第二節 PLC的組成

PLC是微機技術和控制技術相結合的產物，是一種以微處理器為核心的用于控制的特殊計算機，因此PLC的基本組成與一般的微機系統類似。

PLC的硬件主要由中央處理器（Central Processing Unit，CPU）、存儲器、輸入單元、輸出單元、通信接口、擴展接口、電源等部分組成。其中，CPU是PLC的核心，輸入單元與輸出單元是連接現場輸入/輸出（I/O）設備與CPU之間的接口電路，通信接口用于與編程器、上位計算機等外設連接。圖1-1是PLC的基本組成。

圖1-1 PLC的基本組成

1.中央處理單元（CPU）

同一般的微機一樣，CPU是PLC的核心。PLC中所配置的CPU隨機型不同而不同，常用的有三類：通用微處理器（如Z80、8086、80286等）、單片微處理器（如8031、8096等）和位片式微處理器（如AMD29W等）。小型PLC大多采用8位通用微處理器和單片微處理器；中型PLC大多采用16位通用微處理器或單片微處理器；大型PLC大多采用高速位片式微處理器。

目前，小型PLC為單CPU系統，而中、大型PLC則大多為雙CPU系統，甚至有些PLC中CPU多達8個。對于雙CPU系統，其中一個為字處理器，通常采用8位或16位處理器；另一個為位處理器，采用由各廠家設計制造的專用芯片。字處理器為主處理器，用于執行編程器接口功能，監視內部定時器，監視掃描時間，處理字節指令以及對系統總線和位處理器進行控制等。位處理器為從處理器，主要用于處理位操作指令和實現PLC編程語言向機器語言的轉換。位處理器的采用，提高了PLC的速度，使PLC更好地滿足實時控制要求。

在PLC中CPU按系統程序賦予的功能，指揮PLC有條不紊地進行工作，歸納起來主要有以下幾個方面：

1）接收從編程器輸入的用戶程序和數據。

2）診斷電源、PLC內部電路的工作故障和編程中的語法錯誤等。

3）通過輸入接口接收現場的狀態或數據，并存入輸入映像寄存器或數據寄存器中。

4）從存儲器逐條讀取用戶程序，經過解釋后執行。

5）根據執行的結果，更新有關標志位的狀態和輸出映像寄存器的內容，通過輸出單元實現輸出控制。有些PLC還具有制表打印或數據通信等功能。

2.存儲器單元

存儲器主要有兩種：一種是可讀/寫操作的隨機存儲器（RAM），另一種是只讀存儲器（ROM、PROM、EPROM和EEPROM）。在PLC中，存儲器主要用于存放系統程序、用戶程序及工作數據。

系統程序是由PLC的制造廠家編寫的，與PLC的硬件組成有關，完成系統診斷、命令解釋、功能子程序調用管理、邏輯運算、通信及各種參數設定等功能，提供PLC運行的平臺。系統程序關系到PLC的性能，而且在PLC使用過程中不會變動，所以是由制造廠家直接固化在只讀存儲器ROM、PROM或EPROM中，用戶不能訪問和修改。

用戶程序是隨PLC的控制對象而定的，由用戶根據對象生產工藝的控制要求而編制的應用程序。為了便于讀出、檢查和修改，用戶程序一般存于CMOS靜態RAM中，用鋰電池作為后備電源，以保證掉電時不會丟失信息。為了防止干擾對RAM中程序的破壞，當用戶程序經過調試，運行正常且不需要改變時，可將其固化在只讀存儲器EPROM中。現在有許多PLC直接采用EEP-ROM作為用戶存儲器。

工作數據是PLC運行過程中經常變化、經常存取的一些數據。存放在RAM中，以適應隨機存取的要求。在PLC的工作數據存儲器中，設有存放輸入/輸出繼電器、輔助繼電器、定時器、計數器等邏輯器件的存儲區，這些器件的狀態都是由用戶程序的初始設置和運行情況而確定的。根據需要，部分數據在掉電時用后備電池維持其現有的狀態，這部分在掉電時可保存數據的存儲區域稱為保持數據區。

由于系統程序及工作數據與用戶無直接聯系，所以在PLC產品樣本或使用手冊中所列存儲器的形式及容量是指用戶程序存儲器。當PLC提供的用戶存儲器容量不夠用時，許多PLC還提供有存儲器擴展功能。

3.電源單元

電源單元將外界提供的電源轉換成PLC的工作電源后，提供給PLC。有些電源單元也可以作為負載電源，通過PLC的I/O接口向負載提供直流24V電源。PLC的電源一般采用開關電源，輸入電壓范圍寬，抗干擾能力強。電源單元的輸入與輸出之間有可靠的隔離，以確保外界的擾動不會影響到PLC的正常工作。

電源單元還提供掉電保護電路和后備電池電源，以維持部分RAM存儲器的內容在外界電源斷電后不會丟失。在面板上通常有發光二極管指示電源的工作狀態，便于判斷電源工作是否正常。

4.輸入/輸出單元

輸入/輸出單元通常也稱I/O單元或I/O模塊，是PLC與工業生產現場之間的連接部件。PLC通過輸入接口可以檢測被控對象的各種數據，以這些數據作為PLC對被控制對象進行控制的依據；同時PLC又通過輸出接口將處理結果送給被控制對象，以實現控制的目的。

