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第2章 PLC的结构与工作原理

2.1 PLC的硬件组成

PLC的硬件部分由中央处理单元（CPU模块）、存储模块、输入/输出（I/O）模块、电源模块、通信模块、编程器等部分组成，如图2-1所示。

1.CPU模块

（1）CPU的作用

CPU含有和PC内部同样类型的微处理器，CPU是PLC的核心部件，相当于人的大脑。CPU能够执行系统的操作、信息存储、输入监控、用户逻辑（梯形图）评价和正确的输出信号，并对整机进行控制。

（2）CPU的构成

图2-1 PLC的硬件组成

PLC常用的CPU主要有通用微处理器、单片机或位片式微处理器。

一般来说，在小型PLC中，大多采用8位微处理器或单片机，如Z80A、8031、8085等，价格低、普及通用好。在中型PLC中，大多采用16位微处理器或单片机，如8086、80286、80386、8096，集成度高、运算速度快、可靠性高。在大型PLC中，大多采用高速位片式微处理器。如AMD 2900，灵活性强、速度快、效率高。

2.电源模块

PLC电源有交、直流两种，但一般都采用交流电源，有115V/230V两档（用户可通过跨接线或短路片来选择。在接线时，一定要十分注意厂商提供的电源接线图，以免损坏设备）。通过开关电源降压整流提供CPU、存储器、I/O接口等所需要的内部供电电源（如±5V、±15V等）。为输入电路和少量的外部电子检测装置（如接近开关）提供24V直流电源。另外还有独立的锂电池作为存储器的备用电源。

3.存储器模块

（1）存储器的作用

存储器是CPU用来存储和处理程序文件、数据文件的一块物理空间。它用来存储系统程序和用户程序，分为系统程序存储器和用户程序存储器。

系统程序存储器用来存储不需要用户干预的系统程序。例如，PLC的操作系统程序、用户逻辑解释程序、系统诊断程序、通信管理程序以及各种系统参数等。系统程序用来告诉PLC“怎么做”，它使PLC具备了基本的智能，能够完成PLC设计者所要求的各种工作。PLC产品在出厂时，厂家已经把这些系统程序固化在ROM或EPROM存储器内，用户不需要了解这些程序，也不能更改这些程序。

用户程序存储器用来存储通过编程器输入的用户程序。通常将用户程序存储器分为程序存储区和数据存储区，程序存储区用来存储用户程序，数据存储区用来存储运算数据、中间运算结果和各种软元件的状态等。PLC的用户程序用来告诉CPU“做什么”，是用户根据现场的各种控制要求，用PLC的编程语言编制程序，通常存储在CPU模块的RAM中。

程序的复杂性决定了所需要的存储量。存储单元以位（二制数）为单元对信息进行存储。规定存储量以1000KB为增量，1KB=1024B（1B=8bit）。

（2）存储器类型

常用的程序存储器有只读存储器（ROM）、随机存取存储器（RAM）、可擦除可编程只读存储器（EPROM）和电可擦除可编程只读存储器（EEPROM）4种。各自性能见表2-1。

表2-1 常用的程序存储器性能

4.输入/输出（I/O）模块

（1）I/O模块的作用

I/O模块是CPU与现场I/O设备或其他外部设备之间连接的桥梁。PLC的对外功能主要是通过各类I/O模块的外接线来实现对工业设备或生产过程的检测或控制。在实际生产过程中，输入信号的电平多种多样，外部执行机构所需要的电平也多种多样，而PLC的CPU所处理的只能是标准电平，所以I/O模块除了传递信号外，还具有电平转换的作用。输出信号有交流和直流开关量信号、脉冲信号、模拟量信号。图2-2所示为现场I/O连接示意图。

输入模块的作用是接收和采集现场设备的各种输入信号，比如按钮、数字拨码开关、限位开关、接近开关、选择开关、光电开关、压力继电器等各种开关量信号和热电偶、电位器、测速发电机以及各种变送器提供的模拟量输入信号，并将这些信号转换为CPU能够接收和处理的数字信号。

输出模块的作用是接收经CPU处理过的数字信号，并把这些数字信号转换为被控设备所能接收的电压或电流信号，以控制接触器、电磁阀、电磁铁、调节阀、调速装置等执行器，或控制指示灯、数字显示装置和报警装置等设备。

由于PLC的I/O信号电压一般较高，比如直流24V，而CPU模块的工作电压较低，一般为5V。因而从外部引入的尖峰电压和诸如电力线、电气噪声等各种干扰很可能损坏CPU模块，使PLC不能正常工作。为此，I/O模块还要具有隔离的作用。

（2）I/O模块基本性能要求

由于I/O模块是与现场设备直接相连的，因此对I/O模块的基本要求如下：

1）抗干扰性能好，要能可靠地在干扰较大的场合工作；

2）输入模块要能直接接收现场的直流或交流电压信号；

图2-2 PLC连接各种不同I/O设备

3）输出模块要能直接驱动诸如接触器、电磁阀、调节阀等执行机构；

4）可靠性和安全性要求高，除了能在恶劣的环境下可靠地工作外，还要能在发生故障时，保证设备的安全，使故障的影响减到最小。

（3）输入模块及接口电路

PLC为了提高抗干扰能力，输入接口都采用光耦合器来隔离输入信号与内部处理电路的传输。因此，输入端的信号只是驱动光耦合器的内部LED导通，被光耦合器的光敏晶体管接收，即可使外部输入信号可靠传输。

