1.2　PLC的基本结构

由PLC的定义已知，它实质上是一种为工业控制而设计的专用计算机，所以尽管可编程控制器的品种繁多，结构、功能多种多样，但系统组成和工作原理基本相同。概括起来，系统都是由硬件和软件两大部分组成，都是采用集中采样、集中输出的周期性循环扫描方式进行工作。

可编程控制器的硬件由微处理器、存储器、I/O接口电路及编程器等组成。图1-1为可编程控制器的硬件简化框图。

1.2.1　中央处理器

PLC中所用CPU随机型的不同而有所不同，一般有以下几类芯片。

①通用微处理器　常用8位机和16位机，如Intel公司的8080、8086、8088、80186、80286、80386，Motorola的6800、68000型等。低档PLC用Z80A型微处理器作CPU较为普遍。

②单片机　常用的有Intel公司的MCS48/51//96系列芯片。由单片机作CPU制成的PLC体积小，同时逻辑处理能力、数值运算能力都有很大提高，增加了通信功能，这为高档机的开发和应用及机电一体化创造了条件。

③位片式微处理器　如美国1975年推出的AMD2900/2901/2903系列双极型位片式微处理器广泛应用于大型PLC设计。它具有速度快、灵活性强和效率高等优点。

在小型PLC中，大多采用8位通用微处理器和单片机芯片；在中型PLC中，大多采用16位通用微处理器或单片机芯片；在大型PLC中，大多采用双极型位片式微处理器。在高档PLC中，往往采用多CPU系统来简化软件的设计，进一步提高其工作速度。CPU的结构形式决定了PLC的基本性能。

CPU是PLC的核心组成部分，在PLC系统中它通过地址总线、数据总线和控制总线与存储器、I/O接口等连接，在整个系统中起到类似人体神经中枢的作用，来协调控制整个系统。它根据系统程序赋予的功能完成以下任务。

①接收并存储从个人计算机（PC）或专用编程器输入的用户程序和数据。

②诊断电源、内部电路工作状态和编程过程中的语法错误。

③进入运行状态后，用扫描方式接收现场输入设备的检测元件状态和数据。

④进入运行状态后，从存储器中逐条读取用户程序，经命令解释后，按指令规定的功能产生有关的控制信号，去启闭有关的控制门电路；分时、分渠道地进行数据的存取、传送、组合、比较和变换等操作，完成用户程序中规定的逻辑或算术运算。

⑤依据运算结果更新有关标志位的状态和输出映像寄存器的内容，再由输出映像寄存器的位状态或数据寄存器的有关内容实现输出控制、制表、打印或数据通信等功能。

1.2.2　存储器

可编程控制器的存储器按用途可分为以下两种。

①系统程序存储器　用来固化PLC生产厂家在研制系统时编写的各种系统工作程序。系统程序相当于个人计算机的操作系统，决定了PLC具有的基本智能，不同厂家、不同型号的系统程序也不相同，但都在不断地加以改进，以提高性能/价格比，增强市场竞争力。可编程控制器厂家常用只读存储器或可擦除可编程的只读存储器EPROM来存放系统程序。

②用户存储器　用来存放从编程器或个人计算机输入的用户程序和数据，因而又包括用户程序存储器和数据存储器两种。用户存储器的内容由用户根据控制需要可读可写，可任意修改、增删；另一方面在一定时期内又具有相对稳定性，所以适宜使用EPROM、EEPROM、FLASH MEMORY或带后备电池的CMOS RAM来储存用户程序。在PLC技术指标中的内存容量就是指用户存储器容量，是PLC的一项重要指标，内存容量一般以“步”为单位。

1.2.3　输入、输出接口

实际生产过程中，PLC控制系统所需要采集的输入信号的电平、速率等是多种多样的，系统所控制执行机构需要的电平、速率等更是千差万别，而PLC的CPU所能处理的信号只能是标准电平，所以必须设计输入输出电路来完成电平转换、速度匹配、驱动功率放大、电气隔离、A/D或D/A变换等任务。它们相当于系统的眼、耳、手，是CPU和外部现场联系的桥梁。总之，输入输出电路是将外部输入信号变换成CPU能接受的信号，将CPU的输出信号变换成需要的控制信号去驱动控制对象，从而确保整个系统的正常工作。

