1.3 PLC的基本组成与各部分的作用

1.3.1 PLC的基本组成

PLC是一种通用的工业控制装置，其组成与一般的微机系统基本相同。按结构形式的不同，PLC可分为整体式和组合式两类。

整体式PLC是将中央处理单元（CPU）、存储器、输入单元、输出单元、电源、通信接口等组装成一体，构成主机。另外，还有独立的I/O扩展单元与主机配合使用。在主机中，CPU是PLC的核心，I/O单元是连接CPU与现场设备之间的接口电路，通信接口用于PLC与编程器和上位机等外部设备的连接。整体式PLC的特点是结构紧凑、体积小、重量轻、价格低、输入/输出点数固定、实现的功能和控制规模固定，灵活性较低。小型PLC常采用这种结构，适用于工业生产中的单机控制。

组合式（模块式）PLC为总线结构，其总线做成总线板，上面有若干个总线槽，每个总线槽上可安装一个PLC模块，不同的模块实现不同的功能。PLC的CPU、存储器做成一个模块（有的把电源也做在上面），该模块在总线上的安装位置一般来说是固定的。其它的模块可根据PLC的控制规模、实现的功能选用，安装在总线板的其它任一总线槽上。组合式PLC安装完成后，需进行登记，使PLC对安装在总线上的各模块进行地址确认。组合式PLC的总线板又称底板。装有CPU单元的底板称为CPU底板，其它称为扩展底板。CPU底板与扩展底板之间通过电缆连接，距离一般不超过10m。组合式PLC的特点是：系统配置灵活，可构成具有不同控制规模和功能的PLC，但它的价格较高。一般大、中型PLC采用这种结构。

无论哪种结构类型的PLC，都可根据需要进行配置与组合。例如OMRON CPM1A型PLC为整体式结构，通过主机连接I/O扩展单元，I/O点数可在10～160点的范围内进行配置。组合式PLC则在I/O配置上更方便、更灵活。

图1-1所示为整体式PLC的组成示意图，图1-2所示为组合式PLC的组成示意图。

1.3.2 PLC各部分的作用

1.中央处理单元（CPU）

CPU在PLC中的作用类似于人体的神经中枢，它是PLC的运算、控制中心。它按照系统程序所赋予的功能，完成以下任务：

1）接收并存储从编程器输入的用户程序和数据。

2）诊断电源、PLC内部电路的工作状态和编程的语法错误。

3）用扫描的方式接收输入信号，送入PLC的数据寄存器保存起来。

4）PLC进入运行状态后，根据存放的先后顺序逐条读取用户程序，进行解释和执行，完成用户程序中规定的各种操作。

图1-1 整体式PLC的组成示意图

图1-2 组合式PLC的组成示意图

5）将用户程序的执行结果送至输出端。

现代PLC使用的CPU主要有以下几种：

1）通用微处理器，如8080、6800、Z80A、8086等。通用微处理器的价格便宜，通用性强，还可以借用微机成熟的实时操作系统、丰富的软硬件资源。

2）单片机，如8051等。由于单片机集成度高、体积小、价格低和可扩充性好，很适合在小型PLC上使用，也广泛用于PLC的智能I/O模块。

3）位片式微处理器，如AMD2900系列等。位片式微处理器是独立于微型机的另一分支。它主要追求运算速度快，它以4位为一片，用几个位片级联，可以组成任意字长的微处理器。改变微程序存储器的内容，可以改变计算机的指令系统。位片式结构可以使用多个微处理器，将控制任务划分为若干个可以并行处理的部分，几个微处理器同时进行处理。这种高运算速度与可以适应用户需要的指令系统相结合，很适合于以顺序扫描方式工作的PLC使用。

2.存储器

根据存储器在系统中的作用，可以把它分为以下三种：

1）系统程序存储器：和各种计算机一样，PLC也有其固定的监控程序、解释程序，它们决定了PLC的功能，称为系统程序，系统程序存储器就是用来存放这部分程序的。系统程序是不能由用户更改的，故所使用的存储器为只读存储器ROM或EPROM。

