1.4 PLC系统的基本组成

1.4.1 PLC的硬件结构

PLC的种类繁多，但是其结构和工作原理基本相同。PLC虽然专为工业现场应用而设计，但是其依然采用了典型的计算机结构，主要是由中央处理器（CPU）、储存器（RAM、ROM）、输入/输出单元（I/O接口）、电源及编程器几大部分组成，如图1-3所示。

1.中央处理器

中央处理器（CPU）在PLC中大多以模块的方式出现，而其由控制器、运算器和寄存器组成，这些电路都集中在一个芯片内。CPU通过数据总线、地址总线和控制总线与存储单元、输入输出接口电路相连接。与一般计算机一样，CPU是PLC的核心，它按PLC中系统程序赋予的功能指挥PLC有条不紊地工作。用户程序和数据事先存入存储器中，当PLC处于运行方式时，CPU按循环扫描方式执行用户程序。

CPU 的主要任务包括：控制用户程序和数据的接收与存储；用扫描的方式通过 I/O部件接收现场的状态或数据，并存入输入映像寄存器中；诊断 PLC 内部电路的工作故障和编程中的语法错误等；PLC 进入运行状态后，从存储器中逐条读取用户指令，经过命令解释后，按指令规定的任务进行数据传递、逻辑或算术运算等；根据运算结果，更新有关标志物的状态和输出映像存储器的内容，再经输出部件实现输出控制、制表打印、数据通信等功能。

不同型号PLC的CPU芯片是不同的，有些采用通用的CPU芯片，有些采用厂家自行设计的专用CPU芯片。CPU芯片的性能关系到PLC处理控制信号的能力和速度，CPU位数越高，系统处理的信息量越大，运算速度越快。PLC 的功能随着 CPU 芯片技术的发展而提高和增强。

2.存储器

PLC的存储器由系统程序存储器、用户程序存储器和数据存储器三部分组成。

系统存储器用来存放由PLC生产厂家编写的系统程序，并固化在ROM（只读存储器）内，用户不能直接更改。它使PLC具有基本的功能，能够完成规定的各项工作。系统程序质量的好坏，在很大程度上决定了PLC的运行，使整个PLC按部就班地工作。

（1）系统管理程序，它主要控制PLC的运行，使整个PLC按部就班地工作；

（2）用户指令解释程序，通过用户指令解释程序，将PLC的编程语言变为机器语言指令，再由CPU执行这些指令。

（3）标准程序模块与系统调用，包括许多不同功能的子程序及其调用管理程序，如完成输入输出及特殊运算等的子程序，PLC的具体工作都是由这部分程序来完成的，这部分程序的多少也决定了PLC性能的高低。

用户程序储存器（程序区）和功能储存器（数据区）总称为用户储存器。用户程序储存器用来存放用户根据控制任务而编写的程序。用户程序储存器根据所选用的储存器单元类型的不同，可以使 RAM（随机储存器）、EPROM（紫外线可擦除 ROM）或 EEPROM 储存器的内容可以由用户任意修改或增减。用户功能储存器用来存放用户程序中使用器件的（ON/OFF）状态/数值数据等。在数据区中，各类数据存放的位置都有严格的划分，每个存储单元都有不同的地址编号。用户存储器容量的大小，关系到用户程序容量的大小，是反映PLC性能的重要指标之一。

3.输入/输出单元

输入/输出单元包含两部分：接口电路和输入/输出映像寄存器。

接口电路用于接收来自用户设备的各种控制信号，如限位开关、操作按钮、选择开关、行程开关以及其他传感器的信号。通过接口电路将这些信号转换成CPU能够识别和处理的信号，并存入输入映像寄存器。运行时，CPU从输入映像寄存器读取输入信息并进行处理，将处理结果放到输出映像寄存器中。输入/输出映像寄存器由输出点相对的触发器组成，输出接口电路将其由弱电控制信号转换成现场需要的强电信号输出，以驱动电磁阀、接触器、指示灯等被控设备的执行元件。

