第3章 PLC的結構與工作原理

3.1 PLC的硬件組成

PLC的硬件部分由中央處理單元（CPU模塊）、存儲模塊、輸入/輸出（I/O）模塊、電源模塊、通信模塊、編程器等部分組成。如圖3-1所示。

圖3-1 PLC的硬件組成

3.1.1 CPU模塊

1.CPU的作用

CPU含有和個人計算機內部同樣類型的微處理器，CPU是PLC的核心部件，相當于人的大腦。CPU能夠執行系統的操作、信息存儲、輸入監控、用戶邏輯（梯形圖）評價和正確的輸出信號，并對整機進行控制。

2.CPU的構成

PLC常用的CPU主要有通用微處理器、單片機或位片式微處理器。

（1）用通用微處理器作CPU

在小型PLC中，常用8位通用微處理器作CPU。例如Intel 8080、Motorola 6800、Z80等。但這種8位微處理器的指令執行速度太慢，不適應高速、高精度、復雜的運算系統，沒有浮點運算，對24位以上運算很難實現。因此，對于高速、高精度的中、小型計算機或專用計算機都不能使用這種8位微處理器。

為了提高掃描速度，一些中、小型PLC使用雙極型的8位CPU，如MODICON公司的484型PLC使用的N8×3001。

大、中型PLC除了使用位片式微處理器外，幾乎都使用16位或32位的通用微處理器。如三菱公司的A系列使用的是美國Intel公司的8086。

通用微處理器的價格便宜，通用性強，還可以使用微機成熟的實時操作系統和豐富的軟、硬件資源。例如，用微機的通信軟件很容易構成PLC的通信網絡，PLC也易于與其他計算機連網通信。

（2）用單片機作CPU

單片機是只用一片大規模集成電路構成的微機，即把微機的CPU、ROM、RAM、I/O接口電路、時鐘電路，甚至A-D和D-A電路等全部部件集成在一塊很小的芯片上，組成一個小的微處理系統。由于它具有體積小、集成度高、價兼、可靠性高和擴充性好等優點，早已廣泛用作小型PLC的CPU。也廣泛用于PLC的智能模塊。例如日本三菱公司的F型系列PLC就是采用美國Intel公司的MCS-48系列的8039和8049單片機作CPU。

隨著微電子技術的發展，出現集成度更高、功能更強的16位單片機。PLC采用16位單片機作CPU后，其體積更加減小，運算速度和精度大大提高，邏輯運算、數值運算和通信動能也得到加強，極大地方便了用戶。

（3）用位片式微處理器作CPU

位片式微處理器只是由幾位ALU為核心的位片，并不包括運算控制器。控制器由外部的微程序控制邏輯實現，用微程序中的微指令指揮位片進行相應的操作。由于位片式微處理器畢竟是構成CPU的主要部件，因而習慣上稱為位片式微處理器。大型PLC的CPU常常使用AMD2900系列的4位的雙極型位片式微處理器芯片。如美國AB公司的PLC-3型、德國西門子公司的S5-150U型、美國西屋公司的HPPC-1500型等，都是采用AMD2900芯片構成。

一般來說，在小型PLC中，大多采用8位微處理器或單片機，如Z80A、8031、8085等，價格低、普及通用好。在中型PLC中，大多采用16位微處理器或單片機，如8086、80286、80386、8096，具有集成度高、運算速度快、可靠性高。在大型PLC中，大多采用高速位片式微處理器。如AMD 2900，靈活性強、速度快、效率高。

3.1.2 電源模塊

PLC電源有交、直流兩種，但一般都采用交流電源，有115V/230V兩檔（用戶可通過跨接線或短路片來選擇。在接線時，一定要十分注意廠商提供的電源接線圖，以免損壞設備）。通過開關電源降壓整流提供CPU、存儲器、I/O接口等所需要的內部供電電源（如±5V、±15V等）。為輸入電路和少量的外部電子檢測裝置（如接近開關）提供24V直流電源。另外還有獨立的鋰電池作為存儲器的備用電源。

