1.2　PLC的基本结构及工作原理

1.2.1　PLC的基本结构

目前PLC生产厂家很多，产品结构也各不相同，但其基本组成部分如图1-7（整体式）、图1-9（组合式）所示。可以看出，PLC采用了典型的计算机结构，主要包括CPU、RAM、ROM和I/O接口电路等。其内部采用总线结构进行数据和指令的传输。如果把PLC看作一个系统，该系统由“输入变量→PLC→输出变量”组成。外部的各种开关信号、模拟信号以及传感器检测的各种信号均可作为PLC的输入变量；它们经PLC外部输入端子输入到内部寄存器中，经PLC内部逻辑运算或其他各种运算处理后送到输出端子，它们是PLC的输出变量；由这些输出变量对外围设备进行各种控制。因此也可以把PLC看作是一个中间处理器或变换器，它将工业现场的各种输入变量转换为能控制工业现场设备的各种输出量。

下面结合图1-7～图1-9，具体介绍各部分的作用。

（1）CPU

CPU是计算机中央处理器的英文缩写。CPU一般由控制电路、运算器和寄存器组成。它作为整个PLC的核心，起着总指挥和总调度的作用。它主要完成以下功能。

①将输入信号送入PLC中存储起来。

②按存放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将结果送到输出端。

⑤响应各种外围设备（如编程器、打印机等）的请求。

目前PLC中所用的CPU多为单片机，在高档机中现已采用16位甚至32位的CPU。

（2）存储器

存储器是具有记忆功能的半导体电路，用来存放系统程序、用户程序、逻辑变量和其他一些信息。PLC内部存储器有两类：一类是RAM（即随机存取存储器），可以随时由CPU对它进行读出、写入；另一类是ROM（即只读存储器），CPU只能从中读取而不能写入。RAM主要用来存放各种暂存的数据、中间结果及用户程序。ROM主要用来存放监控程序及系统内部数据，这些程序及数据在出厂时已固化在ROM芯片中。

在PLC中，为了读写修改方便，其用户程序通常是放在RAM中。为防止用户程序在PLC断电时丢失，采用锂电池保持，一般可保持5～10年时间。

（3）输入、输出接口电路

它起着PLC和外围设备之间传递信息的作用。PLC通过输入接口电路将开关、按钮、传感器等输入信号转换成CPU能接收和处理的信号。输出接口电路是将CPU送出的弱电流控制信号转换成现场需要的强电流信号输出，以驱动被控设备。为了保证PLC可靠地工作，设计者在PLC的接口电路上采取了不少措施。输入、输出接口电路是用户使用PLC唯一要进行的硬件连接，从使用的角度考虑，每个用户都必须清楚地了解PLC的I/O性能，才能使用自如。

1）开关量I/O模块

①直流输入模块（见图1-10）

②交/直流输入模块（见图1-11）

③直流输出模块（见图1-12）

④交流输出模块（见图1-13）

⑤交/直流输出模块（见图1-14）

2）开关量I/O模块的外部接线

①输入模块的外部接线

a.汇点式输入接线（见图1-15）

b.独点（分隔）式输入接线（见图1-16）

②输出模块的外部接线

a.汇点式输出接线（见图1-17）

b.独点（分隔）式输出接线（见图1-18）

③输入/输出模块的外接线（见图1-19）

3）模拟量I/O模块（见图1-20、图1-21）

4）模拟量I/O模块的外部接线

①模拟量输入模块端的接线方式（见图1-22）

②模拟量输出模块端的接线方式（见图1-23）

5）PLC常用的I/O模块（见图1-24）

总之，这些接口电路有以下特点。

①输入端采用光电耦合电路，它可以大大减少电磁干扰。

②输出也采用光电隔离电路，并分为三种类型（见图1-24）：继电器输出型、晶闸管输出型和晶体管输出型，这使得PLC可以适合各种用户的不同要求。其中继电器输出型为有触点输出方式，可用于直流或低频交流负载回路；晶闸管输出型和晶体管输出型皆为无触点输出方式，前者可用于高频大功率交流负载回路，后者则用于小功率直流负载回路。而且有些输出电路被做成模块式，可以插拔，更换起来十分方便。

③模拟量I/O属于扩展模块，需要另外选购使用。

④实际工程应用中的I/O连接如图1-25所示。

（4）电源

PLC电源是指将外部交流电经整流、滤波、稳压转换成满足PLC中CPU、存储器、I/O接口等内部电路工作所需要的直流电源或电源模块。为避免电源干扰，接口电路的电源回路彼此相互独立。

（5）编程工具

编程工具是PLC最重要的外围设备，它实现了人与PLC的联系对话。用户利用编程工具不但可以输入、检查、修改和调试用户程序，还可以监视PLC的工作状态、修改内部系统寄存器的设置参数以及显示错误代码等。编程工具常用的有三种：一种是手持编程器，只需通过编程电缆与PLC相接即可使用；另一种是图形编辑编程器；第三种是带有PLC专用工具软件的计算机，它通过RS-232通信口与PLC连接；若PLC用的是RS-422通信口，则需另加适配器。目前多使用后者。

图形编辑编程器的结构、原理与通用计算机相同，只是安装了PLC专用的软件，并对其密封、接口等部分作了一定的改进，使之能够更好地适应工业环境的使用。早期的图形编辑编程器使用CRT显示器，编程器的体积大，现场调试与服务时使用、携带均不方便，因此，目前一般均使用彩色液晶显示器，这种编程器的结构与笔记本计算机已经没有太大的区别。

图形编辑编程器的功能比简易型编程器要强得多。在程序的输入、编辑方面，它不仅可以使用所有编程语言进行程序的输入与编辑，而且还可以对PLC程序、I/O信号、内部编程元件等加文字注释与说明，为程序的阅读、检查提供了方便。在调试、诊断方面，图形编辑编程器可以进行梯形图程序的实时、动态显示，显示的图形形象、直观，可以监控与显示的内容也远比简易型编程器要多得多。在使用操作方面，图形编辑编程器不但可以与PLC联机使用，也能进行离线编程，而且还可以通过仿真软件进行系统仿真。图形编程器的主要功能如图1-26所示。

由于专用图形编辑编程器的使用范围受到一定的局限，价格通常较高，且其功能与安装了程序开发软件后的通用计算机无实质性的区别，目前已逐步被通用笔记本计算机所代替。

（6）I/O扩展接口

若主机单元（带有CPU）的I/O点数不够用，可进行I/O扩展，即通过I/O扩展接口电缆与I/O扩展单元（不带有CPU）相接，以扩充I/O点数。A/D、D/A单元一般也通过接口与主机单元相接。

除了上面介绍的几个最常用的主要部分外，PLC上还常常配有连接各种外围设备的接口，并均留有插座，可通过电缆方便地配接诸如串行通信模块、EPROM写入器、打印机、录音机等外围设备。