2）用户程序存储器：用户根据控制功能要求而编制的应用程序称为用户程序，用户程序存放在用户程序存储器中。由于用户程序需要经常改动、调试，故用户程序存储器多为可随时读写的RAM。由于RAM掉电会丢失数据，因此使用RAM作用户程序存储器的PLC，都有后备电池（锂电池）保护RAM，以免电源掉电时，丢失用户程序。当用户程序调试修改完毕，不希望被随意改动时，可将用户程序写入EPROM。目前较先进的PLC（如欧姆龙公司的CPM1A型PLC）采用快闪存储器作用户程序存储器，快闪存储器可随时读写，掉电时数据不会丢失，不需用后备电池保护。

3）工作数据存储器：工作数据是经常变化、经常存取的一些数据。这部分数据存储在RAM中，以适应随机存取的要求。在PLC的工作数据存储区，开辟有元件映像寄存器和数据表。

元件映像寄存器用来存储PLC的开关量输入/输出和定时器、计数器、辅助继电器等内部继电器的ON/OFF状态。

数据表用来存放各种数据，它的标准格式是每一个数据占一个字。它存储用户程序执行时的某些可变参数值，如定时器和计数器的当前值和设定值。它还用来存放A-D转换得到的数字和数学运算的结果等。

根据需要，部分数据在停电时用后备电池维持其当前值，在停电时可以保持数据的存储器区域称为数据保持区。

3.I/O单元

I/O单元也称为I/O模块。PLC通过I/O单元与工业生产过程现场相联系。输入单元接收操作指令和现场的状态信息，如控制按钮、操作开关和限位开关、光电管、继电器触点、行程开关、接近开关等信号，并通过输入电路的滤波、光电隔离和电平转换等将这些信号转换成CPU能够接收和处理的信号。输出单元将CPU送出的弱电控制信号通过输出电路的光电隔离和功率放大等转换成现场需要的强电信号输出，以驱动接触器、电磁阀、电磁铁等执行元件。

I/O单元有多种类型，但各种I/O单元的原理基本相同。下面介绍几种常用的I/O单元，并说明其工作原理。

（1）开关量输入单元

PLC的开关量输入单元按照输入端电源类型的不同，分为直流输入单元和交流输入单元。

图1-3所示为直流输入单元。直流输入单元外接直流电源，电路如图1-3所示，虚线框内为PLC内部输入电路，框外左侧为外部用户接线，图中只画出对应于一个输入点的输入电路，各个输入点所对应的输入电路均相同。图中，T为光耦合器，它是将发光二极管与光电晶体管封装在一个管壳中，当二极管中有电流流过时，二极管发光，使光电晶体管导通；当二极管中无电流流过时，晶体管不导通。发光二极管LED指示该点输入状态。R₁为限流电阻，R₂和C构成滤波电路，可滤除输入信号中的高频抖动。输入单元的外接直流电源的极性任意。当S闭合时，光耦合器导通，A点为高电平，经滤波器、输入选择器后，送到I/O总线，CPU访问该路信号时，将该点对应的输入映像寄存器状态置1；发光二极管LED点亮，指示输入开关处于接通状态。当S断开时，光耦合器不导通，A点为低电平，该电平经滤波电路、输入选择器后，送到I/O总线，CPU访问该路信号时，将该点对应的输入映像寄存器状态置0；发光二极管LED不亮，指示输入开关处于断开状态。

图1-3 直流输入单元

有的直流输入单元不需要外接电源，称为无源式输入单元。无源式输入单元的内部提供24V直流电源，用户只需将开关接在输入端子和公共端子之间即可，不用再外接电源，简化了输入端的接线。