3.1.3 存儲器模塊

1.存儲器的作用

存儲器是CPU用來存儲和處理程序文件、數據文件的一塊物理空間。它用來存儲系統程序和用戶程序，分為系統程序存儲器和用戶程序存儲器。

系統程序存儲器用來存儲不需要用戶干預的系統程序。例如，PLC的操作系統程序、用戶邏輯解釋程序、系統診斷程序、通信管理程序以及各種系統參數等。系統程序用來告訴PLC“怎么做”，它使PLC具備了基本的智能，能夠完成PLC設計者所要求的各種工作。PLC產品在出廠時，廠家已經把這些系統程序固化在ROM或EPROM存儲器內，用戶不需要了解這些程序，也不能更改這些程序。

用戶程序存儲器用來存儲通過編程器輸入的用戶程序。通常將用戶程序存儲器分為程序存儲區和數據存儲區，程序存儲區用來存儲用戶程序，數據存儲區用來存儲運算數據、中間運算結果和各種軟元件的狀態等。PLC的用戶程序用來告訴CPU“做什么”，是用戶根據現場的各種控制要求，用PLC的編程語言編制程序，通常存儲在CPU模塊的RAM中。

程序的復雜性決定了所需要的存儲量。存儲單元以位（二制數）為單元對信息進行存儲。規定存儲量以1000K為增量，1KB=1024B（1B=8bit）。

2.存儲器類型

常用的程序存儲器有只讀存儲器（ROM）、隨機存取存儲器（RAM）、可擦除可編程只讀存儲器（EPROM）和電可擦除可編程只讀存儲器（EEPROM）四種。各自性能見表3-1。

表3-1 常用的程序存儲器性能

3.1.4 輸入/輸出（I/O）模塊

1.I/O模塊的作用

I/O模塊是CPU與現場I/O設備或其他外部設備之間連接的橋梁。PLC的對外功能主要是通過各類I/O模塊的外接線，實現對工業設備或生產過程的檢測或控制。在實際生產過程中，輸入信號的電平多種多樣，外部執行機構所需要的電平也多種多樣，而PLC的CPU所處理的只能是標準電平，正是通過各種不同的I/O模塊除了傳遞信號外，還具有電平轉換的作用。輸出信號有交流和直流開關量信號、脈沖信號、模擬量信號。圖3-2為現場I/O連接示意圖。

圖3-2 PLC連接各種不同I/O設備

輸入模塊的作用是接收和采集現場設備的各種輸入信號，比如按鈕、數字拔碼開關、限位開關、接近開關、選擇開關、光電開關、壓力繼電器等各種開關量信號和熱電偶、電位器、測速發電機以及各種變送器提供的模擬量輸入信號，并將這些信號轉換為CPU能夠接收和處理的數字信號。

輸出模塊的作用是接收經CPU處理過的數字信號，并把這些數字信號轉換為被控設備所能接收的電壓或電流信號，以控制接觸器、電磁閥、電磁鐵、調節閥、調速裝置等執行器，或控制指示燈、數字顯示裝置和報警裝置等設備。

由于PLC的I/O信號電壓一般較高，比如直流24V，而CPU模塊的工作電壓較低，一般為5V。因而從外部引入的尖峰電壓和諸如電力線、電氣噪聲等各種干擾很可能損壞CPU模塊，使PLC不能正常工作。為此，I/O模塊還要具有隔離的作用。

2.I/O模塊基本性能要求

由于I/O模塊是與現場設備直接相連，因此對I/O模塊的基本要求如下：

1）抗干擾性能好，要能可靠地在干擾較大的場合工作；

2）輸入模塊要能直接接收現場的直流或交流電壓信號；

3）輸出模塊要能直接驅動諸如接觸器、電磁閥、調節閥等執行機構；

4）可靠性和安全性要求高，除了能在惡劣的環境下可靠地工作外，還要能在發生故障時，保證設備的安全，使故障的影響減到最小。

3.輸入模塊及接口電路

PLC為了提高抗干擾能力，輸入接口都采用光耦合器來隔離輸入信號與內部處理電路的傳輸。因此，輸入端的信號只是驅動光耦合器的內部LED導通，被光耦合器的光敏管接收，即可使外部輸入信號可靠傳輸。

