PLC组成结构及原理

PLC种类很多，但结构大同小异，典型的PLC控制系统组成方框图如图4-4所示。在组建PLC控制系统时，需要给PLC的输入端子接有关的输入设备（如按钮、触头和行程开关等），给输出端子接有关的输出设备（如指示灯、电磁线圈和电磁阀等），另外，还需要将编好的程序通过通信接口输入PLC内部存储器，如果希望增强PLC的功能，则可以将扩展单元通过扩展接口与PLC连接。

图4-4 典型的PLC控制系统组成方框图

PLC内部主要由CPU、存储器、输入接口、输出接口、通信接口和扩展接口等组成。

1.CPU

CPU又称中央处理器，它是PLC的控制中心，它通过总线（包括数据总线、地址总线和控制总线）与存储器和各种接口连接，以控制它们有条不紊地工作。CPU的性能对PLC工作速度和效率有较大的影响，故大型PLC通常采用高性能的CPU。

CPU的主要功能有

1）接收通信接口送来的程序和信息，并将它们存入存储器。

2）采用循环检测（即扫描检测）方式不断检测输入接口送来的状态信息，以判断输入设备的状态。

3）逐条运行存储器中的程序，并进行各种运算，再将运算结果存储下来，然后经输出接口对输出设备进行相关的控制。

4）监测和诊断内部各电路的工作状态。

2.存储器

存储器的功能是存储程序和数据。PLC通常配有ROM（只读存储器）和RAM（随机存储器）两种存储器，ROM用来存储系统程序，RAM用来存储用户程序和程序运行时产生的数据。

系统程序由厂家编写并固化在ROM存储器中，用户无法访问和修改系统程序。系统程序主要包括系统管理程序和指令解释程序。系统管理程序的功能是管理整个PLC，让内部各个电路能有条不紊地工作。指令解释程序的功能是将用户编写的程序翻译成CPU可以识别和执行的程序。

用户程序是用户通过编程器输入存储器的程序，为了方便调试和修改，用户程序通常存放在RAM中，由于断电后RAM中的程序会丢失，所以RAM专门配有备用电池供电。有些PLC采用EEPROM（电可擦写只读存储器）来存储用户程序，由于EEPROM存储器中的内部可用电信号进行擦写，并且掉电后内容不会丢失，因此采用这种存储器后可不要备用电池。

3.输入/输出接口

输入/输出接口又称I/O接口或I/O模块，是PLC与外围设备之间的连接部件。PLC通过输入接口检测输入设备的状态，以此作为对输出设备控制的依据，同时PLC又通过输出接口对输出设备进行控制。

PLC的I/O接口能接受的输入和输出信号个数称为PLC的I/O点数。I/O点数是选择PLC的重要依据之一。

PLC外围设备提供或需要的信号电平是多种多样的，而PLC内部CPU只能处理标准电平信号，所以I/O接口要能进行电平转换，另外，为了提高PLC的抗干扰能力，I/O接口一般采用光电隔离和滤波功能，此外，为了便于了解I/O接口的工作状态，I/O接口还带有状态指示灯。

（1）输入接口(www.xing528.com)

PLC的输入接口分为开关量输入接口和模拟量输入接口，开关量输入接口用于接受开关通断信号，模拟量输入接口用于接受模拟量信号。模拟量输入接口通常采用A-D转换电路，将模拟量信号转换成数字信号。开关量输入接口采用的电路形式较多，根据使用电源的不同，可分为内部直流输入接口、外部交流输入接口和外部交/直流输入接口。三种类型开关量输入接口如图4-5所示。

图4-5 三种类型开关量输入接口

图4-5a所示为内部直流输入接口，输入接口的电源由PLC内部直流电源提供。当闭合输入开关后，有电流流过光电耦合器和指示灯，光电耦合器导通，将输入开关状态送给内部电路，由于光电耦合器内部是通过光线传递，故可以将外部电路与内部电路有效隔离开来，输入指示灯点亮，用于指示输入端子有输入。R₂、C为滤波电路，用于滤除输入端子窜入的干扰信号，R₁为限流电阻。

图4-5b所示为外部交流输入接口，输入接口的电源由外部的交流电源提供。为了适应交流电源的正负变化，接口电路采用了发光管正负极并联的光电耦合器和指示灯。

图4-5c所示为外部直/交流输入接口，输入接口的电源由外部的直流或交流电源提供。

（2）输出接口

PLC的输出接口也分为开关量输出接口和模拟量输出接口。模拟量输出接口通常采用D-A转换电路，将数字量信号转换成模拟量信号，开关量输出接口采用的电路形式较多，根据使用的输出开关器件不同可分为继电器输出接口、晶体管输出接口和双向晶闸管输出接口。三种类型开关量输出接口如图4-6所示。

图4-6a所示为继电器输出接口，当PLC内部电路产生电流流经继电器KA线圈时，继电器常开触头KA闭合，负载有电流通过。继电器输出接口可驱动交流或直流负载，但其响应时间长，动作频率低。

图4-6b所示为晶体管输出接口，它采用光电耦合器与晶体管配合使用。晶体管输出接口反应速度快，动作频率高，但只能用于驱动直流负载。

图4-6c所示为双向晶闸管输出接口，它采用双向晶闸管型光电耦合器，在受光照射时，光电耦合器内部的双向晶闸管可以双向导通。双向晶闸管输出接口的响应速度快，动作频率高，通常用于驱动交流负载。

图4-6 三种类型开关量输出接口

4.通信接口

PLC配有通信接口，PLC可通过通信接口与监视器、打印机、其他PLC、计算机等设备实现通信。PLC与编程器或写入器连接，可以接收编程器或写入器输入的程序；PLC与打印机连接，可将过程信息、系统参数等打印出来；PLC与人机界面（如触摸屏）连接，可以在人机界面直接操作PLC或监视PLC工作状态；PLC与其他PLC连接，可组成多机系统或连成网络，实现更大规模控制；与计算机连接，可组成多级分布式控制系统，实现控制与管理相结合。

5.扩展接口

为了提升PLC的性能，增强PLC控制功能，可以通过扩展接口给PLC增接一些专用功能模块，如高速计数模块、闭环控制模块、运动控制模块、中断控制模块等。

6.电源

PLC一般采用开关电源供电，与普通电源相比，PLC电源的稳定性好、抗干扰能力强。PLC的电源对电网提供的电源稳定度要求不高，一般允许电源电压在其额定值±15%的范围内波动。有些PLC还可以通过端子向外提供直流24V稳压电源。