由于在工业生产现场工作，PLC的输入/输出接口必须满足两个基本要求：抗干扰能力强、适应性强。输入/输出接口必须能够不受环境的温度、湿度、电磁、振动等因素的影响；同时又能够与现场各种工业信号相匹配。目前，PLC能够提供的接口包括以下几种。

（1）开关量输入接口

开关量输入接口把现场的开关量信号转换成PLC内部处理的标准信号。为防止各种干扰信号和高电压信号进入PLC，影响其可靠性或造成设备损坏，现场输入接口电路一般都有滤波电路和耦合隔离电路。滤波有抗干扰的作用，耦合隔离有抗干扰及产生标准信号的作用。耦合隔离电路的管径器件是光耦合器，一般由发光二极管和光敏晶体管组成。

开关量输入接口按可接纳的外信号电源的类型不同分为直流输入接口、交流/直流输入接口和交流输入接口，如图1-4～图1-6所示，输入电路的电源可由外部提供，也可由PLC内部提供。

（2）开关量输出接口

开关量输出接口把PLC内部的标准信号转换成执行机构所需的开关量信号。开关量输出接口按PLC内部使用电器件可分为继电器输出型、晶体管输出型和晶闸管输出型。每种输出电路都采用电气隔离技术，输出接口本身不带电源，电源由外部提供，而且在考虑外接电源时，还需考虑输出器件的类型。3种开关量输出接口电路分别如图1-7～图1-9所示。

从图1-7～图1-9中可以看出，各类输出接口中也都有隔离耦合电路。继电器型输出接口（见图1-7）可用于直流及交流两种电源，但接通断开的频率低；晶体管型输出接口（见图1-8）有较高的通断频率，但是只适用于直流驱动的场合，晶闸管型输出接口（见图1-9）却仅适用于交流驱动场合。

为了使 PLC 避免瞬间大电流冲击而损坏，输出端外部接线必须采取保护措施：在输入/输出公共端设置熔断器保护；交流感性负载一般用阻容吸收回路，对直流感性负载使用续流二极管。

由于 PLC 的输入/输出端是靠光耦合的，在电气上完全隔离，输出端的信号不会反馈到输入端，也不会产生地线干扰或其他串扰，因此 PLC 输入/输出端具有很高的可靠性和极强的抗干扰能力。

（3）模拟量输入接口

模拟量输入接口把现场连续变化的模拟量标准信号转换成适合 PLC 内部处理的数字信号。模拟量输入接口能够处理标准模拟量电压和电流信号。由于工业现场中模拟量信号的变化范围并不标准，所以在送入模拟量接口前，一般需要经转换器处理。如图1-10所示，模拟量信号输入后一般经滤波、转换开关后，再进行A/D转换，再经光耦合传给数据总线。

（4）模拟量输出接口

如图1-11所示，模拟量输出接口将PLC运算处理后的数字信号转换成相应的模拟量信号输出，以满足工业生产过程中现场所需的连续控制信号的需求。模拟量输出接口一般包括：光电隔离、D/A转换、多路转换开关等环节。

（5）智能输入/输出接口

智能输入/输出接口是为了适应较复杂、高精度的控制工作而设计的高性能接口，通常仅完成单一功能，如高速计数器工作单元、温度控制单元、温度控制、调速控制等。

4.电源部件

国内目前PLC一般使用的是220V的交流电源，也可以选配到380V的交流电源。电源部件就是将交流电转换成PLC正常运行的直流电。由于工业环境存在大量的干扰源，这就要求电源部件必须采取较多的滤波措施，还需要集成电压调整器，以适应交流电网的电压波动，对过电压和欠电压都有一定的保护作用。另外，还需要采取较多的屏蔽措施来防止工业环境中的空间电磁干扰。常用的电源电路有串联稳压电源、开关式稳压电路和变压器逆变电路。

