二、PLC组成及原理

1- PLC的基本结构
PLC基本组成包括中央处理器（CPU）、存储器、输入/输出接口（缩写为I/O，包括输入接口、输出接口、外部设备接口、扩展接口等）、外部设备编程器及电源模块组成，如图1-1。
PLC内部各组成单元之间通过电源总线、控制总线、地址总线和数据总线连接，外部则根据实际控制对象配置相应设备与控制装置构成PLC控制系统。
  

图1-1  PLC的基本组成
1、中央处理单元(CPU)
     中央处理单元(CPU)是PLC 的控制中枢，它按照PLC 系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据、检查电源、存储器I/O以及警戒定时器的状态；并能诊断用户程序中的语法错误。
    小型PLC的CPU采用8位或16位微处理器或单片机，如8031、M68000等，这类芯片价格很低；中型PLC的CPU采用16位或32位微处理器或单片机，如8086、96系列单片机等，这类芯片主要特点是集成度高、运算速度快且可靠性高；而大型PLC则需采用高速位片式微处理器。
当PLC 投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O 映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后，按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O 映象区或数据寄存器内，等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O 映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行直到停止运行。
    为了进一步提高PLC 的可靠性近年来对大型PLC 还采用双CPU 构成冗余系统或采用三CPU 的表决式系统，这样即使某个CPU 出现故障整个系统仍能正常运行。

2、存储器
2.1 PLC 常用的存储器类型
    2.1.1 RAM (Random Assess Memory)，这是一种读/写存储器(随机存储器) ，其存取速度最快，由锂电池支持。
    2.1.2 EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory)，这是一种可擦除的只读存储器，在断电情况下存储器内的所有内容保持不变(在紫外线连续照射下可擦除存储器内容)。
    2.1.3 EEPROM(Electrical Erasable Programmable Read Only Memory)，这是一种电可擦除的只读存储器，使用编程器就能很容易地对其所存储的内容进行修改。
2.2 PLC 存储空间的分配
    虽然各种PLC 的CPU 的最大寻址空间各不相同，但是根据PLC 的工作原理其存储空间一般包括以下三个区域：
    系统程序存储区；
    系统RAM 存储区(包括I/O 映象区和系统软设备等)；
    用户程序存储区。
    2.2.1 系统程序存储区
PLC系统程序由PLC制造厂家编写并固化在系统程序存储区中，相当于计算机操作系统的系统程序，包括监控程序、管理程序、命令解释程序、功能子程序、系统诊断子程序等部分。用户不能直接存取，它和硬件一起决定了该PLC 的性能。
　　系统管理程序主要控制PLC的运行，使PLC按正确的次序工作；命令解释程序将PLC的用户指令转换为机器语言指令，传输到CPU内执行；功能程序与系统程序调用则负责调用不同的功能子程序及其管理程序。
　　系统程序属于需长期保存的重要数据，所以其存储器采用ROM或EPROM。ROM是只读存储器，该存储器只能读出内容，不能写入内容，ROM具有非易失性，即电源断开后仍能保存已存储的内容。
    2.2.2 数据存储区
PLC运行过程中需生成或调用中间结果数据（如输入/输出元件的状态数据、定时器、计数器的预置值和当前值等 ）和组态数据（如输入输出组态、设置输入滤波、脉冲捕捉、输出表配置、定义存储区保持范围、模拟电位器设置、高速计数器配置、高速脉冲输出配置、通信组态等），这类数据存放在工作数据存储器中，由于工作数据与组态数据不断变化，且不需要长期保存，所以采用随机存取存储器RAM。
    系统RAM 存储区包括I/O 映象区以及各类软设备如：逻辑线圈、数据寄存器、计时器、计数器、变址寄存器、累加器、等存储器。
    (1) I/O 映象区，由于PLC 投入运行后只是在输入采样阶段才依次读入各输入状态和数据在输出刷新阶段才将输出的状态和数据送至相应的外设，因此它需要一定数量的存储单元(RAM)以存放I/O 的状态和数据，这些单元称作I/O 映象区，一个开关量I/O 占用存储单元中的一个位(bit)，一个模拟量I/O 占用存储单元中的一个字(16 个bit)， 因此整个I/O 映象区可看作两个部分组成：开关量I/O 映象区，模拟量I/O 映象区。
    (2) 系统软设备存储区
    除了I/O 映象区区以外，系统RAM 存储区还包括PLC 内部各类软设备(逻辑线圈、计时器、计数器、数据寄存器和累加器等)的存储区，该存储区又分为具有失电保持的存储区域和无失电保持的存储区域，前者在PLC 断电时由内部的锂电池供电，数据不会遗失，后者当PLC 断电时数据被清零。
    1) 逻辑线圈
     与开关输出一样，每个逻辑线圈占用系统RAM 存储区中的一个位，但不能直接驱动外设，只供用户在编程中使用，其作用类似于电器控制线路中的继电器，另外不同的PLC 还提供数量不等的特殊逻辑线圈，具有不同的功能。
    2) 数据寄存器
    与模拟量I/O 一样，每个数据寄存器占用系统RAM 存储区中的一个字(16bits) ，另外PLC 还提供数量不的特殊数据寄存器，具有不同的功能。
    3) 计时器
    4) 计数器
    2.2.3 用户程序存储区
　　用户程序存储器用于存放用户编制的PLC应用程序，不同类型的PLC 其存储容量各不相同。

