PLC的基本结构及CPU的作用

PLC是一种专用于工业自动化控制的计算机，主要由CPU、存储器、I/O接口、通信接口、外围设备、编程装置和电源等组成，如图2-1所示。

图2-1 PLC的基本结构

1.CPU

CPU是PLC的核心，如同人脑一样，起神经中枢的作用，是PLC的控制指挥中心。每套PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行后，从用户程序存储器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路。其执行过程如下：

（1）取样外部输入信号送入输入映像存储器中存储起来。

（2）按存储的先后顺序取出用户指令，进行编译。

（3）完成用户指令规定的各种操作。

（4）将输出映像存储器中的结果送到输出端子。

（5）相应各种外围设备的请求。例如打印机、编程器等。

CPU速度和内存容量是PLC的重要参数，它们决定着PLC的工作速度，I/O数量及软件容量等，因此限制着控制规模。

目前，小型PLC为单CPU系统，大中型PLC多为双CPU系统。有些PLC中甚至多达8个CPU、对于双CPU系统，其中一个多为字处理器，一般采用8位或16位处理器；另一个多为位处理器，一般采用厂家自制专用芯片。字处理器为主处理器，用于执行编程器接口功能、监视内部定时器、监视扫描时间、处理字节指令以及对系统总线和位处理器进行控制等。位处理器为从处理器，主要用于处理操作指令和实现PLC编程语言向机器语言的转换。位处理器的采用，提高了PLC的速度，使PLC能够更好地满足实时控制的要求。

2.存储器

PLC的存储器分为系统存储器和用户存储器。主要用于存放系统程序、用户程序及工作数据。

系统存储器存放系统管理程序，完成系统诊断、命令解释、功能子程序调用管理、逻辑运算、通信以及各种参数设定等功能。其内容由厂家固化到存储器（只读存储器ROM、随机存储器RAM和可电擦写的存储器EEPROM）中，用户不能修改。(https://www.xing528.com)

用户存储器用来存放用户编制的梯形图程序或用户数据。一般由RAM、 EPROM 、EEPRO构成。其中RAM是随机存取存储器，工作速度高、价格低、改写方便，为防止掉电时信息的丢失，常用锂电池作为后备电源。

由于系统程序和用户无直接联系，所以在PLC产品样本或使用手册中所列储存器的形式及容量是指用户存储器，当PLC提供的用户存储器容量不够时，PLC增加内部为EPROM和EEPROM的存储器扩充卡盒，来实现存储器的扩展。

3.I/O接口

连接现场设备与PLC之间的接口电路，是PLC与被控对象间传递输入和输出信号的接口部件。

PLC应用于工业现场，要求其输入能将现场的输入信号转换成位处理器能接受的信号，且最大限度的排除干扰信号，提高可靠性；输出能将微处理器的微弱电信号放大成强电信号，以驱动各种负载。

输入接口电路一般由光电耦合电路和微电脑输入接口电路组成。采用光电耦合电路实现了现场输入信号与CPU电路的电气隔绝，增强了PLC内部与外部电路不同电压之间的电气安全，同时通过电阻分压和RC滤波电路，滤掉输入信号的高频抖动和降低干扰噪声，提高了PLC输入信号的抗干扰能力。

输出接口电路一般由CPU输出电路和功率放大电路组成。CPU输出电路也采用光电耦合电路，使PLC内部电路在电气上是完全与外部控制设备隔离，有效防止了现场的强电干扰，以保证PLC能在恶劣的环境下可靠的工作。

功率放大电路是为了适应工业控制的要求，将CPU输出的信号加以放大，用于驱动不同的动作频率和功率要求的外部设备。PLC的输出电路一般有三种输出类型，即继电器输出、晶体管输出、晶闸管输出。其中继电器输出型为有触点输出方式，可用于接通或断开开关频率较低的大功率直流负载或交流负载电路，负载电流约为2 A（AC220 V）；晶体管输出和晶闸管输出型为无触点输出方式，开关动作快、寿命长，可用于接通或断开开关频率较高的负载电路。其中，晶闸管输出型常用于带交流电源的大功率负载，负载电流约为1 A（AC220 V）；晶体管输出型常用于带直流电源的小功率负载，负载电流约为0.5 A（DC30 V）。

4.其他接口电路

用于连接计算机、手持编程器或其他图形编程器，并能通过外设接口组成PLC的控制网络。

PLC通过通信接口电路可与打印机、监视器、计算机、其他PLC等设备实现通信。方便地进行打印、显示控制过程的图像、组成多机系统或网络，实现更大规模控制、可组成多级分布式控制系统，实现控制与管理相结合。

PLC通过扩展接口电路将基本单元模块与其他功能模块连接起来，从而达到扩展PLC的控制功能。

5.编程装置

编程器是PLC开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件，用于编程、对系统作一些设定、监控PLC及PLC所控制的系统的工作状况，但它不直接参与现场控制运行。小编程器PLC一般有手持型编程器，目前一般由计算机（运行编程软件）充当编程器。

6.电源

PLC电源用于为PLC内部各模块的集成电路提供工作电源。许多PLC还向外提供24 V的工作电源，用于对外部传感器供电。电源输入类型有：交流电源（220 VAC或110 VAC），直流电源（常用的为24 VDC）。与普通电源相比，PLC的电源稳定性好、抗干扰能力强，对电网提供的电源稳定度要求不高。一般允许电源电压在额定值上下15%的范围内波动。这非常适用于工业现场的电压。