第2章 S7-1200 PLC的硬件结构和安装维护

2.1 PLC的基本结构

从结构形式上，PLC可分为整体式和模块式两大类。不论哪种类型的PLC，其基本结构都是相同的，示意图如图2-1所示。

1. CPU

与通用计算机一样，PLC中CPU也是整个系统的核心部件，主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的地址总线、数据总线和控制总线构成。此外，还有外围芯片、总线接口及有关电路。CPU在很大程度上决定了PLC的整体性能，如整个系统的控制规模、工作速度和内存容量等。

CPU中的控制器控制PLC工作，由它读取指令，解释并执行命令。工作的时序（节奏）则由振荡信号控制。

CPU中的运算器用于完成算术或逻辑运算，在控制器的指挥下工作。

CPU中的寄存器参与运算，并存储运算的中间结果。它也是在控制器的指挥下工作。

作为PLC的核心，CPU的功能主要包括以下几个方面。

1）CPU接收从编程器或计算机输入的程序和数据，并送入用户程序存储器中存储。

2）监视电源、PLC内部各个单元电路的工作状态。

3）诊断编程过程中的语法错误，对用户程序进行编译。

4）在PLC进入运行状态后，从用户程序存储器中逐条读取指令，并分析、执行该指令。

5）采集由现场输入装置送来的数据，并存入指定的寄存器中。

6）按程序进行处理，根据运算结果，更新有关标志位的状态和输出状态或数据寄存器的内容。

7）根据输出状态或数据寄存器的有关内容，将结果送到输出接口。

8）响应中断和各种外围设备（如编程器、打印机等）的任务处理请求。

当PLC处于运行状态时，首先以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入相应的输入缓冲区。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，按指令的规定执行完毕之后，最后将I/O缓冲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PLC处于停机状态，用户程序停止运行。

CPU模块一般都有相应的状态指示灯，如电源指示、运行停止指示、输入/输出指示和故障指示等。总线接口用于扩展连接I/O模块或特殊功能模块，内存接口用于外部存储器，外设接口用于连接编程器等外部设备，通信接口则用于通信。此外，CPU模块上还有用来设定工作方式和内存区等的设定开关。

CPU模块的工作电压一般是5V，而PLC的I/O信号电压一般较高，有直流24V和交流220V。在使用时，要防止外部尖峰电压和干扰噪声侵入，以免损坏CPU模块中的部件或影响PLC正常工作。因此，CPU模块不能直接与外部输入/输出装置相连接，I/O模块除了传递信号外，还需进行电平转换与噪声隔离。

2.存储器

PLC的内部存储器分为系统程序存储器和用户程序及数据存储器。系统程序存储器用于存放系统工作程序（或监控程序）、调用管理程序以及各种系统参数等。系统程序相当于个人计算机的操作系统，能够完成PLC设计者规定的各种工作。系统程序由PLC生产厂家设计并固化在ROM（只读存储器）中，用户不能读取。用户程序及数据存储器主要存放用户编制的应用程序及各种暂存数据和中间结果，使PLC完成用户要求的特定功能。

PLC使用以下几种物理存储器。

（1）随机存取存储器（RAM）

用户可以用可编程序装置读出RAM中的内容，也可以将用户程序写入RAM，因此RAM又叫读/写存储器。它是易失性的存储器，电源中断后，存储的信息将会丢失。

RAM的工作速度高，价格便宜，改写方便。在关断PLC的外部电源后，可用锂电池保存RAM中的用户程序和某些数据。锂电池可用2~5年，需要更换锂电池时，由PLC发出信号，通知用户。现在仍有部分PLC采用RAM来存储用户程序。

（2）只读存储器（ROM）

ROM的内容只能读出，不能写入。它是非易失性的，它的电源消失后，仍能保存存储的内容。ROM一般用来存放PLC的系统程序。

（3）可电擦除可编程序的只读存储器（EEPROM或E2PROM）

它是非易失性的，但是可以用编程装置对它编程，兼有ROM的非易失性和RAM的随机存取等优点，但是将信息写入所需的时间比RAM长得多。EEPROM用来存放用户程序以及需要长期保存的重要数据。

3.输入/输出电路

输入模块和输出模块简称为I/O模块，是联系外部设备与CPU的桥梁。

（1）输入模块

输入模块一般由输入接口、光电耦合器、PLC内部电路输入接口和驱动电源四部分组成。输入模块可以用来接收和采集两种类型的输入信号。一种是由按钮、选择开关、数字拨码开关、限位开关、接近开关、光电开关、压力继电器或速度继电器等提供的开关量（或数字量）输入信号。另一种是由电位器、热电偶、测速发电机或各种变送器等提供的连续变化的模拟信号。

各种PLC输入电路结构大都相同，其输入方式有两种类型。一种是直流输入（DC 12V或24V），其外部输入器件可以是无源触点，如按钮、行程开关等，也可以是有源器件，如各类传感器、接近开关及光电开关等。在PLC内部电源容量允许前提下，有源输入器件可以采用PLC输出电源，否则必须外接电源。另一种是交流输入（AC 100~120V或AC 200~240V）。

当输入信号为模拟量时，信号必须经过专用的模拟量输入模块进行A/D转换，然后通过输入电路进入PLC。输入信号通过输入端子经RC滤波、光隔离后进入内部电路。

（2）输出模块

数字量输出模块用来控制接触器、电磁阀、电磁铁、指示灯、数字显示装置和报警装置等设备。为适应不同负载需要，各类PLC的数字量输出都有3种方式，即继电器输出、晶体管输出及晶闸管输出。继电器输出方式最常用，适用于交、直流负载，其特点是带负载能力强，但动作频率与响应速度慢；晶体管输出适用于直流负载，其特点是动作频率高，响应速度快，但带负载能力小；晶闸管输出适用于交流负载，响应速度快，带负载能力不大的场合。

模拟量输出模块用来控制调节阀、变频器等执行装置。

输入/输出模块除了传递信号外，还具有电平转换与隔离的作用。此外，输入/输出点的通断状态由发光二极管显示，外部接线一般接在模块面板的接线端子上，或使用可拆卸的插座型端子板，不需断开端子板上的外部连线，就可以迅速地更换模块。

4.编程装置

编程装置是用来对PLC进行编程和设置各种参数的。通常PLC编程有两种方法：一是采用手持式编程器，体积小，价格便宜，它只能输入和编辑指令表程序，又叫作指令编程器，便于现场调试和维护；另一种方法是采用安装有编程软件的计算机和连接计算机与PLC的通信电缆，这种方式可以在线观察梯形图中触点和线圈的通断情况及运行时PLC内部的各种参数，便于程序调试和故障查找。程序编译后下载到PLC，也可将PLC中的程序上载到计算机。程序可以存盘或打印，通过网络还可以实现远程编程和传送。

5.电源

PLC使用220V交流电源或24V直流电源。内部的开关电源为各模块提供5V、±12V、24V等直流电源。小型PLC一般都可以为输入电路和外部的电子传感器（如接近开关等）提供24V直流电源，驱动PLC负载的直流电源一般由用户提供。

6.外围接口

通过各种外围接口，PLC可以与编程器、计算机、PLC、变频器、EEPROM写入器和打印机等连接，总线扩展接口用来扩展I/O模块和智能模块等。