3.5　PLC的系統組成

PLC實質上是一種工業控制計算機。PLC與計算機的組成十分相似，只不過它比一般的計算機具有更強的與工業過程相連接的接口，以及更直接的適應控制要求的編程語言。從硬件結構看，它由CPU、存儲器、輸入/輸出接口、電源等組成。PLC的結構框圖如圖3-1所示。

3.5.1　中央處理器（CPU）

中央處理器（CPU）一般由控制器、運算器和寄存器組成，這些電路都集成在一塊芯片內。CPU通過數據總線、地址總線和控制總線與存儲單元、輸入/輸出接口電路相連接。

與一般計算機一樣，CPU是PLC的核心，它按PLC中系統程序賦予的功能指揮PLC有條不紊地工作。用戶程序和數據事先存入存儲器，當PLC處于運行方式時，CPU按循環掃描方式執行用戶程序。

CPU主要完成下列工作：

①接收、存儲用戶通過編程器等輸入設備輸入的程序和數據。

②用掃描的方式通過I/O部件接收現場信號的狀態或數據，并存入輸入映像寄存器或數據存儲器。

③診斷PLC內部電路的工作故障和編程中的語法錯誤等。

④PLC進入運行狀態后，執行用戶程序，完成各種數據的處理、傳輸，存儲相應的內部控制信號，以完成用戶指令規定的各種操作。

⑤響應各種外圍設備（如編程器、打印機等）的請求。

3.5.2　存儲器

PLC的存儲器包括系統存儲器和用戶存儲器。

（1）系統存儲器

系統存儲器用來存放由PLC生產廠家編寫的系統程序，并固化在ROM內，用戶不能直接更改。它使PLC具有基本的功能，能夠完成PLC設計者規定的各項工作。系統程序質量的好壞，很大程度上決定了PLC的性能。

（2）用戶存儲器

用戶存儲器包括用戶程序存儲器（程序區）和數據存儲器（數據區）兩部分。用戶程序存儲器用來存放用戶針對具體控制任務而用規定的PLC編程語言編寫的各種用戶程序。用戶程序存儲器根據所選用的存儲器單元類型的不同（可以是RAM、EPROM或EEPROM存儲器），其內容由用戶修改或增刪。用戶數據存儲器用來存放（記憶）用戶程序中所使用器件的ON/OFF狀態和數值、數據等。它的大小關系到用戶程序容量的大小，是反映PLC性能的重要指標之一。

PLC使用的存儲器類型有下述三種。

①隨機存取存儲器（RAM）　用戶可以用編程裝置讀出RAM中的內容，也可以將用戶程序寫入RAM，因此RAM又叫讀/寫存儲器。它是易失性的存儲器，電源中斷后，其存儲的信息將丟失。

RAM的工作速度快，價格便宜，改寫方便。在關斷可編程控制器的外部電源后，可用鋰電池保存RAM中的用戶程序和某些數據。鋰電池可用2～5年，需要更換鋰電池時，由PLC發出信號通知用戶。現在大部分PLC已不用鋰電池來完成掉電保護功能了。

②只讀存儲器（ROM）　ROM的內容只能讀出，不能寫入。它是非易失性的，電源消失后，其仍能保存存儲的內容。ROM一般用來存放可編程控制器的系統程序。

③可電擦除可編程的只讀存儲器（EEPROM或E2PROM）　它是非易失性的。但是可以用編程裝置對其編程，兼有ROM的非易失性和RAM的隨機存取優點，但是信息寫入所需的時間比RAM長得多。EEPROM用來存入用戶程序和需長期保存的重要數據。

3.5.3　輸入/輸出接口

輸入/輸出單元是PLC與外界連接的接口。輸入單元接收來自用戶設備的各種控制信號，通過接口電路將這些信號轉換成中央處理器能夠識別和處理的信號，并存到輸入映像寄存器。運行時，CPU從輸入映像寄存器讀取輸入信息并進行處理，然后將處理結果放到輸出映像寄存器。輸出映像寄存器由輸出點相對應的觸發器組成，輸出接口電路將其由弱電控制信號轉換成現場需要的強電信號輸出，以驅動電磁閥、接觸器、指示燈等被控設備的執行元件。

當S7-200主機的輸入/輸出點數不能滿足控制的需要時，可以選配各種模塊來擴展。

PLC的接口模塊有數字量模塊、模擬量模塊、智能模塊等。

（1）數字量模塊

①數字量輸入模塊　數字量輸入模塊的每一個輸入點可接收一個來自用戶設備的離散信號，如按鈕、各類開關、繼電器觸點等。

? 直流輸入模塊。直流輸入模塊的輸入電路如圖3-2所示，圖中，R1為限流電阻；R2和C構成濾波電路，可以濾掉輸入信號的諧波；VL為輸入指示燈；VLC為光耦合器。輸入模塊的外接直流電源極性可以任意選擇。

直流模塊的工作原理是：當輸入開關閉合時，現場開關閉合后，外部直流電壓經過電阻R1和阻容濾波后加到雙向光耦合器的發光二極管上；經光耦合，光敏晶體管接收光信號，并將接收的信號送入內部狀態。即當現場開關閉合時，對應的輸入映像寄存器為“1”狀態；當現場開關斷開時，對應的輸入映像寄存器為“0”狀態。當輸入端的發光二極管（VL）點亮，即指示現場開關閉合時，光耦合器隔離了輸入電路與PLC內部電路的電氣連接，使外部信號通過光耦合變成內部電路能接收的標準信號。