3、接口
　　输入输出接口是PLC与工业现场控制或检测元件和执行元件连接的接口电路。PLC的输入接口有直流输入、交流输入、交直流输入等类型；输出接口有晶体管输出、晶闸管输出和继电器输出等类型。晶体管和晶闸管输出为无触点输出型电路，晶体管输出型用于高频小功率负载、晶闸管输出型用于高频大功率负载；继电器输出为有触点输出型电路，用于低频负载。
　　 现场控制或检测元件输入给PLC各种控制信号，如限位开关、操作按钮、选择开关以及其他一些传感器输出的开关量或模拟量等，通过输入接口电路将这些信号转换成CPU能够接收和处理的信号。输出接口电路将CPU送出的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、接触器等被控设备的执行元件。
　　3.1 输入接口
　　输入接口用于接收和采集两种类型的输入信号，一类是由按钮、转换开关、行程开关、继电器触头等开关量输入信号；另一类是由电位器、测速发电机和各种变换器提供的连续变化的模拟量输入信号。
以图1-2所示的直流输入接口电路为例，R1是限流与分压电阻，R2与C构成滤波电路，滤波后的输入信号经光耦合器T与内部电路耦合。当输入端的按钮SB接通时，光耦合器T导通，直流输入信号被转换成PLC能处理的5V标准信号电平（简称TTL），同时LED输入指示灯亮，表示信号接通。微电脑输入接口电路一般由寄存器、选通电路和中断请求逻辑电路组成，这些电路集成在一个芯片上。交流输入与交直流输入接口电路与直流输入接口电路类似。
  

图1-2  直流输入接口电路
　　滤波电路用以消除输入触头的抖动，光电耦合电路可防止现场的强电干扰进入PLC。由于输入电信号与PLC内部电路之间采用光信号耦合，所以两者在电气上完全隔离，使输入接口具有抗干扰能力。现场的输入信号通过光电耦合后转换为5V的TTL送入输入数据寄存器，再经数据总线传送给CPU。
　　3.2输出接口
　　输出接口电路向被控对象的各种执行元件输出控制信号。常用执行元件有接触器、电磁阀、调节阀（模拟量）、调速装置（模拟量）、指示灯、数字显示装置和报警装置等。输出接口电路一般由微电脑输出接口电路和功率放大电路组成，与输入接口电路类似，内部电路与输出接口电路之间采用光电耦合器进行抗干扰电隔离。
　　3.3 其它接口
　　若主机单元的I/O数量不够用，可通过I/O扩展接口电缆与I/O扩展单元（不带CPU）相接进行扩充。
PLC还常配置连接各种外围设备的接口，可通过电缆实现串行通信、EPROM写入等功能。

4、编程器
编程器作用是将用户编写的程序下载至PLC的用户程序存储器，并利用编程器检查、修改和调试用户程序，监视用户程序的执行过程，显示PLC状态、内部器件及系统的参数等。
　　编程器有简易编程器和图形编程器两种。简易编程器体积小，携带方便，但只能用语句形式进行联机编程，适合小型PLC的编程及现场调试。图形编程器既可用语句形式编程，又可用梯形图编程，同时还能进行脱机编程。
　　目前PLC制造厂家大都开发了计算机辅助PLC编程支持软件，当个人计算机安装了PLC编程支持软件后，可用作图形编程器，进行用户程序的编辑、修改，并通过个人计算机和PLC之间的通信接口实现用户程序的双向传送、监控PLC运行状态等。
5、电源
PLC的电源将外部供给的交流电转换成供CPU、存储器等所需的直流电，是整个PLC的能源供给中心。PLC大都采用高质量的工作稳定性好、抗干扰能力强的开关稳压电源，许多PLC电源还可向外部提供直流24V稳压电源，用于向输入接口上的接入电气元件供电，从而简化外围配置。
PLC 的电源在整个系统中起着十分重要得作用。如果没有一个良好的可靠得电源系统是无法正常工作的，因此PLC 的制造商对电源的设计和制造也十分重视，一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内可以不采取其它措施，而将PLC 直接连接到交流电网上去。