0.3 PLC的组成

关键词：CPU单元、I/O单元、内存单元、特殊单元、通信接口、电源、机箱机架、外部设备

0.3.1 从结构看

PLC是由一些箱体或模块组成。而这些箱体或模块则是由功能不同的单元做不同的组合构成的。

如箱体式PLC，其主箱体（也称CPU箱体），则由CPU单元、内存单元、外设接口（有的还有通信接口）、I/O单元、电源、箱体间接口及其他附件等构成；其扩展箱体则由I/O单元、箱体间接口、电源及其他附件等构成。

再如模块式PLC，其CPU模块，则由CPU单元、内存单元、接口单元、有时还有I/O单元及接线器等构成。其输入模块，则是由多个输入电路、接线器及相应接口构成。

……

0.3.2 从功能看

它是由CPU单元、内存单元、I/O单元（有的称信号单元）、特殊单元（有的称之为功能单元）、外设与通信接口及电源等组成。图0-13为功能组成原理图。

图0-13 PLC组成原理图

从图知，这些单元工作全由电源供电。之间的联系全是通过总线。用地址总线建立地址联系，再用数据总线传送数据。而这两个总线则都受CPU管理的控制总线控制。

如PLC进行I/O刷新，则CPU控制器管理的控制总线，使I/O单元与内存的I/O区建立地址联系，并在所联系的地址间有步骤地进行数据交换。

再如执行用户程序，则CPU控制器管理的控制总线，使CPU的指令寄存器与内存的用户程序存储区建立地址联系，然后把将要执行的指令、传送给这个寄存器。进而，经指令译码、执行，再把结果送到内存的相应用内部器件区中。

此外，PLC还提供外设、通信接口，可用以连接PLC编程器、计算机、其他PLC或智能装置。

（1）CPU单元。CPU主要含有运算器、控制器、寄存器。不管什么样的CPU，其实质都是同步时序电路，是分周期同步工作的。为了支持它工作，当然要向其提供振荡信号；同时，还要向其提供工作电源。

CPU的控制器控制CPU工作及控制总线。如指令的读取、解释及执行就是靠它控制。但它的工作节奏由振荡信号控制。

CPU的运算器用以进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作。

CPU的寄存器存储参与运算的数据，并存储运算的中间结果。它也是在控制器指挥下工作。

CPU虽划分有以上几个部分，但在物理上却是集成在一个芯片上。按原来意义的晶体管计，一个CPU芯片集成了几万、几十万，甚至几百万个晶体管。有的芯片还集成了ROM、串口、并口等。

PLC的CPU芯片实际就是微处理器（Micro Process Unit），或干脆就是单片机或嵌入式计算机。只是它为专用于PLC，并多为厂商自行开发。这既可达到最佳的性能匹配，又可实现商业保密。

