3.1　PLC的硬件与工作原理

3.1.1　PLC的基本结构

PLC（Programmable Logic Controller）意思为可编程逻辑控制器，也可称为PC（Programmable Controller），意思为可编程控制器。它是一个以微处理器为核心的数字运算操作的电子系统装置，专为在工业现场应用而设计，它采用可编程序的存储器，用以在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时/计数和算术运算等操作指令，并通过数字式或模拟式的输入、输出接口，控制各种类型的机械或生产过程。PLC是微机技术与传统的继电接触器控制技术相结合的产物，它克服了继电接触器控制系统中的机械触点的复杂接线、可靠性低、功耗高、通用性和灵活性差的缺点，充分利用了微处理器的优点，又照顾到现场电气操作维修人员的技能与习惯，特别是PLC的程序编制，不需要专门的计算机编程语言知识，而是采用了一套以继电器梯形图为基础的简单指令形式，使用户程序编制形象、直观、方便易学，调试与查错也都很方便。

PLC的基本结构如图3-1所示。

① CPU模块　CPU模块主要由CPU芯片和存储器组成。

② 输入模块和输出模块　输入模块和输出模块简称I/O模块。其输入模块用来采集输入信号，输出模块用来输出信号以控制外部的执行器。另外，I/O模块还具有电平转换和隔离的作用。

③ 编程软件　编程软件为STEP7-Micro/WIN SMART，可以用来生成和编辑用户程序和监控PLC的运行。

④ 电源　PLC型号不同，采用不同的电源，常使用AC220V电源或DC24V电源。一些小型PLC还可以为输入电路和外部的传感器提供DC24V电源。

3.1.2　S7-200 SMART的CPU模块

CPU模块又称基本模块和主机，是一个完整的控制系统，它可以单独完成一定的控制任务，主要功能是采集输入信号、执行程序、发出输出信号和驱动外部负载。

（1）CPU模块的组成

CPU模块由中央处理单元、存储器单元、输入输出接口单元以及电源组成。

① 中央处理单元　中央处理单元（CPU）一般由控制器、运算器和寄存器组成。CPU是PLC的核心，它不断采集输入信号，执行用户程序，刷新系统输出。

CPU通过地址总线、数据总线、控制总线与存储单元、输入输出接口、通信接口、扩展接口相连。CPU按照系统程序赋予的功能接收并存储用户程序和数据，检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并且能够诊断用户程序中的语法错误。

当PLC运行时，首先以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，然后分别存入I/O映像区，从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定将逻辑或算数运算的结果送入I/O映像区或数据寄存器内。当所有的用户程序执行完毕之后，将I/O映像区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行直到停止。

② 存储器　PLC的存储器包括系统程序存储器和用户程序存储器两种。存放系统软件的存储器称为系统程序存储器，存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。常用的存储器有RAM、ROM、EEPROM三种。

RAM为随机存取存储器，具有工作速度快、价格便宜、改写方便等优点，但断电后储存的信息丢失。

ROM为只读存储器，只能读出，不能写入，断电后储存的信息不会丢失。

EEPROM为可电擦除可编程的只读存储器，其数据可以读出和改写，断电后信息不会丢失。但EEPROM写入数据的时间比RAM长，改写的次数有限制，一般用来存储用户程序和需要长期保存的重要数据。

③ 输入、输出接口电路　现场输入接口电路由光耦合电路和微机的输入接口电路组成，其作用是将按钮、行程开关或传感器等产生的信号传递到CPU。

现场输出接口电路由输出数据寄存器、选通电路和中断请求电路组成，其作用是将CPU向外输出的信号转换成可以驱动外部执行元件的信号。例如可以控制接触器线圈等电器的通、断电。

④ 电源　PLC一般使用220V交流电源或24V直流电源，内部的开关电源为PLC的中央处理器、存储器等电路提供5V、12V、24V直流电源，使PLC能正常工作。一般交流电压波动在+10%（+15%）范围内。

（2）常见的CPU模块型号、参数

如表3-1所示，CPU模块常见的基本型号有4种，CPU的型号具有不同的含义。

① 型号的第一个字母表示产品线，分为紧凑型（C）或标准型（S）。

② 型号的第二个字母表示输出类型，其中“R”表示采用交流电源/继电器输出，“T”表示采用直流电源/晶体管（T）输出。

③ 型号中的数字表示I/O点数。

④ I/O后的小写字符“s”（仅限串行端口）表示新的紧凑型号。

标准型CPU SR20/SR30/SR40/SR60、CPU ST20/ST30/ST40/ST60，可扩展6个扩展模块，SR和ST分别是标准继电器输出和标准晶体管输出。紧凑型的CPU CR40/CR60价格便宜，不能扩展，定时器/计数器各256点，4点输入中断，2个定时中断。CPU SR60/ST60的程序存储器容量为30KB，数据存储器容量为20KB，经扩展后最大I/O点数为256。标准型CPU最大模拟量I/O有36点，4点200kHz的高速计数器，晶体管输出的CPU有2点或3点100kHz高速输出。各型号CPU参数如表3-2所示。

（3）CPU模块的数字量输入、输出电路

① 数字量输入电路　如图3-2所示，输入采用光电耦合电路，1M是同一组输入点内部电路的公共点。当外部触点接通时，电路中有电流通过，发光二极管发光，使光敏三极管饱和导通；当电流从输入端流入时为漏型输入，反之则为源型输入。输入电流为数毫安。

