1.3.1 PLC的硬件結構

PLC的硬件主要由中央處理器（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/輸出單元是CPU與現場輸入/輸出設備之間的接口電路，通信接口主要用于連接編程器、上位計算機等外部設備。

整體式PLC的組成框圖如圖1-7所示；模塊式PLC的組成框圖如圖1-8所示。無論是哪種結構類型的PLC，都可根據用戶需要進行配置與組合。

盡管整體式PLC與模塊式PLC的結構不太一樣，但各部分的功能是相同的。

1.中央處理單元

CPU是PLC的核心，PLC中所配置的CPU隨機型不同而不同，常用的CPU有三類：通用微處理器、單片機（如80C51、8096等）和位片式微處理器（如AMD29W等）。

在實際應用中，小型PLC大多采用8位通用微處理器或單片機；中型PLC大多采用16位通用微處理器或單片機；而大型PLC大多采用高速位片式微處理器。

目前，小型PLC多為單CPU系統，而大、中型PLC則多為雙CPU系統。對于雙CPU系統，其中一個為字處理器，一般采用8位或16位處理器；另一個為位處理器，采用由各廠商設計制造的專用芯片。

字處理器為主處理器，用于實現與編程器連接、監視內部定時器和掃描時間、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。位處理器的使用提高了PLC的速度，使其能夠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。CPU的主要功能歸納如下：

1）接收從編程器輸入的用戶程序和數據。

2）診斷電源以及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。

2.存儲器

PLC中的存儲器主要用來存放系統程序、用戶程序以及工作數據。常用的存儲器主要有可讀/寫操作的隨機存儲器（RAM）和只讀存儲器（ROM、PROM、EPROM與EEPROM）兩類。

1）系統程序。系統程序用于完成系統診斷、命令解釋、功能子程序調用、邏輯運算、通信及各種參數設定等功能，以及提供PLC運行所需要的工作環境。系統程序由PLC制造商編寫，直接固化到只讀存儲器ROM、PROM或EPROM中，不允許用戶進行訪問和修改。系統程序和PLC的硬件組成有關，直接影響PLC的性能。

2）用戶程序。用戶程序是用戶按照生產工藝的控制要求編制的應用程序，如果用戶程序運行后一切正常，不需要改變，可將其固化在只讀存儲器EPROM中。現在有許多PLC直接采用EEPROM作為用戶存儲器。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）工作數據。工作數據是PLC運行過程中經常變化、經常存取的一些數據，一般將其存放在RAM中，以適應隨機存取的要求。

3.輸入/輸出單元

輸入/輸出單元通常也稱為I/O單元或I/O模塊，是PLC與工業生產現場之間連接的部件。PLC通過輸入單元可以檢測被控對象的各種數據，將這些數據作為PLC對被控對象進行控制的依據，同時PLC也可通過輸出單元將處理結果送給被控對象，以實現控制的目的。

I/O單元內部的接口電路具有電平轉換的功能，由于外部輸入設備和輸出設備所需的信號電平多種多樣，而在PLC內部，CPU處理的信息只能是標準電平，這種電平的差異要由I/O接口來完成轉換。

I/O接口電路一般具有光電隔離和濾波功能，用來防止各種干擾信號和高電壓信號的進入，以免影響設備的可靠性或造成設備的損壞。

I/O接口電路上通常還有狀態指示，使得工作狀況直觀，方便用戶維護。

PLC還提供了多種操作電平和驅動能力的I/O單元供用戶選用。I/O單元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。

（1）開關量輸入單元

常用的開關量輸入單元按其使用的電源不同分為直流輸入單元、交流輸入單元、交/直流輸入單元和傳感器輸入單元四種類型，其內部接口電路及外部輸入開關信號接線如圖1-9所示。

圖1-9中，開關量輸入單元設有光電耦合電路、RC濾波電路、輸入狀態顯示（指示燈）電路。直流輸入、交流輸入及交/直流輸入接口電路都是通過光電耦合器把輸入開關信號傳遞給PLC內部輸入單元，從而實現輸入電路與PLC內部電路之間的隔離。RC濾波電路用于防止輸入開關觸點的抖動或干擾脈沖引起的誤動作。

在輸入采樣階段，當輸入開關閉合時（信號有效為“1”），電源通過輸入電路使光電耦合器的發光二極管發光、光電晶體管飽和導通，CPU讀取的是二進制數據“1”；當輸入開關斷開時，光電耦合器的發光二極管不發光、光電晶體管截止，CPU讀取的是二進制數據“0”。

對于FX_2N系列PLC，在輸入接口應用中應注意以下問題：

1）基本輸入單元X0～X17均內置有數字濾波器，可以使用特殊數據寄存器D8020或應用指令REFE設置濾波時間。X20單元開始輸入繼電器濾波電路的延遲時間為10ms。因此，輸入信號響應時間必須在延時期限內保持不變，才能被認為有效。

