PLC硬件结构及存储器功能详解

从PLC的定义我们可知，PLC也是一种计算机，它有着与通用计算机相类似的结构，即PLC也是由中央处理器（CPU），存储器（MEMORY），输入/输出（I/O）接口及电源组成的，现以小型可编程序控制器为例，来说明PLC的硬件组成。

PLC的基本结构如图1-6所示，由图1-6可知，由PLC作为控制器的自动控制系统，就是工业计算机控制系统。PLC的中央处理器是由微处理器、单片机或位片式计算机组成的，且具有各种功能的I/O接口及存储器。下面结合图1-6说明PLC各个组成部分的功能。

图1-6 PLC的基本结构

（1）中央处理器（CPU） 我们大家都知道，中央处理器（CPU）是计算机的核心，因此它也是PLC的核心。它按照系统程序（操作系统）赋予的功能完成的主要任务是：

1）接收与存储用户由编程器输入的用户程序和数据；

2）检查编程过程中的语法错误，诊断电源及PLC内部的工作故障；

3）用扫描方式工作，接收来自现场的输入信号，并输入到输入映像寄存器和数据存储器中；

4）在进入运行方式后，从存储器中逐条读取并执行用户程序，完成用户程序所规定的逻辑运算、算术运算及数据处理等操作；

5）根据运算结果更新有关标志位的状态，刷新输出映像寄存器的内容，再经输出部件实现输出控制、打印制表或数据通信等功能。

随着大规模集成电路的发展，PLC采用单片机做CPU的越来越多，它以高集成度、高可靠性、高功能、高速度及低价格的优势，正在占领小型PLC的市场。

目前，小型PLC均为单CPU系统，而大、中型PLC通常是双CPU或多CPU系统。所谓双CPU，是在CPU模板上装有两个CPU芯片，一个作为字处理器，一个作为位处理器。字处理器是主处理器，它执行所有的编程器接口的功能，监视内部定时器及扫描时间，完成字节指令的处理，并对系统总线和微处理器进行控制。位处理器是从处理器，它主要完成对位指令的处理，以减轻字处理器的负担。提高位指令的处理速度，并将面向控制过程的编程语言（如梯形图、流程图）转换成机器语言。

（2）存储器 PLC的存储器中配有两种存储系统，即用于存放系统程序的系统程序存储器和存放用户程序的用户程序存储器。

系统程序存储器主要用来存储PLC内部的各种信息。一般系统程序是由PLC生产厂家编写的系统监控程序，不能由用户直接存取。系统监控程序主要由有关系统管理解释指令、标准程序及系统调用等程序组成。系统程序存储器一般用PROM或EPROM构成。

用户程序是由用户编写的程序，也称为应用程序。用户程序存放在用户程序存储器中，用户程序存储器的容量不大，主要存储PLC内部的输入输出信息，以及内部继电器、移位寄存器、累加寄存器、数据寄存器、定时器和计数器的动作状态。小型PLC的存储容量一般只有几千字节的容量（不超过8KB）。我们一般讲PLC的内存大小，是指用户程序存储器的容量，用户程序存储器常用RAM构成。

用户程序存储器一般分为两个区，程序存储区和数据存储区。程序存储区用来存储由用户编写的、通过编程器输入的程序。而数据存储区用来存储通过输入端子读取的输入信号的状态、准备通过输出端子输出的输出信号的状态、PLC中各个内部器件的状态，以及特殊功能要求的有关数据。PLC存储器的存储结构如表1-1所示。

表1-1 PLC存储器的存储结构

（3）输入部件及接口（数字量） 来自现场的主令元件、检测元件的信号经输入接口进入到PLC。主令元件的信号多数是指控制按钮，这种信号的特点基本上都是人为操作的。检测元件的信号主要来自各种传感器、限位开关、继电器等的触点。也可以说是过程控制当中某些位置变化或参数值变化所产生的信号。这些信号有的是开关量（数字量），有的是模拟量（连续变化的量），有的是直流信号，有的是交流信号，要根据输入信号的类型选择合适的输入接口。

