1.3 PLC的基本組成與各部分的作用

1.3.1 PLC的基本組成

PLC是一種通用的工業控制裝置，其組成與一般的微機系統基本相同。按結構形式的不同，PLC可分為整體式和組合式兩類。

整體式PLC是將中央處理單元（CPU）、存儲器、輸入單元、輸出單元、電源、通信接口等組裝成一體，構成主機。另外，還有獨立的I/O擴展單元與主機配合使用。在主機中，CPU是PLC的核心，I/O單元是連接CPU與現場設備之間的接口電路，通信接口用于PLC與編程器和上位機等外部設備的連接。整體式PLC的特點是結構緊湊、體積小、重量輕、價格低、輸入/輸出點數固定、實現的功能和控制規模固定，靈活性較低。小型PLC常采用這種結構，適用于工業生產中的單機控制。

組合式（模塊式）PLC為總線結構，其總線做成總線板，上面有若干個總線槽，每個總線槽上可安裝一個PLC模塊，不同的模塊實現不同的功能。PLC的CPU、存儲器做成一個模塊（有的把電源也做在上面），該模塊在總線上的安裝位置一般來說是固定的。其它的模塊可根據PLC的控制規模、實現的功能選用，安裝在總線板的其它任一總線槽上。組合式PLC安裝完成后，需進行登記，使PLC對安裝在總線上的各模塊進行地址確認。組合式PLC的總線板又稱底板。裝有CPU單元的底板稱為CPU底板，其它稱為擴展底板。CPU底板與擴展底板之間通過電纜連接，距離一般不超過10m。組合式PLC的特點是：系統配置靈活，可構成具有不同控制規模和功能的PLC，但它的價格較高。一般大、中型PLC采用這種結構。

無論哪種結構類型的PLC，都可根據需要進行配置與組合。例如OMRON CPM1A型PLC為整體式結構，通過主機連接I/O擴展單元，I/O點數可在10～160點的范圍內進行配置。組合式PLC則在I/O配置上更方便、更靈活。

圖1-1所示為整體式PLC的組成示意圖，圖1-2所示為組合式PLC的組成示意圖。

1.3.2 PLC各部分的作用

1.中央處理單元（CPU）

CPU在PLC中的作用類似于人體的神經中樞，它是PLC的運算、控制中心。它按照系統程序所賦予的功能，完成以下任務：

1）接收并存儲從編程器輸入的用戶程序和數據。

2）診斷電源、PLC內部電路的工作狀態和編程的語法錯誤。

3）用掃描的方式接收輸入信號，送入PLC的數據寄存器保存起來。

4）PLC進入運行狀態后，根據存放的先后順序逐條讀取用戶程序，進行解釋和執行，完成用戶程序中規定的各種操作。

圖1-1 整體式PLC的組成示意圖

圖1-2 組合式PLC的組成示意圖

5）將用戶程序的執行結果送至輸出端。

現代PLC使用的CPU主要有以下幾種：

1）通用微處理器，如8080、6800、Z80A、8086等。通用微處理器的價格便宜，通用性強，還可以借用微機成熟的實時操作系統、豐富的軟硬件資源。

2）單片機，如8051等。由于單片機集成度高、體積小、價格低和可擴充性好，很適合在小型PLC上使用，也廣泛用于PLC的智能I/O模塊。

3）位片式微處理器，如AMD2900系列等。位片式微處理器是獨立于微型機的另一分支。它主要追求運算速度快，它以4位為一片，用幾個位片級聯，可以組成任意字長的微處理器。改變微程序存儲器的內容，可以改變計算機的指令系統。位片式結構可以使用多個微處理器，將控制任務劃分為若干個可以并行處理的部分，幾個微處理器同時進行處理。這種高運算速度與可以適應用戶需要的指令系統相結合，很適合于以順序掃描方式工作的PLC使用。

2.存儲器

根據存儲器在系統中的作用，可以把它分為以下三種：

1）系統程序存儲器：和各種計算機一樣，PLC也有其固定的監控程序、解釋程序，它們決定了PLC的功能，稱為系統程序，系統程序存儲器就是用來存放這部分程序的。系統程序是不能由用戶更改的，故所使用的存儲器為只讀存儲器ROM或EPROM。

