PLC的基本硬件结构

    可编程控制器(PLC)是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等面向用户的指令，并通过数字式或模拟式的输入/输出接口，控制各种类型的机械或生产过程。

   PLC种类繁多，但其结构和工作原理基本相同。用可编程序控制器实施控制，其实质是按一定的算法进行输入/输出变换，并将这个变换予以物理实现，应用于工业现场。PLC专为工业现场应用而设计，采用了典型的计算机结构，主要由中央处理器( CPU)、存储器(RAM、ROM)、输入/输出单元（I/O接口）、电源及编程器几大部分组成。PLC的结构框图如图1-1所示。

   (1)中央处理器(CPU)。中央处理器(CPU)一般由控制器、运算器和寄存器组成，这些电路都集成在一个芯片内。CPU通过数据总线、地址总线和控制总线与存储单元、输入/输出接口电路相连接。

   CPU的主要任务有：控制用户程序和数据的接收与存储；用扫描的方式通过I/O部件接收现场的状态或数据，并存入输入映像寄存器或数据存储器中；诊断PLC内部电路的工作故障和编程中的语法错误等；PLC进入运行状态后，从存储器中逐条读取用户指令，经过命令解释后按指令规定的任务进行数据传送、逻辑或算术运算等；根据运算结果，更新有关标志位的状态和输出映像寄存器的内容，再经输出部件实现输出控制、制表打印或数据通信等功能。

    图1-1    PLC硬件结构简化框图

   (2)存储器。PLC的存储器包括系统存储器和用户存储器两部分。

    ①系统存储器用来存放由PLC生产厂家编写的系统程序，并固化在ROM（只读存储器）内，用户不能直接更改。它使PLC具有基本的功能，能够完成PLC设计者规定的各项工作。系统程序质量的好坏，在很大程度上决定了PLC的性能，其内容主要包括三部分：

    a．系统管理程序，它主要控制PLC的运行，使整个PLC按部就班地工作；

    b．用户指令解释程序，通过用户指令解释程序，将PLC的编程语言变为机器语言指令，再由CPU执行这些指令。

    c．标准程序模块与系统调用，它包括许多不同功能的子程序及其调用管理程序，如完成输入/输出及特殊运算等的子程序，PLC的具体工作都是由这部分程序来完成的，这部分程序的多少也决定了PLC性能的高低。

    ②用户存储器包括用户程序存储器（程序区）和功能存储器（数据区）两部分。用户程序存储器用来存放用户根据控制任务编写的程序。用户程序存储器根据所选用的存储器单元类型的不同，可以是RAM（随机存储器）、EPROM(紫外线可擦除ROM)或EEPROM存储器，其内容可以由用户任意修改或增删。用户功能存储器是用来存放（记忆）用户程序中使用器件的(ON/OFF)状态/数值数据等。在数据区中，各类数据存放的位置都有严格的划分，每个存储单元有不同的地址编号。用户存储器容量的大小，关系到用户程序容量的大小，是反映PLC性能的重要指标之一。

   (3)输入/输出单元。输入/输出单元从广义上分包含两部分：一是与被控设备相连接的接口电路；另一部分是输入和输出的映像寄存器。

    输入单元接收来自用户设备的各种控制信号，如限位开关、操作按钮、选择开关、行程开关以及其他一些传感器的信号。通过接口电路将这些信号转换成CPU能够识别和处理的信号，并存入输入映像寄存器。运行时CPU从输入映像寄存器读取输入信息并进行处理，将处理结果放到输出映像寄存器中。输入/输出映像寄存器由输出点相对的触发器组成，输出接口电路将其由弱电控制信号转换成现场需要的强电信号输出，以驱动电磁阀、接触器、指示灯等被控设备的执行元件。

    由于PLC在工业生产现场工作，对输入/输出接口有两个主要的要求：一是接口有良好的抗干扰能力；二是接口能满足工业现场各类信号的匹配要求。PLC为不同的接口需求设计了不同的接口单元，主要有以下几种。

    ①开关量输入接口。它的作用是把现场的开关量信号变成PLC内部处理的标准信号。为防止各种干扰信号和高电压信号进入PLC，影响其可靠性或造成设备损坏，现场输入接口电路一般都有滤波电路及耦合隔离电路。滤波有抗干扰的作用，耦合隔离有抗干扰及产生标准信号的作用。耦合隔离电路的关键器件是光耦合器，一般由发光二极管和光敏晶体管组成。

    开关量输入接口按可接纳的外信号电源的类型不同，分为直流输入单元、交流/直流输入单元和交流输入单元，如图1-2所示。输入电路的电源可由外部供给，有的也可由PLC内部提供。

