2.2 PLC的硬件组成

PLC专为工业场合设计，采用了典型的计算机结构。硬件电路主要由中央处理单元（CPU）、存储器（ROM/RAM）、输入/输出单元（I/O单元）、编程器、电源等主要部件组成，图2-1所示为典型的整体式PLC基本结构图。其中，CPU是PLC的核心，输入/输出单元是用来连接现场输入/输出设备与CPU的接口电路，通信接口用于与编程器、上位计算机等外设连接。

对于整体式PLC，所有部件都安装在同一机壳内。对于模块式PLC，各部件独立封装成模块，各模块通过总线连接，安装在机架或导轨上，其结构框图如图2-2所示。无论是哪种结构类型的PLC，都可以根据用户需要进行配置与组合。

尽管整体式PLC与模块式PLC的结构不太一样，但各部分的功能是相同的。下面对PLC各主要组成部分进行介绍。

2.2.1 中央处理器

中央处理器（CPU）是PLC的核心，起神经中枢的作用，每台PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存储用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中。同时诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。运行后，从用户程序存储器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路。

同一般的计算机一样，CPU主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，还有外围芯片、总线接口及有关电路等。它确定进行控制的规模、工作速度、内存容量等信息。内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成部分。

CPU由控制器控制工作，并由它读取指令、解释指令及执行指令。工作节奏由震荡信号控制。CPU的运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作。CPU的寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器指挥下工作。

PLC中所配置的CPU随着机型不同而不同，常用的有3类：通用微处理器（如Z80、8086、80286等）、单片微处理器（如8031、8096等）和位片式微处理器（如AMD29W等）。小型PLC大多采用8位通用微处理器和单片微处理器；中型PLC大多采用16位通用微处理器或单片微处理器；大型PLC大多采用高速位片式微处理器。

目前，小型PLC为单CPU系统，而中大型PLC则大多为双CPU系统，甚至有些PLC中多达8个CPU。对于双CPU系统，一般一个为字处理器，一般采用8位或16位处理器；另一个为位处理器，采用由各厂家设计制造的专用芯片。字处理器为主处理器，用于执行编程器接口功能，监视内部定时器，监视扫描时间，处理字节指令以及对系统总线和位处理器进行控制等。位处理器为从处理器，主要用于处理位操作指令和实现PLC编程语言向机器语言的转换。位处理器的采用提高了PLC的速度，使PLC更好地满足实时控制要求。

在PLC中，CPU按系统程序赋予的功能指挥PLC有条不紊地进行工作，归纳起来主要有以下5个方面。

① 接收从编程器输入的用户程序和数据。

② 诊断电源、PLC内部电路的工作故障和编程中的语法错误等。

③ 通过输入接口接收现场的状态或数据，并存入输入映象寄存器或数据寄存器中。

④ 从存储器逐条读取用户程序，经过解释后执行。

⑤ 根据执行的结果，更新有关标志位的状态和输出映象寄存器的内容，通过输出单元实现输出控制。有些PLC还具有制表打印或数据通信等功能。

2.2.2 存储器

PLC的存储器可以分为系统程序存储器、用户程序存储器及工作数据存储器3种。

1.系统程序存储器

系统程序存储器用来存放由PLC生产厂家编写的系统程序，并固化在ROM内，用户不能对其进行直接更改。系统程序存储器使PLC具有基本的智能，它能够完成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3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程序，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，因此这部分程序的多少决定了PLC性能的强弱。

2.用户程序存储器

根据控制要求而编制的应用程序称为用户程序。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单元类型的不同，可以是RAM（有用钾电池进行掉电保护），EPROM或EEPROM存储器，其内容可以由用户任意修改或增删。目前较先进的PLC采用可随时读写的快闪存储器作为用户程序存储器。快闪存储器不需后备电池，掉电时数据也不会丢失。

3.工作数据存储器

工作数据存储器用来存储工作数据，即用户程序中使用的ON/OFF状态、数值数据等。在工作数据区中开辟有元件映像寄存器和数据表。其中，元件映像寄存器用来存储开关量输入/输出状态以及定时器、计数器、辅助继电器等内部器件的ON/OFF状态。数据表用来存放各种数据，它存储用户程序执行时的某些可变参数值及A/D转换得到的数字量和数学运算的结果等。在PLC断电时能保持数据的存储器区为数据保持区。

