2.2 PLC硬件組成

PLC本身就是一臺適合工業現場使用的專用計算機，其硬件結構如圖2-1所示。

PLC是一種以微處理器為核心的專用于工業控制的特殊計算機，其硬件組成與一般的微型計算機相類似，雖然不同廠家PLC的結構多種多樣，但其基本結構是相同的，即主要由中央處理器（CPU）、存儲器、輸入/輸出單元、電源、I/O擴展端口、通信單元等有機組合而成。根據結構的不同，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殼內，結構緊湊、體積小。小型機常采用這種結構，如德國西門子（SIEMENS）公司的S7-200系列PLC。組合式PLC是將組成PLC的多個單元分別做成相應的模塊，各模塊在導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按照預先編好的系統程序來完成各種控制。小型PLC多用8位微處理器或單片機；中型PLC多用16位微處理器或單片機；大型PLC多用雙極型位片機。其作用如下。

①接收并存儲用戶程序和數據。

②接收、調用現場輸入設備的狀態和數據。先將現場輸入的數據保存起來，在需要用的時候調用該數據。

③診斷電源及PLC內部電路的工作狀態和編程過程中的語法錯誤，發現錯誤時會立即報警。

④當PLC進入運行（Run）狀態時，CPU根據用戶程序存儲的先后順序依次執行，完成程序中規定的操作。

⑤根據程序運行的結果更新有關標志位的狀態和輸出映像寄存器的內容，再經輸出部件實現輸出控制或數據通信功能。

（2）存儲器

PLC的存儲器是用于存儲數據和程序的，可以分為系統程序存儲器（ROM或EPROM）、用戶程序存儲器（RAM）、工作數據存儲器（RAM/FLASH）。系統程序存儲器決定了PLC的功能，它是只讀存儲器，用戶不能更改其內容。PLC中常用RAM來存儲用戶程序，RAM的工作速度快，價格便宜、改寫方便，同時在PLC中配有鋰電池，當外部電源斷電時，可以保存RAM中的信息。用于存儲工作數據的區域稱為工作數據區。工作數據是經常變化和存取的，所以工作數據存儲器必須是可讀寫的。

（3）輸入/輸出單元

輸入/輸出單元是PLC與外部設備互相聯系的窗口。實際的生產中信號電平是多樣的，外部執行機構所需要的電平也是不同的。但是CPU所處理的信號只能是標準電平，因此需要通過輸入/輸出單元來實現對這些信號電平的轉換。它實質上是PLC與被控對象之間傳送信號的接口部件。輸入單元接收現場設備向PLC提供的信號，如按鈕、開關、繼電器觸點、撥碼器等開關量信號。這些信號經過輸入電路的濾波、光電隔離、電平轉換等處理后變成CPU能夠接收和處理的信號。輸出單元將經過CPU處理的微弱電信號通過光電隔離、功率放大等處理后轉換成外部設備所需要的強電信號，從而來驅動各種執行元件，如接觸器、電磁閥、調節器、調速裝置等。

（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整流濾波處理后轉換成供PLC的中央處理器、存儲器等內部電路工作所需要的5V、12V、24V等不同電壓等級的直流電源，使PLC能正常工作。許多PLC的直流電源多采用直流開關穩壓電源，不僅可以提供多路獨立的電壓供內部電路使用，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或傳感器供電。

一般對于整體式PLC，電源部件封裝在主機內部，對于模塊式PLC，電源部件一般采用單獨的電源模塊。

（5）I/O擴展端口

PLC的I/O端口是十分重要的資源，擴展I/O端口是提高PLC控制系統經濟性能指標的重要手段。當PLC主控單元的I/O點數不能滿足用戶的需求時，可以通過I/O擴展端口用扁平電纜將I/O擴展單元與主控單元相連，以增加I/O點數。大部分的PLC都有擴展端口。主機可以通過擴展端口連接I/O擴展單元來增加I/O點數，也可以通過擴展端口連接各種特殊功能單元以擴展PLC的功能。

（6）外設端口

PLC可以通過外設端口與各種外部設備相連接。例如連接終端設備進行程序的設計、調試和系統監控；連接打印機可以打印用戶程序、打印PLC運行過程中的狀態、打印故障報警的種類和時間等；連接EPROM寫入器，將調試好的用戶程序寫入EPROM，以免被誤改動等；有的PLC還可以通過外部設備端口與其他PLC、上位機進行通信或加入各種網絡。

（7）編程工具

編程工具是開發應用和檢查維護PLC以及監控系統運行不可或缺的外部設備。利用編程工具可以將用戶程序輸入到PLC的存儲器，還可以檢查、修改、調試程序以及監視程序的運行。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等組成，主要用于調試簡單的程序、現場修改參數以及監視PLC自身的工作情況；另一種是利用上位計算機中的專業編程軟件（如西門子S7-300PLC用的STEP7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試和監控程序。編程軟件的應用更為廣泛。

（8）智能單元

智能單元是PLC中的一個模塊，它與CPU通過系統總線連接，并在CPU的協調管理下獨立地進行工作。常用的智能單元包括高速計數器單元、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。