为提高系统的抗干扰能力，各种输入接口均采取了抗干扰措施，如在输入接口内带有光耦合电路，使PLC与外部输入信号进行隔离。为消除信号噪声在输入接口内还设置了多种滤波电路。为便于PLC的信号处理，输入接口内有电平转换及信号锁存电路。为便于现场信号的连接，在输入接口的外部设有接线端子排。

（4）输出部件及接口（数字量） 由PLC产生的各种输出控制信号经输出接口去控制和驱动负载（如接触器和继电器线圈、电磁阀、指示灯、报警器等）。

因为PLC的直接输出带负载能力有限。最高电压为交流220V，电流最高2A，所以PLC输出接口所带的负载，通常就是上面这些。

同输入接口一样，输出接口的负载有交流的，也有直流的，要根据负载性质选择合适的输出接口。

输出接口的输出方式分为晶体管输出型，双向晶闸管输出型及继电器输出型。晶体管适用直流负载或TTL电路，双向晶闸管适用交流负载，而继电器输出型，既可用于直流负载，又可用于交流负载。使用时，只要外接一个与负载相符的电源即可。因而采用继电器输出型，对用户显得方便和灵活，但由于它是有触点输出，所以它的工作频率不能很高，工作寿命不如无触点的半导体器件长。

晶体管输出型每个输出点的最大带负载能力约为0.75A，其接口响应速度较快，特别适合控制步进电动机之类的直流脉冲型负载。(www.xing528.com)

双向晶闸管输出型每个点最大带负载能力约为0.5～1A，其接口响应速度较快，适合控制要求频繁动作的交流负载。

继电器输出型每个输出点的最大带负载能力约为2A，作为数字量输出选择继电器型则更为自由和方便，且适用场合普遍。因此，在对动作时间和动作频率要求不高的情况下，常常采用此方式。

输出接口的接线方式，PLC的控制信号经输出接口送出来，接口与外部用户设备该如何接线呢？这里可分为两种方式，汇点式输出接线和隔离式输出接线。

①汇点式输出接线方式，把所有的输出点分成几个组，一组一个公共端（COM），这样做的目的就是为了用户设备不同电压等级的要求，同级别电压的设备可放在同一组，通过本组的公共端（COM）形成电压回路如图1-7a所示，还可以将全部输出点作为一组，所有输出点共用一个COM点，如图1-7b所示。可以明显看出图1-7b的接线方式就不如图1-7a的接线方式灵活方便，图1-7a可以当作图1-7b使用，而图1-7b是不能当作图1-7a来使用的。

②隔离式输出接线方式，隔离式输出接线方式如图1-8所示。在这种方式中，每个输出点都有自己的COM点，更加灵活方便，适合多级别电压的控制系统，每个COM点都是相对独立的，相互隔离的，如用户设备电压等级并不多，我们可给它们任意组合，做起来也很方便，只要把它们的COM点相应接在一起就可以组成同一电压等级回路。

图1-7 汇点式输出接线方式

图1-8 隔离式输出接线方式

（5）模拟量输入/输出接口模块 小型PLC的主机上一般没有模拟量输入/输出接口，如果有的话，通道数也是有限的，只有通过连接专用的扩展模块，才能增加模拟量通道数量。而大、中型PLC模拟量通道数可以达到成百上千个。

PLC发展到今天，不仅仅只是处理数字量信号（开关量信号、断续量信号），也能够处理模拟量信号（连续变化的信号）。像温度、压力、速度、位移、电流、电压等信号，在生产设备上这些量都是连续变化的。以往这种信号都是通过仪表来控制，现在用PLC就完全可以实现控制。模拟量输入信号或模拟量输出信号可以是电压，也可以是电流，可以是单极性的，如0～5V，0～10V，1～5V，4～20mA；也可以是双极性的，如±50mV，±5V，±10V，±20mA。

一个模拟I/O接口模块的通道数，可能有2，4，8，16个。也有的模块既有输入通道，也有输出通道。

模拟量输入接口模块的任务是把现场中被测的模拟量信号转变成PLC可以处理的数字量信号。通常生产现场可能有多路模拟量信号需要采集，各模拟量的类型和参数都可能不同，这就需要在进入模块前，对模拟量信号进行转换和预处理，把它们转变成输入模块能统一处理的电信号，经多路转换开关进行多中选一，再将已选中的那路信号进行A/D（模/数）转换，转换结束进行必要处理后，送入数据总线供CPU存取，或存入中间寄存器备用。