2）用戶程序存儲器：用戶根據控制功能要求而編制的應用程序稱為用戶程序，用戶程序存放在用戶程序存儲器中。由于用戶程序需要經常改動、調試，故用戶程序存儲器多為可隨時讀寫的RAM。由于RAM掉電會丟失數據，因此使用RAM作用戶程序存儲器的PLC，都有后備電池（鋰電池）保護RAM，以免電源掉電時，丟失用戶程序。當用戶程序調試修改完畢，不希望被隨意改動時，可將用戶程序寫入EPROM。目前較先進的PLC（如歐姆龍公司的CPM1A型PLC）采用快閃存儲器作用戶程序存儲器，快閃存儲器可隨時讀寫，掉電時數據不會丟失，不需用后備電池保護。

3）工作數據存儲器：工作數據是經常變化、經常存取的一些數據。這部分數據存儲在RAM中，以適應隨機存取的要求。在PLC的工作數據存儲區，開辟有元件映像寄存器和數據表。

元件映像寄存器用來存儲PLC的開關量輸入/輸出和定時器、計數器、輔助繼電器等內部繼電器的ON/OFF狀態。

數據表用來存放各種數據，它的標準格式是每一個數據占一個字。它存儲用戶程序執行時的某些可變參數值，如定時器和計數器的當前值和設定值。它還用來存放A-D轉換得到的數字和數學運算的結果等。

根據需要，部分數據在停電時用后備電池維持其當前值，在停電時可以保持數據的存儲器區域稱為數據保持區。

3.I/O單元

I/O單元也稱為I/O模塊。PLC通過I/O單元與工業生產過程現場相聯系。輸入單元接收操作指令和現場的狀態信息，如控制按鈕、操作開關和限位開關、光電管、繼電器觸點、行程開關、接近開關等信號，并通過輸入電路的濾波、光電隔離和電平轉換等將這些信號轉換成CPU能夠接收和處理的信號。輸出單元將CPU送出的弱電控制信號通過輸出電路的光電隔離和功率放大等轉換成現場需要的強電信號輸出，以驅動接觸器、電磁閥、電磁鐵等執行元件。

I/O單元有多種類型，但各種I/O單元的原理基本相同。下面介紹幾種常用的I/O單元，并說明其工作原理。

（1）開關量輸入單元

PLC的開關量輸入單元按照輸入端電源類型的不同，分為直流輸入單元和交流輸入單元。

圖1-3所示為直流輸入單元。直流輸入單元外接直流電源，電路如圖1-3所示，虛線框內為PLC內部輸入電路，框外左側為外部用戶接線，圖中只畫出對應于一個輸入點的輸入電路，各個輸入點所對應的輸入電路均相同。圖中，T為光耦合器，它是將發光二極管與光電晶體管封裝在一個管殼中，當二極管中有電流流過時，二極管發光，使光電晶體管導通；當二極管中無電流流過時，晶體管不導通。發光二極管LED指示該點輸入狀態。R₁為限流電阻，R₂和C構成濾波電路，可濾除輸入信號中的高頻抖動。輸入單元的外接直流電源的極性任意。當S閉合時，光耦合器導通，A點為高電平，經濾波器、輸入選擇器后，送到I/O總線，CPU訪問該路信號時，將該點對應的輸入映像寄存器狀態置1；發光二極管LED點亮，指示輸入開關處于接通狀態。當S斷開時，光耦合器不導通，A點為低電平，該電平經濾波電路、輸入選擇器后，送到I/O總線，CPU訪問該路信號時，將該點對應的輸入映像寄存器狀態置0；發光二極管LED不亮，指示輸入開關處于斷開狀態。

圖1-3 直流輸入單元

有的直流輸入單元不需要外接電源，稱為無源式輸入單元。無源式輸入單元的內部提供24V直流電源，用戶只需將開關接在輸入端子和公共端子之間即可，不用再外接電源，簡化了輸入端的接線。

