1.2 PLC的基本組成

1.2.1 繼電器控制（接線程序控制）系統(tǒng)及可編程序控制（存儲程序控制）系統(tǒng)

傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)通常由輸入設(shè)備、繼電器控制盤和輸出設(shè)備三大部分組成，如圖1-1所示。輸入設(shè)備通常由被控對象的各種開關(guān)、按鈕、傳感器等構(gòu)成。輸出設(shè)備由被控對象執(zhí)行元件組成，如電磁閥、接觸器等。繼電器控制盤通常由中間繼電器、時間繼電器和將這些器件連接起來的導(dǎo)線等組成。

PLC控制系統(tǒng)是從繼電器控制系統(tǒng)發(fā)展而來的，其構(gòu)成如圖1-2所示。可以看出，這兩種控制系統(tǒng)有很多相同之處，其中輸入設(shè)備和輸出設(shè)備基本相同，只是用PLC控制器取代了繼電器控制盤。傳統(tǒng)的繼電器控制線路的控制作用是通過許多導(dǎo)線與繼電器硬件連接實現(xiàn)的，而PLC控制系統(tǒng)的控制作用是通過軟件編程實現(xiàn)的。后者可以通過修改程序來改變其控制作用，而前者則需要改變控制線路的硬件連接才能做到。

1.2.2 PLC的基本組成

PLC的結(jié)構(gòu)多種多樣，但其基本組成一般都是相同的。PLC實質(zhì)上是一種新型的工業(yè)控制計算機(jī)，但比一般的計算機(jī)具有更強(qiáng)的與工業(yè)過程控制相連接的接口，以及更直接的適應(yīng)于控制要求的編程語言。因此，PLC與計算機(jī)的結(jié)構(gòu)組成十分相似。

從硬件結(jié)構(gòu)看，PLC主要由中央處理單元（CPU）、存儲器（RAM、ROM）、I/O接口單元、電源和編程器等組成。圖1-3為PLC控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡化框圖。

1.2.3 PLC各組成部分的作用

（1）中央處理器（CPU）

中央處理器（CPU）一般是由集成在一塊芯片上的控制電路、運(yùn)算器和寄存器組成的。CPU通過地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線與存儲器單元、I/O接口電路連接。

不同型號的PLC可能使用不同的CPU部件，制造廠家使用CPU部件的指令編寫系統(tǒng)程序，并固化在只讀存儲器（ROM）中。存儲器主要用于存儲程序及數(shù)據(jù)，是PLC不可缺少的組成單元。CPU的控制器用于讀取指令、解釋指令及執(zhí)行指令。運(yùn)算器用于進(jìn)行數(shù)字或邏輯運(yùn)算，在控制器指揮下工作。寄存器參與運(yùn)算，并存儲運(yùn)算的中間結(jié)果，它也是在控制器指揮下工作。

CPU的主要功能有以下幾點：

① 從存儲器中讀取指令。CPU從地址總線上給出存儲地址，從控制總線上給出讀命令，從數(shù)據(jù)總線上得到讀出的指令，并存入CPU內(nèi)的指令寄存器中。

② 執(zhí)行指令。對存放在指令寄存器中的指令操作碼進(jìn)行譯碼，執(zhí)行指令規(guī)定的操作，如讀取輸入信號、讀取操作數(shù)、進(jìn)行邏輯運(yùn)算或算術(shù)運(yùn)算，將結(jié)果輸出給有關(guān)部分。

③ 準(zhǔn)備取下一條指令。CPU執(zhí)行完一條指令后，根據(jù)條件可產(chǎn)生下一條指令的地址，以便取出和執(zhí)行下一條指令。在CPU的控制下，程序的指令既可以順序執(zhí)行，也可以分支執(zhí)行或跳轉(zhuǎn)執(zhí)行。