2）直流輸入信號電壓為DC 24V，可以采用PLC內部直接供電，輸入信號電流為5～7mA。

3）輸入開關信號可以是普通按鈕、行程開關、繼電器或報警等觸點產生，也可以是傳感器晶體管電路輸出的飽和導通或截止（開或關）狀態產生。

4）COM端為各輸入點的內部輸入電路的公共端。

（2）開關量輸出單元

常用的開關量輸出單元按輸出開關器件不同有三種類型：繼電器輸出單元、晶體管輸出單元和雙向晶閘管輸出單元，其內部接口電路如圖1-10所示。

繼電器輸出單元可驅動交流或直流負載，但其響應速度慢，適用于動作頻率低的負載；晶體管輸出單元和雙向晶閘管輸出單元的響應速度快，工作頻率高，前者僅用于驅動直流負載，后者多用于驅動交流負載。

由圖1-10可以看出，每種輸出電路都有隔離措施。繼電器輸出單元是利用繼電器觸點與線圈將PLC內部電路與外部負載電路進行電氣隔離；晶體管輸出單元是在PLC內部電路與輸出光電晶體管之間實現光電隔離；雙向晶閘管輸出單元則是在PLC內部采用光觸發晶閘管進行隔離，具有很強的抗干擾作用。

PLC的外部負載通常是接觸器、電磁閥、執行器、信號燈及相關驅動電路等，外部負載應符合PLC輸出電路對電壓、電流的要求。

對于FX_2N系列PLC，在輸出接口應用中應該注意以下問題：

1）輸出點分為若干獨立組，每一組的公共點分別為COM1、COM2、COM3等。各組可以根據不同的輸出模塊選擇使用不同類型和不同電壓的負載工作電源。

2）負載額定工作電壓（外部電源）、電流應符合PLC的輸出要求。在繼電器輸出時，應不大于AC 240V/DC 30V、電阻負載每個輸出點2A、每公共點8A；晶閘管輸出時，負載額定工作電壓為AC 85～242V、電阻負載每個輸出點額定工作電流為0.3A、每公共點額定工作電流為0.8A；晶體管輸出時，負載額定工作電壓為DC 5～30V、電阻負載每個輸出點額定工作電流為0.5A、每4個點額定工作電流為0.8A、每8個點額定工作電流為1.6A。

3）在感性負載時，開關量輸出單元的額定工作電壓、電流分別為：繼電器輸出時為80V·A/AC 220V；晶閘管輸出時為36V·A/AC 240V；晶體管輸出時為12W/DC 24V。

PLC的I/O單元所能接收的輸入信號個數和輸出信號個數稱為PLC輸入/輸出（I/O）點數。I/O點數是選擇PLC的重要依據之一，當系統的I/O點數不夠時，可通過PLC的I/O擴展接口對系統進行擴展。

4.通信接口

為了實現人機交互，PLC配有各種通信接口。PLC通過這些通信接口可與監視器、打印機以及其他的PLC或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。

遠程I/O系統也必須配備相應的通信接口模塊。

5.智能接口模塊

智能接口模塊是一獨立的計算機系統，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.編程裝置

編程裝置的作用是供用戶編輯、調試、輸入程序，也可在線監控PLC內部狀態和參數，與PLC進行人機對話。編程裝置是開發、應用、維護PLC不可缺少的工具。它可以是專用編程器，也可以是配有專用編程軟件包的通用計算機系統。

專用編程器按結構可分為簡易編程器和智能編程器兩類。簡易編程器體積小、價格低廉，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，可用來存儲用戶程序，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。

隨著PLC產品的不斷更新換代，目前廣泛使用的PLC編程裝置是在PC（上位機）上編程，即配有PLC編程軟件的個人計算機，用戶只需在上位機安裝PLC廠家提供的編程軟件和相應的通信連接電纜，即可得到高性能的PLC程序開發系統。基于個人計算機的PLC集成開發系統功能強大，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功能。

7.電源

PLC配有開關電源，以供內部電路使用。與普通電源相比，PLC電源的穩定性好、抗干擾能力強，對電網穩定度要求不高，一般允許電源電壓在其額定值±15%的范圍內波動。另外，許多PLC電源還能夠向外提供24V直流電壓，為外部位控開關或傳感器供電。

8.其他外部設備

除了以上所述的部件和設備外，PLC還有許多外部設備，如EPROM寫入器、外存儲器、人/機接口裝置等。

PLC內部的半導體存儲器稱為內存儲器，而把磁盤或用半導體存儲器做成的存儲盒等稱為外存儲器，用來存儲PLC的用戶程序。外存儲器一般是通過編程器或其他智能模塊提供的接口，實現與內存儲器之間相互傳送用戶程序。

人/機接口裝置用來實現操作員與PLC控制系統的對話。最簡單、最普遍的人/機接口裝置是安裝在控制臺上的按鈕、轉換開關、撥碼開關、指示燈、LED顯示器、聲光報警器等。對于PLC系統，還可采用半智能型CRT人/機接口裝置和智能型終端人/機接口裝置。半智能型CRT人/機接口裝置可長期安裝在控制臺上，通過通信接口接收來自PLC的信息并在CRT上顯示出來；而智能型終端人/機接口裝置有自己的微處理器和存儲器，能夠與操作員快速交換信息，并通過通信接口與PLC相連，也可作為獨立的節點接入PLC網絡。