輸入信號有開關量信號、數字信號、脈沖信號和各種模擬量信號，這里僅闡述開關量信號的相關知識。

（1）輸入接口電路構成

通常輸入有兩種形式。一種是直流輸入，其輸入器件可以是無源觸點或傳感器的集電極開路晶體管。它又進一步分為源型（SOURCE共［+］端）和漏型（SINK共［－］端）；另一種是交流輸入，這實際上是將交流信號經整流、限流后，再光耦傳入CPU。源型和漏型PLC屬性見表3-2。

表3-2 源型和漏型PLC屬性表

圖3-3所示是FX系列PLC的輸入電路直流源型的原理圖。圖中開關量直流輸入模塊主要由二極管VD、光耦合器和發光二極管等部分組成，各個輸入點所對應的輸入電路均相同。利用二極管VD的單向導電性來禁止反極性的直流輸入。1.5kΩ的電阻起限流作用，150Ω電阻和1.5kΩ電阻構成分壓器，150Ω電阻起分壓作用。

輸入電路包括以下幾個部分的內容：

1）輸入端子：當電流通過輸入端子時，輸入信號接通。對于源型機，將［S/S］端與［0V］相連；對于漏型機，將［S/S］端與［24V］連接。輸入信號為ON時輸入指示燈亮。所有輸入的公共端是［S/S］端子（而不是接地端）。

2）輸入電路：輸入電路的1次電路與2次電路用光耦合器隔離。2次電路中設有RC濾波器，這是為防止由于輸入觸點的抖振、輸入線混入的噪聲引起誤動作而設計的。因此，外部輸入從ON→OFF或OFF→ON變化時，PLC內部有約10ms的響應滯后。

圖3-3 開關量直流輸入模塊原理電路

3）輸入靈敏度：PLC的輸入電流為DC 24V 7mA。引起輸入動作的最小電流為2.5～3mA，但為了保證能起動，輸入電流必須大于1.5mA。為了保證切斷，必須小于1.5mA。

4）傳感器用外部電路：PLC的輸入電源是由PLC內部的DC 24V電源提供給。對于光電開關等傳感器用外部電源驅動時，建議用外部電源須為DC24V±4V，傳感器的輸出晶體管須為PNP型晶體管集電極開路型（對于源型）或NPN型晶體管集電極開路型（對于漏型）。

（2）開關量輸入模塊

開關量輸入模塊若按照使用的電源不同可分為直流輸入模塊、交流輸入模塊和交、直流輸入模塊三種；若按照輸入端與用戶輸入設備的接線方式的不同又可分為匯點式輸入、分組式和分隔輸入（也稱分割式）三種。

1）匯點式輸入就是全部或幾個輸入回路共享一個COM公共端，如圖3-4所示。出匯點式輸入接線方式既可以用于直流模塊，也可以用于交流模塊。直流輸入端模塊的電源一般由PLC自身的電源供給，而交流輸入端的模塊的電源一般由用戶提供。通常情況下，采用匯點輸入接線方式，當要求避免每個回路之間的信號發生干擾時，才采用分組輸入接線方式。

2）分組式輸入就是將全部輸入分成幾組輸入，每組輸入回路共享一個COM公共端。如圖3-5所示。

3）分隔式輸入端就是每個輸入回路有兩個接線端，由單獨的一個電源供電，相對于電源來說，各個輸入點之間是互相隔離的。如圖3-6所示。

（3）輸入接口電路接線

1）PLC與按鈕、開關等輸入元件的連接：PLC基本單元的輸入與按鈕、開關、限位開關等的接線方法，圖3-7所示為三菱FX系列漏型連接圖。圖3-8所示為三菱FX系列源型連接圖。按鈕（或開關）的兩頭，一頭接到PLC的輸入端（例如X0、X1…），另一頭連在一起接到輸入公共端上（COM端）。