（2）存儲器

存儲器是具有記憶功能的半導(dǎo)體電路，用來存放系統(tǒng)程序、用戶程序、邏輯變量和其他一些信息。

在PLC中使用的兩種類型存儲器為ROM和RAM。

PLC的存儲空間一般可分為三個區(qū)域：

① 系統(tǒng)程序存儲區(qū)。一般采用ROM或EPROM。該存儲區(qū)用于存放系統(tǒng)程序，包括監(jiān)控程序、功能子程序、管理程序、命令解釋程序、系統(tǒng)診斷程序等。這些程序和硬件決定了PLC的各項性能。

系統(tǒng)程序是用來控制和完成PLC各種功能的程序，這些程序是由PLC制造廠家用相應(yīng)CPU的指令系統(tǒng)編寫的，并被固化到ROM中。

② 用戶程序存儲區(qū)。用戶程序存儲區(qū)用來存放由編程設(shè)備輸入的用戶針對具體控制任務(wù)自行編制的用戶程序。該區(qū)一般采用EPROM或E2PROM，或者采用加有備用電池的RAM。不同類型的PLC，其存儲容量各不相同。中、小型PLC的存儲容量一般不超過8KB，大型PLC的存儲容量高達(dá)幾百千字節(jié)。

用戶程序是指使用者根據(jù)工程現(xiàn)場的生產(chǎn)過程和工藝要求編寫的控制程序，可通過編程設(shè)備修改或增刪。

③系統(tǒng)RAM存儲區(qū)。用于存放I/O狀態(tài)、定時/計數(shù)的值、中間結(jié)果等，包括I/O映像區(qū)及邏輯線圈、數(shù)據(jù)寄存器、計數(shù)器、定時器等設(shè)備的存儲區(qū)。

由于這些程序或數(shù)據(jù)根據(jù)用戶需要會經(jīng)常改變、調(diào)試，因此用戶存儲區(qū)多為隨機(jī)存儲器。為保證掉電時不會丟失存儲的信息，一般用鋰電池作為后備電池，鋰電池的壽命一般為5～10年，若鋰電池經(jīng)常帶負(fù)載，其壽命一般為2～5 年。當(dāng)用戶程序確定不變后，可將其寫入EPROM中。

PLC只有具備了系統(tǒng)程序，才能使用戶有效地使用PLC；同樣PLC系統(tǒng)只有具備了用戶程序，通過運(yùn)行才能發(fā)揮PLC的功能。一般系統(tǒng)存儲器容量的大小，決定系統(tǒng)程序的大小和復(fù)雜程度，也決定了PLC的功能。用戶存儲器容量的大小，關(guān)系到用戶程序容量的大小和內(nèi)部元件的多少，決定了用戶控制系統(tǒng)的控制規(guī)模和復(fù)雜程度，是反映PLC性能的重要指標(biāo)之一。

1.2.4 I/O部分

I/O部分也稱I/O單元或I/O模塊，是PLC與被控設(shè)備相連接的接口電路。現(xiàn)場設(shè)備輸入給PLC的各種控制信號，如限位開關(guān)、操作安鈕、選擇開關(guān)、行程開關(guān)以及其他一些傳感器輸出的開關(guān)量或模擬量（要通過模數(shù)轉(zhuǎn)換進(jìn)入機(jī)內(nèi)）等，通過輸入接口電路將這些信號轉(zhuǎn)換成CPU能夠接收和處理的信號。輸出接口電路將CPU送出的弱電控制信號轉(zhuǎn)換成現(xiàn)場需要的強(qiáng)電信號輸出，以驅(qū)動電磁閥、接觸器等被控設(shè)備的執(zhí)行元件。

由于外部輸入設(shè)備和輸出設(shè)備所需的信號電平是多種多樣的，而PLC內(nèi)部CPU處理的信息只能是標(biāo)準(zhǔn)電平，因此I/O接口要實現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換。

PLC提供了多種操作電平和驅(qū)動能力的I/O接口，有各種各樣功能的I/O接口供用戶選用。I/O接口的主要類型有數(shù)字量（開關(guān)量）I/O接口、模擬量I/O接口等。

