介绍PLC的硬件和软件

1.PLC的硬件

PLC的硬件主要由中央处理器（CPU）、存储器、输入单元、输出单元、通信接口、扩展接口电源等部分组成。其中，CPU是PLC的核心，输入单元与输出单元是连接现场输入／输出设备与CPU之间的接口电路，通信接口用于与编程器、上位计算机等外设连接。PLC的硬件结构主要指其结构框架硬件的主要组成，其结构框图如图2-7所示。

PLC的内部采用总线结构进行数据和指令的传输。外部的各种信号送入PLC的输入接口，在PLC内部进行逻辑运算或数据处理，最后以输出变量的形式经输出接口，驱动输出设备进行各种控制。硬件连接图如图2-8所示，电路接线图如图2-9所示。

尽管各种PLC的结构不太一样，但各部分的功能作用是相同的，下面对PLC主要组成各部分进行简单介绍。

图2-7 PLC结构框图

图2-8 PLC的硬件连接图

图2-9 电路接线图

（1）中央处理单元（CPU）

CPU即中央处理器，是PLC的核心和控制指挥中心，它在系统程序的控制下，完成逻辑运算、数学运算、协调系统内部各部分工作等任务。

1）CPU的主要功能有：接收输入信号并存入存储器，读出指令，执行指令将结果输出，处理中断请求，准备下一条指令。

在系统程序的控制下，①诊断电源、PLC内部电路工作状态；②接收、诊断并存储从编程器输入的用户程序和数据；③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。

在PLC进入运行状态后，①从存储器中逐条读取用户程序；②按指令规定的任务，产生相应的控制信号，去启闭有关控制门电路，分时分渠道地去执行数据的存取、传送、组合、比较和变换等动作；③完成用户程序中规定的逻辑或算术运算等任务。

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、制表、打印或数据通信等。

2）PLC采用的CPU一般有三大类：

①通用微处理器，如80286、80386等。

②单片机芯片，如8031、8096等。

③位处理器，如AMD2900、AMD2903等。

（2）存储器

PLC是工业控制计算机，除了硬件以外，还必须有软件才能正常工作。存储器为记忆性部件，用于存放系统程序、用户程序及运算数据的单元。根据存储器在系统中的作用，PLC的存储器可以分为系统程序存储器、用户程序存储器、工作数据存储器。PLC的存储器区域按用途不同，又可分为程序区及数据区。

1）系统程序存储器（ROM区）。系统程序存储器即只读存储器（ROM），用于储存PLC产品生产厂编写的各种系统工作程序，用户不能更改或调用。用来存放系统工作程序、模块化应用功能子程序、命令解释、功能子程序的调用管理程序以及按对应定义存储各种系统参数（I／O、内部继电器、计时／计数器、数据寄存器等）等功能。只读存储器又分为掩膜只读存储器和电可擦除只读存储器。

系统程序存储器是对整个PLC系统进行调度、管理、监视及服务的程序，控制和完成PLC各种功能。

2）用户程序存储器（RAM区）。用户程序存储器即随机读写存储器（RAM），其特点是写入与擦除都很容易，但在掉电情况下存储的数据就会丢失。用来储存用户编写的控制程序和用户数据，该区域用户可读可写，可随意增加或删减。在PLC中一般采用锂电池对用户程序进行掉电保护（一般能保持5～10年，经常带负载可保存2～5年）。

用户程序是用户在各自的控制系统中开发的程序。用来存放用户程序及系统运行中产生的临时数据，大都存放在RAM存储器中。使用者可对用户程序进行修改。

（3）输入／输出接口电路

输入／输出接口电路（I／O）是PLC与现场I／O设备相连接的部件，主要是PLC与工业生产现场之间的连接部件。PLC将输入信号转换为CPU能够接收和处理的信号，通过用户程序的运算，把结果通过输出模块输出给执行机构。输入接口用来接受生产过程的各种参数。输出接口用来送出可编程序控制器运算后得出的控制信息，并通过机外的执行机构完成工业现场的各类控制。

