1.2 PLC的基本组成

1.2.1 继电器控制（接线程序控制）系统及可编程序控制（存储程序控制）系统

传统的继电器控制系统通常由输入设备、继电器控制盘和输出设备三大部分组成，如图1-1所示。输入设备通常由被控对象的各种开关、按钮、传感器等构成。输出设备由被控对象执行元件组成，如电磁阀、接触器等。继电器控制盘通常由中间继电器、时间继电器和将这些器件连接起来的导线等组成。

PLC控制系统是从继电器控制系统发展而来的，其构成如图1-2所示。可以看出，这两种控制系统有很多相同之处，其中输入设备和输出设备基本相同，只是用PLC控制器取代了继电器控制盘。传统的继电器控制线路的控制作用是通过许多导线与继电器硬件连接实现的，而PLC控制系统的控制作用是通过软件编程实现的。后者可以通过修改程序来改变其控制作用，而前者则需要改变控制线路的硬件连接才能做到。

1.2.2 PLC的基本组成

PLC的结构多种多样，但其基本组成一般都是相同的。PLC实质上是一种新型的工业控制计算机，但比一般的计算机具有更强的与工业过程控制相连接的接口，以及更直接的适应于控制要求的编程语言。因此，PLC与计算机的结构组成十分相似。

从硬件结构看，PLC主要由中央处理单元（CPU）、存储器（RAM、ROM）、I/O接口单元、电源和编程器等组成。图1-3为PLC控制系统结构简化框图。

1.2.3 PLC各组成部分的作用

（1）中央处理器（CPU）

中央处理器（CPU）一般是由集成在一块芯片上的控制电路、运算器和寄存器组成的。CPU通过地址总线、数据总线和控制总线与存储器单元、I/O接口电路连接。

不同型号的PLC可能使用不同的CPU部件，制造厂家使用CPU部件的指令编写系统程序，并固化在只读存储器（ROM）中。存储器主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。CPU的控制器用于读取指令、解释指令及执行指令。运算器用于进行数字或逻辑运算，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。

CPU的主要功能有以下几点：

① 从存储器中读取指令。CPU从地址总线上给出存储地址，从控制总线上给出读命令，从数据总线上得到读出的指令，并存入CPU内的指令寄存器中。

② 执行指令。对存放在指令寄存器中的指令操作码进行译码，执行指令规定的操作，如读取输入信号、读取操作数、进行逻辑运算或算术运算，将结果输出给有关部分。

③ 准备取下一条指令。CPU执行完一条指令后，根据条件可产生下一条指令的地址，以便取出和执行下一条指令。在CPU的控制下，程序的指令既可以顺序执行，也可以分支执行或跳转执行。

（2）存储器

存储器是具有记忆功能的半导体电路，用来存放系统程序、用户程序、逻辑变量和其他一些信息。

在PLC中使用的两种类型存储器为ROM和RAM。

PLC的存储空间一般可分为三个区域：

① 系统程序存储区。一般采用ROM或EPROM。该存储区用于存放系统程序，包括监控程序、功能子程序、管理程序、命令解释程序、系统诊断程序等。这些程序和硬件决定了PLC的各项性能。

系统程序是用来控制和完成PLC各种功能的程序，这些程序是由PLC制造厂家用相应CPU的指令系统编写的，并被固化到ROM中。

② 用户程序存储区。用户程序存储区用来存放由编程设备输入的用户针对具体控制任务自行编制的用户程序。该区一般采用EPROM或E2PROM，或者采用加有备用电池的RAM。不同类型的PLC，其存储容量各不相同。中、小型PLC的存储容量一般不超过8KB，大型PLC的存储容量高达几百千字节。

用户程序是指使用者根据工程现场的生产过程和工艺要求编写的控制程序，可通过编程设备修改或增删。

③系统RAM存储区。用于存放I/O状态、定时/计数的值、中间结果等，包括I/O映像区及逻辑线圈、数据寄存器、计数器、定时器等设备的存储区。

由于这些程序或数据根据用户需要会经常改变、调试，因此用户存储区多为随机存储器。为保证掉电时不会丢失存储的信息，一般用锂电池作为后备电池，锂电池的寿命一般为5～10年，若锂电池经常带负载，其寿命一般为2～5 年。当用户程序确定不变后，可将其写入EPROM中。

PLC只有具备了系统程序，才能使用户有效地使用PLC；同样PLC系统只有具备了用户程序，通过运行才能发挥PLC的功能。一般系统存储器容量的大小，决定系统程序的大小和复杂程度，也决定了PLC的功能。用户存储器容量的大小，关系到用户程序容量的大小和内部元件的多少，决定了用户控制系统的控制规模和复杂程度，是反映PLC性能的重要指标之一。

1.2.4 I/O部分

I/O部分也称I/O单元或I/O模块，是PLC与被控设备相连接的接口电路。现场设备输入给PLC的各种控制信号，如限位开关、操作安钮、选择开关、行程开关以及其他一些传感器输出的开关量或模拟量（要通过模数转换进入机内）等，通过输入接口电路将这些信号转换成CPU能够接收和处理的信号。输出接口电路将CPU送出的弱电控制信号转换成现场需要的强电信号输出，以驱动电磁阀、接触器等被控设备的执行元件。

