1.3.1 PLC的硬件结构

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/输出单元是CPU与现场输入/输出设备之间的接口电路，通信接口主要用于连接编程器、上位计算机等外部设备。

整体式PLC的组成框图如图1-7所示；模块式PLC的组成框图如图1-8所示。无论是哪种结构类型的PLC，都可根据用户需要进行配置与组合。

尽管整体式PLC与模块式PLC的结构不太一样，但各部分的功能是相同的。

1.中央处理单元

CPU是PLC的核心，PLC中所配置的CPU随机型不同而不同，常用的CPU有三类：通用微处理器、单片机（如80C51、8096等）和位片式微处理器（如AMD29W等）。

在实际应用中，小型PLC大多采用8位通用微处理器或单片机；中型PLC大多采用16位通用微处理器或单片机；而大型PLC大多采用高速位片式微处理器。

目前，小型PLC多为单CPU系统，而大、中型PLC则多为双CPU系统。对于双CPU系统，其中一个为字处理器，一般采用8位或16位处理器；另一个为位处理器，采用由各厂商设计制造的专用芯片。

字处理器为主处理器，用于实现与编程器连接、监视内部定时器和扫描时间、处理字节指令以及对系统总线和位处理器进行控制等。位处理器为从处理器，主要用于处理位操作指令和实现PLC编程语言向机器语言的转换。位处理器的使用提高了PLC的速度，使其能够更好地满足实时控制要求。

在PLC中，CPU按系统程序赋予的功能，指挥PLC有条不紊地进行工作。CPU的主要功能归纳如下：

1）接收从编程器输入的用户程序和数据。

2）诊断电源以及PLC内部电路的工作故障和编程中的语法错误等。

3）通过输入接口接收现场的状态或数据，并存入输入映像寄存器或数据寄存器中。

4）从存储器逐条读取用户程序，经过解释后执行。

5）根据执行的结果，更新有关标志位的状态和输出映像寄存器的内容，通过输出单元实现输出控制。

2.存储器

PLC中的存储器主要用来存放系统程序、用户程序以及工作数据。常用的存储器主要有可读/写操作的随机存储器（RAM）和只读存储器（ROM、PROM、EPROM与EEPROM）两类。

1）系统程序。系统程序用于完成系统诊断、命令解释、功能子程序调用、逻辑运算、通信及各种参数设定等功能，以及提供PLC运行所需要的工作环境。系统程序由PLC制造商编写，直接固化到只读存储器ROM、PROM或EPROM中，不允许用户进行访问和修改。系统程序和PLC的硬件组成有关，直接影响PLC的性能。

2）用户程序。用户程序是用户按照生产工艺的控制要求编制的应用程序，如果用户程序运行后一切正常，不需要改变，可将其固化在只读存储器EPROM中。现在有许多PLC直接采用EEPROM作为用户存储器。当PLC提供的用户存储器容量不够用时，许多PLC还提供有存储器扩展功能。

3）工作数据。工作数据是PLC运行过程中经常变化、经常存取的一些数据，一般将其存放在RAM中，以适应随机存取的要求。

3.输入/输出单元

输入/输出单元通常也称为I/O单元或I/O模块，是PLC与工业生产现场之间连接的部件。PLC通过输入单元可以检测被控对象的各种数据，将这些数据作为PLC对被控对象进行控制的依据，同时PLC也可通过输出单元将处理结果送给被控对象，以实现控制的目的。

I/O单元内部的接口电路具有电平转换的功能，由于外部输入设备和输出设备所需的信号电平多种多样，而在PLC内部，CPU处理的信息只能是标准电平，这种电平的差异要由I/O接口来完成转换。

I/O接口电路一般具有光电隔离和滤波功能，用来防止各种干扰信号和高电压信号的进入，以免影响设备的可靠性或造成设备的损坏。

I/O接口电路上通常还有状态指示，使得工作状况直观，方便用户维护。

PLC还提供了多种操作电平和驱动能力的I/O单元供用户选用。I/O单元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）开关量输入单元

常用的开关量输入单元按其使用的电源不同分为直流输入单元、交流输入单元、交/直流输入单元和传感器输入单元四种类型，其内部接口电路及外部输入开关信号接线如图1-9所示。

图1-9中，开关量输入单元设有光电耦合电路、RC滤波电路、输入状态显示（指示灯）电路。直流输入、交流输入及交/直流输入接口电路都是通过光电耦合器把输入开关信号传递给PLC内部输入单元，从而实现输入电路与PLC内部电路之间的隔离。RC滤波电路用于防止输入开关触点的抖动或干扰脉冲引起的误动作。

在输入采样阶段，当输入开关闭合时（信号有效为“1”），电源通过输入电路使光电耦合器的发光二极管发光、光电晶体管饱和导通，CPU读取的是二进制数据“1”；当输入开关断开时，光电耦合器的发光二极管不发光、光电晶体管截止，CPU读取的是二进制数据“0”。

