科普：PLC 的基本组成与各部分的作用，你都知道吗？
PLC的基本组成
整体式 PLC 是将中央处理单元（CPU）、存储器、输入单元、输出单元、电源、通信接口等组装成一体，构成主机。另外还有独立的 I/O 扩展单元与主机配合使用。主机中，CPU是PLC的核心，I/O单元是连接CPU与现场设备之间的接口电路，通信接口用于PLC与编程器和上位机等外部设备的连接。 组合式PLC将CPU单元、输入单元、输出单元、智能I/O单元、通信单元等分别做成相应的电路板或模块，各模块插在底板上，模块之间通过底板上的总线相互联系。装有CPU单元的底板称为 CPU 底板，其他称为扩展底板。CPU 底板与扩展底板之间通过电缆连接，距离一般不超过10m。 无论哪种结构类型的PLC，都可根据需要进行配置与组合。例如OMRON CPM1A 型PLC为整体式结构，通过主机连接I/O扩展单元，I/O点数可在10～160点的范围内进行配置。组合式PLC则在I/O配置上更方便、更灵活。 图1所示为整体式PLC的组成示意图，图2所示为组合式PLC的组成示意图。
图1 整体式PLC的组成示意图
图2 组合式PLC的组成示意图 PLC各部分的作用1.中央处理单元（CPU） CPU在PLC中的作用类似于人体的神经中枢，它是PLC的运算、控制中心。它按照系统程序所赋予的功能，完成以下任务。 （1）接收并存储从编程器输入的用户程序和数据。 （2）诊断电源、PLC内部电路的工作状态和编程的语法错误。 （3）用扫描的方式接收输入信号，送入PLC的数据寄存器保存起来。 （4）PLC进入运行状态后，根据存放的先后顺序逐条读取用户程序，进行解释和执行，完成用户程序中规定的各种操作。 （5）将用户程序的执行结果送至输出端。 现代PLC使用的CPU主要有以下几种。 （1）通用微处理器，如8080、6800、Z80A、8086等。通用微处理器的价格便宜，通用性强，还可以借用微机成熟的实时操作系统、丰富的软硬件资源。 （2）单片机，如8051等。单片机由于集成度高、体积小、价格低和可扩充性好，很适合在小型PLC上使用，也广泛地用于PLC的智能I/O模块。 （3）位片式微处理器，如AMD2900系列等。位片式微处理器是独立于微型机的另一分支。它主要追求运算速度快，它以 4 位为一片。用几个位片级联，可以组成任意字长的微处理器。改变微程序存储器的内容，可以改变计算机的指令系统。位片式结构可以使用多个微处理器，将控制任务划分为若干个可以并行处理的部分，几个微处理器同时进行处理。这种高运算速度与可以适应用户需要的指令系统相结合，很适合于以顺序扫描方式工作的PLC使用。 2.存储器 根据存储器在系统中的作用，可以把它们分为以下3种。 （1）系统程序存储器：和各种计算机一样，PLC也有其固定的监控程序、解释程序，它们决定了PLC的功能，称为系统程序，系统程序存储器就是用来存放这部分程序的。系统程序是不能由用户更改的，故所使用的存储器为只读存储器ROM或EPROM。 （2）用户程序存储器：用户根据控制功能要求而编制的应用程序称为用户程序，用户程序存放在用户程序存储器中。由于用户程序需要经常改动、调试，故用户程序存储器多为可随时读写的RAM。由于RAM掉电会丢失数据，因此使用RAM作用户程序存储器的PLC，都有后备电池（锂电池）保护 RAM，以免电源掉电时，丢失用户程序。当用户程序调试修改完毕，不希望被随意改动时，可将用户程序写入 EPROM。目前较先进的 PLC（如欧姆龙公司的CPM1A型PLC）采用快闪存储器作用户程序存储器，快闪存储器可随时读写，掉电时数据不会丢失，不需用后备电池保护。 （3）工作数据存储器：工作数据是经常变化、经常存取的一些数据。这部分数据存储在RAM中，以适应随机存取的要求。在PLC的工作数据存储区，开辟有元件映象寄存器和数据表。 元件映象寄存器用来存储 PLC 的开关量输入/输出和定时器、计数器、辅助继电器等内部继电器的ON/OFF状态。 数据表用来存放各种数据，它的标准格式是每一个数据占一个字。它存储用户程序执行时的某些可变参数值，如定时器和计数器的当前值和设定值。它还用来存放A/D转换得到的数字和数学运算的结果等。 