2.2 PLC硬件组成

PLC本身就是一台适合工业现场使用的专用计算机，其硬件结构如图2-1所示。

PLC是一种以微处理器为核心的专用于工业控制的特殊计算机，其硬件组成与一般的微型计算机相类似，虽然不同厂家PLC的结构多种多样，但其基本结构是相同的，即主要由中央处理器（CPU）、存储器、输入/输出单元、电源、I/O扩展端口、通信单元等有机组合而成。根据结构的不同，PLC可以分为整体式和组合式（也称模块式）两类。整体式PLC所有部件都装在同一机壳内，结构紧凑、体积小。小型机常采用这种结构，如德国西门子（SIEMENS）公司的S7-200系列PLC。组合式PLC是将组成PLC的多个单元分别做成相应的模块，各模块在导轨上通过总线连接起来。大中型PLC常采用这种方式，如西门子公司的S7-300/400系列PLC。西门子公司整体式PLC如图2-2所示，组合式PLC如图2-3所示。

（1）中央处理器单元（CPU）

CPU是PLC的核心部件，能使PLC按照预先编好的系统程序来完成各种控制。小型PLC多用8位微处理器或单片机；中型PLC多用16位微处理器或单片机；大型PLC多用双极型位片机。其作用如下。

①接收并存储用户程序和数据。

②接收、调用现场输入设备的状态和数据。先将现场输入的数据保存起来，在需要用的时候调用该数据。

③诊断电源及PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误，发现错误时会立即报警。

④当PLC进入运行（Run）状态时，CPU根据用户程序存储的先后顺序依次执行，完成程序中规定的操作。

⑤根据程序运行的结果更新有关标志位的状态和输出映像寄存器的内容，再经输出部件实现输出控制或数据通信功能。

（2）存储器

PLC的存储器是用于存储数据和程序的，可以分为系统程序存储器（ROM或EPROM）、用户程序存储器（RAM）、工作数据存储器（RAM/FLASH）。系统程序存储器决定了PLC的功能，它是只读存储器，用户不能更改其内容。PLC中常用RAM来存储用户程序，RAM的工作速度快，价格便宜、改写方便，同时在PLC中配有锂电池，当外部电源断电时，可以保存RAM中的信息。用于存储工作数据的区域称为工作数据区。工作数据是经常变化和存取的，所以工作数据存储器必须是可读写的。

（3）输入/输出单元

输入/输出单元是PLC与外部设备互相联系的窗口。实际的生产中信号电平是多样的，外部执行机构所需要的电平也是不同的。但是CPU所处理的信号只能是标准电平，因此需要通过输入/输出单元来实现对这些信号电平的转换。它实质上是PLC与被控对象之间传送信号的接口部件。输入单元接收现场设备向PLC提供的信号，如按钮、开关、继电器触点、拨码器等开关量信号。这些信号经过输入电路的滤波、光电隔离、电平转换等处理后变成CPU能够接收和处理的信号。输出单元将经过CPU处理的微弱电信号通过光电隔离、功率放大等处理后转换成外部设备所需要的强电信号，从而来驱动各种执行元件，如接触器、电磁阀、调节器、调速装置等。

（4）电源

一般情况下PLC使用220V的交流电源或24V的直流电源。电源部件将外部输入的交流电经整流滤波处理后转换成供PLC的中央处理器、存储器等内部电路工作所需要的5V、12V、24V等不同电压等级的直流电源，使PLC能正常工作。许多PLC的直流电源多采用直流开关稳压电源，不仅可以提供多路独立的电压供内部电路使用，还可以向外部提供24V的直流电源，给输入单元所连接的外部开关或传感器供电。

一般对于整体式PLC，电源部件封装在主机内部，对于模块式PLC，电源部件一般采用单独的电源模块。

（5）I/O扩展端口

PLC的I/O端口是十分重要的资源，扩展I/O端口是提高PLC控制系统经济性能指标的重要手段。当PLC主控单元的I/O点数不能满足用户的需求时，可以通过I/O扩展端口用扁平电缆将I/O扩展单元与主控单元相连，以增加I/O点数。大部分的PLC都有扩展端口。主机可以通过扩展端口连接I/O扩展单元来增加I/O点数，也可以通过扩展端口连接各种特殊功能单元以扩展PLC的功能。

（6）外设端口

PLC可以通过外设端口与各种外部设备相连接。例如连接终端设备进行程序的设计、调试和系统监控；连接打印机可以打印用户程序、打印PLC运行过程中的状态、打印故障报警的种类和时间等；连接EPROM写入器，将调试好的用户程序写入EPROM，以免被误改动等；有的PLC还可以通过外部设备端口与其他PLC、上位机进行通信或加入各种网络。

（7）编程工具

编程工具是开发应用和检查维护PLC以及监控系统运行不可或缺的外部设备。利用编程工具可以将用户程序输入到PLC的存储器，还可以检查、修改、调试程序以及监视程序的运行。PLC的编程工具有两种形式：一种是手持编程器，它由键盘、显示器和工作方式选择开关等组成，主要用于调试简单的程序、现场修改参数以及监视PLC自身的工作情况；另一种是利用上位计算机中的专业编程软件（如西门子S7-300PLC用的STEP7软件），它主要用于编写较大型的程序，并能够灵活地修改、下载、安装程序以及在线调试和监控程序。编程软件的应用更为广泛。

（8）智能单元

智能单元是PLC中的一个模块，它与CPU通过系统总线连接，并在CPU的协调管理下独立地进行工作。常用的智能单元包括高速计数器单元、A/D单元、D/A单元、位置控制单元、PID控制单元、温度控制单元等。