? 交流輸入模塊。交流輸入模塊的電路原理圖如圖3-3所示。為防止輸入信號過高，每路輸入信號并接取樣電阻R1用來限幅；為減少高頻信號竄入，串接R2、C作為高頻去耦電路；R2、R3對交流電壓起到分壓作用。

交流模塊的工作原理是：當輸入開關閉合時，交流電源經C、R2、雙向光耦合器，將該信號送至PLC內部電路，供CPU處理。雙向二極管VL指示輸入狀態。

②數字量輸出模塊

? 直流輸出模塊。直流輸出模塊的電路原理圖如圖3-4所示。直流輸出模塊是晶體管輸出方式，外加直流負載電源。當CPU根據用戶程序的運算把輸出信號送入PLC的輸出映像區后，通過內部總線把輸出信號送到輸出鎖存器中。當輸出鎖存器的對應位為“1”時，其對應的晶體管V導通，把負載L和電源連通起來，使得負載L獲得電流，發光二極管VL導通；當輸出鎖存器的對應位為“0”時，其對應的晶體管V截止，把負載L和電源隔斷，使得負載不會獲得電流，發光二極管VL不導通。

? 交流輸出模塊。交流輸出模塊的電路原理圖如圖3-5所示。交流輸出模塊采用光控雙向硅開關驅動，所以又叫雙向二極晶閘管輸出模塊，外加交流電源。當CPU根據用戶程序的運算把輸出信號送入PLC的輸出映像區后，通過內部總線把輸出信號送到輸出鎖存器中。當輸出鎖存器的對應位為“1”時，其對應的光耦合器VLC導通，把負載L和電源連通起來，使得負載L獲得電流，發光二極管VL發光。當輸出鎖存器的對應位為“0”時，其對應的光耦合VLC截止，把負載L和電源隔斷，使得負載不會獲得電流，發光二極管VL不導通。

當晶閘管由導通變為阻斷時，如果負載中含有電感的話，電感中磁場能量的釋放是通過阻容吸收電路R3、C和壓敏電阻RV吸收的。

? 交直流輸出模塊。其輸出電路圖如圖3-6所示。交直流輸出模塊采用斷電器輸出方式。當輸出鎖存器的對應位為“1”時，其對應的二極管VL導通發光，繼電器K1的線圈帶電，K1的觸點把負載L和電源連通起來，使得負載L獲得電流；當輸出鎖存器的對應位為“0”時，其對應的二極管VL不導通，K1線圈不帶電，K1的觸點把負載L和電源隔斷，使得負載L不會獲得電流。

（2）模擬量模塊

在工業控制中，除了用數字量信號來控制外，有時還要用模擬量信號進行控制。模擬量模塊有模擬量輸入模塊、模擬量輸出模塊和模擬量輸入輸出模塊。

①模擬量輸入模塊（A/D）　模擬量輸入模塊又稱A/D模塊，是把模擬信號轉換成PLC的CPU可以接收的數字量，一般為12位二進制數，也有比12位高的或比12位低的。應該說，數字量位數越多的模塊，分辨率越高。

②模擬量輸出模塊（D/A）　模擬量輸出模塊又稱D/A模塊，是把PLC的CPU送往模擬量輸出模塊的數字量轉換成外部設備可以接收的模擬量（電壓或電流）。一般輸出模擬信號都是標準的傳感器信號。模擬量輸出模塊所接收的數字信號一般為12位二進制數，也有比12位高的或比12位低的。同樣，數字量位數越多的模塊，分辨率越高。

3.5.4　電源部分

PLC一般使用220V交流電源，內部的開關電源為PLC的中央處理器、存儲器等電路提供5V、±12V、24V等直流電源，使PLC能正常工作。

電源部件的位置形式有多種。對于整體式結構的PLC，通常電源封裝到機殼內部；對于模塊式PLC，有的采用單獨電源模塊，有的將電源與CPU封裝到一個模塊中。

3.5.5　擴展接口

擴展接口用于將擴展單元以及功能模塊與基本單元相連，使PLC的配置更加靈活，以滿足不同控制系統的需要。

3.5.6　通信接口

為了實現“人—機”或“機—機”之間的對話，PLC配有多種通信接口。PLC通過這些通信接口與監視器、打印機和其他PLC或計算機相連。

當PLC與打印機相連時，可將過程信息、系統參數等輸出打印；當與監視器（CPT）相連時，可將過程圖像顯示出來；當與其他PLC相連時，可以組成多機系統或聯成網絡，實現更大模塊的控制；當與計算機相連時，可以組成多級控制系統，實現控制與管理相結合的綜合控制。

3.5.7　編程器

編程器的作用是供用戶進行程序的編制、編輯、調試和監視。用戶通過編程器編寫控制程序，并通過通信單元（編程器接口）將程序裝入PLC。

還可以利用PC作為編程器。PLC生產廠家配有相應的編程軟件，使用編程軟件在屏幕上直接生成和編輯梯形圖、語句表、功能塊圖和順序功能圖程序，并實現不同編程語言的相互轉換。程序被編譯后下載到PLC，也可以將PLC中的程序上傳到計算機。程序可以存盤或打印；通過網絡，還可以實現遠程傳送。現在有些PLC不再提供編程器，而只提供微機編程軟件，并且配有相應的通信連接電纜。