第2章 PLC的結構和工作原理

2.1 PLC的結構組成

2.1.1 三菱PLC的結構組成

三菱公司為了滿足各行各業不同的控制需求推出了多種系列型號的PLC，如Q系列、AnS系列、QnA系列、A系列和FX系列等。

三菱PLC的硬件系統主要由基本單元、擴展單元、擴展模塊及特殊功能模塊組成，如圖2-1所示。

劃重點

1 三菱PLC的基本單元

三菱PLC的基本單元是PLC的控制核心，也稱主單元，主要由CPU、存儲器、輸入接口、輸出接口及電源等構成，是PLC硬件系統中的必選單元。下面以三菱FX系列PLC為例介紹硬件系統的結構組成。

圖2-2為三菱FX系列PLC的基本單元，也稱PLC的主機或CPU部分，屬于集成型小型單元式PLC，具有完整的性能和通信功能。常見三菱FX系列PLC的產品主要有FX_1N、FN_2N和FN_3U等系列。

劃重點

① 三菱FX_1N系列PLC是一種功能強大的普及型PLC，具有擴展輸入/輸出、模擬量控制和通信、鏈接等功能，廣泛應用于一般的順序控制系統中。

② 三菱FX_3U系列PLC屬于第三代PLC，基本性能大幅提升，基本單元采用晶體管輸出型，內置定位功能，增加新的定位指令，使定位功能更加強大，使用更加方便。

③ 三菱FX_2N系列PLC具有高速處理及可擴展大量滿足單個需要的特殊功能模塊，多應用于工廠自動化設備中。

圖2-3為三菱FX系列PLC基本單元的外部結構，主要由電源接口、輸入/輸出接口、PLC狀態指示燈、輸入/輸出LED指示燈、擴展接口、外圍設備接線插座、存儲器和串行通信接口等構成。

① 電源接口和輸入/輸出接口

電源接口包括L端、N端和接地端，用于為PLC供電；輸入接口通常使用X0、X1等進行標識；輸出接口通常使用Y0、Y1等進行標識。

圖2-4為三菱FX系列PLC基本單元的電源接口和輸入/輸出接口。

② LED指示燈

圖2-5為三菱FX系列PLC基本單元的LED指示燈。

LED指示燈包括PLC狀態指示燈、輸入LED指示燈和輸出LED指示燈三部分。

③ 通信接口

PLC與計算機、外圍設備、其他PLC之間需要通過共同約定的通信協議和通信方式由通信接口實現信息交換。

圖2-6為三菱FX系列PLC基本單元的通信接口。

劃重點

① RS-232通信接口安裝在FX_2N-232-BD通信擴展板上，采用串行方式，常用于距離較近、通信速率要求不高的場合。

② RS-485通信接口安裝在FX_2N-485-BD通信擴展板上，采用兩根傳輸線完成接收和發送任務，常用于聯網通信。

③ RS-422通信接口安裝在FX_2N-422-BD通信擴展板上，采用差動發送、差動接收方式，常用于距離較遠、通信速率高、抗共模干擾的場合。

④ 內部結構

三菱FX系列PLC基本單元的內部結構如圖2-7所示。

劃重點

在通常情況下，三菱FX系列PLC基本單元的內部主要是由CPU電路板、輸入/輸出接口電路板和電源電路板構成的。

圖2-8為三菱FX系列PLC基本單元的CPU電路板。PU電路板用于完成PLC的運算、存儲和控制功能。

圖2-9為三菱FX系列PLC基本單元的電源電路板。電源電路板用于為PLC內部各電路提供所需的工作電壓。

圖2-10為三菱FX系列PLC基本單元的輸入/輸出接口電路板。輸入/輸出接口電路板用于PLC輸入、輸出信號的處理。

不同系列、不同型號的PLC具有不同的規格參數。圖2-11為三菱FX_2N系列PLC基本單元的類型、I/O點數和性能參數。

三菱FX系列PLC基本單元的正面標識有PLC的型號，型號中的每個字母或數字都有不同的含義。圖2-12為三菱FX_2N系列PLC型號中各字母或數字所表示的含義。

劃重點

在三菱FX系列PLC型號標識中，若特殊品種一項無標識，則默認為交流電源、直流輸入、橫式端子排、標準輸出。

2 三菱PLC的擴展單元

圖2-13為三菱PLC擴展單元的實物圖。

擴展單元是用于增加PLC的I/O點數及供電電流的裝置，內部設有電源，無CPU，需要與基本單元同時使用，當擴展組合總供電電流不足時，需在PLC硬件系統中增設擴展單元進行供電電流的擴展。

三菱PLC的擴展單元是一個獨立的擴展設備，通常連接在PLC基本單元的擴展接口或擴展插槽上。

三菱PLC擴展單元型號命名規則如圖2-14所示。

劃重點

圖2-14中，字母E表示該產品為擴展單元。

多說兩句！

不同系列三菱PLC的擴展單元類型不同，見表2-1。三菱FX_2N系列PLC的擴展單元主要有6種。根據輸出類型的不同，6種擴展單元可分為繼電器輸出和晶體管輸出兩大類。