圖3-4 匯點式輸入接線圖

圖3-5 分組式輸入接線

圖3-6 分隔式輸入接線

圖3-7 漏型PLC與按鈕、開關等連接圖

圖3-8 源型PLC與按鈕、開關等連接圖

2）PLC與撥碼開關的接線：撥碼開關在PLC控制系統中常常用到，如圖3-9所示為一位撥碼開關的示意圖。撥碼開關有兩種：一種是BCD碼撥碼開關，即從0～9，輸出為8421BCD碼；另一種是十六進制撥碼開關，即從0～F，輸出為二進制碼。

撥碼開關可以方便地進行數據變更，直觀明了。如控制系統中需要經常修改數據，可使用4位撥碼開關組成一組撥碼器與PLC相連，其接口電路如圖3-10所示。

圖3-10中，4位撥碼器的COM端連在一起接到電源的正極或負極，電源的負極（或正極）與PLC的COM端相連。每位撥碼開關的4條數據線按一定順序接到PLC的4個輸入點上。電源的+、－極連接取決于PLC輸入的內部電路。這種方法PLC的輸入點較多，因此若不是十分必要的場合，一般不要采用這種方法。

3）PLC與旋轉編碼器的接線：旋轉編碼器可以提供高速脈沖信號，在數控機床及工業控制中經常用到。不同型號的旋轉編碼器，其輸出的頻率也不同，相數也不一樣。有的編碼器輸出A、B、C三相脈沖，有的只有兩相脈沖，也有的只是一相脈沖（如A相），頻率有100Hz、200Hz、1kHz、2kHz、…頻率相對低時，PLC可以響應，頻率高時，PLC就不能響應。此時，編碼器的輸出信號要接到特殊功能模塊上，如采用FX2N-1HC高速計數模塊。圖3-11所示為FX2N系列PLC與E6A2-C系列旋轉編碼器的接口示意圖。

圖3-9 一位撥碼開關示意圖

圖3-10 撥碼器與PLC連接示意圖

圖3-11 FX2N系列PLC與旋轉編碼器的接口示意圖

4）PLC與傳感器元件的接口電路：傳感器的種類很多，其輸出方式也各不相同，接近開關、光電開關、磁性開關等為兩線式傳感器。圖3-12所示為傳感器與FX系列PLC的接口電路。圖3-13為源型PLC與傳感器連接圖，圖3-14為漏型PLC與傳感器連接圖。

PNP與NPN型傳感器其實就是利用晶體管的飽和和截止輸出兩種不同的狀態，屬于開關型傳感器，但二者輸出信號是相反的，即高電平和低電平。PNP型輸出的是低電平0，NPN型輸出的是高電平1。

圖3-12 FX系列PLC與傳感器的接口電路

圖3-13 源型PLC與傳感器連接圖

圖3-14 漏型PLC與傳感器連接圖

傳感器一般有三條引出線，即電源線U_CC、0V、OUT信號輸出線（少數有四條線的可能是傳感器的校驗線，校驗線不與PLC輸入端連接）。

NPN型指當有信號觸發時，信號輸出線OUT和電源線U_CC連接，相當于輸出高電平的電源線。PNP型指當有信號觸發時，信號輸出線OUT和0V連接，相當于輸出低電平0V。

通常接近開關有三根和四根引出線，一般的標記方法基本都是：橙色電源+；藍色電源－；黑色輸出；白色也是輸出（只有常開+常閉的才有）。PNP型的輸出電壓信號為+；NPN型的輸出電壓信號為－；而常開+常閉的有四根線，黑色是常開輸出，白色是常閉輸出，輸出電壓信號正負和前面敘述的PNP、NPN型的接近開關一致。特殊情況也有顏色標記不一樣的，但是極少數廠家。

