可编程控制器的基本组成

2.4.1　可编程控制器的基本组成

PLC是微机技术和控制技术相结合的产物，是一种以微处理器为核心的用于控制的特殊计算机，因此PLC的基本组成与一般的微机系统类似。

PLC的硬件主要由中央处理器（CPU）、存储器（EPROM、RAM）、输入单元、输出单元、通信接口、扩展接口、电源等部分组成。其中，CPU是PLC的核心，输入单元与输出单元是连接现场I/O设备与CPU之间的接口电路，通信接口用于与编程器、上位计算机等外设连接。

对于整体式PLC，所有部件都装在同一机壳内，其组成框图如图2-1所示；对于模块式PLC，各部件独立封装成模块，各模块通过总线连接，安装在机架或导轨上，其组成框图如图2-2所示。无论是哪种结构类型的PLC，都可根据用户需要进行配置与组合。

图2-1　整体式PLC组成框图

图2-2　模块式PLC组成框图

尽管整体式与模块式PLC的结构不大一样，但各部分的功能作用是相同的，下面对PLC的主要组成各部分进行简单介绍。

1）中央处理单元（CPU）

同一般的微机一样，CPU是PLC的核心。PLC中所配置的CPU随机型不同而不同，常用的有三类：通用微处理器（如8086、80286、80386等）、单片微处理器（如8031、8096、M68000等）和位片式微处理器（如AMD29W等）。小型PLC大多采用8位、16位通用微处理器或单片微处理器作为CPU，这些芯片具有价格低、通用性好等优点；中型PLC大多采用16位、32位通用微处理器或单片微处理器作为CPU，这些芯片具有集成度高、运算速度快、可靠性高等优点；大型PLC大多采用高速位片式微处理器，具有灵活性强、速度快、效率高等优点。

目前，小型PLC为单CPU系统，而中、大型PLC大多为双CPU系统，甚至有些PLC中多达8个CPU。对于双CPU系统，一般情况其中一个为字处理器，一般采用8位或16位处理器；另一个为位处理器，采用由各厂家设计制造的专用芯片。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，主要用于处理位操作指令和实现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更好地满足实时控制要求。

在PLC中，CPU按系统程序赋予的功能，指挥PLC有条不紊地进行工作，归纳起来主要有以下几个方面：

（1）接收从编程器、上位机或其他外围设备输入的用户程序、数据等信息。

（2）诊断电源、PLC内部电路的工作故障和编程过程中存在的语法错误等。

（3）通过输入接口，用扫描方式接收现场的状态或数据，并存入指定输入映像寄存器或数据寄存器中。

（4）从存储器逐条读取用户程序，经过解释后，按指令规定的任务完成用户程序中规定的逻辑运算或算术运算等任务并产生相应的控制信号。

（5）根据运算结果，更新有关标志位数据寄存器和输出寄存器的内容，再由输出寄存器的位状态或数据寄存器的有关内容，实现输出控制、制表打印或数据通信等外部功能。

2）存储器

PLC的软件分为系统软件和应用软件两部分。

存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。

存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。

存储器主要有两种：一种是可读/写操作的随机存储器RAM，另一种是只读存储器ROM、PROM、EPROM和E²PROM。在PLC中，存储器主要用于存放系统程序、用户程序及工作数据。

虽然大、中、小型PLC的最大可寻址存储空间各不相同，但根据PLC的工作原理，其存储空间一般包括以下三个区域：系统程序存储区、系统RAM存储区（工作数据）和用户程序存储区。

系统程序是由PLC的制造厂家编写的，和PLC的硬件组成有关，完成系统诊断、命令解释、功能子程序调用管理、逻辑运算、通信及各种参数设定等功能，提供PLC运行的平台。系统程序关系到PLC的性能，而且在PLC使用过程中不会变动，所以是由制造厂家直接固化在只读存储器ROM、PROM或EPROM中，用户不能访问和修改。

用户程序是随PLC的控制对象而定的，由用户根据对象生产工艺的控制要求而编制的应用程序。为了便于读出、检查和修改，用户程序一般存于CMOS静态RAM中，用锂电池作为后备电源，以保证掉电时不会丢失信息。为了防止干扰对RAM中程序的破坏，当用户程序运行正常，不需要改变，可将其固化在只读存储器EPROM中。现在有许多PLC直接采用E²PROM作为用户存储器。