根据需要，部分数据在停电时用后备电池维持其当前值，在停电时可以保持数据的存储器区域称为数据保持区. 3.I/O单元 I/O单元也称为I/O模块。PLC通过I/O单元与工业生产过程现场相联系。输入单元接收操作指令和现场的状态信息，如控制按钮、操作开关和限位开关、光电管、继电器触点、行程开关、接近开关等信号，并通过输入电路的滤波、光电隔离和电平转换等将这些信号转换成CPU能够接收和处理的信号。输出单元将CPU送出的弱电控制信号通过输出电路的光电隔离和功率放大等转换成现场需要的强电信号输出，以驱动接触器、电磁阀、电磁铁等执行元件。 I/O单元有多种类型，但各种I/O单元的原理基本相同。下面介绍几种常用的I/O单元，并说明其工作原理。 （1）开关量输入单元 PLC的开关量输入单元按照输入端电源类型的不同，分为直流输入单元和交流输入单元。 ① 直流输入单元。直流输入单元外接直流电源，电路如图 3 所示，虚线框内为 PLC内部输入电路，框外左侧为外部用户接线，图中只画出对应于一个输入点的输入电路，各个输入点所对应的输入电路均相同。图中，T 为一光电耦合器，它是将发光二极管与光电三极管封装在一个管壳中，当二极管中有电流流过时，二极管发光，使光电三极管导通；当二极管中无电流流过时，三极管不导通。 发光二极管LED指示该点输入状态。R1为限流电阻， R2 和 C 构成滤波电路，可滤除输入信号中的高频抖动。输入单元的外接直流电源的极性任意。当S闭合时，光电耦合器导通，A点为高电平，经滤波器、输入选择器后，送到I/O总线，CPU访问该路信号时，将该点对应的输入映象寄存器状态置1；发光二极管LED点亮，指示输入开关处于接通状态。当S断开时，光电耦合器不导通，A点为低电平，该电平经滤波电路、输入选择器后，送到I/O总线，CPU访问该路信号时，将该点对应的输入映象寄存器状态置0；发光二极管LED不亮，指示输入开关处于断开状态。
图3 直流输入电路 有的直流输入单元不需要外接电源，称为无源式输入单元。无源式输入单元的内部提供24V直流电源，用户只需将开关接在输入端子和公共端子之间即可，不用再外接电源，简化了输入端的接线。 ② 交流输入单元。交流输入单元外接交流电源，电路如图 4所示，虚线框内为 PLC内部输入电路，框外左侧为外部用户接线，图中只画出对应于一个输入点的输入电路，各个输入点所对应的输入电路均相同。电容C为隔直电容，对交流来说，相当于短路。R1和R2构成分压电路。光电耦合器中有两个反向并联的发光二极管。显示用的两个发光二极管也是反向并联的。所以这个电路可以接收外部的交流输入电压，其工作原理与直流输入电路基本相同。 在图3、图4所示的输入电路中，输入端子有一个公共端子COM，即有一个公共汇集点，因此称为汇点式输入方式。除此之外，输入单元还有分组式和分隔式。分组式输入单元的输入端子分为若干组，每组共用一个公共端子和一个电源。分隔式输入单元的输入端子互相隔离，互不影响，各自使用独立的电源。
图4 交流输入电路 （2）开关量输出单元 PLC的开关量输出单元按输出电路所用开关器件的不同可分为晶体管输出单元、晶闸管输出单元、继电器输出单元。 ① 晶体管输出单元。在晶体管输出单元中，输出电路采用三极管作为开关器件，电路如图5所示，虚线框内为PLC内部输出电路，框外右侧为外部用户接线。图中只画出对应于一个输出点的输出电路，各个输出点所对应的输出电路均相同。图中，LED为输出指示灯， T为输出三极管，D2为负载续流二极管，D1为保护二极管，FU为保险丝。工作原理如下：当对应于T的内部继电器的状态为1时，CPU通过I/O总线使输出锁存器对应的位为高电平， LED点亮，指示该输出点开关量为1状态；光电耦合器导通，三极管T饱和导通，负载通电。反之，当对应于T的内部继电器的状态为0时，CPU通过I/O总线使输出锁存器对应的位为低电平，LED不亮，指示该输出点开关量为0状态；光电耦合器截止，三极管T截止，负载失电，并通过续流二极管D2释放能量。
