1.2　PLC的基本結構

由PLC的定義已知，它實質上是一種為工業(yè)控制而設計的專用計算機，所以盡管可編程控制器的品種繁多，結構、功能多種多樣，但系統(tǒng)組成和工作原理基本相同。概括起來，系統(tǒng)都是由硬件和軟件兩大部分組成，都是采用集中采樣、集中輸出的周期性循環(huán)掃描方式進行工作。

可編程控制器的硬件由微處理器、存儲器、I/O接口電路及編程器等組成。圖1-1為可編程控制器的硬件簡化框圖。

1.2.1　中央處理器

PLC中所用CPU隨機型的不同而有所不同，一般有以下幾類芯片。

①通用微處理器　常用8位機和16位機，如Intel公司的8080、8086、8088、80186、80286、80386，Motorola的6800、68000型等。低檔PLC用Z80A型微處理器作CPU較為普遍。

②單片機　常用的有Intel公司的MCS48/51//96系列芯片。由單片機作CPU制成的PLC體積小，同時邏輯處理能力、數值運算能力都有很大提高，增加了通信功能，這為高檔機的開發(fā)和應用及機電一體化創(chuàng)造了條件。

③位片式微處理器　如美國1975年推出的AMD2900/2901/2903系列雙極型位片式微處理器廣泛應用于大型PLC設計。它具有速度快、靈活性強和效率高等優(yōu)點。

在小型PLC中，大多采用8位通用微處理器和單片機芯片；在中型PLC中，大多采用16位通用微處理器或單片機芯片；在大型PLC中，大多采用雙極型位片式微處理器。在高檔PLC中，往往采用多CPU系統(tǒng)來簡化軟件的設計，進一步提高其工作速度。CPU的結構形式決定了PLC的基本性能。

CPU是PLC的核心組成部分，在PLC系統(tǒng)中它通過地址總線、數據總線和控制總線與存儲器、I/O接口等連接，在整個系統(tǒng)中起到類似人體神經中樞的作用，來協(xié)調控制整個系統(tǒng)。它根據系統(tǒng)程序賦予的功能完成以下任務。

①接收并存儲從個人計算機（PC）或專用編程器輸入的用戶程序和數據。

②診斷電源、內部電路工作狀態(tài)和編程過程中的語法錯誤。

③進入運行狀態(tài)后，用掃描方式接收現場輸入設備的檢測元件狀態(tài)和數據。

④進入運行狀態(tài)后，從存儲器中逐條讀取用戶程序，經命令解釋后，按指令規(guī)定的功能產生有關的控制信號，去啟閉有關的控制門電路；分時、分渠道地進行數據的存取、傳送、組合、比較和變換等操作，完成用戶程序中規(guī)定的邏輯或算術運算。

⑤依據運算結果更新有關標志位的狀態(tài)和輸出映像寄存器的內容，再由輸出映像寄存器的位狀態(tài)或數據寄存器的有關內容實現輸出控制、制表、打印或數據通信等功能。

1.2.2　存儲器

可編程控制器的存儲器按用途可分為以下兩種。

①系統(tǒng)程序存儲器　用來固化PLC生產廠家在研制系統(tǒng)時編寫的各種系統(tǒng)工作程序。系統(tǒng)程序相當于個人計算機的操作系統(tǒng)，決定了PLC具有的基本智能，不同廠家、不同型號的系統(tǒng)程序也不相同，但都在不斷地加以改進，以提高性能/價格比，增強市場競爭力。可編程控制器廠家常用只讀存儲器或可擦除可編程的只讀存儲器EPROM來存放系統(tǒng)程序。

②用戶存儲器　用來存放從編程器或個人計算機輸入的用戶程序和數據，因而又包括用戶程序存儲器和數據存儲器兩種。用戶存儲器的內容由用戶根據控制需要可讀可寫，可任意修改、增刪；另一方面在一定時期內又具有相對穩(wěn)定性，所以適宜使用EPROM、EEPROM、FLASH MEMORY或帶后備電池的CMOS RAM來儲存用戶程序。在PLC技術指標中的內存容量就是指用戶存儲器容量，是PLC的一項重要指標，內存容量一般以“步”為單位。

1.2.3　輸入、輸出接口

實際生產過程中，PLC控制系統(tǒng)所需要采集的輸入信號的電平、速率等是多種多樣的，系統(tǒng)所控制執(zhí)行機構需要的電平、速率等更是千差萬別，而PLC的CPU所能處理的信號只能是標準電平，所以必須設計輸入輸出電路來完成電平轉換、速度匹配、驅動功率放大、電氣隔離、A/D或D/A變換等任務。它們相當于系統(tǒng)的眼、耳、手，是CPU和外部現場聯系的橋梁?？傊?，輸入輸出電路是將外部輸入信號變換成CPU能接受的信號，將CPU的輸出信號變換成需要的控制信號去驅動控制對象，從而確保整個系統(tǒng)的正常工作。