5.扩展接口

扩展接口将扩展单元以及功能模块与基本单元相连，使PLC的配置更加灵活，以满足不同控制系统的需要。

6.通信接口

扩展接口可以实现PLC与PLC之间、PLC与计算机以及PLC与通信网络之间的数据交换。PLC可以通过这些通信接口连接打印机、监视器、其他的PLC、计算机等。目前市场上各个品牌的PLC均提供了各种通信接口，甚至有些模块也包含了通信接口。

7.编程器

编程器供用户进行程序编制、编译、调试和监视。手持编程器分简易型和智能型两种。简易型的编程器只能进行联机编程，且往往需要将梯形图转化成机器语言助记符（指令表）后，才能输入。它一般由简易键盘和发光二极管或其他显示器件组成；智能型的编程器又称图形编程器，不仅可以联机编程，还可以脱机编程，具有LCD或CRT图形显示功能，也可以直接输入梯形图并通过屏幕进行交换。

当利用计算机作为编程器时，PLC生产厂家配有相应的组态软件，使用计算机编程是PLC的发展趋势。现在大多数PLC已不再提供编程器，而只提供计算机编程软件，并配有相应的通信连接电缆。

3种PLC编程方式的比较如表1-2所示。

8.其他部件

PLC 还可以选配的外部设备包括：EPROM 写入器、储存器卡、打印机、高分辨率大屏幕彩色图形监控系统和工业计算机等。

综上所述，PLC主机在构成实际硬件系统时，至少需要建立两种双向信息交换通道。最基本的构造包括：CPU模块、电源模块、输入/输出模块。通过不断地扩展模块来实现各种通信、计数、运算等功能，通过人为灵活地变更控制规律来实现对生产过程或某些工业参数的自动控制。

1.4.2 PLC的软件系统

软件是PLC的“灵魂”。当PLC硬件设备搭建完成后，通过软件来实现控制规律，高效地完成系统调试。PLC的软件系统包括：系统程序和用户程序。系统程序是PLC设备运行的基本程序；用户程序使PLC能够实现特定的控制规律和预期的自动化功能。

1.系统程序

PLC的系统程序有三种类型。

（1）系统管理程序

系统管理程序控制着系统的工作节拍，包括PLC运行管理（各种操作的时间分配）、存储器空间管理（生成用户数据区）和系统自诊断管理（如电源、系统出错、程序语法、句法检验等）。

（2）编辑和解释程序

编辑和解释程序将用户程序变成内码形式，以便于程序进行修改、调试。解释程序能将编程语言转变为机器语言，以便CPU操作运行。

（3）标准子程序

为提高运行速度，在程序执行中某些信息处理（如I/O处理）或特殊运算等是通过调用标准子程序来完成的。

2.用户程序

根据系统配置和控制要求而编辑的用户程序，是PLC应用于工程控制的一个最重要组成部分。PLC的编程语言多种多样，不同的PLC厂家提供的编程语言也不尽相同。常用的编程语言包括以下几种。

（1）梯形图

梯形图是目前PLC应用最广、最受电气技术人员欢迎的一种编程语言。梯形图与继电器控制原理图相似，具有形象、直观、实用的特点。与继电器控制图的设计思路基本一致，很容易由继电器控制线路转化而来，如图1-12（b）所示。

（2）语句表

语句表是一种与汇编语言类似的编程语言，它采用助记符指令，并以程序执行顺序逐句编写成语句表，如图1-12（c）所示。梯形图和指令表完成同样的控制功能，两者之间存在一定的对应关系。不同的PLC厂家使用的助记符不尽相同，因此，根据同一梯形图编写的语句表也不尽相同。

（3）逻辑符号图

如图1-12（d）所示，逻辑符号图包括与（AND）、或（OR）、非（NOT）以及定时器、计数器、触发器等。

（4）功能表图

功能表图又称状态转换图，简称SFC编程语言。它将一个完整的控制过程分成若干个状态，各状态具有不同的动作，状态间有一定的转换条件，条件满足则状态转换，上一状态结束则下一状态开始。功能表图表达了一个完整的顺序控制过程。

上述四种编程语言中，最常用的还是梯形图和语句表。