PLC的硬件基础知识

第1章 PLC 的硬件详细介绍目前市场上主要有德国西门子(SIEMENS);日本三菱(MITSUBISHI)、欧姆龙（OMRON ）、富士电机（FUJI ）、松下电工；法国施耐德（SCHNEIDER 、MODICON ）,韩国三星（SAMSUNG ）、ABB 、GE 、日立等公司生产的PLC ，虽然厂商不一样，但其PLC 的原理基本一致。

1.1 PLC 硬件结构和电路PLC 主要由中央处理器（CPU ）、存储器（RAM 、ROM ）、输入输出单元（I/O ）、电源、I/O 扩展接口、外设接口以及外围编程设备等几大部分组成。

其硬件结构图如图1.1所示。

图1.1.1 PLC 硬件结构图外部设备输出设备 微处理器（CPU ） 运算器控制器输出部 件输入部 件系统 存 储 器用户 存 储 器II/O 扩 展 接 口通讯 及 编 程 接 口编程设备计算机打印机等传感器按钮、开关现场信号 电磁阀中间继电器 执行器 输入设备 扩展设备扩展单元 通讯模块 功能模块电源变换器～110V/220V 市电PLC 基本单元1.1.1 中央处理器（CPU）中央处理单元（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个芯片上。

CPU通过地址总线、数据总线、控制总线与存储器、输入输出接口电路连接。

CPU常用的微处理器通常有通用型微处理器（Intel公司的8086、80186、奔腾等系列芯片）、单片机（Intel公司的MCS-96系列单片机等）和位片式微处理器（AMD2900系列微处理器）等三类。

小型PLC多采用单片机或专用CPU，中型PLC大多采用16/32位微处理器或单片机，大型和超大型PLC 大多采用高速位片式处理器，具有高速处理能力。

CPU的主要功能：1) 从存储器中读取指令2) 执行指令3) 顺序取指令4) 处理中断、数据传送、逻辑运算、算术运算等1.1.2 存储器（RAM、ROM）PLC的存储器（内部存储器）包括系统存储器和用户存储器。

系统存储器用来存放由PLC厂家编写的系统程序（机械源代码、BIOS程序等），系统存储器一般是ROM存储器，用户一般不能更改。

用户存储器包括用户程序存储区和数据存储区两部分，用户存储器一般是ROM、EPROM或EEPROM存储器。

用户程序存储区用来存放用户用编程软件编写的程序，用户根据具体的情况可以更改；数据存储区用来存放用户程序中所使用器件的ON/OFF状态、数值和数据等中间运算结果。

PLC的存储器由随机存储器RAM、只读存储器ROM、可擦写存储器EEPROM3大部分构成。

ROM用于存放系统程序，用户不可以改变，其数据断电后不会消失，PLC在生产过程中就已经将程序固化在其程序中。

RAM用于存储用户程序和中间运算数据，其数据断电后消失，在关断PLC的外部电源后，可以用锂电池保存RAM中的用户程序和某些数据（目前已经采用更先进的技术保存其数据）。

EEPROM皆有ROM的非易失性和RAM的随机存取的优点，用于存放需要长期保存的重要数据。

其主要功能：1) 存放模块化应用功能子程序；2) 存放命令解释程序；3) 存放功能子程序的调用管理程序；4) 存放存储系统参数。

1.1.3 输入输出单元（I/O）I/O单元实际上是I/O电路，PLC的CPU 模块I/O单元和扩展模块的I/O 单元，一般小型PLC（西门子S7-200、三菱F2N系列PLC）的CPU模块I/O口大多数只有开关量I/O口；扩展模块的I/O单元有开关量、模拟量、热电偶等。

PLC内部输入电路将PLC外部电路(开关量信号——从按钮、选择开关、数字拨码开关、限位开关、接近开关、光电开关、压力继电器等输入.模拟量信号——由电位器、热电偶、测速电机和各种变送器等输入),通过光耦合电路送至PLC内部电路。

输入单元的作用是接收和采集输入信号，输出单元的作用是控制输出设备，执行装置。

1. 输入接口电路为了防止由于触点抖动或干扰脉冲引起错误的输入信号，因此输入接口电路必须有很强的抗干扰能力。

其抗干扰的方法有：利用光耦合器提高抗干扰能力和利用滤波电路提高抗干扰能力。

输入接口电路图1.1.2所示.图1.1.2 直流高电平有效输入接口电路根据输入电路的电压类型和电路形式的不同，可以分为干结式、直流输入式和交流输入式;按电平的有效形式可分为高电平有效型和低电平有效型，上图是直流输入式高电平有效型接口电路。

一般直流数字量输入端口电压定额一般接DC24V(PLC西门子S7-200、三菱F2N系列PLC,但三菱F2N系列PLC由于输入接口电路已经带有24VDC电源，因此不再接入电源)。

2. 输出接口电路根据PLC的输出电路结构的不同可将输出接口电路分为：小型继电器输出型、晶体管输出型和晶闸管输出型3种。

PLC小型PLC继电器输出电路型允许负载一般是AC250V/DC50V以下，负载电流可达2A，容量可达80～100V A（电压×电流），因此，PLC的输出一般不宜直接驱动大电流负载（一般通过一个小负载来驱动大负载，如PLC的输出可以接一个电流比较小的中间继电器，再由中间继电器触点驱动大负载，如接触器线圈等）。