由于外部輸入設備和輸出設備所需的信號電平是多種多樣的，而PLC內部CPU處理的信息只能是標準電平，所以I/O接口要實現這種轉換。I/O接口一般都具有光電隔離和濾波功能，以提高PLC的抗干擾能力。另外，I/O接口上通常還有狀態指示，工作狀況直觀，便于維護。PLC提供了多種操作電平和驅動能力的I/O接口，有各種各樣功能的I/O接口供用戶選用。I/O接口的主要類型有：數字量（開關量）輸入、數字量（開關量）輸出、模擬量輸入、模擬量輸出等。

5.接口單元

接口單元包括擴展接口、通信接口、編程器接口和存儲器接口等。

PLC的I/O單元也屬于接口單元的范疇，它完成PLC與工業現場之間電信號的往來聯系。除此之外，PLC與其他外界設備和信號的聯系都需要相應的接口單元。

（1）I/O擴展接口

I/O擴展接口用于擴展輸入/輸出點數，當主機的I/O通道數量不能滿足系統要求時，需要增加擴展單元，這時需要用到I/O擴展接口將擴展單元與主機連接起來。西門子公司S7-300/400中的接口模塊（例如IM365、IM360/361等）就是專用于連接中央機架和擴展機架的擴展接口。

（2）通信接口

PLC配有各種通信接口，這些通信接口一般都帶有通信處理器。PLC通過這些通信接口可與監視器、打印機、其他PLC、計算機等設備實現通信。PLC與打印機連接，可將過程信息、系統參數等輸出打印；與監視器連接，可將控制過程圖像顯示出來；與其他PLC連接，可組成多機系統或連成網絡，實現更大規模的控制；與計算機連接，可組成多級分布式控制系統，實現控制與管理相結合。另外，遠程I/O系統也必須配備相應的通信接口模塊。

（3）編程器接口

編程器接口是連接編程器的，PLC本體通常是不帶編程器的。為了能對PLC編程和監控，PLC上專門設置有編程器接口。通過這個接口可以連接各種形式的編程裝置，還可以利用此接口做通信、監控工作。

（4）存儲器接口

存儲器接口是為了擴展存儲區而設置的。用于擴展用戶程序存儲區和用戶數據參數存儲區，可以根據使用的需要擴展存儲器，其內部也是接到總線上的。

（5）智能接口模塊

智能接口模塊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PLC系統總線相連的接口。它作為PLC系統的一個模塊，通過總線與PLC相連，進行數據交換，并在PLC的協調管理下獨立地進行工作。

PLC的智能接口模塊種類很多，如：高速計數模塊、閉環控制模塊、運動控制模塊、中斷控制模塊等。

6.外部設備

PLC的外部設備種類很多，總體來說可以概括為四大類：編程設備、監控設備、存儲設備、輸入/輸出設備。

（1）編程設備

編程設備的作用是編輯、調試、輸入用戶程序，也可在線監控PLC內部狀態和參數，與PLC進行人機對話。它是開發、應用、維護PLC不可缺少的工具。編程裝置可以是專用編程器，也可以是配有專用編程軟件包的通用計算機系統。專用編程器是由PLC廠家生產，專供該廠家生產的某些PLC產品使用，它主要由鍵盤、顯示器和外存儲器接插口等部件組成。專用編程器有簡易編程器和智能編程器兩類。

簡易編程器只能聯機編程，而且不能直接輸入和編輯梯形圖程序，需將梯形圖程序轉化為指令表程序才能輸入。簡易編程器體積小、價格便宜，它可以直接插在PLC的編程插座上，或者用專用電纜與PLC相連，以方便編程和調試。有些簡易編程器帶有存儲盒，可用來儲存用戶程序，如三菱的FX-20P-E簡易編程器。

智能編程器又稱圖形編程器，本質上它是一臺專用便攜式計算機，如三菱的GP-80FX-E智能型編程器。它既可聯機編程，又可脫機編程。可直接輸入和編輯梯形圖程序，使用更加直觀、方便，但價格較高，操作也比較復雜。大多數智能編程器帶有磁盤驅動器，提供錄音機接口和打印機接口。

專用編程器只能對指定廠家的幾種PLC進行編程，使用范圍有限，價格較高。同時，由于PLC產品不斷更新換代，所以專用編程器的生命周期也十分有限。因此，現在的趨勢是使用以個人計算機為基礎的編程裝置，用戶只要購買PLC廠家提供的編程軟件和相應的硬件接口裝置。這樣，用戶只用較少的投資即可得到高性能的PLC程序開發系統。

基于個人計算機的程序開發系統功能強大。它既可以編制、修改PLC的梯形圖程序，又可以監視系統運行、打印文件、系統仿真等。配上相應的軟件還可實現數據采集和分析等許多功能。

（2）監控設備

PLC將現場數據實時上傳給監控設備，監控設備則將這些數據動態實時顯示出來，以便操作人員和技術人員隨時掌握系統運行的情況，操作人員能夠通過監控設備向PLC發送操控指令，也把具有這種功能的設備稱為人機界面。PLC廠家通常都提供專用的人機界面設備，目前使用較多的有操作屏和觸摸屏等。這兩種設備均采用液晶顯示屏，通過專用的開發軟件可設計用戶工藝流程圖，與PLC聯機后能夠實現現場數據的實時顯示。操作屏同時還提供多個可定義功能的按鍵，而觸摸屏則可以將控制鍵直接定義在流程圖的畫面中，使得控制操作更加直觀。

（3）存儲設備

存儲設備用于保存用戶數據，避免用戶程序丟失。有存儲卡、存儲磁帶、軟磁盤或只讀存儲器等多種形式，配合這些存儲載體，有相應的讀寫設備和接口部件。

（4）輸入/輸出設備

用于接收信號和輸出信號的專用設備。例如條碼讀入器、打印機等。