3.5 PLC的系统组成
PLC实质上是一种工业控制计算机。PLC与计算机的组成十分相似，只不过它比一般的计算机具有更强的与工业过程相连接的接口，以及更直接的适应控制要求的编程语言。从硬件结构看，它由CPU、存储器、输入/输出接口、电源等组成。PLC的结构框图如图3-1所示。
图3-1 PLC结构框图
3.5.1 中央处理器（CPU）
中央处理器（CPU）一般由控制器、运算器和寄存器组成，这些电路都集成在一块芯片内。CPU通过数据总线、地址总线和控制总线与存储单元、输入/输出接口电路相连接。
与一般计算机一样，CPU是PLC的核心，它按PLC中系统程序赋予的功能指挥PLC有条不紊地工作。用户程序和数据事先存入存储器，当PLC处于运行方式时，CPU按循环扫描方式执行用户程序。
CPU主要完成下列工作：
①接收、存储用户通过编程器等输入设备输入的程序和数据。
②用扫描的方式通过I/O部件接收现场信号的状态或数据，并存入输入映像寄存器或数据存储器。
③诊断PLC内部电路的工作故障和编程中的语法错误等。
④PLC进入运行状态后，执行用户程序，完成各种数据的处理、传输，存储相应的内部控制信号，以完成用户指令规定的各种操作。
⑤响应各种外围设备（如编程器、打印机等）的请求。
3.5.2 存储器
PLC的存储器包括系统存储器和用户存储器。
（1）系统存储器
系统存储器用来存放由PLC生产厂家编写的系统程序，并固化在ROM内，用户不能直接更改。它使PLC具有基本的功能，能够完成PLC设计者规定的各项工作。系统程序质量的好坏，很大程度上决定了PLC的性能。
（2）用户存储器
用户存储器包括用户程序存储器（程序区）和数据存储器（数据区）两部分。用户程序存储器用来存放用户针对具体控制任务而用规定的PLC编程语言编写的各种用户程序。用户程序存储器根据所选用的存储器单元类型的不同（可以是RAM、EPROM或EEPROM存储器），其内容由用户修改或增删。用户数据存储器用来存放（记忆）用户程序中所使用器件的ON/OFF状态和数值、数据等。它的大小关系到用户程序容量的大小，是反映PLC性能的重要指标之一。
PLC使用的存储器类型有下述三种。
①随机存取存储器（RAM） 用户可以用编程装置读出RAM中的内容，也可以将用户程序写入RAM，因此RAM又叫读/写存储器。它是易失性的存储器，电源中断后，其存储的信息将丢失。
RAM的工作速度快，价格便宜，改写方便。在关断可编程控制器的外部电源后，可用锂电池保存RAM中的用户程序和某些数据。锂电池可用2～5年，需要更换锂电池时，由PLC发出信号通知用户。现在大部分PLC已不用锂电池来完成掉电保护功能了。
②只读存储器（ROM） ROM的内容只能读出，不能写入。它是非易失性的，电源消失后，其仍能保存存储的内容。ROM一般用来存放可编程控制器的系统程序。
③可电擦除可编程的只读存储器（EEPROM或E2PROM） 它是非易失性的。但是可以用编程装置对其编程，兼有ROM的非易失性和RAM的随机存取优点，但是信息写入所需的时间比RAM长得多。EEPROM用来存入用户程序和需长期保存的重要数据。
3.5.3 输入/输出接口
输入/输出单元是PLC与外界连接的接口。输入单元接收来自用户设备的各种控制信号，通过接口电路将这些信号转换成中央处理器能够识别和处理的信号，并存到输入映像寄存器。运行时，CPU从输入映像寄存器读取输入信息并进行处理，然后将处理结果放到输出映像寄存器。输出映像寄存器由输出点相对应的触发器组成，输出接口电路将其由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、指示灯等被控设备的执行元件。
当S7-200主机的输入/输出点数不能满足控制的需要时，可以选配各种模块来扩展。
PLC的接口模块有数字量模块、模拟量模块、智能模块等。
（1）数字量模块
①数字量输入模块 数字量输入模块的每一个输入点可接收一个来自用户设备的离散信号，如按钮、各类开关、继电器触点等。
• 直流输入模块。直流输入模块的输入电路如图3-2所示，图中，R1为限流电阻；R2和C构成滤波电路，可以滤掉输入信号的谐波；VL为输入指示灯；VLC为光耦合器。输入模块的外接直流电源极性可以任意选择。
图3-2 直流输入模块电路原理图
直流模块的工作原理是：当输入开关闭合时，现场开关闭合后，外部直流电压经过电阻R1和阻容滤波后加到双向光耦合器的发光二极管上；经光耦合，光敏晶体管接收光信号，并将接收的信号送入内部状态。即当现场开关闭合时，对应的输入映像寄存器为“1”状态；当现场开关断开时，对应的输入映像寄存器为“0”状态。当输入端的发光二极管（VL）点亮，即指示现场开关闭合时，光耦合器隔离了输入电路与PLC内部电路的电气连接，使外部信号通过光耦合变成内部电路能接收的标准信号。