输入信号有开关量信号、数字信号、脉冲信号和各种模拟量信号，这里仅阐述开关量信号的相关知识。

1）输入接口电路构成。通常输入有两种形式：一种是直流输入，其输入器件可以是无源触点或传感器的集电极开路晶体管，它又进一步分为源型（SOURCE共[+]端）和漏型（SINK共[-]端）；另一种是交流输入，这实际上是将交流信号经整流、限流后，再光耦传入CPU。源型和漏型PLC属性见表2-2。

图2-3所示是FX系列PLC的输入电路直流源型的原理图。图中开关量直流输入模块主要由二极管VD、光耦合器和发光二极管（LED）等部分组成，各个输入点所对应的输入电路均相同。利用二极管VD的单向导电性来禁止反极性的直流输入。1.5kΩ的电阻起限流作用，150Ω电阻和1.5kΩ电阻构成分压器，150Ω电阻起分压作用。

表2-2 源型和漏型PLC属性表

输入电路包括以下4个部分的内容：

①输入端子：当电流通过输入端子时，输入信号接通。对于源型机，将[S/S]端与[0V]相连；对于漏型机，将[S/S]端与[24V]连接。输入信号为ON时输入指示灯亮。所有输入的公共端是[S/S]端子（而不是接地端）。

②输入电路：输入电路的一次电路与二次电路用光耦合器隔离。二次电路中设有RC滤波器，这是为防止由于输入触点的抖振、输入线混入的噪声引起误动作而设计的。因此，外部输入从ON→OFF或OFF→ON变化时，PLC内部有约10ms的响应滞后。

③输入灵敏度：PLC的输入电流为DC 24V 7mA。引起输入动作的最小电流为2.5～3mA，但为了保证能起动，输入电流必须＞1.5mA。为了保证切断，必须＜1.5mA。

④传感器用外部电路：PLC的输入电源是由PLC内部的DC 24V电源提供的。对于光电开关等传感器用外部电源驱动时，建议外部电源为DC（24±4）V，传感器的输出晶体管为PNP型晶体管集电极开路型（对于源型）或NPN型晶体管集电极开路型（对于漏型）。

图2-3 开关量直流输入模块原理电路

2）开关量输入模块。开关量输入模块若按照使用的电源不同可分为直流输入模块，交流输入模块和交、直流输入模块3种；若按照输入端与用户输入设备的接线方式的不同又可分为汇点式输入、分组式和分隔输入（也称分割式）3种。

①汇点式输入就是全部或几个输入电路共享一个COM公共端，如图2-4所示。出汇点式输入接线方式既可以用于直流模块，也可以用于交流模块。直流输入端模块的电源一般由PLC自身的电源供给，而交流输入端的模块的电源一般由用户提供。通常情况下，采用汇点输入接线方式，当要求避免每个回路之间的信号发生干扰时，才采用分组输入接线方式。

②分组式输入就是将全部输入分成几组输入，每组输入电路共享一个COM公共端，用户可以接不同的工作电源设备，如图2-5所示。

③分隔式输入端就是每个输入电路有两个接线端，由单独的一个电源供电，相对于电源来说，各个输入点之间是互相隔离的，如图2-6所示。

3）输入接口电路接线。

①PLC与按钮、开关等输入元器件的连接：PLC基本单元的输入与按钮、开关、限位开关等的接线方法如图2-7、图2-8所示。图2-7所示为三菱FX系列漏型连接图，图2-8所示为三菱FX系列源型连接图。按钮（或开关）的两头，一头接到PLC的输入端（例如X0、X1、…），另一头连在一起接到输入公共端上（COM端）。

图2-4 汇点式输入接线图

图2-5 分组式输入接线

图2-6 分隔式输入接线

图2-7 漏型PLC与按钮、开关等连接图

图2-8 源型PLC与按钮、开关等连接图

②PLC与拨码开关的接线：拨码开关在PLC控制系统中常常用到，如图2-9所示为一位拨码开关的示意图。拨码开关有两种：一种是BCD码拨码开关，即从0～9，输出为8421BCD码；另一种是十六进制拨码开关，即从0～F，输出为二进制码。

拨码开关可以方便地进行数据变更，直观明了。如控制系统中需要经常修改数据，可使用4位拨码开关组成一组拨码器与PLC相连，其接口电路如图2-10所示。

图2-10中，4位拨码器的COM端连在一起接到电源的正极或负极，电源的负极（或正极）与PLC的COM端相连。每位拨码开关的4条数据线按一定顺序接到PLC的4个输入点上。电源的+、-极连接取决于PLC输入的内部电路。这种方法PLC的输入点较多，因此若不是十分必要的场合，一般不要采用这种方法。

图2-9 一位拨码开关示意图

图2-10 拨码器与PLC连接示意图

（4）输出接口电路

1）输出接口输出方式。输出接口按照输出方式的不同分3种形式：第一种是继电器输出型（交/直流输出模块），CPU接通继电器的线圈，继而吸合触点，而触点与外线路构成电路；第二种是晶体管输出型（直流输出模块），它是通过光耦合使开关管通断以控制外电路；第三种就是晶闸管输出型（交流输出模块），这里的晶闸管是采用光触发的。3种输出方式的电路如图2-11～图2-13所示。3种输出方式的性能比较见表2-3。