用户存储器容量的大小，关系到用户程序容量的大小和内都器件的多少，是反映PLC性能的重要指标之一。

2.2.3 输入/输出接口

输入/输出接口（I/O）是PLC与外界连接的接口。输入接口用来接收和采集两种类型的输入信号，一类是由按钮、选择开关、行程开关、继电器触点、接近开关、光电开关、数字拨码开关等开关量为输入信号；另一类是由电位器、测速发电机和各种变换器等传来的模拟量为输入信号。输出接口用来连接被控对象中各种执行元件，如接触器、电磁阀、指示灯、调节阀（模拟量）、调速装置（模拟量）等。

输入/输出接口有数字量（包括开关量）输入、输出和模拟量输入、输出两种形式。数字量输入、输出接口的作用是将外部控制现场的数字信号与PLC内部信号的电平相互转换；而模拟量输入、输出接口的作用是将外部控制现场的模拟信号与 PLC 内部信号的电平相互转换。输入/输出接口一般都具有光电隔离和滤波，其作用是把 PLC 与外部电路隔离开，以提高PLC的抗干扰能力。

通常PLC的开关量输入接口按使用的电源不同有3种类型：直流12～24V输入接口，交流100～120V或200～240V输入接口与交/直流（AC/DC）12～24V输入接口。输入开关可以是无源触点或传感器的集电极开路的晶体管。PLC开关量输出接口按输出开关器件种类不同常有3种形式：第一种是继电器输出型，CPU输出时接通或断开继电器的线圈，使继电器触点闭合或断开，再去控制外部电路的通断；第二种是晶体管输出型，通过光电耦合使开关晶体管截止或饱和导通以控制外部电路；第三种是双向晶闸管输出型，采用的是光触发型双向晶闸管，按照负载使用电源不同，分为直流输出接口、交流输出接口和交/直流输出接口。下面简单介绍常见的开关量输入/输出接口电路。

1.开关量输入接口电路

开关量输入接口是把现场各种开关信号变成PLC内部处理的标准信号。

① 直流输入接口电路。其原理如图2-3所示。由于各输入端口的输入电路都相同，图中只画出了一个输入端口的输入电路，图中虚线框中的部分为PLC内部电路。框外为用户接线，R1、R2分压，且R1起限流作用，R2及C构成滤波电路。输入电路采用光耦合器实现输入信号与机内电路的耦合，COM为公共端子。

当输入端的开关接通时，光耦合器导通，直流输入信号转换成TTL（5V）标准信号送入PLC的输入电路，同时LED输入指示灯点亮，表示输入端接通。

② 交流输入接口电路。图2-4所示为交流输入接口电路，为减小高频信号串入，电路中设有隔直电容C。

③ 交/直流输入接口电路。图2-5所示为交/直流输入接口电路。其内部电路结构与直流输入接口电路基本相同，所不同的是外接电源除直流电源外，还可用12～24V交流电源。

2.开关量输出接口电路

输出接口中，晶体管输出型的接口只能带直流负载，属于直流输出接口。晶闸管输出型的接口只能带交流负载，属于交流输出接口。继电器输出型的接口可带直流负载也可带交流负载，属于交/直流输出接口。

① 晶体管输出接口电路（直流输出接口）。图2-6所示为晶体管输出接口电路示意图，图中虚线框中的电路是PLC的内部电路，框外是PLC输出点的驱动负载电路。图中只画出一个输出端的输出电路，各个输出端所对应的输出电路均相同。在图中，晶体管VT为输出开关器件，光耦合器为隔离器件。

PLC 的输出由用户程序决定。当需要某一输出端产生输出时，由 CPU 控制，将输出信号经光耦合器输出，使晶体管导通，相应的负载接通，同时输出指示灯点亮，指示该路输出有输出，负载所需直流电源由用户提供。

② 晶闸管输出接口电路（交流输出接口）。图2-7所示为晶闸管输出接口电路示意图，图中虚线框中只画出了一个输出端的输出电路。图中双向晶闸管为输出开关器件，由它组成的固态继电器具有光电隔离作用，作为隔离元件。电阻R与电容C组成高频滤波电路，减小信号干扰。