（1）輸入接口電路

現(xiàn)場輸入接口電路一般是由光電耦合電路和微型計算機(jī)輸入接口電路組成的。

采用光電耦合電路與現(xiàn)場輸入信號相連的目的是為了防止現(xiàn)場的強(qiáng)電干擾進(jìn)入PLC。光電耦合電路的關(guān)鍵器件是光耦合器，一般由發(fā)光二極管和光敏晶體管組成。

光耦合器的信號傳感原理是在光耦合器的輸入端加上變化的電信號，發(fā)光二極管就產(chǎn)生與輸入信號變化規(guī)律相同的光信號。光敏晶體管在光信號的照射下導(dǎo)通，導(dǎo)通程度與光信號的強(qiáng)弱有關(guān)。在光耦合器的線性工作區(qū)，輸出信號與輸入信號呈線性關(guān)系。

由于信號和輸出端是靠光信號耦合的，在電氣上是完全隔離的，因此，輸出端的信號不會反饋到輸入端，也不會產(chǎn)生地線干擾或其他串?dāng)_。

由于發(fā)光二極管的正向阻抗值較低，而外界干擾源的內(nèi)阻一般較高，根據(jù)分壓原理可知，干擾源能饋送到輸入端的干擾噪聲很小。正是由于PLC在現(xiàn)場信號的輸入環(huán)節(jié)采用了光耦合器，才增強(qiáng)了抗干擾能力。

微型計算機(jī)的輸入接口電路一般由數(shù)據(jù)輸入寄存器、選通電路和中斷請求邏輯電路構(gòu)成，這些電路集成在一塊芯片上。現(xiàn)場的輸入信號通過光耦合器送到輸入數(shù)據(jù)寄存器，再通過數(shù)據(jù)總線送給CPU。

常用的開關(guān)量輸入接口按其使用的電源不同有3種類型：直流輸入接口、交流輸入接口和交/直流輸入接口，如圖1-4所示。

（2）輸出接口電路

輸出接口電路一般由CPU的輸出接口電路和功率放大電路組成。

CPU的輸出接口電路一般是由輸出數(shù)據(jù)寄存器、選通電路和中斷請求電路集成而成。CPU通過數(shù)據(jù)總線將要輸出的信號放到輸出數(shù)據(jù)寄存器中。功率放大電路是為了適應(yīng)工業(yè)控制的要求，將微型計算機(jī)輸出的信號加以放大。PLC一般采用繼電器輸出，也有的采用晶閘管或晶體管輸出。

常用的開關(guān)量輸出接口按輸出開關(guān)器件不同有3種類型：繼電器輸出、晶體管輸出和雙向晶閘管輸出，如圖1-5所示。繼電器輸出接口可驅(qū)動交流或直流負(fù)載，但其響應(yīng)時間長，動作頻率低；而晶體管輸出和雙向晶閘管輸出接口的響應(yīng)速度快，動作頻率高，但前者只能用于驅(qū)動直流負(fù)載，后者只能用于驅(qū)動交流負(fù)載。

PLC的I/O接口所能接受的輸入信號個數(shù)和輸出信號個數(shù)稱為PLC I/O點數(shù)。I/O點數(shù)是選擇PLC的重要依據(jù)之一。當(dāng)系統(tǒng)的I/O點數(shù)不夠時，可通過PLC的I/O擴(kuò)展接口對系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展。

（3）模擬量輸入接口

模擬量輸入接口的作用是把現(xiàn)場連續(xù)變化的模擬量標(biāo)準(zhǔn)信號轉(zhuǎn)換成適合PLC內(nèi)部處理的由若干位二進(jìn)制數(shù)字表示的信號。模擬量輸入接口接受標(biāo)準(zhǔn)模擬電壓信號和電流信號。由于在工業(yè)現(xiàn)場中模擬量信號的變化范圍一般是不標(biāo)準(zhǔn)的，所以在送入模擬量接口時一般都需經(jīng)轉(zhuǎn)換器處理后才能使用。圖1-6為模擬量輸入接口的內(nèi)部電路框圖。

