PLC组成与结构分析

1.PLC的组成

通用PLC系统的组成如图2.1-2所示，完整的PLC系统由控制对象、执行元件、检测元件、PLC、编程/操作设备等组成。

图2.1-2 PLC系统的组成

图中的电源、CPU、输入/输出模块为PLC的基本组件，故又称PLC主机（简称PLC），由PLC输出控制的执行元件、与PLC输入连接的检测元件以及编程/操作设备称为PLC的外设。

虽然，PLC种类繁多、性能各异，但它们都具有图2.1-3所示的基本硬件。

1）电源。电源用来产生PLC内部电子器件、集成电路工作的直流电压，小型PLC的电源还可作为PLC的DC输入驱动电源，但由PLC输出控制的负载驱动电源一般需要外部提供。

2）CPU。CPU是决定PLC性能的关键部件，其型号众多、性能差距很大。现代PLC的CPU一般为16位或32位处理器，大中型PLC还常采用双CPU、多CPU的结构。

3）存储器。PLC的存储器分为系统存储器、用户程序存储器和数据存储器3类。

图2.1-3 PLC的硬件组成框图

系统存储器用于PLC系统程序的存储，一般采用ROM、EPROM等只读存储器件，系统程序主要包括管理程序、命令解释程序和中断控制程序等，它由PLC生产厂家编制并安装，用户不能对此进行更改。

用户程序存储器（简称用户存储器）用来保存PLC用户程序，其存储容量经常用“步（Step）”作为单位，1步是指1条PLC基本逻辑运算指令（如输入、输出、逻辑与和逻辑或等），所占的存储器字节数。多数PLC的1步相当于4字节。用户存储器通常使用电池保持型RAM、EPROM、EEPROM、Flash ROM等非易失存储器件。

数据存储器用来存储PLC程序执行的中间信息，相当于计算机的内存。执行PLC程序所需要的输入/输出映像、内部继电器、定时器、计数器、数据寄存器的状态均存储于数据存储器中。数据存储器的状态在PLC程序执行过程中需要动态改变，故多采用RAM器件，存储内容一般在关机时自动清除，但部分内部继电器、定时器、计数器、数据寄存器的状态可用电池保持。

4）输入接口。输入接口的作用是将外部输入信号转换为PLC内部信号，它可将外部开关信号转换成内部控制所需的TTL电平，或将模拟电压转换成数字量（A-D转换）等。PLC的输入接口一般由连接器件、输入电路、光电隔离电路、状态寄存电路等组成，电路的形式在不同的输入模块上有所不同。

5）输出接口。输出接口的作用是将PLC内部信号转换为外部负载控制信号，它可将CPU的逻辑运算结果转换成控制外部执行元件的开关信号，或将数字量转换为模拟量（D-A转换）等。PLC的输出接口一般由状态寄存电路、光电隔离电路、输出驱动电路、连接器件等组成，电路的形式在不同的输出模块上有所不同。

6）通信接口。通信接口的作用是实现PLC与外设间的数据交换。利用通信接口，PLC不但可与编程器、人机界面、显示器等连接，而且也可与上级计算机、其他PLC或远程I/O单元连接，以构成PLC网络控制系统。

PLC的通信接口一般为USB、RS232、RS422/485等标准串行接口。USB、RS232接口常用于PLC与编程器、编程计算机、人机界面的通信，其传输距离一般在15m以内，传输速率在20kbit/s以下，故不能用于高速、远距离通信。RS422/485接口常用于PLC与其他PLC、变频器、伺服驱动器等控制装置的全双工/半双工通信，其传输距离最大可达1200m左右，传输速率为10Mbit/s左右，适合于远距离通信。

2.PLC的结构

PLC的基本硬件结构可分为固定型、可扩展型、模块式、集成式、分布式5种。

1）固定型PLC。固定型PLC也称微型PLC，其结构如图2.1-4所示，它采用整体结构、I/O点数固定模式，PLC的处理器、存储器、电源、输入/输出接口、通信接口等都安装于基本单元上，无扩展模块接口，I/O点数不能改变。

固定型PLC的结构紧凑、安装简单，适用于I/O点数较少（10～30点）的机电一体化设备或仪器的控制，或作为普及型CNC的外置式PLC使用。

作为功能的扩展，此类PLC一般可以安装少量的通信接口、显示单元、模拟量输入等内置功能选件，以增加少量的功能。

图2.1-4 固定型PLC(www.xing528.com)

图2.1-5 可扩展型PLC

2）可扩展型PLC。可扩展型PLC如图2.1-5所示，它由整体结构、I/O点数固定的基本单元和扩展I/O模块构成。PLC的处理器、存储器、电源及固定数量的输入/输出接口、通信接口等均安装于基本单元上；基本单元上的扩展接口可连接扩展I/O模块或功能模块，进行I/O点数或功能的扩展。

