的组成部分

3．2　PLC的组成部分

从广义上讲，PLC是一种计算机系统。只不过它比一般计算机具有更强的与工业过程相连接的I／O接口，具有更适用于控制要求的编程语言和更适应于工业环境的抗干扰性能，因此，PLC是一种工业控制用的专用计算机。它的实际组成与一般微型计算机系统基本相同，也是由硬件和软件两大部分组成。硬件部分主要包括中央处理单元、存储器、I／O模块、外围设备、智能模块和电源部分。软件部分主要包括系统监控程序和用户应用程序。

3．2．1　中央处理单元

中央处理单元（CPU）主要包含运算器、控制器和寄存器，它是PLC的核心部分。CPU的具体作用是，在系统监控程序的控制下工作，通过扫描方式，将外部输入信号的状态写入输入映像寄存区，PLC进入运行状态后，从存储器逐条读取用户指令，按指令规定的任务进行数据的传送、逻辑运算、算术运算等，然后将结果送到输出映像寄存区。

目前PLC通常使用单片机或微型处理器作为CPU，通过编写监控程序来实现PLC的功能。小型PLC的CPU多采用单片机或专用CPU，中型PLC的CPU大多采用16位微处理器或单片机，大型PLC的CPU多用高速位片式处理器，具有高速处理能力。

3．2．2　存储器

PLC的存储器由只读存储器ROM、随机存储器RAM和电可擦写的只读存储器EEPROM三大部分构成，主要用于存放系统程序、用户程序及工作数据。

系统程序相当于计算机的操作系统，它使PLC能够完成规定的各种工作，并决定了PLC的性能。系统程序由PLC生产厂家设计并固化在ROM中，用户是不可改写的。用户程序由用户根据需求自行设计，它使PLC能够完成用户要求的特定功能。

只读存储器ROM是非易失性的，它在电源消失后，仍可保存存储的内容，用它存放系统程序。

随机存储器RAM是一种高密度、低功耗、价格便宜、改写方便的半导体存储器，掉电后内容将丢失。PLC将用户程序和中间运算数据存放在RAM中，在关掉PLC的外部电源后，可用锂电池作备用电源保存RAM中的用户程序和数据。锂电池一般可以用3～5年，需要更换锂电池时，由PLC面板上的指示灯发出信号。

电可擦写的只读存储器EEPROM兼有ROM的非易失性和RAM的随机存取优点，但是将信息写入的时间比RAM的要长。S7－200用EEPROM存放用户程序和需要长期保存的重要数据。

3．2．3　I／O模块

PLC通过I／O模块即I／O接口与外部设备连接，实现对工业设备和生产过程的检测与控制。通过输入模块，PLC能够得到生产过程的各种信号；通过输出模块，PLC能够把运算处理的结果送至工业过程现场的执行机构实现控制功能。PLC外部端口I／O点的通／断状态用发光二极管（LED）显示，方便对用户程序进行调试。

为适应工业过程现场对不同I／O信号的匹配要求，PLC配置了各种类型的I／O模块。其中常用的有以下几种类型。

1．开关量输入接口电路

由于生产过程中使用的各种开关、按钮、传感器等输入器件直接接到PLC输入接口电路上，为防止由于触点抖动或干扰脉冲引起错误的输入信号，输入接口电路必须有很强的抗干扰能力。

开关量输入接口电路按照输入端的电源类型不同，分为直流输入接口电路和交流输入接口电路等两类，分别如图3－3和图3－4所示。图中只画出了对应于一个输入点的输入电路，其他输入点对应的电路均相同。

在直流输入接口电路中，电阻R₁与R₂构成分压器，电阻R₂与电容C组成阻容滤波器。二极管VD用于防止反极性电压输入，发光二极管（LED）指示输入状态。光耦合器隔离输入电路与PLC内部电路的电气连接，并使外部信号通过光耦合器变成内部电路接收的标准信号。当外部开关SF闭合后，直流电压经过电阻分压和阻容滤波后加到光耦合器的发光二极管上，经光耦合，使光敏晶体管由截止变为导通，信号送入PLC内部电路；当CPU在循环周期的输入阶段将该输入点对应的映像寄存器状态置1时，对应输入点的外部LED指示灯被点亮，表示输入信号处于接通状态。

图3－3　直流输入接口电路

图3－4　交流输入接口电路

在交流输入接口电路中，电阻R₂与R₃构成分压器。电阻R₁为限流电阻，电容C为滤波电容。双向光耦合器起整流和隔离双重作用，双向发光二极管用作状态指示。

S7－200PLC内部提供了＋24V的直流电源，用户只需将开关接在输入端子和公共端子之间，称之为无源直流输入。交流输入接口电路的工作原理与直流输入接口电路的基本相同，只是外部输入端子接交流电源。