（1）輸入接口電路

內部電路按電源性質分三種類型；直流輸入電路、交流輸入電路和交直流輸入電路。為保證PLC能在惡劣的工業(yè)環(huán)境下可靠地工作，三種電路都采用了光電隔離、濾波等措施。圖1-2是某直流輸入接口的內部電路和外部接線圖。圖中的光電耦合器能有效地避免輸入端引線可能引入的電磁場干擾和輻射干擾；光敏管輸出端設置的RC濾波器能有效地消除開關類觸點輸入時抖動引起的誤動作，但RC濾波器也會使PLC內部產生約10ms的響應滯后（有些PLC某幾個輸入點的濾波常數可以通過軟件來設定）。可見，可編程控制器是以犧牲響應速度來換取可靠性，而這樣所具有的響應速度在工業(yè)控制中是足夠的。

外部電路主要是指輸入器件和PLC的連接電路。輸入器件大部分是無源器件，如常開按鈕、限位開關、主令控制器等。隨著電子類電器的興起，輸入器件越來越多地使用有源器件，如接近開關、光電開關、霍爾開關等。有源器件本身所需的電源一般采用PLC輸入端口內部所提供的直流24V電源（容量允許的情況下，否則需外設電源）。當某一端口的輸入器件接通有信號輸入時，PLC面板上對應此輸入端的發(fā)光二極管（LED）發(fā)光。有的PLC外部電路所需電源由PLC內部提供，但有的PLC外部電路需外界提供電源。

（2）輸出接口電路

為了能夠適應各種各樣的負載需要，每種系列可編程控制器的輸出接口電路按輸出開關器件來分，有以下三種方式。

①繼電器輸出方式　由于繼電器的線圈與觸點在電路上是完全隔離的，所以它們可以分別接在不同性質和不同電壓等級的電路中。利用繼電器的這一性質，可以使可編程控制器的繼電器輸出電路中內部電子電路與可編程控制器驅動的外部負載在電路上完全分割開。由此可知，繼電器輸出接口電路中不再需要隔離，實際上，繼電器輸出接口電路常采用固態(tài)電子繼電器。其電路如圖1-3所示。圖中與觸點并聯的RC電路用來消除觸點斷開時產生的電??；由于繼電器是觸點輸出，所以它既可以帶交流負載，也可以帶直流負載。繼電器輸出方式最常用，其優(yōu)點是帶載能力強，缺點是動作頻率與響應速度慢（響應時間10ms）。

②晶體管輸出方式　其電路如圖1-4所示，輸出信號由內部電路中的輸出鎖存器給光電耦合器，經光電耦合器送給晶體管。晶體管的飽和導通狀態(tài)和截止狀態(tài)相當于觸點的接通和斷開。圖中穩(wěn)壓管能夠抑制關斷過電壓和外部浪涌電壓，起到保護晶體管的作用。由于晶體管輸出電流只能一個方向，所以晶體管輸出方式只適用于直流負載。其優(yōu)點是動作頻率高，響應速度快（響應時間0.2ms），缺點是帶載能力小。

③晶閘管輸出方式　其電路如圖1-5所示，晶閘管通常采用雙向晶閘管，雙向晶閘管是一種交流大功率器件，受控于門極觸發(fā)信號。可編程控制器的內部電路通過光電隔離后去控制雙向晶閘管的門極。晶閘管在負載電流過小時不能導通，此時可以在負載兩端并聯一個電阻。圖中，RC電路用來抑制晶閘管的關斷過電壓和外部浪涌電壓。由于雙向晶閘管為關斷不可控器件，電壓過零時自行關斷，因此晶閘管輸出方式只適用于交流負載。其優(yōu)點是響應速度快（關斷變?yōu)閷ǖ难舆t時間小于1ms，導通變?yōu)殛P斷的延遲時間小于10ms），缺點是帶載能力不大。

1.2.4　電源

PLC根據型號的不同，有的采用交流供電，有的采用直流供電。交流一般為單相220V，直流一般為24V。PLC對電源的穩(wěn)定度要求不高，通常允許電源額定電壓在-15%～+10%范圍內波動。許多可編程控制器為輸入電路和外部電子檢測裝置（如光電開關等）提供24V直流電源，而PLC所控制的現場執(zhí)行機構的電源，則由用戶根據PLC型號、負載情況自行選擇。

1.2.5　編程器

編程器是由鍵盤、顯示器、工作方式選擇開關及外存插口等部件組成的PLC的重要外設，是人機對話的窗口。它的作用是用來編寫、輸入、編輯用戶程序，也可以在線監(jiān)視可編程控制器運行時各種元器件的工作狀態(tài)，查找故障，顯示出錯信息。

編程器分為簡易編程器和圖形編程器。前者只能輸入和編輯指令表程序，因此又叫指令編程器。它體積小，使用方便且價格便宜，缺點是不能輸入和編輯梯形圖程序，不夠直觀，所以一般用來給小型可編程控制器編程，或用于可編程控制器控制系統(tǒng)的現場調試和維修。后者實質上是獨立的專用計算機系統(tǒng)，有多種功能和多個接口，可以脫機直接生成和編輯梯形圖程序，能監(jiān)視全部程序的運行。它使用起來更加直觀、方便，但出于價格較高，一般只用于大型復雜控制系統(tǒng)。