性。EEPROM的存储内容由用户写入，并可反复写入。在写入新的内容时，原来存储的内容会自动清除。

5）随机存取存储器（Random Access Memory，RAM）

RAM又称读/写（R/W）存储器，信息可读，可写，在PLC中作为用户程序和数据的存储器。用户可以通过编程器读出RAM中的内容，也可以将用户程序写入RAM。RAM为程序运行提供了存储实时数据与计算中间变量的空间，用户在线操作时需修改的参数（如设定值、手动操作值、PID参数等）也须存入RAM中。另外，一些较先进的PLC还提供了在线修改用户程序的功能。

由于RAM是一种挥发性的器件，即当供电电源关掉后，其存储的内容会丢失，因此在实际使用中通常为其配备掉电保护电路，当正常电源关断后，由备用电池供电，保护其存储的内容不丢失。为了在关断PLC外部电源后，保存在RAM中的用户程序和某些数据（如计数器的计数值）不会丢失，一般为RAM配备一个锂电池。当电源发生间隙断电时保持其内容。通常锂电池可用2～5年，需要更换锂电池时，PLC面板上的“电池电压过低”发光二极管亮，同时有一个内部标志位变为“1”状态，可以用它的常开触点来接通控制屏面板上的指示灯或声光报警器，通知用户及时更换锂电池。

3.I/O接口单元

I/O接口单元通常也称I/O接口电路或I/O模块，是PLC与工业过程控制现场之间的连接部件。PLC通过输入接口能够得到生产过程的各种参数，并向PLC提供开关信号量，经过处理后，变成CPU能够识别的信号。PLC通过输出接口将处理结果送给被控制对象，以实现对工业现场执行机构的控制目的。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处理的信息只能是标准电平，所以I/O接口必须能实现这种转换。I/O接口电路将在1.3节中详细介绍。

4.I/O扩展单元

I/O扩展单元用来扩展PLC的I/O点数。当用户所需要的I/O点数超过PLC基本单元的I/O点数时，即主机单元（带CPU）的I/O点数不能满足I/O设备点数需要时，可通过此接口用扁平电缆线将I/O扩展单元（不带有CPU）与主机单元相连接，以增加PLC的I/O点数，适应控制系统的要求。其他很多的智能单元也通过该接口与主机相连。PLC的扩展能力主要受CPU寻址能力和主机驱动能力的限制。

5.编程装置

编程装置是人与PLC联系和对话的工具。用户可以利用相关的编程装置来编辑、输入、修改、调试、读出用户程序，也可在线监控PLC内部状态，显示错误代码和参数。

1）专用编程器

专用编程器由PLC厂家生产，专供该厂家生产的某些PLC产品使用。专用编程器有简易编程器和智能编程器两类。

简易型编程器一般由简易键盘和发光二极管矩阵或液晶显示器组成。简易型编程器在编制程序的过程中只能联机编程，而且不能直接输入和编辑梯形图程序，需将梯形图程序转化为指令表程序才能输入。简易型编程器体积小，价格便宜，如三菱公司的FX-20P-E。

智能编程器又称图形编程器，本质上是一台专用便携式计算机，可以联机编程，也可以脱机编程。近年来，智能型编程器一般采用微型计算机加上相应的应用软件构成，既可用于编制调试用户程序，又能够完成彩色图形显示、通信联网、打印输出和事务管理等多项功能。对于梯形图程序的输入和编辑可直接完成，使用直观、方便，但价格较高，操作也比较复杂，如三菱公司的GP-80FX-E-KIT智能型编程器。

2）配有专用编程软件包的通用计算机系统

PLC在程序编制的过程中也可使用以个人计算机为基础的编程装置。用户只要购买PLC厂家提供的专用编程软件和相应的硬件接口装置就可以进行相关应用程序的修改和编制。这类编程装置既可以编制、修改PLC的梯形图程序，又可以监视系统运行、打印文件、系统仿真等。配上相应的软件还可实现数据采集和分析等多种功能。这样，用户只用较少的投资即可得到性能很高的PLC程序开发系统。

6.电源

PLC的电源是指把外部供应的交流电源经过整流、滤波、稳压处理后转换成满足PLC内部的CPU、存储器和I/O接口等电路工作所需要的直流电源电路或电源模块。不同型号的PLC有不同的供电方式，所以PLC的电源输入电压既有12V和24V直流，又有110V和220V交流。

7.通信接口

PLC配有各种通信接口，这些通信接口一般都带有通信处理器。PLC通过这些通信接口可与监视器、打印机、其他PLC、计算机等设备实现通信。

8.外围设备接口及特殊模块

外围设备接口是可编程控制器主机实现人机对话、机机对话的通道。通过它，可编程控制器可以和编程器、彩色图形显示器、打印机等外围设备相连，也可以与其他可编程控制器或上位计算机连接。

PLC还具有许多特殊功能模块。主要包括模拟量I/O单元、远程I/O单元、高速计数模块、中断输入模块和PID调节模块等。随着PLC的进一步发展，特殊功能单元的种类也越来越多。