小型可编程序控制器的结构与组成详解

小型可编程序控制器是整体形式的，是由中央处理单元（CPU）、存储器、输入/输出单元、电源、通信端口、I/O扩展端口等组成，在一个箱体内构成主机。较为典型的如：三菱的FX1S、欧姆龙的CPM1A、西门子的S7-200等。

图1-1 中央处理单元（CPU）

（一）中央处理单元（CPU）

如图1-1所示，CPU是可编程序控制器的核心部位。它是PLC运行的指挥中心，按照预先编好的系统程序完成各种任务。其作用如下：

1）接收、存储由编程工具输入的用户程序并显示出程序的内容和存储地址。

2）检查、校验用户程序。

3）接收和调用现场动作的信息。将接收到的现场输入的数据或信号保存起来，在需要该数据的时候将其调出。

4）执行用户程序。当PLC进入运行状态后，CPU根据用户程序的先后顺序逐条读取、解释和执行程序，完成用户程序中规定的各种动作要求，并将程序执行的最终结果送至输出端口。

5）故障诊断、电源诊断、PLC内部电路的故障提示与显示信息等。

（二）存储器

存储器可以分为以下3类。

1）系统程序存储器。系统程序是厂家根据其选用的PLC的指令系统编写的，用户不能调用更改其内容。

2）用户程序存储器。用户根据控制要求而编制的应用程序称为用户程序。用户程序存储器是可读、可写（改）的，一般用电池进行掉电保护，以防止掉电后丢失程序。

3）工作数据存储器。

（三）输入部分

1.开关量直流输入

输入端是PLC与外部设备相互连接的窗口，输入端接收现场设备元件所提供的信号，例如：按钮、限位开关、继电器触头等开关量信号。

输入的开关量信号经过输入电路的滤波、光电隔离、电平转换等，变成CPU能够接收和处理的信号内容。输入电源的类型一般分为两种，一种是直流输入单元，另一种是交流输入单元。

如图1-2所示为直流输入的工作原理图。图中点画线框内是PLC内部的输入电路，框外为外部用户接线。外接的直流电源极性可以任意。

光耦合器VLC的发光二极管与光敏晶体管封装在一个壳中，二极管中有电流时发光。此时光敏晶体管才导通。

图1-2 直流输入的工作原理

VLC—光耦合器 R₁—限流电阻 R₂、C—构成滤波电路VL—LED，输入点的状态指示

工作原理：当外部的SB1按钮接通时，光耦合器VLC导通且LED点亮，表示输入的开关量SB1处于接通状态。当CPU访问该路信号时，将该输入点对应的输入影像寄存器状态置1。当SB1断开时光耦合器不导通，LED不亮，表示输入开关处于断电状态。当CPU访问该路信号时，将信号输入点对应的输入映像寄存器状态置0。

FX1S可编程序控制器内部已提供了24V的直流电源，无须外接电源。

2.开关量交流输入

如图1-3所示为交流输入的工作原理图。

光耦合器是两个反相并联的发光二极管，任一个发光可以使光敏晶体管导通。用于显示的两个发光二极管VL也是反相并联的。该电路可以接收外部的交流输入电压，与直流输入电路基本相同。

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图1-3 交流输入的工作原理

C—隔直电容，对交流短路 R₁、R2—构成分压电路 其余同图1-2

3.PLC输入电路的接线形式

根据上面介绍的输入端的原理可知，一般PLC输入单元有如下形式：

（1）共点式 输入单元具有一个公共端子（COM）的称为共点式；外部各输入元件都有一个端子与COM相接。

（2）分组式 将输入端子分为若干组，每组共用一个公共端子。

（四）开关量输出

1.晶体管输出单元

晶体管输出单元如图1-4所示。

图1-4 晶体管输出单元

VLC—光耦合器 VL—输出点状态指示 VT2—输出的晶体管 VD—保护二极管

（1）工作原理 当光耦合器VLC的输入状态为1时，通过内部电路使光耦合器VLC导通，从而使晶体管VT2饱和导通，负载线圈得电吸合。所以CPU使对应的输出为高电平，而使LED点亮，表示输出状态为1。如果对应于内部电路的状态为0时，光耦合器VLC不导通，负载失电。

图1-5 光控双向晶闸管输出单元

VLC—光控双向晶闸管 VL—输出点状态指示 R₂、C—阻容吸收保护电路

（2）特点 晶体管为无触头开关，所以晶体管输出单元有使用寿命长、响应速度快等优点。

2.光控双向晶闸管输出单元

光控双向晶闸管输出单元如图1-5所示。它采用的输出电路开关器件是光控双向晶闸管。框外为外部用户接线。

工作原理：对应于VLC的内部电路的状态为1时，发光二极管导通发光。光控双向晶闸管触发导通，负载线圈得电动作，同时输出指示灯LED亮，表示输出点接通。

同理，当VLC的内部电路的状态为0时，光控双向晶闸管关断，负载失电，指示灯LED熄灭。光控双向晶闸管输出型PLC的负载电路可以根据负载的需要选用直流电源或交流电源。

3.继电器输出

继电器输出单元如图1-6所示。

（1）工作原理 当对应于K的内部电路状态为1时（高电平），K得电吸合，其常开触头闭合，负载得电，LED发光，表示该输出点接通。当对应于K的内部电路状态为0时（低电平），K线圈失电，其常开触头断开，负载失电，LED熄灭，表示该输出点断开。因此，继电器输出型PLC的负载电源可以根据需要选用直流电源或交流电源。

（2）输出电路的形式 输出电路的形式有：共点式、分组式、隔离式。

图1-6 继电器输出单元

LED—输出点状态显示器 K—继电器