工作数据是PLC运行过程中经常变化、经常存取的一些数据。存放在RAM中，以适应随机存取的要求。在PLC的工作数据存储器中，设有存放I/O继电器、辅助继电器、定时器、计数器等逻辑器件的存储区，这些器件的状态都是由用户程序的初始设置和运行情况而确定的。根据需要，部分数据在掉电时用后备电池维持其现有的状态，这部分在掉电时可保存数据的存储区域称为保持数据区。

由于系统程序及工作数据与用户无直接联系，所以在PLC产品样本或使用手册中所列存储器的形式及容量是指用户程序存储器。当PLC提供的用户存储器容量不够用，许多PLC还提供有存储器扩展功能。

3）I/O单元

I/O单元通常也称I/O模块，是PLC与工业生产现场之间的连接部件。PLC通过输入接口可以检测被控制对象的各种数据，以这些数据作为PLC对被控制对象进行控制的依据；同时，PLC又通过输出接口将处理结果送给被控制对象，以实现控制目的。

由于外部输入设备和输出设备所需的信号电平是多种多样的，而PLC内部CPU的处理的信息只能是标准电平，所以I/O接口要实现这种转换。I/O接口一般都具有光电隔离和滤波功能，以提高PLC的抗干扰能力。另外，I/O接口上通常还有状态指示，工作状况直观，便于维护。

PLC提供了多种操作电平和驱动能力的I/O接口，有各种各样功能的I/O接口供用户选用。I/O接口的主要类型有：数字量（开关量）输入、数字量（开关量）输出、模拟量输入、模拟量输出等。

（1）常用的开关量输入接口按其使用的电源不同有三种类型：直流输入接口、交流输入接口和交/直流输入接口，其基本原理电路如图2-3所示。

图2-3　开关量输入接口

（2）常用的开关量输出接口按输出开关器件不同有三种类型：继电器输出、晶体管输出和双向晶闸管输出，其基本原理电路如图2-4所示。继电器输出接口最常用，可驱动交流或直流负载，其特点是带负载能力强，但其响应时间长，动作频率低；晶体管输出接口只能用于驱动直流负载，其特点是响应速度快，动作频率高，但带负载能力弱；双向晶闸管输出接口只能用于交流负载，响应速度快，动作频率高，但带负载能力不强。

PLC的I/O接口所能接受的输入信号个数和输出信号个数称为PLC的I/O点数。I/O点数是选择PLC的重要依据之一。当系统的I/O点数不够时，可通过PLC的I/O扩展接口对系统进行扩展。

图2-4　开关量输出接口

图2-5　模拟量输入单元原理框图

（3）模拟量输入单元：PLC的模拟量输入单元将连续变化的模拟量转换成数字量后，CPU可对其进行处理。如图2-5所示。

模拟量输入单元的核心部件是A/D转换器，对于多路输入的模块，由多路开关加以切换。常见的输入范围有DC±10V，0～10V，±20mA，4～20mA等，转换精度有8位、10位、12位、16位等。

图2-6　模拟量输出单元原理框图

（4）模拟量输出单元：模拟量输出过程与输入相反，将PLC处理过的数字量转换成相应的电量（如0～10V，4～20mA等），输出至现场的执行机构，其核心部件是D/A转换器，如图2-6所示。

模拟量输出单元的主要指标包括输出信号形式（电压或电流），输出信号范围（如0～10V，4～20mA等）及接线形式等。

4）通信接口

PLC配有各种通信接口，这些通信接口一般都带有通信处理器。PLC通过这些通信接口可与打印机、监视器、其他PLC、计算机等设备实现通信。PLC与打印机连接，可将过程信息、系统参数等输出打印；与监视器连接，可将控制过程图像显示出来；与其他PLC连接，可组成多机系统或连成网络，实现更大规模控制；与计算机连接，可组成多级分布式控制系统，实现控制与管理相结合。

远程I/O系统也必须配备相应的通信接口模块。

5）智能接口模块

智能接口模块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PLC系统总线相连的接口。它作为PLC系统的一个模块，通过总线与PLC相连，进行数据交换，并在PLC的协调管理下独立地进行工作。