一般常用的傳感器是NPN型，即高電平為有效狀態，PNP型傳感器很少使用。

4.輸出接口電路

（1）輸出接口輸出方式

輸出接口按照輸出方式的不同分三種形式：一種是繼電器輸出型（交/直流輸出模塊），CPU接通繼電器的線圈，繼而吸合觸點，而觸點與外線路構成回路；第二種是晶體管輸出型（直流輸出模塊），它是通過光耦合使開關管通斷以控制外電路；第三種就是晶閘管輸出型（交流輸出模塊），這里的可控硅是采用光觸發型的。三種輸出方式的電路如圖3-15～圖3-17所示。三種輸出方式的性能比較見表3-3。

圖3-15 繼電器輸出結構

圖3-16 晶體管輸出結構

圖3-17 晶閘管輸出結構

表3-3 三種輸出方式性能比較

使用時，應根據不同的的要求選用不同的輸出方式。若需要大電流輸出，則應選繼電器輸出方式或晶閘管輸出方式；若電路需要快速通斷或需要頻繁動作，則應選用晶體管輸出方式或晶閘管輸出方式。

（2）輸出電路的接線

輸出模塊與外部用戶設備的接線分為匯點式和分隔式，其基本接線圖如圖3-18所示。

圖3-18 輸出電路的接線形式

3.1.5 通信模塊

通信模塊是用來使CPU與外部設備或其他PLC或上位計算機進行開關量I/O、模擬量I/O、各種寄存器數值、用戶程序和診斷信息的串行通信，使操作人員可以通過外部設備或上位計算機監控PLC的工作狀態、為PLC輸入程序、改變PLC的工作方式或某些參數，或者將PLC的程序或狀態送到外部設備或上位機。

與通信模塊相連的外部設備，可以是計算機、編程器、調制解調器、其他通信模塊或者是高檔的PLC。

通過通信模塊，使PLC與各種外部設備之間建立了一個數據通道，利用這個通道可實現編程、檢查程序、控制工作方式、監控運行狀態、改變I/O狀態和圖示與操作等功能。

當然，在進行這一系列功能之前，還必須根據所選PLC的型號和協議要求配備一根通信線。圖3-19所示為FX系列PLC的通信編程口事物圖。

圖3-19 FX系列PLC的通信編程口事物圖

3.1.6 特殊功能I/O模塊

（1）模擬量I/O模塊

模擬量I/O模塊在工業控制中的應用十分廣泛。例如，若要將溫度、壓力、流量、位移、速度、酸堿度等模擬量參數送入PLC進行控制，則必須通過模擬量輸入模塊將這些模擬量參數轉換成數字量，才能被PLC所接收，繼而進行運算或處理。同樣，若要對電動調節閥、液壓電磁閥等之類的執行機構進行連續控制，也必須通過模擬量輸出模塊把PLC輸出的數字量轉換成模擬量，才能滿足這類執行機構的動作要求。因此，模擬量I/O模塊實際上就是實現A-D和D-A轉換的模塊。

在使用模擬量I/O模塊時，應考慮I/O通道數、I/O信號種類、分辨率等。

所謂I/O通道數就是指每個模塊有多少點模擬量輸入、輸出。常用的有每個模塊4點隔離I/O、8點I/O或16點I/O，16點的常用多路切換器輸入，構成多路數據采集系統。

模擬量I/O信號有電壓和電流兩種。電壓信號電平有－10～+10V、0～10V、－5～+5V、0～5V等幾種。電流信號有4～20mA、0～20mA、0～10mA等幾種。常用的模擬I/O信號為0～5V或4～20mA。

在進行A-D或D-A轉換時，使用的數字位數越多，能識別的模擬信號值越小，即分辨率越高。

1）模擬量輸入模塊：模擬量輸入信號大多是從傳感器經過變換后得到的，按照國際電工委員會（IEC）的標準，模擬量輸入信號為4～20mA電流信號，或－10～+10V、0～10V的直流電壓信號。輸入模塊接收這種模擬信號后，把它轉換成8位或10位或12位的二進制數字信號（最大值別為255、1023、4095），經過光電隔離，送給PLC的中央處理器（CPU）進行運算和處理。因此，模擬量輸入模塊又叫A-D轉換輸入模塊。