模擬量信號輸入后一般經(jīng)運(yùn)算放大器放大后進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，再經(jīng)光電耦合后為PLC提供一定位數(shù)的數(shù)字量信號。

（4）模擬量輸出接口

模擬量輸出接口的作用是將PLC運(yùn)算處理后的若干位數(shù)字量信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的模擬量信號輸出，以滿足生產(chǎn)過程現(xiàn)場連續(xù)控制信號的需求。模擬量輸出接口一般由光電隔離、D/A轉(zhuǎn)換、轉(zhuǎn)換開關(guān)等環(huán)節(jié)組成。圖1-7為模擬量輸出接口內(nèi)部框圖。

（5）電源部分

PLC一般使用220V的交流電源，電源部件將交流電轉(zhuǎn)換成供PLC的中央處理器、存儲器等電子電路工作所需的直流電源，使PLC能正常工作。

由于PLC主要用于工業(yè)現(xiàn)場的自動控制，直接處于工業(yè)干擾的影響之中，因此為了保證PLC內(nèi)主機(jī)能可靠地工作，電源部件對供電電源采用了較多的濾波環(huán)節(jié)，還用集成電壓調(diào)整器進(jìn)行調(diào)整以適應(yīng)交流電網(wǎng)的電壓波動，對過電壓和欠電壓都有一定的保護(hù)作用。另外還采用了較多的屏蔽措施來防止工業(yè)環(huán)境中的空間電磁干擾。常用的電源電路有串聯(lián)穩(wěn)壓電路、開關(guān)式穩(wěn)壓電路和設(shè)有變壓器的逆變式電路。

（6）擴(kuò)展接口

擴(kuò)展接口用于將擴(kuò)展單元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(tǒng)的需要。

（7）通信接口

為了實現(xiàn)“人-機(jī)”或“機(jī)-機(jī)”之間的對話，PLC配有多種通信接口。PLC通過這些通信接口可以與監(jiān)視器、打印機(jī)及其他的PLC或計算機(jī)相連。

當(dāng)PLC與打印機(jī)相連時，可將過程信息、系統(tǒng)參數(shù)等輸出打印；當(dāng)與監(jiān)視器（CRT）相連時，可將各種圖像顯示出來；當(dāng)與其他PLC相連時，可以組成多機(jī)系統(tǒng)或連成網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)更大規(guī)模的控制；當(dāng)與計算機(jī)相連時，可以組成多級控制系統(tǒng)，實現(xiàn)控制與管理相結(jié)合的綜合控制。

（8）外部設(shè)備

PLC還有許多外部設(shè)備，如EPROM寫入器、外存儲器、人-機(jī)接口裝置等。

EPROM寫入器是用來將用戶程序固化到EPROM存儲器中的PLC外部設(shè)備。為了使調(diào)試好的用戶程序不易丟失，常用EPROM寫入器將PLC內(nèi)RAM存儲的數(shù)據(jù)保存到EPROM中。

PLC內(nèi)部的半導(dǎo)體存儲器稱為內(nèi)存儲器。有時可用外部的磁帶、磁盤和用半導(dǎo)體存儲器改成的存儲盒等來存儲PLC的用戶程序，這些存儲器件稱為外存儲器。外存儲器一般是編程器或其他智能模塊提供的接口，實現(xiàn)與內(nèi)存儲器之間相互傳送用戶程序。

人-機(jī)接口裝置是用來實現(xiàn)操作人員與PLC控制系統(tǒng)的對話。最簡單、最普遍的人-機(jī)接口裝置由安裝在控制臺上的按鈕、轉(zhuǎn)換開關(guān)、撥碼開關(guān)、指示燈、LED顯示器、聲光報警器等部件構(gòu)成。