2.2　PLC硬件組成

PLC本身就是一臺(tái)適合工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)使用的專用計(jì)算機(jī)，其硬件結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。

PLC是一種以微處理器為核心的專用于工業(yè)控制的特殊計(jì)算機(jī)，其硬件組成與一般的微型計(jì)算機(jī)相類似，雖然不同廠家PLC的結(jié)構(gòu)多種多樣，但其基本結(jié)構(gòu)是相同的，即主要是由中央處理器（CPU）、存儲(chǔ)器、輸入/輸出單元、電源、I/O擴(kuò)展端口、通信單元等有機(jī)組合而成的。根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同，PLC可以分為整體式和組合式（也稱模塊式）兩類。整體式PLC所有部件都裝在同一機(jī)殼內(nèi)，結(jié)構(gòu)緊湊、體積小。小型機(jī)常采用這種結(jié)構(gòu)，如德國(guó)西門子（SIEMENS）公司的S7-200系列PLC。組合式PLC是將組成PLC的多個(gè)單元分別做成相應(yīng)的模塊，各模塊在導(dǎo)軌上通過總線連接起來。大中型PLC常采用這種方式，如西門子公司的S7-300/400系列PLC。西門子公司整體式PLC如圖2-2所示，組合式PLC如圖2-3所示。

（1）中央處理器單元（CPU）

CPU是PLC的核心部件，能使PLC按照預(yù)先編好的系統(tǒng)程序來完成各種控制。小型PLC多用8位微處理器或單片機(jī)；中型PLC多用16位微處理器或單片機(jī)；大型PLC多用雙極型位片機(jī)。其作用主要有：

①接收并存儲(chǔ)用戶程序和數(shù)據(jù)。

②接收、調(diào)用現(xiàn)場(chǎng)輸入設(shè)備的狀態(tài)和數(shù)據(jù)。先將現(xiàn)場(chǎng)輸入的數(shù)據(jù)保存起來，在需要用的時(shí)候調(diào)用該數(shù)據(jù)。

③診斷電源及PLC內(nèi)部電路的工作狀態(tài)和編程過程中的語法錯(cuò)誤，發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)會(huì)立即報(bào)警。

④當(dāng)PLC進(jìn)入運(yùn)行（Run）狀態(tài)時(shí)，CPU根據(jù)用戶程序存放的先后順序依次執(zhí)行，完成程序中規(guī)定的操作。

⑤根據(jù)程序運(yùn)行的結(jié)果更新有關(guān)標(biāo)志位的狀態(tài)和輸出映像寄存器的內(nèi)容，再經(jīng)輸出部件實(shí)現(xiàn)輸出控制或數(shù)據(jù)通信功能。

（2）存儲(chǔ)器

PLC的存儲(chǔ)器是用來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和程序的，可以分為系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器（ROM或EPROM）、用戶程序存儲(chǔ)器（RAM）、工作數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM/FLASH）。系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器決定了PLC的功能，它是只讀存儲(chǔ)器，用戶不能更改其內(nèi)容。PLC中常用RAM來存儲(chǔ)用戶程序，RAM工作速度快，價(jià)格便宜，改寫方便，同時(shí)在PLC中配有鋰電池，當(dāng)外部電源斷電時(shí)，可以保存RAM中的信息。用來存儲(chǔ)工作數(shù)據(jù)的區(qū)域稱為工作數(shù)據(jù)區(qū)。工作數(shù)據(jù)是經(jīng)常變化和存取的，所以工作數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器必須是可讀寫的。

（3）輸入/輸出單元

輸入/輸出單元是PLC與外部設(shè)備互相聯(lián)系的窗口。實(shí)際的生產(chǎn)中信號(hào)電平是多樣的，外部執(zhí)行機(jī)構(gòu)所需要的電平也是不同的。但是CPU所處理的信號(hào)只能是標(biāo)準(zhǔn)電平，因此需要通過輸入/輸出單元來實(shí)現(xiàn)對(duì)這些信號(hào)電平的轉(zhuǎn)換。它實(shí)質(zhì)上是PLC與被控對(duì)象之間傳送信號(hào)的接口部件。輸入單元接收現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備向PLC提供的信號(hào)，如按鈕、開關(guān)、繼電器觸點(diǎn)、撥碼器等開關(guān)量信號(hào)。這些信號(hào)經(jīng)過輸入電路的濾波、光電隔離、電平轉(zhuǎn)換等處理后變成CPU能夠接收和處理的信號(hào)。輸出單元將經(jīng)過CPU處理的微弱電信號(hào)通過光電隔離、功率放大等處理后轉(zhuǎn)換成外部設(shè)備所需要的強(qiáng)電信號(hào)，從而來驅(qū)動(dòng)各種執(zhí)行元件，如接觸器、電磁閥、調(diào)節(jié)器、調(diào)速裝置等。