生产现场对可编程序控制器接口的要求是：一要有较好的抗干扰能力，二是能满足工业现场各类信号的匹配要求，因此厂家为可编程序控制器设计了不同的接口单元。

由于外部输入设备和输出设备所需的信号电平是多种多样的，而PLC内部CPU的处理的信息只能是标准电平，所以I／O接口要实现转换。I／O接口一般都具有光电隔离和滤波功能，以提高PLC的抗干扰能力。另外，I／O接口上通常还有状态指示，工作状况直观，便于维护。

PLC提供了多种操作电平和驱动能力的I／O接口，有各种各样功能的I／O接口供用户选用。I／O接口的主要类型有数字量（开关量）输入、数字量（开关量）输出、模拟量输入、模拟量输出等。

1）输入接口电路。输入接口电路的作用是将来自现场设备的输入信号通过电平变换、速度匹配、信号隔离和功率放大，转换成可供CPU处理的标准电平信号。图2-10所示为PLC产品中常见的一种直流输入端内部接线示意图。PLC输入电路中有光隔离器、RC滤波器，用以消除输入抖动和外部噪声干扰。当输入器件被激励时，一次电路中流过电流，输入指示灯亮，光耦合器接通，晶体管从截止状态变为饱和导通状态，这是一个数据输入的过程。＋24V端子仍需接24V电源，输入按钮或开关则可直接连在输入端子和COM端之间，电路更为简单。只要程序运行，PLC内部就可以识别输入端子和COM之间的通或断。

①开关量输入接口，其作用是把现场的开关量信号变成PLC内部处理的标准信号。常用的开关量输入接口按其使用外信号的电源不同有三种类型：直流输入接口、交流输入接口和交／直流输入接口，如图2-11～图2-13所示。

图2-10 直流＋24V输入端内部接线示意图

图2-11 直流输入电路

作为直流开关输入接口电路，可接入直流80～150V的电压。若为交流开关信号输入接口电路，可接入交流97～132V、50～60Hz的电压。电路中R1和R2为分压电路，电容C为抗干扰电容，R3为限流电阻，光隔离器起到隔离及耦合的双重作用。

输入接口中都有滤波电路及耦合隔离电路，滤波有抗干扰的作用，耦合有抗干扰及产生标准信号的作用。

②模拟量输入接口。其作用是把现场连续变化的模拟量标准电压或电流信号转换成适合PLC内部处理的二进制数字信号。标准信号是指符合国际标准的通用交互用电压电流信号值，如4～20mA的直流电流信号、1～10V的直流电压信号等。

工业现场中模拟量信号的变化范围一般是不标准的，在送入模拟量接口时一般都需经过变送处理才能使用。图2-14所示是模拟量输入接口的内部电路框图。模拟量信号输入后一般经运算放大器放大后进行A／D转换，再经光耦合后为PLC提供一定位数的数字量信号。

图2-12 交流输入电路

图2-13 交／直流输入电路

图2-14 模拟量输入接口的内部电路框图

2）输出接口电路。输出接口电路的作用是将CPU的程序运行结果经过电平转换、隔离和功率放大，转换成能带一定负载的具体的输出状态。基本单元上的输出信号一般为开关量，输出接口电路分继电器输出型、晶体管输出型和晶闸管输出型三种，如图2-15～图2-17所示。

图2-15 继电器输出电路

图2-16 晶体管输出电路

继电器触点的状态对应于PLC程序中输出继电器的状态。该接口电路在使用时必须要外加电源。继电器输出接口电路具有适用于交、直流负载且带负载能力强等优点，缺点是动作及响应速度相对较慢。

通过控制晶体管VT的导通和截止控制负载电源。VD为晶体管的极间保护二极管。晶体管输出单元具有动作频率高、响应速度快的特点，其缺点是只能接直流负载且带负载能力较差。