当外部触点断开时，发光二极管熄灭，使光敏三极管截止。

光敏三极管导通或截止的信号经内部电路传送给CPU模块。

② 数字量输出电路　数字量输出电路分为继电器输出和场效应管输出两种。

继电器输出电路如图3-3所示，它可以驱动交、直流负载，承受瞬时过电压和过电流的能力较强，但其动作速度慢，动作次数有限。

场效应管输出电路如图3-4所示，它只能驱动直流负载。其反应速度快、寿命长，过载能力稍差。

3.1.3　S7-200 SMART扩展模块与信号板

（1）扩展模块

S7-200 SMART常见的扩展模块如图3-5所示，包括数字量扩展模块、模拟量扩展模块、特殊功能扩展模块等。

① 数字量扩展模块　当CPU模块I/O点数不能满足控制系统的需要时，用户可根据实际的需要对I/O点数进行扩展。数字量扩展模块不能单独使用，需要与CPU模块相连。数字量扩展模块通常有3类，分别为数字量输入模块、数字量输出模块和数字量输入输出混合模块。常见扩展模块如图3-5所示。

② 模拟量扩展模块　模拟量输入模块将模拟量转换为多位数字量。模拟量输出模块将PLC中的多位数字量转换为模拟量电压或电流。

模拟量扩展模块为主机提供了模拟量输入输出功能，适用于复杂控制场合。它通过自身扁平电缆与主机相连，并且可以直接连接变送器和执行器。模拟量扩展模块通常可以分为3类，分别为模拟量输入模块、模拟量输出模块和模拟量输入输出混合模块。

③ 特殊功能扩展模块　当需要完成特殊功能控制任务时，需要用到特殊功能模块。常见的特殊功能模块有通信模块、热电阻和热电偶扩展模块等。

a.通信模块。S7-200 SMART PLC主机集成1个RS-485通信接口和一个以太网接口（CR系列只有以太网接口），为了扩大其接口的数量和联网能力，各PLC还可以接入通信模块。常见的通信模块有PROFIBUS-DP从站模块（EMDP01）、RS-485/232信号板（SB CM01）。

b.热电阻和热电偶扩展模块。热电阻和热电偶扩展模块是模拟量模块的特殊形式，可直接连接热电偶和热电阻测量温度，热电阻和热电偶扩展模块可以支持多种热电阻和热电偶，使用时经过简单的设置就可直接读出摄氏温度值和华氏温度值。常见的热电阻扩展模块有EMAR02、EMAR04，热电偶模块有EMAT04。温度测量的分辨率为0.1℃/0.1℉，电阻测量的分辨率为15位+符号位。

（2）信号板

西门子S7-200 Smart系列PLC的CPU模块中间有一块盖板，需要的时候可以将盖板取下，插接一块信号板（Signal Board）。在S7-200 Smart PLC中，有5种类型的信号板可以选择：

SB AE01：1点模拟量输入信号板，如图3-6（a）所示。

SB AQ01：1点模拟量输出信号板，如图3-6（b）所示。

SB DT04：2点数字量直流输入/2点数字量场效应管输出，如图3-6（c）所示。

SB CM01：RS-485/232信号板，如图3-6（d）所示。

SB BA01：电池信号板，如图3-6（e）所示，使用CR1025纽扣电池，保持时间大约一年。

3.1.4　S7-200 SMART的I/O地址分配

用系统块组态硬件时，编程软件自动地分配各模块和信号板的地址。如图3-7、图3-8所示。

3.1.5　PLC的工作原理

（1）PLC的工作原理

如图3-9所示，PLC初始化后，分5个阶段处理各种任务，称为一个扫描周期。完成一个扫描周期后，又重新执行上述任务，周而复始，循环扫描。

① CPU自诊断测试　主要是检测主机硬件、各模块状态是否正常。

② 通信处理　主要是接收程序、命令和各种数据，并显示相应的状态、数据和出错信息。

③ 扫描输入　如图3-10所示，外部输入电路接通时，将输入端子的状态读入输入映像区，对应的过程映像输入寄存器为ON（1状态），梯形图中对应的常开触点闭合，常闭触点断开。反之，常开触点断开，常闭触点闭合。

④ 执行程序　如图3-10所示，从输入映像区读取软元件的ON/OFF状态，然后CPU将执行用户程序。执行程序过程中，根据程序执行结果刷新输出映像区，而不是实际的I/O点。

⑤ 刷新输出　梯形图中某一输出位的线圈“通电”时，对应的输出映像寄存器中的二进制数为1，对应的硬件继电器的常开触点闭合，外部负载通电。反之外部负载断电。

可用中断程序和立即I/O指令提高PLC的响应速度。

（2）例说PLC的工作过程

PLC外部接线图与梯形图如图3-11所示，在读取输入阶段，SB1和SB2的常开触点的接通/断开状态被读入相应的过程映像输入寄存器。执行程序阶段的工作过程为如下。

① 从输入过程映像寄存器I0.1中取出二进制数，存入堆栈的栈顶。

② 从输出过程映像寄存器Q0.0中取出二进制数，与栈顶中的二进制数相“或”，运算结果存入栈顶。

③ 因为I0.2是常闭触点，取出输入过程映像寄存器I0.2中的二进制数后，将它取反，与前面的运算结果相“与”后，存入栈顶。

④ 将栈顶中的二进制数传送到Q0.0的输出过程映像寄存器。

⑤ 在刷新输出阶段，CPU将各过程输出映像寄存器中的二进制数传送给输出模块并锁存起来，如果Q0.0中存放的是二进制数1，外接的KM线圈将通电，反之将断电。