PLC硬件结构介绍

PLC的硬件系统如图1-29所示，主要由微处理器、存储器、输入/输出接口、电源及外部扩展接口设备封装组成。

1.CPU

CPU是计算机中央处理器的英文缩写。CPU一般由控制电路、运算器和寄存器组成。它作为整个PLC的核心，起着总指挥和总调度的作用。它主要完成以下功能：

1）将输入信号送入PLC中存储起来。

2）按存放的先后顺序取出用户指令，迸行编译。

3）完成用户指令规定的各种操作。

4）将结果送到输出端。

5）响应各种外围设备（如编程器、上位机、打印机等）的请求。

目前PLC中所用的CPU多为单片机，在高档机中现已采用16位甚至32位的CPU。

2.存储器

存储器是具有记忆功能的半导体电路，用来存放系统程序、用户程序、逻辑变量和其他一些信息。PLC内部存储器有两类：一类是RAM（即随机存取存储器），可以随时由CPU对它迸行读出、写入；另一类是ROM（即只读存储器），CPU只能从中读取而不能写入。RAM主要用来存放各种暂存的数据、中间结果及用户程序。ROM主要用来存放监控程序及系统内部数据，这些程序及数据在出厂时已固化在ROM芯片中。

在PLC中，为了读写修改方便，其用户程序通常是放在RAM中。为防止用户程序在PLC断电时丢失，通常采用钾电池保持，一般可保持5～10年时间。

3.输入/输出（I/O）接口

I/O接口是CPU与现场I/O设备或其他外部设备之间连接的桥梁。输入接口的作用是接收和采集现场设备的各种输入信号，比如按钮、数宇拨码开关、限位开关、接近开关、选择开关、光电开关、压力继电器等各种开关量信号和热电偶、电位器、测速发电机以及各种变送器提供的模拟量输入信号，并将这些信号转换为CPU能够接收和处理的数宇信号。输出接口的作用是接收经CPU处理过的数宇信号，并把这些数宇信号转换为被控设备所能接收的电压或电流信号，以控制接触器、电磁阀、电磁铁、调节阀、调速装置等执行器，或控制指示灯、数宇显示装置和报警装置等设备。

目前各生产厂家都已开发出各种型号的输入、输出模块供用户选择。巨这些模块在设计时采取了光电隔离、滤波等抗干扰措施，提高了PLC的可靠性，对各种型号的输入输出模块，可以把它们以不同形式迸行归类。按照信号的种类归类，有直流信号的输入、输出和交流信号的输入、输出；按照信号的输入、输出形式分，有数宇量输入/输出、开关量输入/输出和模拟量输入/输出。

下面通过开关量输入/输出模块来说明I/O模块与CPU的连接方式。

（1）开关量输入模块 开关量输入设备是各种开关、按钮、传感器等，其信号可能是交流电压（110V或220V）、直流电压（12～24V）等。因此，输入模块要能将生产现场的信号转换成CPU能接收的TTL标准电平的数宇量信号。直流开关量输入模块如图1-96所示。

图1-96 直流开关量输入模块

当开关SW闭合，外接24V电源经R₁、R₂分压后，使稳压二极管VD工作，形成3V左右的稳定电压。输入信号指示灯LED亮，并驱动光电隔离主侧的发光二极管发光，使经光电隔离副侧光敏晶体管输出开关信息，经R₃、C₁滤波，形成CPU需要的TTL标准信号，输入八路锁存器。

CPU在用户程序的指引下，通过驱动控制器启动译码器。译码器对PLC送入的地址信号迸行译码，选择锁存器，将外来开关信息送至PLC的DB总线，CPU读入开关信息。(www.xing528.com)

对于开关量交流输入模块的工作原理，只是在输入端先通过整流将交流输入信号变成直流信号，其他与开关量直流输入模块工作原理相同。

（2）开关量输出模块输出模块的作用是将CPU执行用户程序所输出的TTL电平的控制信号转化为生产现场所需的，能驱动特定设备的信号，以驱动执行机构的动作。

通常开关量输出模块有三种形式，即继电器输出、晶体管输出和双向晶闸管输出。继电器输出可接直流或交流负载；晶体管输出属于直流输出，只能接直流负载；当开关量输出的频率低于1000Hz时，一般选用继电器输出模块；当开关量输出的频率大于1000Hz时，一般选用晶体管输出。而双向晶闸管输出属于交流输出。下面着重介绍继电器输出模块的工作过程，其原理图如图1-97所示。

图1-97 继电器输出模块原理图

CPU执行用户程序的过程中，将输出控制信号送入PLC的数据总线DB，同时CPU通过控制器使译码器工作。在译码器的控制下，缓冲锁存器接收并锁存DB的数据，即输出信号，待整个程序执行结束，CPU发出控制信号使输出锁存器接收缓冲器的信息：假如①脚为“1”，则光电隔离器工作，其二次侧的光敏晶体管工作导通使V₁饱和导通。继电器KA线圈通电工作，输出指示灯亮，继电器线圈通电，触点闭合，电源E驱动负载R_t工作。

从上面的分析可知，对于继电器输出型，CPU输出时接通或断开继电器的线圈，继电器的触点闭合或断开，通过继电器触点控制外电路的通断。对于晶体管输出型，则是通过光电耦合使开关晶体管截止或饱和导通以控制外部电路。对于晶闸管输出型，采用的是光触发型双向晶闸管。其电路工作原理图分别如图1-98和图1-99所示。

图1-98 晶体管输出模块原理图

PLC的对外功能主要是通过各类I/O模块的外接线，实现对工业设备或生产过程的检测或控制。在实际生产过程中，输入信号的电平多种多样，外部执行机构所需要的电平也多种多样，而PLC的CPU所处理的只能是标准电平，正是通过各种不同的I/O模块，实现了各种不同信号电平的转换。因而I/O模块除了传递信号外，还具有电平转换的作用。图1-100就是利用PLC通过按钮“点动”控制笼型电动机的示意图。

4.I/O扩展接口

I/O扩展接口是PLC主机扩展I/O点数和类型的部件，I/O扩展单元、远程I/O扩展单元、智能I/O单元等都通过它与主机相连。I/O扩展接口有并行接口、串行接口等多种形式。

图1-99 晶闸管输出模块原理图

图1-100 PLC连接I/O设备的实例

5.外设I/O接口

外设I/O接口是PLC主机实现人-机对话、机-机对话的通道。通过它，PLC可以和编程器、彩色图形显示器、打印机等外部设备相连，也可以与其他PLC或上位计算机连接。外设I/O接口一般是RS232C或RS422A串行通信接口，该接口的功能是迸行串行/并行数据的转换，通信格式的识别，数据传输的出错检验，信号电平的转换等。对于一些小型PLC，外部设备I/O接口中还有与专用编程器连接的并行数据接口。通常将I/O扩展接口与外设I/O接口共称为外部扩展接口。

6.电源

电源单元是PLC的电源供给部分。它的作用是把外部供应的电源变换成系统内部各单元所需的电源，有的电源单元还向外提供直流电源，供开关量输入接口电路使用。电源单元还包括掉电保护电路和后备电池电源，以保持RAM在外部电源断电后存储的内容不丢失。