控制双向晶闸管将用户交流电源接入负载。图2-17中R2、C为高频滤波电路。浪涌电流吸收器起到限幅作用，可以减小噪声干扰的影响。晶闸管输出单元适用交流负载，具有响应速度快且带负载能力强的特点。

输出接口电路的特点：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，输出可靠性高，价格低，适用电压范围广；但因为有触点输出，尤其在感性负载时继电器触点寿命较短，动作响应时间较长（10ms以下），因而不适应要求高速通断、快速响应的工作场合。而晶体管输出和双向晶闸管输出接口的响应速度快，动作频率高，但前者只能用于驱动直流负载，后者只能用于驱动交流负载。晶体管和双向晶闸管输出过载、过电压能力较差，价格高，因而适应于要求高速通断、快速响应的工作场合。

模拟量输出接口：它的作用是将可编程序控制器运算处理后的若干位数字量信号转换为相应的模拟量信号输出，以满足生产过程现场连续控制信号的需要。模拟量输出接口一般由光隔离、D／A转换和信号驱动等环节组成，如图2-18所示。

图2-17 晶闸管输出电路

图2-18 模拟量输出电路框图

模拟量输入／输出接口一般安装在专门的模拟量工作单元上。

3）智能输入／输出接口。为了适应较复杂的控制需要，PLC还有一些智能控制单元，如PID（Proportional Integral Derivative，比例积分微分）工作单元、高速计数器工作单元、温度控制单元等。这类单元大多是独立的工作单元。它们和普通输入／输出接口的区别在于它们一般带有单独的CPU，有专门的处理能力。在具体的工作中，每个扫描周期智能单元和主机的CPU交换一次信息，共同完成控制任务。从目前的发展来看，不少新型的可编程序控制器本身也带有PID功能及高速计数器接口，但它们的功能一般比专用单元的功能要弱。

当PLC的输入端有一个输入信号发生变化后到PLC的输出端对该输入信号的变化做出反应，需要一段时间，这段时间称为响应时间或滞后时间。滞后时间的长短与以下因素有关：(www.xing528.com)

①输入滤波器对信号的延迟作用；

②输出继电器的动作延迟；

③PLC的循环扫描工作方式；

④用户程序中语句的编排，程序的优化。

4）通信接口。PLC配有各种通信接口，这些通信接口一般都带有通信处理器。PLC通过这些通信接口可与监视器、打印机、其他PLC、计算机等设备实现通信。PLC与打印机连接，可将过程信息、系统参数等输出打印；与监视器连接，可将控制过程图像显示出来；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。

远程I／O系统也必须配备相应的通信接口模块。

（4）电源

在PLC中，为避免电源间干扰，输入与输出接口电路的电源彼此相互独立。小型PLC电源往往和CPU单元合为一体，中大型PLC都有专门的电源单元。直流电源常采用开关稳压电源，稳压性能好、抗干扰能力强，不仅可提供多路独立的电压供内部电路使用，而且还可为输入设备提供标准电源。可编程序控制器的电源包括为可编程序控制器各工作单元供电的开关电源以及为掉电保护电路供电的后备电源，后备电源一般为电池。

（5）I／O扩展接口

每个系列的PLC产品都有一系列与基本单元相匹配的扩展单元，以便根据所控制对象的控制规模大小来灵活组成电气控制系统。扩展单元内部不配备CPU和存储器，仅扩展输入／输出电路，各扩展单元的输入信息经扩展连接电缆进入主机总线，由主机的CPU统一处理，执行程序后，需要输出的信息也由扩展连接电缆送至各扩展单元的输出电路。PLC处理模拟量输入／输出信号时，要使用模拟量扩展单元，这时的输入接口电路为A／D转换电路，输出接口电路为D／A转换电路。

（6）编程器

编程器是PLC的重要外围设备。编程器除了编程以外，还具有一定的调试及监控功能，能实现人机对话操作。

可编程序控制器的编程设备一般有两类：一类是专用的编程器，有手持式的，其优点是携带方便，也有台式的，有的PLC机身上自带编程器；另一类是个人计算机。编程器的功能是完成用户程序的编制、编辑、输入主机、调试和执行状态监控，是PLC系统故障分析和诊断的重要工具。

