1.2.2 可編程序控制器的基本結構

PLC是用微處理器實現的許多電子式繼電器、定時器和計數器的組合體，其內部結構框圖如圖1-2所示。

1.中央處理機

中央處理機是PLC的“大腦”，它由中央處理器（CPU）和存儲器組成。

（1）CPU

CPU一般是由控制電路、運算器和寄存器組成的，這些電路一般都集成在一塊芯片上。CPU通過地址總線、數據總線和控制總線與存儲器單元、輸入/輸出（I/O）接口電路連接。

不同型號的PLC可能使用不同的CPU部件，制造廠家使用CPU部件的指令系統編寫系統程序，并固化在只讀存儲器（ROM）中。CPU按系統程序賦予的功能，接收用戶程序和數據，存入隨機存儲器（RAM）中；CPU按掃描方式工作，從00000首地址存放的第一條用戶程序開始，到用戶程序的最后一個地址，不停地周期性掃描，每掃描一次，用戶程序就執行一次。

CPU的主要功能有以下幾點：

① 從存儲器中讀取指令。CPU從地址總線上給出存儲地址，從控制總線上給出讀命令，從數據總線上得到讀出的指令，并存入CPU內的指令寄存器中。

② 執行指令。對存放在指令寄存器中的指令操作碼進行譯碼，執行指令規定的操作，如讀取輸入信號、取操作數、進行邏輯運算或算術運算，將結果輸出給有關部分。

③ 準備取下一條指令。CPU執行完一條指令后，根據條件可產生下一條指令的地址，以便取出和執行下一條指令。在CPU的控制下，程序的指令即可以順序執行，也可以分支或跳轉。

（2）存儲器

存儲器是具有記憶功能的半導體電路，用來存放系統程序、用戶程序、邏輯變量和其他一些信息。

系統程序是用來控制和完成PLC各種功能的程序，這些程序是由PLC制造廠家用相應CPU的指令系統編寫的，并固化到ROM中。

用戶程序存儲器用來存放由編程設備輸入的用戶程序。用戶程序是指使用者根據工程現場的生產過程和工藝要求編寫的控制程序，可通過編程設備修改或增刪。

在PLC中使用的兩種類型存儲器為只讀存儲器（ROM）和隨機存儲器（RAM）。

① 只讀存儲器。ROM中的內容是由PLC的制造廠家寫入的系統程序，并且永遠駐留（PLC去電后再加電，ROM內容不變）。系統程序一般包括以下幾部分。

● 檢查程序：PLC加電后，首先由檢查程序檢查PLC各部件操作是否正常，并將檢查結果顯示給操作人員。

● 翻譯程序：將用戶輸入的控制程序變換成由微機指令組成的程序，然后再執行，還可以對用戶程序進行語法檢查。

● 監控程序：相當于總控程序，根據用戶的需要調用相應的內部程序。例如，用手持編程器選擇PROGRAM編程工作方式，則總控程序就調用“鍵盤輸入處理程序”，將用戶輸入的程序送到RAM中；若選擇RUN運行工作方式，則總控程序將啟動程序。

② 隨機存儲器。RAM是可讀可寫存儲器，讀出時，RAM中的內容不被破壞；寫入時，剛寫入的信息就會消除原有的信息。為防止去電后RAM中的內容丟失，PLC使用了專用電池對部分RAM供電，這樣在PLC斷電后，它仍有電池供電，使得RAM中的信息保持不變。RAM中一般存放以下內容。

● 用戶程序：在編程時，通過編程設備輸入的程序經過預處理后，存放在RAM的從00000開始的地址區。

● 邏輯變量：在RAM中若干個存儲單元用來存放邏輯變量，用PLC的術語來說這些邏輯變量就是指輸入/輸出繼電器、內部輔助繼電器、保持繼電器、定時器、計數器和移位繼電器等。

● 供內部程序使用的工作單元：不同型號的PLC存儲器的容量是不相同的，在技術說明書中，一般都給出與用戶編程和使用有關的指標，如輸入/輸出繼電器的數量，保持繼電器的數量，內部輔助繼電器的數量，定時器和計數器的數量，允許用戶程序的最大長度等。這些指標都間接地反映了RAM的容量，而ROM的容量與PLC的復雜程度有關。

2.電源部件

電源部件將交流電源轉換成供PLC的CPU、存儲器等電子電路工作所需要的直流電源，使PLC能正常工作，它的好壞直接影響PLC的功能和可靠性。因此，目前大部分PLC采用開關式穩壓電源供電，用鋰電池作停電時的后備電源。

3.輸入/輸出部分

這是PLC與被控設備相連接的接口電路。現場設備輸入給PLC的各種控制信號，如限位開關、操作按鈕、選擇開關、行程開關以及其他一些傳感器輸出的開關量或模擬量（要通過模數變換進入PLC內）等，通過輸入接口電路將這些信號轉換成CPU能夠接收和處理的信號。輸出接口電路將CPU送出的弱電控制信號轉換成現場需要的強電信號輸出，以驅動電磁閥、接觸器等被控設備的執行元件。

（1）輸入接口電路

現場輸入接口電路一般是由光電耦合電路和模塊輸入接口電路組成的。

① 光電耦合電路。

采用光電耦合電路與現場輸入信號相連的目的是為了防止現場的強電干擾進入PLC。光電耦合電路的關鍵器件是光電耦合器，一般由發光二極管和光電三極管組成。

光電耦合器的信號傳感原理是在光電耦合器的輸入端加上變化的電信號，發光二極管就產生與輸入信號變化規律相同的光信號。光電三極管在光信號的照射下導通，導通程度與光信號的強弱有關。在光電耦合器的線性工作區，輸出與輸入信號呈線性關系。

光電耦合器的抗干擾性能很好，這是由于輸入和輸出端是靠光信號耦合的，在電氣上是完全隔離的。因此，輸出端的信號不會反饋到輸入端，也不會產生地線干擾或其他串擾。

由于發光二極管的正向阻抗值較小，而外界干擾源的內阻一般較高，根據分壓原理可知，干擾源能饋送到輸入端的干擾噪聲很小。正是由于PLC在現場信號的輸入環節采用了光電耦合器，才增強了抗干擾能力。

② 模塊輸入接口電路。

模塊輸入接口電路一般由輸入數據寄存器、選通電路和中斷請求邏輯電路構成，這些電路集成在一塊芯片上。現場的輸入信號通過光電耦合器送到輸入數據寄存器，再通過數據總線送給CPU。

（2）輸出接口電路

輸出接口電路一般由模塊輸出接口電路和功率放大電路組成。

模塊輸出接口電路一般由輸出數據寄存器、選通電路和中斷請求電路構成。CPU通過數據總線將要輸出的信號放到輸出數據寄存器中。功率放大電路是為了適應工業控制的要求，將輸出的信號加以放大。PLC一般采用繼電器輸出，有的也采用可控硅或晶體管輸出。

4.編程方式

PLC的編程方式有兩種：一種是利用手持編程器，它是由鍵盤、顯示器和工作方式選擇開關等組成的，主要用于調試簡單程序、現場修改參數及監視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，它主要用于編寫較大型的程序，并能靈活地修改、下載及在線調試程序，它的應用較前者更為廣泛，詳細內容參見第8章。