2）模擬量輸出模塊：模擬量輸出模塊是將中央處理器（CPU）的二進制數字信號（如4095等）轉換成4～20mA的電流信號，或1～5V、0～10V的直流電壓信號，以提供給執行機構。因此模擬輸出模塊又叫D-A轉換輸出模塊。

通常，模擬輸出模塊有2、4、8、16路輸出通道，這些通道既可設置為單端輸出模式，也可設置為差分輸出模式。當要求每個通道隔離輸出時，常采用差分輸出模式。

每個模擬輸出通道與CPU之間，或每個模擬輸出通道之間都有電隔離，從而防止由于輸出過電壓而損壞系統。

模擬輸出模塊是否需要外部電源（或用戶電源），這取決于用戶設備的類型。現在大多數模塊都由PLC自身的電源系統提供電源，因而在計算電流負載時，要予以考慮。

（2）特殊功能模塊（或稱智能模塊）

根據各種特殊功能的需要，PLC智能模塊的種類也越來越多，如BCD碼模塊、語言模塊、步進電動機模塊、PID控制模塊、高速計數模塊、熱電偶輸入模塊、熱電阻輸入模塊、中斷控制模塊、BASIC模塊、語音模塊等。相關模塊內容將在后面有關章節進行介紹。

3.1.7 編程器

編程器顧名思義就是編寫程序用的設備器件。編程器的作用是輸入、修改、檢查程序；顯示計數器/定時器的當前值和設定值、PLC的工作狀態、編程錯誤碼；監視線圈和觸點的狀態；在程序運行中，修改定時器/計數器的設定值和其他一些常數等。

編程器可以永久地連接在PLC上，當程序調試結束后，也可將它從PLC上取下來，此時PLC仍可繼續運行。一般只在程序輸入和調試階段使用它，所以一臺編程器可供多臺PLC共享。

編程器按其功能和體積的大小可分為簡易編程器、圖形編程器和計算機編程器三種。

（1）簡易編程器

簡易編程器的外形與計算器相似，由顯示器和鍵盤組成，顯示器大多采用液晶或發光二極管，一般只能顯示一行或幾行，顯示內容有步序號、指令助記符和軟元件號等；鍵盤包括數字鍵、編程指令鍵以及特殊功能鍵。

圖3-20 FX-20P手持編程器

簡易編程器的優點是體積小、價格便宜、使用簡單、攜帶方便，因而在小型PLC的編程中得到了廣泛的應用。但由于這種編程器通常是單行顯示，顯示的內容和信息十分有限。此外，它只能用指令編程，而且只能聯機編程。因而在大中型PLC控制系統中，采用簡易編程器編程感到十分不便。三菱便攜式編程器有FX-10P和FX-20P。圖3-20為FX-20P手持編程器實物外形，該編程器具有4行顯示，比FX-10P多兩行顯示。

（2）圖形編程器

由于簡易編程器的顯示和操作功能有限，只能用于小型PLC，或用于中型以上PLC的維護和檢查。為了擴大編程器的功能，特別是擴大顯示范圍，各生產廠家都為自己的PLC配置了專用的圖形編程器。

圖形編程器一般用于中、大型PLC。這種編程器就像一臺便攜式計算機，本身帶有CRT、鍵盤、軟盤驅動器，還有許多接口（如打印機接口、串行接口等），程序編輯功能也很強，功能較多。它還可以作為工作站使用，即把它掛在PLC網絡上，對各站進行監控、管理和調試等工作。

三菱智能圖形編程器有A7PHP和A7HGP。

（3）計算機編程

計算機編程既可脫機編程，也可聯機編程。其功能較強，除了編程外，還能顯示某些信息（如提示某些錯誤等）。一般中、大型PLC的編程都采用計算機，此時，計算機除用作編程器外，還兼有上位管理和操作指導等功能。

使用個人計算機，配上編程軟件MELSEC、MEDOC、FX-PCS/WIN、GPP for Windows、GX-Developer可方便地編寫PLC程序、監視PLC的運行情況、顯示故障信息、打印程序等。