图5晶体管输出电路 晶体管开关量输出单元为无触点输出，使用寿命长，响应速度快。 ② 双向晶闸管输出单元。在双向晶闸管输出单元中，输出电路采用的开关器件是光控双向晶闸管，电路如图6所示，虚线框内为PLC内部输出电路，框外右侧为外部用户接线。图中只画出对应于一个输出点的输出电路，各个输出点所对应的输出电路均相同。图中，T为双向晶闸管，它把两个晶闸管反向并联，当发光二极管导通发光时，外接电源无论正负，双向晶闸管均可导通。LED为输出指示灯，R、C构成阻容吸收电路，FU为保险丝。工作原理如下：当对应于T的内部继电器的状态为1时，T导通，负载得电，同时输出指示灯LED点亮。当对应于T的内部继电器的状态为0时，T关断，负载失电，指示灯LED灭。
图6 晶闸管输出电路 ③ 继电器输出单元。在继电器输出单元中，输出电路采用的开关器件是继电器。电路如图 7 所示，虚线框内为 PLC 内部输出电路，框外右侧为外部用户接线。图中只画出对应于一个输出点的输出电路，各个输出点所对应的输出电路均相同。图中，R和LED组成输出状态显示器，J为一小型直流继电器，FU为保险丝。工作原理如下：当对应于J的内部继电器状态为1时，输出指示灯LED点亮，J得电吸合，其常开触点闭合，负载得电。当对应于J的内部继电器状态为0时，指示灯LED灭，J失电，其常开触点断开，负载失电。
图7 继电器输出电路 继电器输出电路中的负载电源可以根据需要选用直流或交流。继电器的工作寿命有限，触点的电气寿命一般为10万～30万次，因此在需要输出点频繁通断的场合（如脉冲输出），应使用晶体管型输出电路。另外，继电器从线圈通电到触点动作，存在延迟时间，这是造成输出滞后输入的原因之一。 输出单元按照使用公共端子的情况分类，也有汇点式、分组式、分隔式三种接线方式。 4.智能单元 PLC除开关量I/O基本单元外，还有多种智能单元。智能单元本身是一个独立的计算机系统，它有自己的CPU、系统程序、存储器，以及与外界过程相连的接口。另外，根据单元的功能还有一些特殊组成部分。智能单元是PLC系统的一个模块，和CPU单元通过系统总线相连接，进行数据交换，并在CPU单元的协调管理下独立地进行工作。这里所说的独立是指智能单元的工作不参加循环扫描过程，而是按照它自己的规律参与系统工作，即多数情况下的运算功能都由其本身的CPU完成的。 目前已开发的常用的智能单元有：A/D单元、D/A单元、高速计数单元、位置控制单元、PID控制单元、温度控制单元和各种通信单元等。 通信单元用来完成PLC与其他PLC、上位计算机或智能控制设备之间的通信，构成各种网络。例如，OMRON 的远程I/O 单元用于PLC I/O 点的远程扩展，通过远程I/O 单元的通信功能，PLC 可以读/写远程从站上的 I/O 点；HOST Link 单元用于 PLC 与上位机之间的通信，构成HOST Link 网；PLC Link 单元用于PLC 与PLC 之间的通信，构成PLC Link 网。 5.电源 现代PLC一般配有开关式稳压电源，供内部电路使用。与普通电源相比，开关电源的输入电压范围宽、体积小、重量轻、效率高、抗干扰性能好。有的PLC还向外提供24 VDC 的直流电源，给开关量输入单元连接的现场无源开关使用，或给外部传感器供电。 6.扩展口 扩展口是PLC的总线接口。当用户所需的I/O点数或类型超出主机上的点数或类型时，可以通过加接I/O扩展单元来解决。主机与I/O扩展单元通过扩展口连接. 7.编程工具 编程工具的主要作用是用来编辑程序、调试程序和监控程序的执行，还可以在线测试PLC的内部状态和参数，与PLC进行人机对话。因此编程工具是开发、应用、监控运行和检查维护PLC不可缺少的设备。编程工具可以是简易编程器，也可以是配有专用编程软件的通用计算机。 （1）简易编程器 简易编程器是PLC厂家提供的配套产品，只能适用于与之配套的PLC。它只能输入和编辑语句表程序，不能直接输入和编辑梯形图程序，可直接插在PLC的编程器的插座上，或者用电缆与PLC相连。 （2）计算机辅助编程 世界上各 PLC 生产厂家都提供在个人计算机上运行的辅助编程软件，如欧姆龙公司的CX-P 编程软件。应用不同型号和厂家的 PLC，只需要更换相应的软件就可以了。编程软件的功能很强，它可以编辑、修改用户的程序，监控系统运行，打印文件，采集和分析数据，在屏幕上显示系统运行状况，对工业现场和系统仿真，将程序备份保存，实现计算机和PLC之间的程序相互传送等。 |