模拟量输出接口模块的任务是将CPU送来的数字量转换成模拟量，用以驱动执行机构，实现对生产过程或装置的闭环控制。

（6）扩展接口与通信接口 PLC主机上除了输入接口与输出接口外，还有扩展接口与通信接口。

1）扩展接口现在有两个含义：一个是CPU的扩充，它是在原系统中只有一块CPU而无法满足系统工作要求时使用的，这个接口的功能是实现扩充CPU，以及扩充CPU模块之间（多个CPU模块扩充）的相互控制和信息交换。另一个含义是单纯的I/O（数字量I/O或模拟量I/O）扩展接口，它是为弥补主机上I/O点数有限而设置的，用于扩展输入/输出点数，当用户的PLC控制系统所需的I/O点数超过主机本身的I/O点数时，就要通过I/O扩展接口将主机与I/O扩展单元连接起来，以满足用户的需求。

2）通信接口是专用于数据通信的，主要实现“人-机”对话或“机-人”对话。PLC通过通信接口可与打印机监视器相连，也可与其他的PLC或上位计算机相连，构成多机局部网络系统或多级分布式控制系统，还有可实现管理与控制相结合的综合系统，用户应根据不同的设备要求遵循已规范好的通信协议，选择相应的通信方式并配置适合的通信接口，通信接口有串行接口和并行接口两种。

（7）编程器 编程器是人们以往最常用的编程设备，它又分为简易编程器和智能编程器，用它可以进行用户程序的输入、编辑、调试和监视，还可以通过其键盘去调用和显示PLC的一些内部继电器状态和系统参数，它使用PLC上专用接口与CPU联系，完成人机对话。通过简易编程器输入程序还必须把编好的梯形图程序转变成编程器认可的助记符，用于逐条将程序敲进去，需要很长的时间。编程器一般由PLC生产厂家提供，同一厂家的不同规格的PLC所使用的编程器是不一样的。

由PLC生产厂家生产的专用编程器使用范围有限，价格一般也较高，在个人计算机不断更新换代的今天，出现了使用以个人计算机为基础的编程系统。由生产厂家向用户提供编程软件，而编程软件装在哪台计算机则由用户自己选择。只要能支持此软件运行就可以了，用户在计算机上直接编写梯形图，然后下载到PLC中进行调试，还可以通过计算机监视程序运行。这种方法的主要优点就是利用个人计算机，用几秒钟的时间就可以将程序输入到PLC当中去，能节省很多劳动和时间。监视运行方便、快捷、直观。对于不同厂家和型号的PLC，只需要更换编程软件就可以了。

（8）其他 我们在进行PLC控制系统设计时还可以根据需要配置一些外部设备。

1）人-机接口装置（HMI）。人-机接口装置又叫操作员接口，用于实现操作人员与PLC控制系统的对话和相互作用。人-机接口最简单、最基本和最普遍的形式是由安装在控制台上的按钮、转换开关、拨码开关、指示灯、LED数字显示器和声光报警等元件组成。它们用来指示PLC的I/O系统状态及各种信息。通过合理的程序设计，PLC控制系统可以接收并执行操作员的指令，小型PLC^一般采用这种人-机接口。

2）外存储器。PLC的CPU内的半导体存储器称为内存，可用来存放系统程序和用户程序。有时将用户程序存储在盒式磁带机的磁带或磁盘驱动器的磁盘中，作为程序备份或改变生产工艺流程时调用。磁带和磁盘称为外存，如果PLC内存中的用户程序丢失或被破坏，可再次将存储在外存中的程序重新装入。

3）打印机。打印机在用户程序编制阶段用来打印带注解的梯形图程序或语句表程序，这些程序对用户的维修及系统的改造或扩展是非常有价值的。在系统的实时运行过程中，打印机用来提供运行过程中发生事件的硬记录，例如用于记录系统运行过程中报警的时间和类型。这对于分析事故原因和系统改进是非常重要的。在日常管理中，打印机可以定时或非定时打印各种生产报表。