PLC的智能接口模块种类很多，一般完成专一功能，如高速计数模块、闭环控制模块、运动控制模块、中断控制模块等。这些模块的使用，大量节省PLC主CPU的时间和资源，对提高用户程序的扫描速度和完成特殊的控制要求非常有利。

6）编程装置

编程装置的作用是编辑、调试、输入用户程序，也可在线监控PLC内部状态和参数，与PLC进行人机对话。它是开发、应用、维护PLC不可缺少的工具。编程装置可以是专用编程器，也可以是配有专用编程软件包的通用计算机系统。专用编程器是由PLC厂家生产，专供该厂家生产的某些PLC产品使用，它主要由键盘、显示器和外存储器接插口等部件组成。专用编程器有简易编程器和智能编程器两类。

简易型编程器只能联机编程，而且不能直接输入和编辑梯形图程序，需将梯形图程序转化为指令表程序才能输入。简易编程器体积小、价格便宜，它可以直接插在PLC的编程插座上，或者用专用电缆与PLC相连，以方便编程和调试。有些简易编程器带有存储盒，可用来存储用户程序，如三菱的FX-20P-E简易编程器。

智能编程器又称图形编程器，本质上它是一台专用便携式计算机，如三菱的GP-80FXE智能型编程器。它既可联机编程，又可脱机编程。可直接输入和编辑梯形图程序，使用更加直观、方便，但价格较高，操作也比较复杂。大多数智能编程器带有磁盘驱动器，提供录音机接口和打印机接口。

专用编程器只能对指定厂家的几种PLC进行编程，使用范围有限，价格较高。同时，由于PLC产品不断更新换代，所以专用编程器的生命周期也十分有限。因此，现在的趋势是使用以个人计算机为基础的编程装置，用户只要购买PLC厂家提供的编程软件和相应的硬件接口装置。这样，用户只用较少的投资即可得到高性能的PLC程序开发系统。

基于个人计算机的程序开发系统功能强大。它既可以编制、修改PLC的梯形图程序，又可以监视系统运行、打印文件、系统仿真等。配上相应的软件还可实现数据采集和分析等许多功能。

7）I/O扩展接口

I/O扩展接口用于扩展输入/输出点数，当主机的I/O数量不能满足系统要求时，需要增加扩展单元，这时需要用到I/O扩展接口将扩展单元与主机连接起来。

8）电源

PLC配有专门的开关电源，以供内部电路使用。与普通电源相比，PLC电源的稳定性好、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其额定值±15%的范围内波动。许多PLC还向外提供直流24V稳压电源，用于对外部传感器供电（应注意在电源技术指标允许的范围内）。

为了保护和防止掉电后RAM中的用户程序或数据丢失，PLC还配有备用电源。一般备用电源采用锂电池，其使用寿命为3～5年左右。

9）其他外部设备

除了以上所述的部件和设备外，PLC还有许多外部设备，如EPROM写入器、外存储器、人/机接口装置等。

EPROM写入器是用来将用户程序固化到EPROM存储器中的一种PLC外部设备。为了使调试好的用户程序不易丢失，经常用EPROM写入器将PLC内RAM保存到EPROM中。

PLC内部的半导体存储器称为内存储器。有时可用外部的磁带、磁盘和用半导体存储器做成的存储盒等来存储PLC的用户程序，这些存储器件称为外存储器。外存储器一般是通过编程器或其他智能模块提供的接口，实现与内存储器之间相互传送用户程序。

人/机接口装置是用来实现操作人员与PLC控制系统的对话。最简单、最普遍的人/机接口装置由安装在控制台上的按钮、转换开关、拨码开关、指示灯、LED显示器、声光报警器等器件构成。对于PLC系统，还可采用半智能型CRT人/机接口装置和智能型终端人/机接口装置。半智能型CRT人/机接口装置可长期安装在控制台上，通过通信接口接收来自PLC的信息并在CRT上显示出来；而智能型终端人/机接口装置有自己的微处理器和存储器，能够与操作人员快速交换信息，并通过通信接口与PLC相连，也可作为独立的节点接入PLC网络。