PLC的硬件和软件组成结构及输出接口电路解析

从PLC的定义可知，PLC实质上是一种工业控制计算机，有着与通用计算机相类似的结构，PLC也是由硬件和软件两大部分组成。

1.PLC硬件结构

PLC硬件结构主要由中央处理器（CPU）、存储器、输入/输出单元（I/O接口）、扩展接口、通信接口及电源等组成，如图1-10所示。

图1-10 PLC硬件结构

（1）中央处理器（CPU）

CPU是PLC的逻辑运算和控制指挥中心，它通过控制总线、地址总线和数据总线与存储器、输入/输出单元、通信接口等联系。CPU由通用微处理器、单片机或位片式微处理器组成。

（2）存储器

存储器主要用来存放系统程序、用户程序以及工作数据。PLC的存储器ROM（只读存储器）中固化了系统程序，用户不能更改其中的内容。存储器RAM（随机存取存储器）中存放用户程序和工作数据，用户可对用户程序进行修改。为保证掉电时不会丢失RAM存储的信息，一般用锂电池作备用电源供电。

（3）输入/输出单元（I/O接口）

输入/输出单元通常也称为输入/输出接口（I/O接口），是PLC与工业生产现场之间连接的部件。

1）输入接口。

输入接口的作用是将用户输入设备产生的信号（开关量输入或模拟量输入），经过光电隔离、滤波和电平转换等处理，变成CPU能够接收和处理的信号，并送给输入映像寄存器。

为了防止各种干扰信号和高电压信号进入PLC，输入接口电路一般由光电耦合电路进行电气隔离，由RC滤波器消除输入触点的抖动和外部噪声干扰。

PLC输入接口电路有直流输入、交流输入和交流/直流混合输入三种。输入接口的电源可以由外部提供，也可以由PLC内部提供。

图1-11所示为直流输入接口电路，图中只画出对应于一个点的输入电路，各个输入点所对应的输入电路均相同。其中外接的直流电源极性可以为任意极性。

图1-11 直流输入接口电路

图1-11中，SB为输入元件按钮，当SB闭合时，光耦合器中的发光二极管（LED）有驱动电流流过而导通发光，光敏晶体管接收到光线，由截止变为导通，将高电平经RC滤波、放大整形送入PLC内部电路中，同时点亮VL。当CPU在循环的输入阶段输入该信号时，将该输入点对应的映像寄存器状态置1；当SB断开时，VL熄灭，对应的映像寄存器状态置0。其中，光耦合器中的发光二极管是电流驱动元件，要有足够的能量才能驱动。而干扰信号虽然有的电压值很高，但能量较小，不能使发光二极管导通发光，所以不能进入PLC内，实现了电气隔离。

2）输出接口。(www.xing528.com)

输出接口的作用是将经过CPU处理的信号通过光电隔离和功率放大等处理，转换成外部设备所需要的驱动信号（数字量输出或模拟量输出），以驱动如接触器、指示灯、报警器、电磁阀、电磁铁、调节阀、调速装置等各种执行机构。

输出接口电路就是PLC的负载驱动回路。为适应控制的需要，输出接口的形式有继电器输出型、大功率晶体管或场效应晶体管（MOSFET）输出型及双向晶闸管输出型三种，如图1-12所示。为提高PLC抗干扰能力，每种输出电路都采用了光电或电气隔离技术。

图1-12 输出接口的形式

图1-12a所示的继电器输出型为有触点的输出方式，既可驱动直流负载，又可驱动交流负载，驱动负载的能力在2A左右。其优点是适用电压范围比较宽，导通压降小，承受瞬时过电压和过电流的能力强。其缺点是动作速度较慢，响应时间长，动作频率低。建议在输出量变化不频繁时优先选用，不能用于高速脉冲的输出。其电路工作原理是：当内部电路的状态为1时，使继电器线圈通电，产生电磁吸力，触点闭合，则负载得电，同时点亮输出指示灯LED（图中负载、输出指示灯LED未画出），表示该路输出点有输出。当内部电路的状态为0时，使继电器K的线圈无电流，触点断开，则负载断电，同时LED熄灭，表示该路输出点无输出。

图1-12b所示的场效应晶体管输出形式只可驱动直流负载，驱动负载的能力是每一个输出点为750mA。其优点是可靠性强，执行速度快，寿命长。其缺点是过载能力差。适用于高速（可达20kHz）、小功率直流负载。其电路工作原理是：当内部电路的状态为1时，光耦合器导通，使晶体管饱和导通，场效应晶体管也饱和导通，则负载得电，同时点亮输出指示灯LED（图中负载、输出指示灯LED未画出），表示该路输出点有输出。当内部电路的状态为0时，光耦合器断开，晶体管截止，场效应晶体管也截止，则负载失电，LED熄灭，表示该路输出点无输出。图中的稳压管用来抑制关断过电压和外部的浪涌电压，以保护场效应晶体管。

图1-12c所示的双向晶闸管输出形式适合驱动交流负载，驱动负载的能力为1A左右。由于双向晶闸管和晶体管同属于半导体材料器件，所以优缺点与晶体管输出形式的相似。双向晶闸管输出形式适用高速、大功率交流负载。其电路工作原理是：当内部电路的状态为1时，发光二极管导通发光，双向二极管导通，给双向晶闸管施加了触发信号，无论外接电源极性如何，双向晶闸管均导通，负载得电，同时输出指示灯LED点亮（图中负载、输出指示灯LED未画出），表示该输出点接通；当内部电路的状态为0时，双向晶闸管无触发信号，双向晶闸管关断，此时负载失电，LED熄灭，表示该路输出点无输出。

（4）扩展接口

扩展接口用来扩展PLC的I/O端子数，当用户所需要的I/O端子数超过PLC基本单元（即主机，带CPU）的I/O端子数时，可通过此接口用扁平电缆线将I/O扩展接口（不带有CPU）与PLC基本单元相连接，以增加PLC的I/O端子数，从而适应控制系统的要求。其他很多的智能单元也通过该接口与PLC基本单元相连。

（5）通信接口

通信接口是专用于数据通信的，主要实现“人机”对话。PLC通过通信接口可与打印机、监视器以及其他的PLC或计算机等设备实现通信。

（6）电源

小型整体式PLC内部有开关式稳压电源，电源一方面为CPU、I/O接口及扩展单元提供DC5V电源，另一方面可为外部输入元件提供DC24V电源，而驱动PLC负载的电源由用户提供。

2.PLC软件

PLC软件由系统程序和用户程序组成。

（1）系统程序

系统程序由PLC制造厂商采用汇编语言设计编写的，固化于ROM型系统程序存储器中，用于控制PLC本身的运行，用户不能直接读写或更改。系统程序分为系统管理程序、用户指令解释程序、标准程序模块和系统调用程序。

（2）用户程序

用户程序是用户为完成某一控制任务而利用PLC的编程语言编制的程序。由于PLC是专门为工业控制而开发的装置，其主要使用者是广大电气技术人员，为了满足他们的传统习惯和掌握能力，PLC的编程语言采用比计算机语言相对简单、易懂、形象的专用语言。PLC的主要编程语言有梯形图和指令语句表等。