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。

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图1.1.1 PLC硬件结构图

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

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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。

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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、

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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

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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80～100VA（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。

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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。

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