3.2 PLC的结构组成
3.2.1 PLC的典型结构组成
PLC的基本组成可归为四大部件：中央处理单元（通常简称为CPU模块）、输入模块、输出模块（通常简称为I/O模块）和电源模块。
另外，PLC还必须有编程器，用于将用户程序写进规定的存储器内。
PLC的基本组成框图如图3-1所示。
图3-1 PLC的基本组成框图
3.2.2 CPU模块
CPU模块主要由中央处理器（CPU）和存储器组成。
1.中央处理器（CPU）
中央处理器（CPU）是PLC的核心部分，PLC系统的工作过程都是在CPU的统一指挥和协调下工作。每台PLC至少有一个CPU，在一些按功能分散处理的或根据容错技术而设计的高性能PLC中，可以包括多个CPU，分别承担各自的控制功能。
CPU的主要功能如下：
1）接收并存储从编程器输入的用户程序和数据。
2）用扫描方式接收现场输入装置的状态或数据，并存入输入映像寄存器或数据寄存器。
3）执行用户程序，进行数据处理，根据运算结果，更新有关标志位的状态和输出映像寄存器的内容，实现输出控制。
4）诊断电源和PLC内部电路的工作状态及编程过程中的语法错误。
2.存储器
PLC常用的存储器芯片有以下三种：
1）随机存储器（RAM） RAM是易失性存储器，掉电后存储的内容（数据）将丢失，其特点是可以写入也可以读出内容（数据），且读、写速度非常快，用来存放用户数据。
2）只读存储器（ROM） 只读存储器是非易失性存储器，掉电后存储的内容（数据）不会丢失，其特点是其内容（数据）只能读出，不能写入。
3）电可擦写只读存储器（EEPROM） EEPROM也是非易失性存储器，特点是可以由用户对其编程，兼有ROM的非易失性和RAM的随机读写功能，但是将信息写入所需时间比RAM要长得多，通常用于存储用户程序和需要长期保存的重要数据。
CPU模块中有两种存储器：系统程序存储器和用户存储器。
系统程序存储器用于存放系统程序，由PLC生产厂家固化在只读存储器（ROM）中，不能由用户直接存取。系统程序相当于计算机中的操作系统，包括监控程序、管理程序、指令解释程序、系统诊断程序等。
用户存储器用于存放数据和用户程序，采用随机存储器（RAM）和电可擦写只读存储器（EEPROM）。
3.用户程序和数据的存放形式
任何语言编写的程序都要经过翻译，变成机器代码，才能顺序存放在用户程序存储器（RAM或EEPROM）中。除了程序代码，用户数据也很重要。
因为系统程序不能由用户直接存取，所以通常PLC产品资料中所指的存储器形式或存储方式及容量，都是指用户程序存储器而言。PLC的用户存储器通常以字节（8位/字节）或字（16位/字）为单位来表示存储容量。
3.2.3 输入/输出（I/O）模块
PLC的I/O模块是CPU与现场I/O装置或其他外部设备之间的连接部件，包括I/O接口电路和I/O映像寄存器。
I/O模块可与CPU放在一起构成基本配置，也可以根据需要进行扩展。通常I/O模块上都具有状态显示的LED指示灯和用于与现场设备连接的接线端子排。PLC厂家提供了各种用途的I/O模块供用户选用。
一个PLC控制系统由输入部分、逻辑部分和输出部分组成，如图3-2所示。各部分的主要作用如下：
·输入部分由外部信号和输入变换器组成，作用是收集并保存被控对象实际运行的数据和信息，主要是来自被控对象上的各种开关信息或操作台上的操作命令等。
·逻辑部分由CPU和存储器组成，作用是处理输入部分所取得的信息，并按照被控对象实际的动作要求执行相应的逻辑功能。
·输出部分由输出变换器及其输出的信号组成，作用是对需要操作的控制对象提供实时操作信号。