PLC继电器输出电路的继电器触点的使用寿命也有限制（一般数十万次左右，根据负载而定，如连接感性负载时的寿命要小于阻性负载）。

此外，继电器输出的响应时间也比较慢（10ms）左右，因此，在要求快速响应的场合不适合使用此种类型的电路输出。

继电器输出型电路见下图1.1.3所示。

图1.1.3 小型继电器输出型电路晶体管输出型电路相比于继电器输出响应快（一般在0.2ms以下），适用于要求快速响应的场合；由于晶体管是无机械触点，因此比继电器型输出电路的寿命长。

晶体管输出型电路的电源只能是直接电源，这是其应用局限的一方面。

另外，晶体管输出驱动能力要小于继电器输出，允许负载电压一般为DC5V～30V，允许负载电流为0.2A～0.5A。

晶体管输出型电路的主要有两种：NPN和PNP型集电极开路输出。

PLC晶体管型输出电路见下图1.1.4所示。

图1.1.4 晶体管输出形式电路双向晶闸管输出型的驱动能力要比继电器输出型的要小，允许负载电压一般为AC85～242V；单点输出电流为0.2A～0.5A，当多点共用公共端时，每点的输出电流应减小（如单点驱动能力为0.3A的双向晶闸管输出，在4点共用公共端时，最大允许输出为0.8A/4点）。

晶闸管输出型电路见图1.1.5所示。

图1.1.5 晶闸管输出型电路注意：为了保护晶闸管，通常在PLC内部电路晶闸管的两端并接RC阻容吸收元件（一般为0.015uF/22Ω左右）和压敏电阻，因此在晶闸管关断时，PLC 的输出仍然有1～2mA的开路漏电流，这就可能导致一些小型继电器在PLC输出OFF时无法关断的情况。

1.1.4 I/O扩展接口当PLC的CPU基本I/O单元的输入/输出点数不够使用和不能满足使用条件时，用I/O扩展接口接连接扩展模块，以满足输入/输出点数和使用条件。

1.1.5 电源电源单元是由电源电路构成，电源单元的作用是把外部电源（220V的交流电源）转换成内部工作电压。

PLC使用220V交流电源或24V直流电源，内部的开关电源为各模块提供DC5V、±12V和±24V等直流电源，使PLC能正常工作。

PLC通常还可以为外部电路和电子传感器提供24V的直流电压，但使用时要注意其自带电源的容量。

1.1.6 其他部件和外设接口通信接口用于与PC机等通信设备相连。

外设接口电路用于连接手持编程器或其他图形编程器、文本显示器，并能通过外设接口组成PLC的控制网络。

PLC 通过PC/PPI电缆或使用MPI卡通过RS-485接口与计算机连接，可以实现编程、监控、连网等功能。

1.2 PLC的工作原理PLC在本质上是一台微型计算机，其工作原理与普通计算机类似，具有许多相似特点，但其工作方式却与微机有较大的不同，具有一定的特殊性。

PLC的工作方式是周期循环扫描，其工作过程是：输入处理阶段（输入采样）程序执行阶段（程序扫描）输出处理阶段（输出刷新）。

其程序执行原理如图1.2.1所示图1.2.1 其程序执行原理PLC执行完上图中所示的所有过程，称为一个扫描周期，PLC完成一个周期后，又重新执行上述过程，扫描周而复始地进行。

其工作的流程图见图 1.2.2所示，其扫描过程图见图1.2.3所示。

按钮接触器按钮输入电路输入映象寄存器输出映象寄存器输出电路（ ）程序执行图1.2.2 PLC工作的流程图图1.2.3 扫描工作过程图1.3 实际使用时PLC的选型原则和注意事项在实际运用中应根据受控对象的性能、特点和控制系统的要求，选择质量、性价比较高品牌，能满足系统性能要求的PLC 。

其选用PLC时主要考虑一下几点：1.输入点数、输出点数，输入量的形式，输出驱动负载的特点。

输入量有数字量和模拟量两种，一般小型PLC（西门子S7-200、三菱F2N 系列PLC）的CPU模块I/O口大多数只有开关量I/O口；扩展模块的I/O单元有开关量、模拟量、热电偶等。

当PLC的CPU模块的I/O口点数不够或不能满足性能要求时，需要增加扩展模块来满足系统的要求。

PLC输出有继电器输出型、晶体管输出型、晶闸管输出型三种。

继电器输出型允许负载一般是AC250V/DC50V以下，负载电流可达2A。

晶体管输出型相比于继电器输出型响应快（一般在0.2ms以下），适用于要求快速响应的场合；比继电器输出型的寿命长，允许负载电压一般为DC5V～30V，允许负载电流为0.2A～0.5A。

双向晶闸管输出型允许负载电压一般为AC85～242V；单点输出电流为0.2A～0.5A，当多点共用公共端时，每点的输出电流应减小（如单点驱动能力为0.3A的双向晶闸管输出，在4点共用公共端时，最大允许输出为0.8A/4点）。

2.存储器容量的大小程序容量应小于存储器容量。

存储器容量是可编程序控制器本身能提供的硬件存储单元大小，程序容量是存储器中用户应用项目使用的存储单元的大小，因此程序容量应小于存储器容量。

为了设计选型时能对程序容量有一定估算，通常采用存储器容量的估算来替代。

存储器内存容量的估算没有固定的公式，许多文献资料中给出了不同公式，大体上都是按数字量I/O点数的10～15倍，加上模拟I/O点数的100倍，以此数为内存的总字数（16位为一个字），另外再按此数的25%考虑余量。

3.PLC的控制功能要满足控制系统的要求PLC的运算功能、控制功能、指令系统、通信功能、编程功能、诊断功能和处理速度等特性应满足系统的要求。

一般在工艺过程比较固定、环境条件较好（维修量较小）的场合，建议选用整体式结构的ＰＬＣ；其它情况则最好选用模块式结构的ＰＬＣ。