也有的PLC用的芯片就是通用的单片机，只是内部装有自编的监控程序，并靠这个监控程序，使其实现PLC的功能。

由于这些电路是高度集成的，对CPU内部的详细分析已无必要。特别对使用者而言，完全可把它看成为“黑箱”，只要弄清它的功能与性能，能正确地使用也就够了。

（2）内存单元。PLC的内存每个存储单元的长度也是固定的。西门子PLC以字节计。欧姆龙、三菱以字（或步）计。其种类是较多的，具体有：

1）依用途分，PLC CPU使用的内存有：

用于存储系统程序（操作系统）的内存；

用于存储工作数据的内存；

用于存储系统设定的内存；

用于存储用户程序的内存；

用于种种程序及数据备份的内存。

尽管这么划分，但除了备份外，其地址是统一的。而对于用户，只有系统工作单元即PLC的内部器件（有的还有用户自定义的数据区）、系统设定区及用户程序区。

2）依介质分，PLC的内存有：

只读存储器，ROM或EPROM，用于存储系统程序（操作系统）。早期的PLC，用户程序定型后，也可存于这种类型的存储器中。这种内存不掉程序，免维护。

电可擦除存储器，EEPROM，程序写入后，掉电也不丢失，并且可多次改写。少的几百次，多的几乎不受限制。近来这种内存用得很多，且多用于存储用户程序。

挥发（Flash）式内存，可多次改写，掉电后也不丢程序。CPM1A机用的即为这种内存，其容量可达2K字。

随机存储内存，RAM，访问速度快，可任意改写，但要有电池支持。多用它存储数据及用户程序。

3）依内存的分布分，有：

主内存。是内存的主体，而且也是CPU直接访问的对象。早期的PLC多数只有这种内存。

辅助内存。只用以存储用户程序或其他数据的备份。一般为内存卡，也是闪烁存储器。多是选件，也可不用。在主辅内存间，可通过相应操作或通过用户程序交换数据。

此外，一些功能很强的模块往往自身也带内存，用于存储模块的系统及工作数据。

（3）I/O单元。I/O单元是集成了I/O电路的单元，类型、规格很多。图0-14为一个输入单元的电路原理图。从图知，当输入点IN 00（IN01等未画出）ON（如本例加上24V电压）时会在该输入回路上产生接近8mA的电流，使输入发光二极管亮，经光的耦合，使内部电路对应的输入寄存器置1。反之，若IN 00 OFF（去除所加电压），则置0。从图还可知，输入用的电源正负极可任意连接。

图0-15所示为一个输入单元的接线参考图。该图为16个输入点，并只有两个公用回路（COM端）。

图0-16所示为输出单元的电气原理图。图0-16a为继电器输出的。从图知，其继电器线圈与内部电路（输出锁存器等）相接，而继电器触点则直接用于连接用户电路。这里的继电器还起到PLC与外电路隔离的作用。图0-16b为晶闸管输出。图0-16c、d为晶体管输出。它们的内部电路与输出，在电路上是隔离的，但通过光的耦合建立联系。

输出电路可通过的电流受继电器触点容量的限制，一般为1～2A，并依负载而定。感性负载时，可通过的电流要小些。

图0-14 输入电路原理图

图0-15 输入单元接线图

半导体输出有源型与漏型两种，以便驱动相应直流负载。它的响应速度快，但可通过的电流小。

晶闸管可通过的电流大，只能用于交流负载。其响应速度快比继电器快，但当从ON到OFF时，比晶体管慢。

图0-16 输出电路原理图

图0-17所示为一个继电器输出单元的接线参考图。

该图的L为负载，COM为公用端。因为PLC只提供触点，故外电路用直流或交流均可。

输出模块的点数也有多种规格，如12点、16点、32点等。

（4）外设与通信接口。集成在主机上，其功能是编程与连网通信。多还可另配接口单元，如上位通信单元、以太网单元、控制网络单元、远程单元及现场总线单元等，以组成相应的网络。

图0-17 输出单元接线图

最基本的接口为串口、欧姆龙为RS-232C，西门子、三菱为RS-485，可用以与上位计算机通信。建立通信后，可用PLC编程软件对PLC编程。

（5）电源单元。有可接交流的，也有可接直流的。目的是为内电路工作提供工作能量。同时，还可为输入电路提供24V的直流电源。

（6）机箱、机架。机箱、机架是上述各个单元的载体。箱体PLC要有机箱，机箱间接口及连接电缆。模块式PLC分有底板与无底板两种。前者，要有底板或机架、I/O控制与接口模块、连接电缆；后者也要有相应接口或模块、附件及连接电缆。

（7）外部设备。主要用于进行PLC编程、数据的读入、显示、存储及打印。具体有四大类：

1）编程设备：有简易编程器及高级编程器。

简易编程器是早期最常用的PLC编程工具。图0-18所示为简易编程器，它通过专用电缆接于PLC上。

图0-18 简易编程器

它的面板由三部分组成：

LCD显示部分：有两行（图0-18c为4行），每行可显示16个字符，相当于微型计算机的显示器，用以显示信息。

方式切换开关（仅图0-18a）：用以控制PLC的工作状态，可使PLC处于编程、监控或运行三个状态之一。

图0-18a有键盘部分，有近40个按键，用以对其进行操作。这40个键可分为四类：

数字键：分布在操作键的左下方，白色键。有0～9共10个。其中0～5还可兼而对应输入A～F。为后者时，应先键入上档（SHIFT）键（于操作键的左上角）。SHIFT键的作用，如同计算机键盘上的SHIFT键。