（4）電源

一般情況下PLC使用220V的交流電源或24V的直流電源。電源部件將外部輸入的交流電經(jīng)整流濾波處理后轉(zhuǎn)換成供PLC的中央處理器、存儲(chǔ)器等內(nèi)部電路工作所需要的5V、12V、24V等不同電壓等級(jí)的直流電源，使PLC能正常工作。許多PLC的直流電源多采用直流開關(guān)穩(wěn)壓電源，不僅可以提供多路獨(dú)立的電壓供內(nèi)部電路使用，還可以向外部提供24V的直流電源，給輸入單元所連接的外部開關(guān)或傳感器供電。

一般對(duì)于整體式PLC，電源部件封裝在主機(jī)內(nèi)部，對(duì)于模塊式PLC，電源部件一般采用單獨(dú)的電源模塊。

（5）I/O擴(kuò)展端口

PLC的I/O端口是十分重要的資源，擴(kuò)展I/O端口是提高PLC控制系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性能指標(biāo)的重要手段。當(dāng)PLC主控單元的I/O點(diǎn)數(shù)不能滿足用戶的需求時(shí)，可以通過I/O擴(kuò)展端口用扁平電纜將I/O擴(kuò)展單元與主控單元相連，以增加I/O點(diǎn)數(shù)。大部分的PLC都有擴(kuò)展端口。主機(jī)可以通過擴(kuò)展端口連接I/O擴(kuò)展單元來增加I/O點(diǎn)數(shù)，也可以通過擴(kuò)展端口連接各種特殊功能單元以擴(kuò)展PLC的功能。

（6）外設(shè)端口

PLC可以通過外設(shè)端口與各種外部設(shè)備相連接。例如連接終端設(shè)備PT進(jìn)行程序的設(shè)計(jì)、調(diào)試和系統(tǒng)監(jiān)控；連接打印機(jī)可以打印用戶程序、打印PLC運(yùn)行過程中的狀態(tài)、打印故障報(bào)警的種類和時(shí)間等；連接EPROM寫入器，將調(diào)試好的用戶程序?qū)懭隕PROM，以免被誤改動(dòng)等；有的PLC還可以通過外部設(shè)備端口與其他PLC、上位機(jī)進(jìn)行通信或加入各種網(wǎng)絡(luò)。

（7）編程工具

編程工具是開發(fā)應(yīng)用和檢查維護(hù)PLC以及監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行不可或缺的外部設(shè)備。利用編程工具可以將用戶程序輸入到PLC的存儲(chǔ)器，還可以檢查、修改、調(diào)試程序以及監(jiān)視程序的運(yùn)行。PLC的編程工具有兩種形式：一種是手持編程器，它由鍵盤、顯示器和工作方式選擇開關(guān)等組成，主要用于調(diào)試簡(jiǎn)單的程序、現(xiàn)場(chǎng)修改參數(shù)以及監(jiān)視PLC自身的工作情況；另一種是利用上位計(jì)算機(jī)中的專業(yè)編程軟件（如西門子S7-300 PLC用的STEP 7軟件），它主要用于編寫較大型的程序，并能夠靈活地修改、下載、安裝程序以及在線調(diào)試和監(jiān)控程序。編程軟件的應(yīng)用更為廣泛。

（8）智能單元

智能單元是PLC中的一個(gè)模塊，它與CPU通過系統(tǒng)總線連接，并在CPU的協(xié)調(diào)管理下獨(dú)立地進(jìn)行工作。常用的智能單元包括高速計(jì)數(shù)器單元、A/D單元、D/A單元、位置控制單元、PID控制單元、溫度控制單元等。