    图1-2    开关量输入接口电路

    ②开关量输出接口。它的作用是把PLC内部的标准信号转换成现场执行机构所需的开关量信号。开关量输出接口按PLC内使用的器件，可分为继电器输出型、晶体管输出型和晶闸管输出型。每种输出电路都采用电气隔离技术，输出接口本身都不带电源，电源由外部提供，而且在考虑外接电源时，还需考虑输出器件的类型。开关量输出接口电路如图1-3所示。

    从图1-3中可以看出，各类输出接口中也都具有隔离耦合电路。特别要指出的是，输出接口本身都不带电源，而且在考虑外驱动电源时，还需考虑输出器件的类型。继电器式的输出接口可用于交流及直流两种电源，但接通断开的频率低；晶体管式的输出接口有较高的通断频率，但只适用于直流驱动的场合；品闸管式的输出接口仅适用于交流驱动场合。

    为使PLC避免因受瞬间大电流的作用而损坏，输出端外部接线必须采用保护措施：一是输入和输出公共端接熔断器；二是采用保护电路，对交流感性负载一般用阻容吸收回路，对直流感性负载用续流二极管。

    图1-3    开关量输出接口电路

    由于输入/输出端是靠光耦合的，在电气上完全隔离，输出端的信号不会反馈到输入端，也不会产生地线干扰或其他串扰，因此，PLC具有很高的可靠性和极强的抗干扰能力。

    ③模拟量输入接口。模拟量输入接口的作用是把现场连续变化的模拟量标准信号转换成适合PLC内部处理的由若干位二进制数字表示的信号。模拟量输入接口接受标准模拟电压信号和电流信号。由于在工业现场中模拟量信号的变化范围一般是不标准的，所以在送入模拟量接口时一般都需经转换器处理后才能使用。模拟量输入接口的内部电路框图如图1-4所示。

    图1-4    模拟量输入接口的内部电路框图

    模拟量信号输入后一般经运算放大器放大后进行A/D转换，再经光电耦合后为PLC提供一定位数的数字量信号。

    ④模拟量输出接口。模拟量输出接口的作用是将PLC运算处理后的若干位数字量信号转换为相应的模拟量信号输出，以满足生产过程现场连续控制信号的需求。模拟量输出接口一般由光电隔离、D/A转换、转换开关等环节组成，其原理框图如图1-5所示。

    图1-5    模拟量输出接口内部框图

    ⑤智能输入/输出接口。智能输入/输出接口是为了适应较复杂的控制工作而设计的，如高速计数器工作单元．温度控制单元等。

   (4)电源部分。PLC一般使用220V的交流电源，电源部件将交流电转换成供PLC的中央处理器、存储器等电路工作所需的直流电，使PLC能正常工作。常用的电源电路有串联稳压电路、开关式稳压电路和设有变压器的逆变式电路。

   (5)扩展接口。扩展接口用于将扩展单元以及功能模块与基本单元相连，使PLC的配置更加灵活以满足不同控制系统的需要。

   (6)通信接口。为了实现“人-机”或“机-机”之间的对话，PLC配有多种通信接口。PLC通过这些通信接口可以与监视器、打印机及其他的PLC或计算机相连。

    当PLC与打印机相连时，可将过程信息、系统参数等输出打印；当与监视器(CRT)相连时，可将过程图像显示出来；当与其他PLC相连时，可以组成多机系统或连成网络，实现更大规模的控制；当与计算机相连时，可以组成多级控制系统，实现控制与管理相结合的综合控制。

   (7)编程器。编程器的作用是供用户进行程序的编制、编辑、调试和监视。

    编程器有简易型和智能型两类。简易型的编程器只能联机编程，且往往需要将梯形图转化为机器语言助记符（指令表）后才能输入。智能型的编程器又称图形编程器，它可以联机编程，也可以脱机编程；具有LCD或CRT图形显示功能，也可以直接输入梯形图并通过屏幕对话。

    当利用微机作为编程器时，PLC生产厂家配有相应的软件包，使用微机编程是PLC的发展趋势。现在大多数PLC已不再提供编程器，而只提供微机编程软件，并且配有相应的通信连接电缆。

   (8)其他部件。有些PLC还可配设其他一些外部设备，如EPROM写入器、存储器卡、打印机、高分辨率大屏幕彩色图形监控系统和工业计算机等。

    由以上几部分组成的整体称为PLC，是一种可根据生产需要人为灵活变更控制规律的控制装置，它与多种生产机械配套可组成多种工业控制设备，实现对生产过程或某些工艺参数的自动控制。由于PLC主机实质上是一台工业专用微机，并具有普通微机所不具备的特点，使它成为开路、闭路控制器的首选方案之一。