当需要某一输出端产生输出时，由CPU控制，将输出信号经光耦合器使输出回路中的双向晶闸管导通，相应的负载接通，同时输出指示灯点亮，指示该输出端有输出。

③ 继电器输出接口电路（交/直流输出接口）。图2-8所示为继电器输出接口示意图，图中继电器既是输出开关器件，又是隔离器件，电阻R1和指示灯LED组成输出状态显示器；电阻R2和C组成RC灭弧电路。

当需要某一输出端产生输出时，由CPU控制，将输出信号输出，接通输出继电器线圈，输出继电器的触点闭合，使外部负载电路接通，同时输出指示灯点亮，指示该路输出端有输出。负载所需交/直流电源由用户提供。

3.模拟量接口电路

① 模拟量输入接口。模拟量输入接口一般用来感知传感器产生的信号。这些接口可用于测量流量、温度和压力，并可用于控制电压或电流输出设备。这些接口的典型量程为-10～+10V、0～10V、4～20mA等。

图2-9所示为模拟量输入接口框图，输入信号首先进行滤波处理，然后进入A/D转换器，模拟信号转换为数字信号后，再经光耦合器隔离进入 PLC 内部回路。根据 A/D 转换器的量化精度不同，一般把模拟量输入分为8位、10位、12位、14位和16位。

② 模拟量输出接口。模拟量输出接口作用是将PLC中的数字信号转换为模拟信号输出，一般是4～20mA（或0～20mA）的电流信号或0～10V的电压信号。如图2-10所示，模拟量输出接口的处理过程与模拟量输入接口相反，PLC输出的数字信号由内部电路送至光电耦合器隔离，光电耦合器的输出端会将相应的信号输出至D/A转换器，转换后的模拟信号经由放大器等元件处理，输出驱动执行部件。和模拟量输入接口一样，模拟量输出接口也可根据D/A转换器的分辨率分为8位、10位、12位、14位和16位。

由于PLC种类繁多，各生产厂家采用的输入、输出接口电路会有所不同，但基本原理大同小异，相差不大。

2.2.4 电源

PLC一般使用220V单相交流电源，电源部件将交流电转换成中央处理器、存储器等电路工作所需的直流电，保证PLC的正常工作，小型整体式PLC内部有一个开关稳压电源，此电源一方面可为CPU、I/O单元及扩展单元提供直流5V工作电源，另一方面可为外部输入元件提供直流24 V电源。

电源部件的位置有多种，对于整体式结构的PLC，电源通常封装在机箱内部；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。

2.2.5 各种接口

① 扩展接口。扩展接口用于将扩展单元与基本单元相连，使PLC的配置更加灵活，以满足不同控制系统的需求。

② 通信接口。为了实现人—机或机—机之间的对话，PLC 配有多种通信接口。PLC 通过这些通信接口可以与监视器、打印机及其他的PLC或计算机相连。

当PLC与打印机相连时，可将过程信息，系统参数等输出打印；当与监视器（CRT）相连时，可将过程图像显示出来；当与其他PLC相连时，可以组成多机系统或连成网络，实现更大规模的控制；当与计算机相连时，可以组成多级控制系统，实现控制与管理相结合的全双工。

2.2.6 编程工具

编程工具是供用户进行程序的编制、编辑、调试和监视用的设备，最常用的是编程器。编程器有简易型和智能型两类，简易型的编程器只能联机编程，且往往是先将梯形图转化为机器语言助记符（指令表）后才能输入，它一般是由简易键盘和发光二极管或其他显示器件组成；智能型编程器又称图形编程器，它可以联机，也可以脱机编程，具有LCD或CRT图形显示功能，可以直接输入梯形图和通过屏幕对话。也可以采用微机辅助编程，许多PLC厂家为自己的产品设计了计算机辅助编程软件，运用这些软件可以编辑、修改用户程序，监控系统的运行，打印文件，采集和分析数据，在屏幕上显示系统运行状态，对工业现场和系统进行仿真等。若要直接与PLC通信，还要配有相应的通信电缆。

2.2.7 智能单元

各种类型的PLC都有一些智能单元，它们一般都有自己的CPU，具有自己的系统软件，能独立完成一项专门的工作。智能单元通过总线与主机相连，通过通信方式接受主机的管理。常用的智能单元有A/D单元、D/A单元、高速计数单元、运动控制单元等。

2.2.8 其他部件

PLC还可配套盒式磁带机、EPROM写入器、存储器卡等其他外部设备。