3 三菱PLC的擴展模塊

三菱PLC的擴展模塊是用于增加PLC的I/O點數及改變I/O比例的裝置，內部無電源和CPU，需要與基本單元配合使用，由基本單元或擴展單元供電，如圖2-15所示。

劃重點

基本單元與擴展模塊配合使用，通過擴展接口或擴展插槽連接，由基本單元通過數據線為擴展模塊供電。

不同系列三菱PLC擴展模塊的類型不同，見表2-2。三菱FX_2N系列PLC的擴展模塊主要有3種類型，分別為FX_2N-16EX、FX_2N-16EYT、FX_2N-16EYR。

4 三菱PLC的特殊功能模塊

三菱PLC的特殊功能模塊是PLC的一種專用擴展模塊，如模擬量I/O模塊、通信擴展模塊、溫度控制模塊、定位控制模塊、高速計數模塊、熱電偶溫度傳感器輸入模塊、凸輪控制模塊等。

模擬量I/O模塊包含模擬量輸入模塊和模擬量輸出模塊。圖2-16為三菱PLC模擬量I/O模塊的實物圖。

劃重點

① 模擬量輸入模塊也稱A/D模塊，可將連續變化的模擬輸入信號轉換為PLC內部所需的數字信號。

劃重點

② 模擬量輸出模塊也稱D/A模塊，可將PLC運算處理后的數字信號轉換為外部設備所需的模擬信號。

圖2-17為三菱PLC模擬量I/O模塊的工作流程。

多說兩句！

在圖2-17中，生產過程連續變化的模擬信號（如壓力、溫度、流量等）送入模擬量輸入模塊中，經循環多路開關后進行A/D轉換，再經緩沖區BFM為PLC提供一定位數的數字信號；PLC將接收到的數字信號根據預先編寫好的程序進行運算處理，并將運算處理后的數字信號輸入模擬量輸出模塊中，經緩沖區BFM后進行D/A轉換，為生產設備提供一定的模擬控制信號。

在三菱PLC模擬量輸入模塊的內部，直流24V電源經DC/DC轉換器轉換為±15V和5V開關電源，為模擬量輸入模塊提供所需的工作電壓，同時模擬量輸入模塊接收由CPU發送來的控制信號，經光電耦合器后控制循環多路開關閉合，通道CH1（或CH2、CH3、CH4）輸入的模擬量信號經循環多路開關后進行A/D轉換，再經光電耦合器后為CPU提供一定位數的數字信號。

圖2-18為三菱PLC模擬量輸入模塊的內部方框圖。

表2-3為三菱FX_2N-4AD模擬量輸入模塊的基本參數及相關性能指標。

圖2-19為三菱PLC高速計數模塊的實物圖。

劃重點

高速計數模塊主要用于對PLC控制系統中的脈沖個數進行計數，在PLC基本單元內一般設置有高速計數器，當工業應用中超過內部計數器的工作頻率時，需在PLC硬件系統中配置高速計數模塊。

劃重點

當所控制的機械設備要求定位控制時，需在PLC系統中加入定位控制模塊，如通過脈沖輸出模塊FX_2N-1PG和定位控制模塊FX_2N-10GM等實現機械設備的一點或多點的定位控制。

圖2-20為三菱PLC的脈沖輸出模塊和定位控制模塊。

圖2-21為三菱PLC的其他特殊功能模塊。

2.1.2 西門子PLC的結構組成

圖2-22為典型西門子PLC的硬件系統。

西門子公司為了滿足用戶的不同要求推出了多種PLC產品。每種PLC產品的硬件結構不同。以西門子常見的S7系列PLC為例，西門子S7系列PLC的硬件系統主要包括PLC主機（CPU模塊）和擴展模塊。其中，常見的擴展模塊包括電源模塊（PS）、接口模塊（IM）、信息擴展模塊（EM、SM）、通信模塊（CP）、功能模塊（FM）等。

1 西門子S7系列PLC主機（CPU模塊）

圖2-23為西門子S7系列PLC主機（CPU模塊）。

西門子PLC主機是構成硬件系統的核心單元，主要包括負責執行程序和存儲數據的微處理器，被稱為CPU模塊。西門子PLC主機外部主要由電源接口、輸入接口、輸出接口、通信接口、PLC狀態指示燈、輸入/輸出LED指示燈、傳感器輸出接口、檢修口等構成。

多說兩句！

① 電源接口和輸入/輸出接口

如圖2-24所示，電源接口包括L端、N端和接地端，用于為PLC供電；輸入接口通常使用I0.0、I0.1等進行標識；輸出接口通常使用Q0.0、Q0.1等進行標識。

② LED指示燈

劃重點

LED指示燈包括PLC狀態指示燈、輸入指示燈和輸出指示燈三部分，如圖2-25所示。

③ 通信接口

西門子S7系列PLC常采用RS-485通信接口進行連接，支持PPI通信和自由通信協議，如圖2-26所示。

④ 檢修口

西門子S7系列PLC的檢修口包括模式選擇開關、模擬量調節電位器和擴展接口，如圖2-27所示。

⑤ 西門子S7系列PLC的內部結構

圖2-28為西門子S7系列PLC的內部結構。

劃重點

取下西門子S7系列PLC的外殼即可看到內部結構。西門子S7系列PLC主要由CPU電路板、輸入/輸出接口電路板和電源電路板構成。

圖2-29為西門子S7系列PLC的CPU電路板。

劃重點

CPU電路板主要用于完成PLC的運算、存儲和控制功能。

CPU電路板主要由微處理器芯片、存儲器芯片、PLC狀態指示燈、輸出LED指示燈、輸入LED指示燈、模式選擇開關、模擬量調節電位器、電感器、電容器、與輸入/輸出接口電路板的接口等構成。

