PLC基本结构及其组成要素

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的。

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）、I/O扩展接口、通信及编程接口、电源变换器等组成，见图1.1-6所示的点画线框内。

图1.1-6 PLC基本结构组成

（1）中央处理器（CPU） CPU是PLC的核心部件，由运算器和控制器组成。CPU可以是通用微处理器、单片机或位片式微处理器。它通过控制总线、地址总线和数据总线与存储器、输入/输出单元和通信接口等建立联系。其主要用于接收并存储从编程器输入的用户程序，检查编程过程是否出错，进行系统诊断，解释并执行用户程序，完成通信及外设的某些功能。

（2）存储器 PLC中的存储器主要有系统程序存储器、用户程序存储器以及工作数据存储器三种。

1）系统程序存储器。其用于存放系统程序，这些程序在PLC出厂前就已经固化到只读存储器（ROM）中了。第一部分为系统管理程序，第二部分为用户指令解释程序，第三部分为标准程序模块与系统调用程序。

2）用户程序存储器。其用于存储PLC用户的应用程序，在调试阶段，用户程序存放在读写存储器（RAM）中，可由备用电池（一般为锂电池）保存2～3年。

3）工作数据存储器。工作数据存储器用来存储工作数据，即用户程序中使用的ON/OFF状态、数值数据等。

（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与工业生产现场设备之间的连接部件。

1）输入接口。输入接口用来接收和采集用户输入设备产生的信号。输入信号主要有两种类型：一类是由按钮、选择开关、行程开关、继电器触点、接近开关、光电开关、数字拨码开关等来的开关量输入信号；另一类是由电位器、测速发电机和各种变送器等来的模拟量输入信号。这些信号经过光电隔离、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。

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1.1-7所示为西门子S7-200系列PLC的直流输入接口电路，图中只画出了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。其中直流电源由外接提供，极性可以为任意极性。

图1.1-7 S7-200PLC直流输入接口电路

2）输出接口。输出接口是将经过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），以驱动外部各种执行设备，如接触器、指示灯、报警器、电磁阀、电磁铁、调节阀、调速装置等设备。(https://www.xing528.com)

输出接口电路就是PLC的负载驱动回路。为适应实际设备控制的需要，输出接口的形式有继电器输出型、场效应晶体管输出型及双向晶闸管输出型三种，如图1.1-8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1.1-8 输出接口的形式

图1.1-8a所示继电器输出型为有触点的输出方式，既可以驱动直流负载，又可以驱动交流负载，驱动负载的能力为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，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1.1-8a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1.1-8b所示的场效应晶体管输出形式，只可以驱动直流负载，驱动负载的能力是每一个输出点的最大允许控制电流为750mA。其优点是可靠性强、执行速度快、寿命长，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LED（图1.1-8b中负载、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1.1-8b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1-1-8c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器件，所以优缺点与晶体管输出形式相似。双向晶闸管输出形式适用于高速、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1.1-8c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，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 PLC的电源（见图1.1-9）是指将外部输入的电源处理后转换成满足PLC的CPU、存储器、输入/输出接口等内部电路工作需要的直流5V电源电路或电源模块。另一方面可为外部输入元件提供DC24V标准电源，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。

图1.1-9 PLC供电形式

（1）系统程序 系统程序是由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，用户不能直接读写与更改。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语句表等。