2．开关量输出接口电路

按输出电路所用开关器件的不同，PLC的开关量输出接口电路可分为晶体管输出接口电路、晶闸管输出接口电路和继电器输出接口电路三类。晶体管输出接口电路用于驱动直流负载，晶闸管输出接口电路用于驱动交流负载，继电器输出接口电路既可用于直流负载又可用于交流负载。因此，在开关频率要求不太高的情况下，通常首选继电器输出控制方案。图3－5所示的为继电器输出接口电路图。

在继电器输出方式中，继电器作为开关器件，同时又是隔离器件，VD作为续流二极管以消除线圈的反电动势。当某个输出点对应的内部映像寄存器状态置1时，内部电路使继电器线圈K通电，其常开触点SF闭合，使负载L得电，同时外部LED指示灯点亮。反之，当某个输出点对应的内部映像寄存器状态置0时，继电器触点SF断开，外部LED指示灯熄灭。根据负载的需要，负载回路的电源既可选用外部交流电源，也可选用外部直流电源，而PLC本身不提供负载电源。

图3－5　继电器输出接口电路

晶体管输出方式用于直流负载，特点是反应速度快、寿命长、过载能力较差。晶闸管输出方式适合在交流供电、输出量变化快的场合。

S7－200PLC的继电器输出接口电路可以驱动2A的电阻性负载，可以直接驱动如指示灯、电磁阀等小功率负载。对于大功率或高电压的负载，还需要通过中间继电器、接触器、电磁开关等接通大功率或高电压电源才能驱动。

3．2．4　外围设备

PLC的外围设备种类很多，一般可以概括为4类：编程设备、监控设备、存储设备和I／O设备。

1．编程设备

编程设备也称为编程器，是编制、调试PLC用户程序的外围设备，是人机交互的窗口。通过编程器可以把用户程序输入到PLC的RAM中，或者对RAM中已有程序进行编辑。通过编程器还可以对PLC的工作状态进行监视和跟踪，这对调试和试运行用户程序是非常有用的。

编程器分为简易型和智能型两类。简易型的编程器只能联机编程，且往往需要将梯形图转化为语句表后才能输入。它一般由简易按键和发光二极管或其他显示器件组成。智能型的编程器又称为图形编程器，它可以联机编程，也可以脱机编程，具有LCD或CRT图形显示功能，可以直接输入梯形图和通过屏幕进行人机对话。

除了上述专用的编程器外，还可以利用微型计算机配上PLC生产厂家提供的软件包来作为编程器。用户可直接在计算机上以联机或脱机的方式编写程序，可使用多种编程语言，开发功能强大，具备监控能力和通信能力，还可对用户程序进行仿真。这种编程方式已成为PLC发展的趋势。现在，有些PLC不再提供编程器，而只提供微机编程软件，并且配有相应的通信连接电缆。

2．监控设备

PLC将现场数据实时上传给监控设备，监控设备则将这些动态数据实时显示出来，以便操作人员及时掌握系统的运行情况。操作人员也可以通过监控设备向PLC发送操控指令，具有这种功能的设备称为人机界面。PLC厂家通常可提供专用的人机界面设备，目前常用的有操作屏和触摸屏。通过专用的开发软件可设计用户工艺流程图，与PLC联机后能够实现现场数据的实时显示。

3．存储设备

存储设备用于永久性地存储用户数据，避免用户程序丢失。主要有存储卡、存储磁带或只读存储器等。为实现这些存储，还有相应的读／写设备和接口部件。

4．I／O设备

I／O设备用于接收信号或输出信号，便于与PLC进行人机对话。输入设备有条码读入器、输入模拟量的电位器等，输出设备有打印机、监控器等。

3．2．5　智能模块

智能模块是一个独立的计算机系统，它拥有CPU、系统程序、存储器及总线接口等。智能模块作为PLC系统的一个模块，通过总线与PLC进行数据交换，并在PLC的协调管理下独立地进行工作，即智能模块不参加PLC的CPU周期性扫描过程，运算功能由其自身的CPU完成。

智能模块的种类很多，如高速计数器模块、通信模块、位置控制模块、称重模块和温度测量模块等。

3．2．6　电源单元

电源单元将外部提供的电源转换成PLC的工作电源，PLC的工作电源为开关式稳压电源，该电源具有体积小、抗干扰能力强以及对电网电压的稳定性要求不高等特点。如S7－200PLC的内部开关电源为其CPU、扩展模块和其他用电设备提供＋5V和＋24V直流电源。扩展模块通过PLC的总线连接电缆取得＋5V的直流电源，PLC的＋24V直流电源为本机集成的I／O端点和扩展模块的I／O端点供电，也为一些智能模块供电。一般输入端点可由PLC内部提供＋24V直流电源，输出端点因为要接负载，通常需接外部电源。

不同型号的PLC，其开关电源的容量是不同的，对于每一个PLC系统必须根据其供电能力校验开关电源的容量是否足够，如果电源的容量不够，则需增加外部供电电源。

电源单元还提供掉电保护电路和后备电池模块，以维持部分RAM的内容在外部电源断开后数据不会丢失。在PLC的面板上通常用发光二极管（LED）指示电源的工作状态，用于判断电源工作是否正常。