圖2-30為西門子S7系列PLC的輸入/輸出接口電路板。

劃重點

輸入/輸出接口電路板主要用于對PLC輸入、輸出信號的處理。

輸入/輸出接口電路板主要由輸入接口、輸出接口、電源輸入接口、傳感器輸出接口、與CPU電路板的接口、RS-232/RS-485通信接口、輸出繼電器、光電耦合器、與電源電路板的接口等構成。

圖2-31為西門子S7系列PLC的電源電路板。

西門子各系列PLC主機的類型和功能不同，每一系列的主機又都包含多種類型的CPU，以適應不同的應用要求，如圖2-32所示。

電源電路板主要用于為PLC內部各電路提供所需的工作電壓。

電源電路板主要由橋式整流堆、壓敏電阻器、電容器、變壓器、與輸入/輸出接口電路板的接口等構成。

劃重點

① 西門子S7-200 PLC主機將CPU電路板、輸入/輸出接口電路板和電源電路板等集成封裝，單獨構成一個獨立的控制系統，實現相應的控制功能。

② 西門子S7-300 PLC主機采用模塊式結構，有多種不同型號的CPU模塊，不同型號的CPU模塊有不同的性能，如有些模塊集成數字量和模擬量的I/O端子，有些集成現場總線通信接口（PROFIBUS）。

③ 西門子S7-400 PLC主機采用大模塊結構，一般適用于對可靠性要求極高的大型復雜的控制系統。

2 西門子S7系列PLC的電源模塊

圖2-33為西門子S7系列PLC的電源模塊。

劃重點

電源模塊是指由外部為PLC供電的功能單元。西門子S7系列PLC的電源模塊主要有兩種形式：一種是集成在PLC主機內部的電源模塊；另一種是獨立的電源模塊。

一體化緊湊型PLC的電源模塊集成在PLC主機內部，與CPU模塊封裝在一起，并通過連接總線為CPU模塊、擴展模塊提供5V的直流電源。

模塊式結構PLC的電源供電部分均屬于獨立的模塊單元，不同型號PLC所采用的電源模塊不同。

3 西門子S7系列PLC的接口模塊

接口模塊（IM）用于組成多機架系統時連接主機架（CR）和擴展機架（ER），多應用于西門子S7-300/400系列PLC系統中，如圖2-34所示。

4 西門子S7系列PLC的信息擴展模塊

在實際應用中，為了實現更強的控制功能，各類型的西門子PLC可以采用擴展I/O點的方法擴展系統配置和控制規模。

劃重點

各種擴展用的I/O模塊被統稱為信息擴展模塊（SM）。不同類型PLC所采用的信息擴展模塊不同，但基本都包含數字量擴展模塊和模擬量擴展模塊。

數字量輸入模塊可將現場送來的數字高電平信號轉換為PLC內部可識別的信號電平。在通常情況下，數字量輸入模塊可用于連接工業現場的機械觸點或電子式數字傳感器。

① 數字量擴展模塊

西門子PLC除本機集成的數字量I/O端子外，還可連接數字量擴展模塊（DI/DO）來擴展更多的數字量I/O端子。數字量擴展模塊包括數字量輸入模塊和數字量輸出模塊。圖2-35為西門子S7系列PLC中常見的數字量輸入模塊。

圖2-36為西門子S7系列PLC中常見的數字量輸出模塊。

數字量輸出模塊可將PLC內部信號電平轉換為生產過程所要求的外部信號電平，在通常情況下，可用于直接驅動電磁閥、接觸器、指示燈、變頻器等外部設備和功能部件。

② 模擬量擴展模塊

模擬量擴展模塊包括模擬量輸入模塊和模擬量輸出模塊，如圖2-37所示。

劃重點

模擬量輸入模塊用于將現場各種傳感器輸出的直流電壓或電流信號的模擬信號轉換為PLC內部處理用的數字信號（核心為A/D轉換器）。電壓和電流傳感器、熱電偶、電阻或電阻式溫度計均可作為傳感器與其連接。

5 西門子S7系列PLC的通信模塊

圖2-38為西門子S7系列PLC的通信模塊。

西門子PLC有很強的通信功能，除CPU模塊本身集成的通信接口外，還可擴展連接不同類型（信號）的通信模塊，用以實現PLC與PLC之間、PLC與計算機之間、PLC與其他功能設備之間的通信，實現強大的通信功能。

6 西門子S7系列PLC的功能模塊

圖2-39西門子S7系列PLC的功能模塊。