在图1-3所示的输入电路中，输入端子有一个公共端子COM，即有一个公共汇集点，因此称为汇点式输入方式。除此之外，输入单元还有分组式和分隔式。分组式输入单元的输入端子分为若干组，每组共用一个公共端子和一个电源。分隔式输入单元的输入端子互相隔离，互不影响，各自使用独立的电源。

（2）开关量输出单元

PLC的开关量输出单元按输出电路所用开关器件的不同可分为晶体管输出单元、晶闸管输出单元、继电器输出单元。

图1-4所示为晶体管输出单元。在晶体管输出单元中，输出电路采用晶体管作为开关器件，虚线框内为PLC内部输出电路，框外右侧为外部用户接线。图中只画出对应于一个输出点的输出电路，各个输出点所对应的输出电路均相同。图中，LED为输出指示灯，VT为输出晶体管，VD₂为负载续流二极管，VD₁为保护二极管，FU为熔断器。工作原理如下：当对应于VT的内部继电器的状态为1时，CPU通过I/O总线使输出锁存器对应的位为高电平，LED点亮，指示该输出点开关量为1状态；光耦合器导通，晶体管VT饱和导通，负载得电。反之，当对应于VT的内部继电器的状态为0时，CPU通过I/O总线使输出锁存器对应的位为低电平，LED不亮，指示该输出点开关量为0状态；光耦合器截止，晶体管VT截止，负载失电，并通过续流二极管VD₂释放能量。

晶体管开关量输出单元为无触点输出，使用寿命长，响应速度快。

4.智能单元

PLC除开关量I/O基本单元外，还有多种智能单元。智能单元本身是一个独立的计算机系统，它有自己的CPU、系统程序、存储器，以及与外界过程相连的接口。另外，根据单元的功能还有一些特殊组成部分。智能单元是PLC系统的一个模块，和CPU单元通过系统总线相连接，进行数据交换，并在CPU单元的协调管理下独立地进行工作。这里所说的独立是指智能单元的工作不参加循环扫描过程，而是按照它自己的规律参与系统工作，即多数情况下的运算功能都由其本身的CPU完成。

目前，已开发的常用的智能单元有：A-D单元、D-A单元、高速计数单元、位置控制单元、PID控制单元、温度控制单元和各种通信单元等。

通信单元用来完成PLC与其它PLC、上位计算机或智能控制设备之间的通信，构成各种网络。例如，利用OMRON的DeviceNet单元可以搭建DeviceNet现场总线，利用Ethernet单元搭建Ethernet网络。

图1-4 晶体管输出单元

5.电源

现代PLC一般配有开关式稳压电源，供内部电路使用。与普通电源相比，开关电源的输入电压范围宽，体积小，重量轻，效率高，抗干扰性能好。有的PLC还向外提供DC 24V的直流电源，给开关量输入单元连接的现场无源开关使用，或给外部传感器供电。

6.扩展口

扩展口是PLC的总线接口。当用户所需的I/O点数或类型超出主机上的点数或类型时，可以通过加接I/O扩展单元来解决。主机与I/O扩展单元通过扩展口连接。

7.编程工具

编程工具的主要作用是用来编辑程序、调试程序和监控程序的执行，还可以在线测试PLC的内部状态和参数，与PLC进行人机对话。因此，编程工具是开发、应用、监控运行和检查维护PLC不可缺少的设备。编程工具可以是简易编程器，也可以是配有专用编程软件的通用计算机。目前，简易编程器用的很少，主要为计算机辅助编程。

世界上各PLC生产厂家都提供在个人计算机上运行的辅助编程软件，如欧姆龙公司的CX-P编程软件。应用不同型号和厂家的PLC，只需要更换相应的软件就可以了。编程软件的功能很强，它可以编辑、修改用户的程序，监控系统运行，打印文件，采集和分析数据，在屏幕上显示系统运行状况，对工业现场和系统仿真，将程序备份保存，实现计算机和PLC之间的程序传送等。