指令键：分布在操作键的左上方，灰色键。用于输入PLC的指令，如LD（装载）、OR（或）、AND（与）、NOT（非）、FUN（功能）等。

数据标识键：分布在键盘部分的右上方，灰色键。用于标识内部器件的类型，如DM、HR等。

控制键：分布在右下方，黄色键。用以控制编程或监控操作，如WRITE（写入）、DEL（删除）等键。

图0-18b、c有35个键。右上角为CLR（清除）键。其他的多为复合键。其输入依逻辑关系自动确定。如LD/X键，出现指令地址后按它，即为输入LD，出现指令后按它，即为输入X。它的工作方式选择不用开关（其上无开关），而用菜单选择。按OTHER键后将显示此菜单。再用↑、↓键选项。选定后，按GO键确认、执行。它的工作方式有两种，在线（简易编程器与PLC联机）、脱机（简易编程器不与PLC联机）。这两种工作方式均可编程。但后者，要先存在编程器的内存中，联机后再传给PLC。而前者，则直接可把所编的程序存入PLC中。而图0-18a编程器只有一种工作方式（联机），而且自身没有内存。

西门子公司也有用于S7-200的简易编程器。

简易编程器的功用有：

①写入程序，可把一条条指令写入PLC，也可用以清除程序及所有或部分数据清零。

②编辑程序，可对已写入PLC的程序进行编辑，可进行指令的删除、添加或修改。同时，还可对所编程序进行语法检查。

③控制PLC，可通过开关，有的还可通过菜单操作，控制PLC的工作状态，使其处于要求的状态。

④读写数据，可读出PLC内部器件的状态及数据；在监控或编程状态，还可写数据，或强迫置位或复位；可对内存清零。

⑤控制接插在编程器上的其他外设，如磁带机工作，可实现把PLC的程序存入磁带机，或做相反的操作。

⑥系统设定，可做I/O表登记或清除，可对PLC工作模式进行设定。

简易编程器体积小、重量轻，携带方便。用它，可进行PLC编程、调试等所有有关操作。所以，很适合在现场使用。也是早期PLC设定、编程及监控的最主要工具。

简易编程器，只支持助记符编程。显示屏小，功能也有限。所以，多数公司都开发有高级编程器，可显示图形。既可用助记符语言编程，还可用梯形图语言编程。而且，它的外设多，可用其打印程序、数据，还可接软驱动器，用其在软盘上存储文件。

西门子S7-300/400用的高级编程器，简称PG，实际就是工业环境下使用的笔记本电脑，安装有WINDOWS操作系统及西门子STEP 7编程软件，功能很强。是用于西门子PLC编程、组态、调试及维护的完美工具。

高级编程器价格非常贵，加上近年来个人计算机飞速发展及PLC程序设计软件的不断完善，这种图形程编程器基本上已被“笔记本电脑加编程软件”取代。

应指出的是，PLC编程器也不一定非是特制的，随着电脑技术的发展，也可是通用的。有的公司就利用掌上电脑，加上自己操作系统，而成了自身的简易编程器。如施耐德电气公司，于2002年3月推出了新一代全中文的掌上电脑编程器（TSX08PALMHJ05）。见图0-18a。

这种掌上编程器的编程环境是WINCE界面，也可用梯形图语言编程。同时，还保留了所有体积小、重量轻，携带方便等“手持”的特点。

2）监控设备：小的有数据监视器，可监视数据；大的还可能有图形监视器，可通过画面监视数据。除了不能改变PLC的用户程序，编程器能做的它都能做，是使用PLC很好的界面。性能好的PLC，这种外部设备已越来越丰富。

3）外部存储设备：用于永久性地存储用户数据。有磁带机、软驱或ROM写入器，以及相应的接口部件。各种PLC大体都有这方面的配套设施。

4）输入输出设备：如条码读入器，小型打印机等。

在某种意义上说，最一般的PLC外部设备可以说是个人计算机。PLC配有通信口，计算机安装上相应的软件，两者链接后，即可用计算机实现PLC程序的编制、调试、存储，也可实现PLC数据的显示、存储及打印。

外部设备已发展成为PLC系统的不可分割的一个部分。但它不是PLC工作所必备的。

提示：这里介绍的只是PLC的一般组成。PLC的具体组成取决两个因素：一是PLC的品牌、机型，不同的品牌、机型PLC组成的“可能”是不同的；二是用户的配置，即用户在这个“可能”中还可做不同的选择。