由于外部输入设备和输出设备所需的信号电平是多种多样的，而PLC内部CPU处理的信息只能是标准电平，因此I/O接口要实现这种转换。

PLC提供了多种操作电平和驱动能力的I/O接口，有各种各样功能的I/O接口供用户选用。I/O接口的主要类型有数字量（开关量）I/O接口、模拟量I/O接口等。

（1）输入接口电路

现场输入接口电路一般是由光电耦合电路和微型计算机输入接口电路组成的。

采用光电耦合电路与现场输入信号相连的目的是为了防止现场的强电干扰进入PLC。光电耦合电路的关键器件是光耦合器，一般由发光二极管和光敏晶体管组成。

光耦合器的信号传感原理是在光耦合器的输入端加上变化的电信号，发光二极管就产生与输入信号变化规律相同的光信号。光敏晶体管在光信号的照射下导通，导通程度与光信号的强弱有关。在光耦合器的线性工作区，输出信号与输入信号呈线性关系。

由于信号和输出端是靠光信号耦合的，在电气上是完全隔离的，因此，输出端的信号不会反馈到输入端，也不会产生地线干扰或其他串扰。

由于发光二极管的正向阻抗值较低，而外界干扰源的内阻一般较高，根据分压原理可知，干扰源能馈送到输入端的干扰噪声很小。正是由于PLC在现场信号的输入环节采用了光耦合器，才增强了抗干扰能力。

微型计算机的输入接口电路一般由数据输入寄存器、选通电路和中断请求逻辑电路构成，这些电路集成在一块芯片上。现场的输入信号通过光耦合器送到输入数据寄存器，再通过数据总线送给CPU。

常用的开关量输入接口按其使用的电源不同有3种类型：直流输入接口、交流输入接口和交/直流输入接口，如图1-4所示。

（2）输出接口电路

输出接口电路一般由CPU的输出接口电路和功率放大电路组成。

CPU的输出接口电路一般是由输出数据寄存器、选通电路和中断请求电路集成而成。CPU通过数据总线将要输出的信号放到输出数据寄存器中。功率放大电路是为了适应工业控制的要求，将微型计算机输出的信号加以放大。PLC一般采用继电器输出，也有的采用晶闸管或晶体管输出。

常用的开关量输出接口按输出开关器件不同有3种类型：继电器输出、晶体管输出和双向晶闸管输出，如图1-5所示。继电器输出接口可驱动交流或直流负载，但其响应时间长，动作频率低；而晶体管输出和双向晶闸管输出接口的响应速度快，动作频率高，但前者只能用于驱动直流负载，后者只能用于驱动交流负载。

PLC的I/O接口所能接受的输入信号个数和输出信号个数称为PLC I/O点数。I/O点数是选择PLC的重要依据之一。当系统的I/O点数不够时，可通过PLC的I/O扩展接口对系统进行扩展。

（3）模拟量输入接口

模拟量输入接口的作用是把现场连续变化的模拟量标准信号转换成适合PLC内部处理的由若干位二进制数字表示的信号。模拟量输入接口接受标准模拟电压信号和电流信号。由于在工业现场中模拟量信号的变化范围一般是不标准的，所以在送入模拟量接口时一般都需经转换器处理后才能使用。图1-6为模拟量输入接口的内部电路框图。

模拟量信号输入后一般经运算放大器放大后进行A/D转换，再经光电耦合后为PLC提供一定位数的数字量信号。

（4）模拟量输出接口

模拟量输出接口的作用是将PLC运算处理后的若干位数字量信号转换为相应的模拟量信号输出，以满足生产过程现场连续控制信号的需求。模拟量输出接口一般由光电隔离、D/A转换、转换开关等环节组成。图1-7为模拟量输出接口内部框图。

（5）电源部分

PLC一般使用220V的交流电源，电源部件将交流电转换成供PLC的中央处理器、存储器等电子电路工作所需的直流电源，使PLC能正常工作。

由于PLC主要用于工业现场的自动控制，直接处于工业干扰的影响之中，因此为了保证PLC内主机能可靠地工作，电源部件对供电电源采用了较多的滤波环节，还用集成电压调整器进行调整以适应交流电网的电压波动，对过电压和欠电压都有一定的保护作用。另外还采用了较多的屏蔽措施来防止工业环境中的空间电磁干扰。常用的电源电路有串联稳压电路、开关式稳压电路和设有变压器的逆变式电路。

（6）扩展接口

扩展接口用于将扩展单元及功能模块与基本单元相连，使PLC的配置更加灵活，以满足不同控制系统的需要。

（7）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，可将各种图像显示出来；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综合控制。

（8）外部设备

PLC还有许多外部设备，如EPROM写入器、外存储器、人-机接口装置等。

EPROM写入器是用来将用户程序固化到EPROM存储器中的PLC外部设备。为了使调试好的用户程序不易丢失，常用EPROM写入器将PLC内RAM存储的数据保存到EPROM中。

PLC内部的半导体存储器称为内存储器。有时可用外部的磁带、磁盘和用半导体存储器改成的存储盒等来存储PLC的用户程序，这些存储器件称为外存储器。外存储器一般是编程器或其他智能模块提供的接口，实现与内存储器之间相互传送用户程序。

人-机接口装置是用来实现操作人员与PLC控制系统的对话。最简单、最普遍的人-机接口装置由安装在控制台上的按钮、转换开关、拨码开关、指示灯、LED显示器、声光报警器等部件构成。