可扩展型PLC同样具有结构紧凑、安装简单的特点，且可根据设备控制要求增加I/O点或功能模块，灵活适应各种控制要求。这种PLC与模块化PLC的主要区别在于，PLC的基本单元本身带有固定的I/O点、可以独立使用；扩展模块不需要安装基板或基架。可扩展型PLC的最大I/O点数可达256点以上；功能模块的规格与品种较多，在通用机电一体化产品中的用量较大；它是小型PLC的常用结构，也常作为普及型CNC的外置式PLC使用。

图2.1-6 模块式PLC

3）模块式PLC。模块式PLC如图2.1-6所示，PLC由电源、中央处理器、输入/输出、通信等模块组成，模块统一安装在带连接总线的基板或基架上。

模块式PLC可连接的I/O模块、功能模块的数量多，容易构成大中型PLC系统，PLC的全部组成模块均可由用户自由选择，配置灵活。模块式PLC的I/O点可达1024点以上，可连接各种开关量I/O以及模拟量输入/输出、位置控制、温度测量与调节、网络通信等功能模块，可用于复杂机电一体化产品与自动线的控制。

部分大型、全功能数控系统有时使用模块式PLC作为辅助控制装置，此类PLC需要选配CNC与PLC通信的专用总线接口模块，并有大量固定地址的CNC与PLC内部I/O信号需要通过PLC程序予以处理，其他与模块式PLC完全相同。

4）集成式PLC。集成式PLC是全功能数控系统常用的辅助控制装置，用于数控机床刀具、工作台自动交换，冷却、主轴起停，夹具松/夹等辅助机能的控制。

集成式PLC与CNC集成一体，PLC的电源和CPU多与CNC共用，故不能独立使用。集成式PLC的输入/输出一般以I/O单元或模块的形式安装，I/O点数多、模块种类少、输入/输出规格固定、用途单一，通常不能选择特殊功能模块。

集成式PLC可直接利用CNC的操作面板与显示器进行程序编辑、调试与状态监控，PLC与CNC间有大量固定地址的I/O信号需要通过PLC程序处理。此外，PLC还设计有专门用于数控机床控制用的功能指令。

5）分布式PLC。分布式PLC如图2.1-7所示，它由“主站（Master）”和“从站（Slave）”组成，从站可安装于不同的工作场所，主站与从站之间通过总线连接，故可用于大型生产设备的远程控制。

分布式PLC的主站一般为模块式PLC，从站可以是PLC的分布式I/O模块或功能模块（称为远程I/O站），或是PLC、CNC、伺服驱动器、变频器等控制装置（称为远程设备站）；前者构成了分布式PLC网络系统，后者是以PLC为核心的现场控制系统。

3.PLC的分类

PLC的产品分类方法较多，按PLC的硬件结构，可分为上述的固定型、可扩展型、模块式、集成式、分布式5类；按PLC的规模，则可分为小型、中型和大型3类。PLC的规模一般以PLC可连接的最大I/O点数和最大用户程序存储器容量衡量，I/O点数越多、存储器容量越大，能够组成的系统就越大。

图2.1-7 分布式PLC的组成示意图

1）小型PLC。根据通常习惯，最大I/O点数在256点以下的PLC称为小型PLC（或微型PLC）。小型PLC一般采用固定型或可扩展型结构，用户程序存储器的容量通常在8000步以内；PLC的内部继电器、定时器、计数器、数据寄存器的数量相对较少；应用指令、功能模块的数量也有一定的限制。

小型PLC的体积小、价格低，适用于简单机电一体化设备或自动化仪器仪表的控制，它是PLC中产量最大的品种。

2）中型PLC。最大I/O点数为256～1024点的PLC称为中型PLC。中型PLC一般采用模块式结构，用户程序存储器的容量通常在16000步以上；内部继电器、定时器、计数器、数据寄存器的数量较多；应用指令、功能模块的数量很多，通信能力较强。

中型PLC的配置灵活、功能强，它既可用于中等复杂程度的机电一体化设备控制，也可用于小型生产线与过程控制的压力、流量、温度、速度、位置等控制。

3）大型PLC。最大I/O点数在1024点以上的PLC称为大型PLC。大型PLC均采用模块式结构；用户程序存储器的容量通常在32000步以上；PLC的内部继电器、定时器、计数器、数据寄存器的数量众多；应用指令、功能模块丰富；网络功能强大，可构建大型PLC网络控制系统或车间自动化控制系统。大型PLC还具有多CPU、冗余控制功能，可用于高速、高可靠性的控制场合。