由于输入信号一般为开关信号或电压、电流信号，必须将它们转换成微处理器所能接受的电平信号，所以必须有输入变换器，也就是PLC的输入模块。同样，微处理器输出的电平信号，也必须转换成控制设备所需的开关信号或电压、电流信号。所以也需要有输出变换器，也就是PLC的输出模块。此外，输入、输出部分与逻辑部分之间必须有电气隔离措施，防止外部干扰信号进入PLC内部，影响和破坏PLC的正常工作。
图3-2 PLC控制系统示意图
1.输入模块
PLC输入模块的类型可以分为模拟量和开关量两大类，模拟量输入模块用来接收电位器和各种变送器传来的模拟量电信号；开关量输入模块用来接收按钮、行程开关、转换开关、接近开关、继电器送来的开关量信号，还具备高速脉冲输入口。开关量信号输入电路的电源分为直流和交流两种。图3-3为直流输入接口电路的电路图，框外左侧为外部用户接线，图中只画出一个输入点的输入电路，各个输入点对应的输入电路均相同。输入电路的接口电路与内部电路采用光耦合器相连，起到防止干扰和隔离的作用。其工作原理如下：当外部有开关闭合时，将输入电路与外接电源接通，LED指示灯发光对外显示此路有输入信号，此输入点对应的位由0变为1。同时光耦合器中的发光管使光敏晶体管导通，信号进入内部电路，即输入映像寄存器的对应位由0变为1。图3-4为交流输入接口电路的电路图，LED指示灯和光耦合器中的发光管均为两个反并联的发光二极管，故可以接收外部交流输入电压源，其工作原理与直流输入接口电路相同。
图3-3 直流输入接口电路
图3-4 交流输入接口电路
2.输出模块
PLC的输出模块类型也可以分为模拟量和开关量两大类。对于不同的负载，开关量输出模块有继电器、晶体管和晶闸管三种输出接口型式，负载的电源均由外部供给，且都具有电气隔离措施。继电器输出型式实际应用中使用得最多，既可以接交流也可以接直流负载，过载能力较强，但缺点是继电器触点通断动作速度较慢且寿命（动作次数）有限，还应注意，PLC输出模块的继电器触点通流能力≤2A，不能直接驱动大功率负载，如控制电动机、电加热等电器，需配合接触器完成驱动。晶体管输出型式可以接直流负载，也可以输出TTL电平和高速脉冲信号，工作速度最快，寿命长，缺点是晶体管的过载能力较差；晶闸管输出型式只能用于交流负载，工作速度和过载能力适中，实际中采用得较少。图3-5为（一路）继电器输出型式的电路图，图中的压敏电阻RV和阻容RC缓冲电路有防止过电压和灭弧的作用。图3-6为（一路）场效应晶体管输出接口电路的电路图，图中的稳压管VS1和VS2起输出信号限幅作用。它们的工作原理相似：当内部电路有输出信号时，输出映像寄存器的对应位由0变为1，对应的LED发光二极管（LED）发光，对外指示此路有输出信号，相应的继电器触点闭合或场效应晶体管导通，使负载与外接电源接通。
图3-5 继电器输出型式（交、直流负载）
3.2.4 电源模块
PLC通常需要低压5V和±12V直流电源供电，电源模块的作用就是为PLC提供高质量直流电源。大多数机型还可以向外输出DC24V稳压电源，为现场的开关信号、外部传感器用电提供方便。
图3-6 场效应晶体管输出方式（直流负载）
3.2.5 编程工具
编程工具的作用是实现与PLC的人机对话，主要用来编辑、调试和修改用户程序，还可以用来检测PLC的内部状态和参数。
最初PLC的编程工具是一个手持编程器，体积小、携带方便，但功能单一，只能现场联机并采用指令（语句表）对PLC编程。目前广泛采用个人计算机安装相关的编程软件后，再配备一根专用通信电缆，构成PLC的开发编程工具。功能较手持编程器要强大许多，既可联机（在线）也可脱机（离线）编程；既可以采用指令（语句表）编程，也可以用梯形图等语言编程；可随时将编辑好的用户程序下载到PLC，也可以将PLC中的用户程序上传到计算机保存。许多PLC厂家的编程软件不仅可以编辑、修改用户程序，而且还可以监控系统的运行状况，对工业现场和系统进行仿真等。