对于FX_2N系列PLC，在输入接口应用中应注意以下问题：

1）基本输入单元X0～X17均内置有数字滤波器，可以使用特殊数据寄存器D8020或应用指令REFE设置滤波时间。X20单元开始输入继电器滤波电路的延迟时间为10ms。因此，输入信号响应时间必须在延时期限内保持不变，才能被认为有效。

2）直流输入信号电压为DC 24V，可以采用PLC内部直接供电，输入信号电流为5～7mA。

3）输入开关信号可以是普通按钮、行程开关、继电器或报警等触点产生，也可以是传感器晶体管电路输出的饱和导通或截止（开或关）状态产生。

4）COM端为各输入点的内部输入电路的公共端。

（2）开关量输出单元

常用的开关量输出单元按输出开关器件不同有三种类型：继电器输出单元、晶体管输出单元和双向晶闸管输出单元，其内部接口电路如图1-10所示。

继电器输出单元可驱动交流或直流负载，但其响应速度慢，适用于动作频率低的负载；晶体管输出单元和双向晶闸管输出单元的响应速度快，工作频率高，前者仅用于驱动直流负载，后者多用于驱动交流负载。

由图1-10可以看出，每种输出电路都有隔离措施。继电器输出单元是利用继电器触点与线圈将PLC内部电路与外部负载电路进行电气隔离；晶体管输出单元是在PLC内部电路与输出光电晶体管之间实现光电隔离；双向晶闸管输出单元则是在PLC内部采用光触发晶闸管进行隔离，具有很强的抗干扰作用。

PLC的外部负载通常是接触器、电磁阀、执行器、信号灯及相关驱动电路等，外部负载应符合PLC输出电路对电压、电流的要求。

对于FX_2N系列PLC，在输出接口应用中应该注意以下问题：

1）输出点分为若干独立组，每一组的公共点分别为COM1、COM2、COM3等。各组可以根据不同的输出模块选择使用不同类型和不同电压的负载工作电源。

2）负载额定工作电压（外部电源）、电流应符合PLC的输出要求。在继电器输出时，应不大于AC 240V/DC 30V、电阻负载每个输出点2A、每公共点8A；晶闸管输出时，负载额定工作电压为AC 85～242V、电阻负载每个输出点额定工作电流为0.3A、每公共点额定工作电流为0.8A；晶体管输出时，负载额定工作电压为DC 5～30V、电阻负载每个输出点额定工作电流为0.5A、每4个点额定工作电流为0.8A、每8个点额定工作电流为1.6A。

3）在感性负载时，开关量输出单元的额定工作电压、电流分别为：继电器输出时为80V·A/AC 220V；晶闸管输出时为36V·A/AC 240V；晶体管输出时为12W/DC 24V。

PLC的I/O单元所能接收的输入信号个数和输出信号个数称为PLC输入/输出（I/O）点数。I/O点数是选择PLC的重要依据之一，当系统的I/O点数不够时，可通过PLC的I/O扩展接口对系统进行扩展。

4.通信接口

为了实现人机交互，PLC配有各种通信接口。PLC通过这些通信接口可与监视器、打印机以及其他的PLC或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。

5.智能接口模块

智能接口模块是一独立的计算机系统，有自己的CPU、系统程序、存储器以及与PLC系统总线相连的接口。它作为PLC系统的一个模块，通过总线与PLC相连进行数据交换，并在PLC的协调管理下独立地进行工作。PLC的智能接口模块种类很多，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.编程装置

编程装置的作用是供用户编辑、调试、输入程序，也可在线监控PLC内部状态和参数，与PLC进行人机对话。编程装置是开发、应用、维护PLC不可缺少的工具。它可以是专用编程器，也可以是配有专用编程软件包的通用计算机系统。

专用编程器按结构可分为简易编程器和智能编程器两类。简易编程器体积小、价格低廉，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。有些简易编程器带有存储盒，可用来存储用户程序，如三菱的FX-20P-E简易编程器。智能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。

随着PLC产品的不断更新换代，目前广泛使用的PLC编程装置是在PC（上位机）上编程，即配有PLC编程软件的个人计算机，用户只需在上位机安装PLC厂家提供的编程软件和相应的通信连接电缆，即可得到高性能的PLC程序开发系统。基于个人计算机的PLC集成开发系统功能强大，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功能。

7.电源

PLC配有开关电源，以供内部电路使用。与普通电源相比，PLC电源的稳定性好、抗干扰能力强，对电网稳定度要求不高，一般允许电源电压在其额定值±15%的范围内波动。另外，许多PLC电源还能够向外提供24V直流电压，为外部位控开关或传感器供电。

8.其他外部设备

除了以上所述的部件和设备外，PLC还有许多外部设备，如EPROM写入器、外存储器、人/机接口装置等。

PLC内部的半导体存储器称为内存储器，而把磁盘或用半导体存储器做成的存储盒等称为外存储器，用来存储PLC的用户程序。外存储器一般是通过编程器或其他智能模块提供的接口，实现与内存储器之间相互传送用户程序。

人/机接口装置用来实现操作员与PLC控制系统的对话。最简单、最普遍的人/机接口装置是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。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。