1.3 PLC的硬件结构

1.3.1 PLC的一般组成

工业自动控制中使用的PLC种类很多，不同类型的产品各有特点，但PLC在组成、工作原理及编程方法等许多方面是基本相同的。下面主要介绍其一般组成。

PLC是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术而发展起来的一种新型、通用的自动控制装置，其硬件组成与微型计算机相似。一般地，PLC主要由中央处理单元（CPU）、存储器、I/O接口、电源及其他可选组件构成。前三大部分是PLC完成各种控制任务所必需的，一般称为PLC的基本组成部分，如图1-1所示。其他可选组件包括编程器、外存储器、I/O模块及通信接口等。

1．中央处理单元（简称CPU）

中央处理单元是PLC的控制中枢，其性能决定了PLC的性能。CPU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上。PLC通过地址总线、数据总线、控制总线与存储器和输入/输出接口电路相连。CPU主要具有以下作用。

· 接收并存储用户程序和数据，用扫描方式通过输入/输出部件接收现场信号信息，并将输入状态或数据存入输入映像区或数据寄存器中。

· 检查电源、存储器及PLC内部电路的工作状态，并诊断用户程序中的语法错误。

· PLC进入运行状态后，从存储器逐条读取用户指令，经过命令解释后，按指令规定的任务进行数据传送，完成用户程序中规定的逻辑或算术运算，产生相应的控制信号去启动或关闭有关的控制电路以完成规定的操作。

· 根据运算结果，更新状态标志位和数据寄存器的内容，经输出部件实现输出控制。

2．存储器

存储器是具有记忆功能的半导体电路，主要用于存放系统程序、用户程序和工作数据等。存储器由存储体、地址译码电路、读/写控制电路及数据寄存器组成。PLC中使用的存储器由只读存储器ROM、随机存储器RAM及可擦除的只读存储器EPROM组成。存储器容量是衡量PLC性能的一个重要指标。

3．输入/输出模块

PLC的输入/输出信号分为开关量、模拟量和数字量三种。输入/输出模块是PLC与工业生产现场设备相连的桥梁。

输入接口模块接收来自现场检测部件或其他部件传来的各种状态控制信号，由接口电路将这些信号转换为CPU能识别和处理的信号，并存入输入映像寄存器。

输入接口采用光电耦合电路将PLC与现场设备隔离起来，以提高PLC的抗干扰能力。接口电路内部有滤波、电平转移及信号锁存电路等。各PLC生产厂家都提供了多种形式的I/O部件或模块供用户选用。

输出接口模块是PLC与现场设备之间的连接部件，用来将输出信号送给控制对象的输出接口。其作用是将中央处理器送出的弱电信号转换成现场需要的功率信号，驱动被控设备的执行元件。开关量输出接口电路有继电器输出型、晶体管输出型和晶闸管输出型三种类型。

输出接口电路也使用了光电耦合技术，每一点输出都有一个内部电路，由指示电路、隔离电路和继电器组成。输出接口电路具有输出状态锁存、显示、电平转移和输出接线端子排，有多种类型的输出部件或模块供用户选用。

4．电源模块

电源模块可将交流电转换成PLC内部所需的直流电。目前，大部分PLC采用可靠性较高、性能稳定的开关式稳压电源供电。

PLC除上述基本的组成部分外，根据控制要求的不同还有多种外部设备可供选择，其作用是帮助编程、实现监控及网络通信等。

1.3.2 S7-200的结构特点

1．整体式结构

早期的PLC一般采用整体式结构。采用整体式结构的PLC将CPU模块、输入/输出模块、电源模块及通信接口模块等基本模块紧凑地封装在一个机壳内，从而构成一个整体。一般地，微型、小型PLC采用整体式结构。

主要特点包括以下几点。

（1）结构紧凑简单，体积小，功能齐全，性价比较高。

（2）I/O点数固定，使用不够灵活，用户难以根据实际需求优化PLC硬件系统的配置。

（3）维修困难，故障影响面大。

适用环境：适用于控制比较集中的工业现场。

2．模块式结构

在模块式PLC结构中，按PLC的各个组成部分可将PLC划分为不同的模块，并将这些模块独立地进行物理封装。划分的模块一般包括CPU模块、输入模块、输出模块、电源模块和各种功能模块。各个模块功能是独立的，外形尺寸是统一的，安装时将这些模块插在框架上或基板上即可，它们由系统自动进行寻址连接，插入什么模块可根据需要进行配置。大、中型PLC多采用模块式结构形式。

主要特点包括以下几点。

（1）组成灵活，适用于多种规模的控制。

（2）I/O模块和I/O点数可调整，可以充分地利用硬件提供的功能，故障可以立即被隔离而不影响整个控制系统的功能。

（3）结构较复杂，插件较多。

适用环境：能够适应各种工业现场的分布式控制中。

3．混合式结构

混合式PLC综合了整体式PLC和模块式PLC的优点，由PLC主机和扩展模块组成。其中，PLC主机由CPU、存储器、通信接口电路、基本输入/输出电路及电源这些基本模块组成，相当于一个整体式PLC，可以单独完成控制功能。PLC主机几乎是任何一个控制系统所需要的最小组成，封装在一起是合理的；而扩展模块可以是输入/输出模块、模拟量模块、位置控制模块、PID模块及联网控制模块等智能模块。各个模块之间通过总线进行连接，由主机模块统一管理。

主要特点包括以下几点。

集中了整体式和模块式的优点，扩充性良好，模块丰富，扩大了PLC的应用范围，改善了控制性能，所以混合式PLC得到了迅猛发展。

适用环境：能够适用于各种复杂、恶劣的分布或集中环境。