1.2.2 可编程序控制器的基本结构

PLC是用微处理器实现的许多电子式继电器、定时器和计数器的组合体，其内部结构框图如图1-2所示。

1.中央处理机

中央处理机是PLC的“大脑”，它由中央处理器（CPU）和存储器组成。

（1）CPU

CPU一般是由控制电路、运算器和寄存器组成的，这些电路一般都集成在一块芯片上。CPU通过地址总线、数据总线和控制总线与存储器单元、输入/输出（I/O）接口电路连接。

不同型号的PLC可能使用不同的CPU部件，制造厂家使用CPU部件的指令系统编写系统程序，并固化在只读存储器（ROM）中。CPU按系统程序赋予的功能，接收用户程序和数据，存入随机存储器（RAM）中；CPU按扫描方式工作，从00000首地址存放的第一条用户程序开始，到用户程序的最后一个地址，不停地周期性扫描，每扫描一次，用户程序就执行一次。

CPU的主要功能有以下几点：

① 从存储器中读取指令。CPU从地址总线上给出存储地址，从控制总线上给出读命令，从数据总线上得到读出的指令，并存入CPU内的指令寄存器中。

② 执行指令。对存放在指令寄存器中的指令操作码进行译码，执行指令规定的操作，如读取输入信号、取操作数、进行逻辑运算或算术运算，将结果输出给有关部分。

③ 准备取下一条指令。CPU执行完一条指令后，根据条件可产生下一条指令的地址，以便取出和执行下一条指令。在CPU的控制下，程序的指令即可以顺序执行，也可以分支或跳转。

（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。

系统程序是用来控制和完成PLC各种功能的程序，这些程序是由PLC制造厂家用相应CPU的指令系统编写的，并固化到ROM中。

用户程序存储器用来存放由编程设备输入的用户程序。用户程序是指使用者根据工程现场的生产过程和工艺要求编写的控制程序，可通过编程设备修改或增删。

在PLC中使用的两种类型存储器为只读存储器（ROM）和随机存储器（RAM）。

① 只读存储器。ROM中的内容是由PLC的制造厂家写入的系统程序，并且永远驻留（PLC去电后再加电，ROM内容不变）。系统程序一般包括以下几部分。

● 检查程序：PLC加电后，首先由检查程序检查PLC各部件操作是否正常，并将检查结果显示给操作人员。

● 翻译程序：将用户输入的控制程序变换成由微机指令组成的程序，然后再执行，还可以对用户程序进行语法检查。

● 监控程序：相当于总控程序，根据用户的需要调用相应的内部程序。例如，用手持编程器选择PROGRAM编程工作方式，则总控程序就调用“键盘输入处理程序”，将用户输入的程序送到RAM中；若选择RUN运行工作方式，则总控程序将启动程序。

② 随机存储器。RAM是可读可写存储器，读出时，RAM中的内容不被破坏；写入时，刚写入的信息就会消除原有的信息。为防止去电后RAM中的内容丢失，PLC使用了专用电池对部分RAM供电，这样在PLC断电后，它仍有电池供电，使得RAM中的信息保持不变。RAM中一般存放以下内容。

● 用户程序：在编程时，通过编程设备输入的程序经过预处理后，存放在RAM的从00000开始的地址区。

● 逻辑变量：在RAM中若干个存储单元用来存放逻辑变量，用PLC的术语来说这些逻辑变量就是指输入/输出继电器、内部辅助继电器、保持继电器、定时器、计数器和移位继电器等。

● 供内部程序使用的工作单元：不同型号的PLC存储器的容量是不相同的，在技术说明书中，一般都给出与用户编程和使用有关的指标，如输入/输出继电器的数量，保持继电器的数量，内部辅助继电器的数量，定时器和计数器的数量，允许用户程序的最大长度等。这些指标都间接地反映了RAM的容量，而ROM的容量与PLC的复杂程度有关。

2.电源部件

电源部件将交流电源转换成供PLC的CPU、存储器等电子电路工作所需要的直流电源，使PLC能正常工作，它的好坏直接影响PLC的功能和可靠性。因此，目前大部分PLC采用开关式稳压电源供电，用锂电池作停电时的后备电源。

3.输入/输出部分

这是PLC与被控设备相连接的接口电路。现场设备输入给PLC的各种控制信号，如限位开关、操作按钮、选择开关、行程开关以及其他一些传感器输出的开关量或模拟量（要通过模数变换进入PLC内）等，通过输入接口电路将这些信号转换成CPU能够接收和处理的信号。输出接口电路将CPU送出的弱电控制信号转换成现场需要的强电信号输出，以驱动电磁阀、接触器等被控设备的执行元件。

（1）输入接口电路

现场输入接口电路一般是由光电耦合电路和模块输入接口电路组成的。

① 光电耦合电路。

采用光电耦合电路与现场输入信号相连的目的是为了防止现场的强电干扰进入PLC。光电耦合电路的关键器件是光电耦合器，一般由发光二极管和光电三极管组成。

光电耦合器的信号传感原理是在光电耦合器的输入端加上变化的电信号，发光二极管就产生与输入信号变化规律相同的光信号。光电三极管在光信号的照射下导通，导通程度与光信号的强弱有关。在光电耦合器的线性工作区，输出与输入信号呈线性关系。

光电耦合器的抗干扰性能很好，这是由于输入和输出端是靠光信号耦合的，在电气上是完全隔离的。因此，输出端的信号不会反馈到输入端，也不会产生地线干扰或其他串扰。

由于发光二极管的正向阻抗值较小，而外界干扰源的内阻一般较高，根据分压原理可知，干扰源能馈送到输入端的干扰噪声很小。正是由于PLC在现场信号的输入环节采用了光电耦合器，才增强了抗干扰能力。

② 模块输入接口电路。

模块输入接口电路一般由输入数据寄存器、选通电路和中断请求逻辑电路构成，这些电路集成在一块芯片上。现场的输入信号通过光电耦合器送到输入数据寄存器，再通过数据总线送给CPU。

（2）输出接口电路

输出接口电路一般由模块输出接口电路和功率放大电路组成。

模块输出接口电路一般由输出数据寄存器、选通电路和中断请求电路构成。CPU通过数据总线将要输出的信号放到输出数据寄存器中。功率放大电路是为了适应工业控制的要求，将输出的信号加以放大。PLC一般采用继电器输出，有的也采用可控硅或晶体管输出。

4.编程方式

PLC的编程方式有两种：一种是利用手持编程器，它是由键盘、显示器和工作方式选择开关等组成的，主要用于调试简单程序、现场修改参数及监视PLC自身的工作情况；另一种是利用上位计算机中的专业编程软件，它主要用于编写较大型的程序，并能灵活地修改、下载及在线调试程序，它的应用较前者更为广泛，详细内容参见第8章。