PLC的编程器主要由键盘、显示屏、工作方式选择开关和外存储器接口等部件组成，按功能可分为简易型和智能型两大类。

简易型编程器只能联机编程，而且不能直接输入和编辑梯形图程序，需将梯形图程序转化为指令表程序才能输入。简易型编程器体积小、价格便宜，它可以直接插在PLC的编程插座上，或者用专用电缆与PLC相连，以方便编程和调试。有些简易型编程器带有存储盒，可用来储存用户程序，如三菱的FX－20P简易型编程器，如图2-19所示。

智能型编程器又称图形编程器，本质上它是一台专用便携式计算机，如三菱的GP－80FX－E智能型编程器。它既可联机编程，又可脱机编程。可直接输入和编辑梯形图程序，使用更加直观、方便，但价格较高，操作也比较复杂。大多数智能型编程器带有磁盘驱动器，提供录音机接口和打印机接口。它的优点是在编程及修改程序时，可以不影响PLC机内原有程序的执行，也可以在远离主机的异地编程后再到主机所在地下载程序。

专用编程器只能对指定厂家的几种PLC进行编程，使用范围有限，价格较高。同时，由于PLC产品不断更新换代，所以专用编程器的生命周期也十分有限。因此，现在的趋势是使用以个人计算机为基础的编程装置，用户只要购买PLC厂家提供的编程软件和相应的硬件接口装置。这样，用户只用较少的投资即可得到高性能的PLC程序开发系统。

图2-19 手持编程器

基于个人计算机的程序开发系统功能强大。它既可以编制、修改PLC的梯形图程序，又可以监视系统运行、打印文件、系统仿真等。配上相应的软件还可实现数据采集和分析等许多功能。在个人计算机上运行PLC相关的编程软件即可完成编程任务。借助软件编程比较容易，一般是编好了以后再下载到PLC中去。

由于PLC产品一般在程序调试或需要监控时才插上编程器，当电气控制系统正常运行时不必使用编程器，所以目前对PLC编程在许多场合采用了个人电脑（装载专用编程软件）加PC－PLC专用连接电缆，而不使用专用编程器的编程方法，即用计算机键盘通过屏幕对话完成图形编程、图形显示、通信联网、修改调试、输出打印等任务。目前各PLC公司均开发有相应的编程软件。另外，利用个人计算机还可以运行更多的工业控制软件。

1）在线（联机）方式。将编程器与PLC的专用插座直接相连，或和专用的接口相连，可将用户程序直接写入到PLC的用户存储器中。也可将程序先存在编程器的存储器中，然后再转入PLC的用户存储器中。这种编程方式有利于程序的调试和修改，并可以监视PLC内部器件的工作状态。

2）离线（脱机）编程方式。将程序写入到编程器的存储器中，联机后再将程序送到PLC的用户程序存储器中。离线编程不影响PLC的工作。

（7）外部设备接口

外部设备接口是指在主机外壳上与外部设备配接的插座。通过人／机接口装置、电缆可配接编程器、计算机、打印机、EPROM写入器、条码判读器等。

人／机接口装置是用来实现操作人员与PLC控制系统的对话。最简单、最普遍的人／机接口装置由安装在控制台上的按钮、转换开关、拨码开关、指示灯、LED显示器、声光报警器等器件构成。对于PLC系统，还可采用半智能型CRT人／机接口装置和智能型终端人／机接口装置。半智能型CRT人／机接口装置可长期安装在控制台上，通过通信接口接收来自PLC的信息并在CRT上显示出来；而智能型终端人／机接口装置有自己的微处理器和存储器，能够与操作人员快速交换信息，并通过通信接口与PLC相连，也可作为独立的节点接入PLC网络。

