2.3 PLC的基本结构

PLC是微型计算机技术与控制技术相结合的产物，其基本组成与一般的计算机系统相似，即由CPU、存储器、输入/输出单元、通信接口、扩展接口和电源等部分组成。学习PLC编程不需要深入掌握内部电路的工作原理，只需要了解其功用即可。整体式PLC与模块式PLC基本组成相同，不同的只是这些基本模块之间的连接形式。整体式PLC是将所有的组成单元都封装在同一机壳内，其组成框图如图2-1所示；而模块式PLC的各组成部件独立封装，各模块通过总线进行连接，通常安装在机架或导轨上，其组成框图如图2-2所示。

不管整体式PLC和模块式PLC的组成形式有何不同，其基本组成单元的功能均是一样的。下面对各基本组成部分进行介绍。

2.3.1 中央处理器

中央处理器（Central Processing Unit-CPU）是PLC的核心，控制整个PLC系统的有序运行。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，CPU单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。CPU的控制器控制CPU工作，由它读取指令、解释指令及执行指令，但工作节奏由时钟信号控制。运算器用于数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作。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的。

每个PLC系统至少有一个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及编程过程中的语法错误等。进入运行状态后，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，指挥有关的控制电路。

CPU的运算速度和存储容量是PLC的重要参数，它们决定PLC的工作速度、I/O数量及软件容量等，从而决定控制规模。

2.3.2 存储器

存储器主要用于存放PLC系统程序、用户程序和工作数据，是PLC不可缺少的组成单元。它包括系统程序存储器、用户程序存储器和数据存储区三个部分，每一部分又由一定容量的只读存储器（ROM）、随机存取存储器（RAM）和可擦除只读存储器（EPROM）组成。ROM和EPROM在使用过程中只能读出不能存储，而RAM在使用过程中能随时取出和存入。

（1）系统程序存储器。它存放系统工作程序（监控程序）、模块化应用功能子程序、命令解释程序、功能子程序的调用管理程序和系统参数。这些程序事先烧录在ROM或EPROM芯片中，开机后便可自动运行。

（2）用户程序存储器。它存放用户程序，即用户通过编程器键盘输入的程序、各种暂存数据和中间结果等。中、小型PLC用户程序存储器容量一般不超过8KB，大型PLC用户程序存储器容量可达几百KB。用户程序存储器的内容可以任意存取、修改等。

（3）数据存储区。PLC运行过程中工作数据是经常变化的，需要随机存取的一些数据一般不需要长久保存，因此采用随机存储器RAM。数据存储区包括输入/输出数据映像区、内部辅助继电器、定时器/计数器预制数和当前值等数据区。

2.3.3 输入/输出单元

输入单元是PLC获取控制现场信号的输入通道，用来进行输入信号的采集传递、隔离滤波及电平转换。输出单元用来对PLC的输出进行放大及电平转换，驱动控制对象。由于外部输入设备和输出设备所需的信号多种多样，而PLC内部CPU只能处理标准的数字信号，必须对输入/输出信号进行转换，这种转换由输入/输出电路来完成。PLC提供了多种操作电平和驱动能力的I/O接口，供用户选用。当PLC扫描允许输入阶段时，发出允许中断请求信号，选通电路选中对应输入数据寄存器，在允许输入后，通过数据总线把输入数据寄存器的数据成批输入至输入映像存储区，供CPU进行逻辑运算用。

输入接口电路通常由滤波电路、光电隔离电路和输入内部电阻电路组成。常用的开关量输入接口，根据所使用电源的不同有直流输入接口、交流输入接口及交/直流输入接口三种类型。这三种类型的基本原理分别如图2-3、图2-4、图2-5所示。

PLC通过输出接口电路向现场控制对象输出控制信号。PLC的输出信号也分为开关量信号和模拟量信号。开关量输出接口电路由输出锁存器、电平转换电路及输出功率放大电路组成。PLC功率输出电路有三种类型，即继电器输出型、晶体管输出型和晶闸管输出型。

（1）继电器型输出。负载电流大于2A，响应时间为8～10ms，机械寿命大于106。根据负载需要可接交流或直流电源，内部参考电路图如图2-6所示。

（2）晶体管型输出。负载电流约为0.5A，响应时间小于1ms，电流小于100μA，最大浪涌电流约为3A，负载只能选择36V以下的直流电源，内部参考电路图如图2-7所示。

（3）晶闸管型输出。一般采用三端双向晶闸管输出，其耐压较高，带负载能力强，响应时间小于1ms，但晶闸管输出应用较少，内部参考电路图如图2-8所示。

PLC系统的输入/输出信号分为开关量信号和模拟量信号。开关量信号的变化不是连续的，在高电平和低电平之间跳跃变化。开关量输入信号通常由按钮、选择开关、数字拨码开关、接近开关、行程开关、继电器触点等产生，这种信号在实际PLC系统中最常见，数量也最多。开关量输出信号用来控制接触器、电磁阀、电磁铁、指示灯、数字显示装置等输出设备。

与之相对应的是大小、方向在时间上是连续变化的模拟量信号。常用的模拟量信号有电压信号和电流信号之分。电压信号的变化范围通常为-10～+10V、-5～+5V，而电流信号变化范围通常为4～20mA。模拟量输入信号通常由电位计、温度传感器、测速发电机等传感器或变送器产生。模拟量输出信号用于控制调节阀、变频器、伺服电动机等执行元件。模拟量输入/输出模块通常是专用模块，如热电阻、热电偶模块等。

此外，为了反映输入接口和输出接口的工作状态，PLC设置了输入、输出状态指示灯。当有输入信号作用时，对应的输入指示灯亮起；当某输出端口使能时，对应的指示灯亮起。这为观察PLC的输入、输出工作状态提供了方便，便于进行PLC控制系统的调试与故障诊断。

2.3.4 其他部件

1.电源模块

PLC电源用于为PLC各模块的集成电路提供工作电源，有的还为输入电路提供24V的工作电源。电源输入类型有：交流电源（220V AC或110V AC）、直流电源（常用的为24V DC）。

2.底板或机架

大多数模块式PLC使用底板或机架，其作用是：电气上，实现各模块间的联系，使CPU能访问底板上的所有模块；机械上，实现各模块间的连接，使各模块构成一个整体。

3.编程器

编程器用来生成用户程序，并能编辑、检查、修改和监视用户程序的执行情况。这里说的编程器指手持式编程器或迷你型编程器。手持式编程器不能直接输入和编辑梯形图，只能输入和编辑指令表程序，因此又叫指令编程器，一般用来给小型PLC编程和现场调试、维护。编程器的功能通常可由安装有PLC编程软件的计算机来完成，同时也可获得更强大的编程、调试、维护功能。

4.通信接口

通信接口实现PLC与PLC之间、扩展模块之间及外部设备，如与个人计算机、编程器等设备之间的通信连接。常用的接口有RS-235接口、RS-485接口、以太网接口及标准的现场总线接口，如ModBus等。