• 交流输入模块。交流输入模块的电路原理图如图3-3所示。为防止输入信号过高，每路输入信号并接取样电阻R1用来限幅；为减少高频信号窜入，串接R2、C作为高频去耦电路；R2、R3对交流电压起到分压作用。
图3-3 交流输入模块电路原理图
交流模块的工作原理是：当输入开关闭合时，交流电源经C、R2、双向光耦合器，将该信号送至PLC内部电路，供CPU处理。双向二极管VL指示输入状态。
②数字量输出模块
• 直流输出模块。直流输出模块的电路原理图如图3-4所示。直流输出模块是晶体管输出方式，外加直流负载电源。当CPU根据用户程序的运算把输出信号送入PLC的输出映像区后，通过内部总线把输出信号送到输出锁存器中。当输出锁存器的对应位为“1”时，其对应的晶体管V导通，把负载L和电源连通起来，使得负载L获得电流，发光二极管VL导通；当输出锁存器的对应位为“0”时，其对应的晶体管V截止，把负载L和电源隔断，使得负载不会获得电流，发光二极管VL不导通。
图3-4 直流输出模块电路原理图
• 交流输出模块。交流输出模块的电路原理图如图3-5所示。交流输出模块采用光控双向硅开关驱动，所以又叫双向二极晶闸管输出模块，外加交流电源。当CPU根据用户程序的运算把输出信号送入PLC的输出映像区后，通过内部总线把输出信号送到输出锁存器中。当输出锁存器的对应位为“1”时，其对应的光耦合器VLC导通，把负载L和电源连通起来，使得负载L获得电流，发光二极管VL发光。当输出锁存器的对应位为“0”时，其对应的光耦合VLC截止，把负载L和电源隔断，使得负载不会获得电流，发光二极管VL不导通。
图3-5 交流输出模块电路原理图
当晶闸管由导通变为阻断时，如果负载中含有电感的话，电感中磁场能量的释放是通过阻容吸收电路R3、C和压敏电阻RV吸收的。
• 交直流输出模块。其输出电路图如图3-6所示。交直流输出模块采用断电器输出方式。当输出锁存器的对应位为“1”时，其对应的二极管VL导通发光，继电器K1的线圈带电，K1的触点把负载L和电源连通起来，使得负载L获得电流；当输出锁存器的对应位为“0”时，其对应的二极管VL不导通，K1线圈不带电，K1的触点把负载L和电源隔断，使得负载L不会获得电流。
图3-6 继电器输出模块电路原理图
（2）模拟量模块
在工业控制中，除了用数字量信号来控制外，有时还要用模拟量信号进行控制。模拟量模块有模拟量输入模块、模拟量输出模块和模拟量输入输出模块。
①模拟量输入模块（A/D） 模拟量输入模块又称A/D模块，是把模拟信号转换成PLC的CPU可以接收的数字量，一般为12位二进制数，也有比12位高的或比12位低的。应该说，数字量位数越多的模块，分辨率越高。
②模拟量输出模块（D/A） 模拟量输出模块又称D/A模块，是把PLC的CPU送往模拟量输出模块的数字量转换成外部设备可以接收的模拟量（电压或电流）。一般输出模拟信号都是标准的传感器信号。模拟量输出模块所接收的数字信号一般为12位二进制数，也有比12位高的或比12位低的。同样，数字量位数越多的模块，分辨率越高。
3.5.4 电源部分
PLC一般使用220V交流电源，内部的开关电源为PLC的中央处理器、存储器等电路提供5V、±12V、24V等直流电源，使PLC能正常工作。
电源部件的位置形式有多种。对于整体式结构的PLC，通常电源封装到机壳内部；对于模块式PLC，有的采用单独电源模块，有的将电源与CPU封装到一个模块中。
3.5.5 扩展接口
扩展接口用于将扩展单元以及功能模块与基本单元相连，使PLC的配置更加灵活，以满足不同控制系统的需要。
3.5.6 通信接口
为了实现“人—机”或“机—机”之间的对话，PLC配有多种通信接口。PLC通过这些通信接口与监视器、打印机和其他PLC或计算机相连。
当PLC与打印机相连时，可将过程信息、系统参数等输出打印；当与监视器（CPT）相连时，可将过程图像显示出来；当与其他PLC相连时，可以组成多机系统或联成网络，实现更大模块的控制；当与计算机相连时，可以组成多级控制系统，实现控制与管理相结合的综合控制。
3.5.7 编程器
编程器的作用是供用户进行程序的编制、编辑、调试和监视。用户通过编程器编写控制程序，并通过通信单元（编程器接口）将程序装入PLC。
还可以利用PC作为编程器。PLC生产厂家配有相应的编程软件，使用编程软件在屏幕上直接生成和编辑梯形图、语句表、功能块图和顺序功能图程序，并实现不同编程语言的相互转换。程序被编译后下载到PLC，也可以将PLC中的程序上传到计算机。程序可以存盘或打印；通过网络，还可以实现远程传送。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。