图2-20所示为三菱FX2N小型PLC产品主机及扩展单元示意图。其中FX2N－32MR为基本单元，带有32个I／O点（16入16出），M表示主机，R表示该单元为继电器输出型；FX2N－32ER为32点开关量扩展单元，E表示该单元为扩展单元；FX2N－2AD为两路模拟量输入扩展单元；FX2N－2DA为两路模拟量输出扩展单元。PLC产品的扩展单元种类很多，扩展单元的功能及与主机的配合细节可查阅有关手册。

图2-20 三菱FX2N小型PLC产品主机及扩展单元示意图

PLC的其他外围设备：

1）盒式磁带机，用以记录程序或信息；

2）打印机，用以打印程序或制表；

3）EPROM写入器，用以将程序写入用户EPROM中；

4）高分辨率大屏幕彩色图形监控系统，用以显示或监视有关部分的运行状态。

2.系统软件

PLC是一种工业控制计算机，与计算机一样，PLC的软件也分为系统软件和应用软件。

系统软件包含系统管理程序、用户指令的解释程序，另外还包括一些供系统调用的专用标准程序块等。系统管理程序用以完成机内运行相关时间分配、存储空间分配管理及系统自检等工作。用户指令的解释程序用以完成用户指令变换为机器码的工作。系统软件在用户使用PLC之前就已装入机内，并永久保存，在各种控制工作中并不需要做什么调整。

PLC的系统软件也有人称为PLC的操作系统。它是每台可编程序控制器都必须包括的部分，用于控制PLC本身的运行，是由PLC制造厂家编制的。

应用软件，又叫用户软件，是用户为达到某种控制目的、采用PLC厂家提供的编程语言自主编制的程序。

PLC编程语言是编制PLC应用软件的工具。它是以PLC的输入接口、输出接口、机内元件进行逻辑组合以及数量关系实现系统的控制要求，并存储在机内的存储器中。

根据控制要求使用导线连接继电—接触器来确定控制器件间逻辑关系的方式叫做接线逻辑。

用预先存储在PLC内的程序实现某种控制功能，就是人们所指的存储逻辑。

PLC的主要逻辑部件：

1）继电器逻辑：在PLC中用逻辑与、逻辑或、逻辑非等逻辑运算来处理各种继电器的连接。PLC内部存储单元与继电器的对应关系：1表示ON，0表示OFF。

PLC为用户提供以下几种继电器：

①输入继电器：是输入到PLC中的现场信号，在使用中不必考虑触点的容量。

②输出继电器：具有一对物理触点，可以串接在负载回路中。

③内部继电器：它与外界没有联系，仅做运算的中间结果使用，有时也称作辅助继电器或中间继电器。

2）定时器逻辑：PLC采用硬件定时中断、软件递减计数的方法来实现定时逻辑功能，如表2-1所示。

表2-1 定时器逻辑功能

3）计数器逻辑：PLC中计数器的功能是由软件来实现的，一般采用递减计数，如表2-2所示。

表2-2 计数器逻辑功能

4）触发器逻辑：触发器逻辑是用来记忆某些信息，该触发器逻辑可以被置位成1，也可以被复位成0。

触发器有置位输入（S）和复位输入（R）。逻辑功能如表2-3所示。

表2-3 触发器逻辑功能

5）数据寄存器：PLC除能进行位运算以外，还能进行字运算。PLC为用户提供了若干个数据寄存器，以存放数据，实现运算功能。

图2-21所示例子给出了实现多地点控制异步电动机起／停的继电器接触器控制电路图、用三菱公司FX2N－16MR型PLC实现该功能的接线图、梯形图和指令表程序，以实现多地点控制异步电动机起／停。

图2-21 实现多地点控制异步电动机起／停的PLC控制方案及程序

a）多地点控制异步电动机起／停的继电接触控制电路图 b）PLC实现多地点控制异步电动机起／停接线图 c）实现多地点控制异步电动机起／停梯形图 d）实现多地点控制异步电动机起／停程序