在圖1-3所示的輸入電路中，輸入端子有一個公共端子COM，即有一個公共匯集點，因此稱為匯點式輸入方式。除此之外，輸入單元還有分組式和分隔式。分組式輸入單元的輸入端子分為若干組，每組共用一個公共端子和一個電源。分隔式輸入單元的輸入端子互相隔離，互不影響，各自使用獨立的電源。

（2）開關量輸出單元

PLC的開關量輸出單元按輸出電路所用開關器件的不同可分為晶體管輸出單元、晶閘管輸出單元、繼電器輸出單元。

圖1-4所示為晶體管輸出單元。在晶體管輸出單元中，輸出電路采用晶體管作為開關器件，虛線框內為PLC內部輸出電路，框外右側為外部用戶接線。圖中只畫出對應于一個輸出點的輸出電路，各個輸出點所對應的輸出電路均相同。圖中，LED為輸出指示燈，VT為輸出晶體管，VD₂為負載續流二極管，VD₁為保護二極管，FU為熔斷器。工作原理如下：當對應于VT的內部繼電器的狀態為1時，CPU通過I/O總線使輸出鎖存器對應的位為高電平，LED點亮，指示該輸出點開關量為1狀態；光耦合器導通，晶體管VT飽和導通，負載得電。反之，當對應于VT的內部繼電器的狀態為0時，CPU通過I/O總線使輸出鎖存器對應的位為低電平，LED不亮，指示該輸出點開關量為0狀態；光耦合器截止，晶體管VT截止，負載失電，并通過續流二極管VD₂釋放能量。

晶體管開關量輸出單元為無觸點輸出，使用壽命長，響應速度快。

4.智能單元

PLC除開關量I/O基本單元外，還有多種智能單元。智能單元本身是一個獨立的計算機系統，它有自己的CPU、系統程序、存儲器，以及與外界過程相連的接口。另外，根據單元的功能還有一些特殊組成部分。智能單元是PLC系統的一個模塊，和CPU單元通過系統總線相連接，進行數據交換，并在CPU單元的協調管理下獨立地進行工作。這里所說的獨立是指智能單元的工作不參加循環掃描過程，而是按照它自己的規律參與系統工作，即多數情況下的運算功能都由其本身的CPU完成。

目前，已開發的常用的智能單元有：A-D單元、D-A單元、高速計數單元、位置控制單元、PID控制單元、溫度控制單元和各種通信單元等。

通信單元用來完成PLC與其它PLC、上位計算機或智能控制設備之間的通信，構成各種網絡。例如，利用OMRON的DeviceNet單元可以搭建DeviceNet現場總線，利用Ethernet單元搭建Ethernet網絡。

圖1-4 晶體管輸出單元

5.電源

現代PLC一般配有開關式穩壓電源，供內部電路使用。與普通電源相比，開關電源的輸入電壓范圍寬，體積小，重量輕，效率高，抗干擾性能好。有的PLC還向外提供DC 24V的直流電源，給開關量輸入單元連接的現場無源開關使用，或給外部傳感器供電。

6.擴展口

擴展口是PLC的總線接口。當用戶所需的I/O點數或類型超出主機上的點數或類型時，可以通過加接I/O擴展單元來解決。主機與I/O擴展單元通過擴展口連接。

7.編程工具

編程工具的主要作用是用來編輯程序、調試程序和監控程序的執行，還可以在線測試PLC的內部狀態和參數，與PLC進行人機對話。因此，編程工具是開發、應用、監控運行和檢查維護PLC不可缺少的設備。編程工具可以是簡易編程器，也可以是配有專用編程軟件的通用計算機。目前，簡易編程器用的很少，主要為計算機輔助編程。

世界上各PLC生產廠家都提供在個人計算機上運行的輔助編程軟件，如歐姆龍公司的CX-P編程軟件。應用不同型號和廠家的PLC，只需要更換相應的軟件就可以了。編程軟件的功能很強，它可以編輯、修改用戶的程序，監控系統運行，打印文件，采集和分析數據，在屏幕上顯示系統運行狀況，對工業現場和系統仿真，將程序備份保存，實現計算機和PLC之間的程序傳送等。