（1）输入接口电路

内部电路按电源性质分三种类型；直流输入电路、交流输入电路和交直流输入电路。为保证PLC能在恶劣的工业环境下可靠地工作，三种电路都采用了光电隔离、滤波等措施。图1-2是某直流输入接口的内部电路和外部接线图。图中的光电耦合器能有效地避免输入端引线可能引入的电磁场干扰和辐射干扰；光敏管输出端设置的RC滤波器能有效地消除开关类触点输入时抖动引起的误动作，但RC滤波器也会使PLC内部产生约10ms的响应滞后（有些PLC某几个输入点的滤波常数可以通过软件来设定）。可见，可编程控制器是以牺牲响应速度来换取可靠性，而这样所具有的响应速度在工业控制中是足够的。

外部电路主要是指输入器件和PLC的连接电路。输入器件大部分是无源器件，如常开按钮、限位开关、主令控制器等。随着电子类电器的兴起，输入器件越来越多地使用有源器件，如接近开关、光电开关、霍尔开关等。有源器件本身所需的电源一般采用PLC输入端口内部所提供的直流24V电源（容量允许的情况下，否则需外设电源）。当某一端口的输入器件接通有信号输入时，PLC面板上对应此输入端的发光二极管（LED）发光。有的PLC外部电路所需电源由PLC内部提供，但有的PLC外部电路需外界提供电源。

（2）输出接口电路

为了能够适应各种各样的负载需要，每种系列可编程控制器的输出接口电路按输出开关器件来分，有以下三种方式。

①继电器输出方式　由于继电器的线圈与触点在电路上是完全隔离的，所以它们可以分别接在不同性质和不同电压等级的电路中。利用继电器的这一性质，可以使可编程控制器的继电器输出电路中内部电子电路与可编程控制器驱动的外部负载在电路上完全分割开。由此可知，继电器输出接口电路中不再需要隔离，实际上，继电器输出接口电路常采用固态电子继电器。其电路如图1-3所示。图中与触点并联的RC电路用来消除触点断开时产生的电弧；由于继电器是触点输出，所以它既可以带交流负载，也可以带直流负载。继电器输出方式最常用，其优点是带载能力强，缺点是动作频率与响应速度慢（响应时间10ms）。

②晶体管输出方式　其电路如图1-4所示，输出信号由内部电路中的输出锁存器给光电耦合器，经光电耦合器送给晶体管。晶体管的饱和导通状态和截止状态相当于触点的接通和断开。图中稳压管能够抑制关断过电压和外部浪涌电压，起到保护晶体管的作用。由于晶体管输出电流只能一个方向，所以晶体管输出方式只适用于直流负载。其优点是动作频率高，响应速度快（响应时间0.2ms），缺点是带载能力小。

③晶闸管输出方式　其电路如图1-5所示，晶闸管通常采用双向晶闸管，双向晶闸管是一种交流大功率器件，受控于门极触发信号。可编程控制器的内部电路通过光电隔离后去控制双向晶闸管的门极。晶闸管在负载电流过小时不能导通，此时可以在负载两端并联一个电阻。图中，RC电路用来抑制晶闸管的关断过电压和外部浪涌电压。由于双向晶闸管为关断不可控器件，电压过零时自行关断，因此晶闸管输出方式只适用于交流负载。其优点是响应速度快（关断变为导通的延迟时间小于1ms，导通变为关断的延迟时间小于10ms），缺点是带载能力不大。

1.2.4　电源

PLC根据型号的不同，有的采用交流供电，有的采用直流供电。交流一般为单相220V，直流一般为24V。PLC对电源的稳定度要求不高，通常允许电源额定电压在-15%～+10%范围内波动。许多可编程控制器为输入电路和外部电子检测装置（如光电开关等）提供24V直流电源，而PLC所控制的现场执行机构的电源，则由用户根据PLC型号、负载情况自行选择。

1.2.5　编程器

编程器是由键盘、显示器、工作方式选择开关及外存插口等部件组成的PLC的重要外设，是人机对话的窗口。它的作用是用来编写、输入、编辑用户程序，也可以在线监视可编程控制器运行时各种元器件的工作状态，查找故障，显示出错信息。

编程器分为简易编程器和图形编程器。前者只能输入和编辑指令表程序，因此又叫指令编程器。它体积小，使用方便且价格便宜，缺点是不能输入和编辑梯形图程序，不够直观，所以一般用来给小型可编程控制器编程，或用于可编程控制器控制系统的现场调试和维修。后者实质上是独立的专用计算机系统，有多种功能和多个接口，可以脱机直接生成和编辑梯形图程序，能监视全部程序的运行。它使用起来更加直观、方便，但出于价格较高，一般只用于大型复杂控制系统。