目前，可编程序控制器的产品很多，不同厂家生产的PLC以及同一厂家生产的不同型号的PLC，其结构各不相同，但就其基本组成和基本工作原理而言，是大致相同的。它们都是以微处理器为核心的结构，其功能的实现不仅基于硬件的作用，更要靠软件的支持。实际上可编程序控制器就是一种新型的工业控制计算机。

PLC硬件系统的基本结构框图如图2-2所示。

图2-2 PLC硬件系统的基本结构框图

在图2-2中，PLC的主机由微处理器（CPU）、存储器（EPROM、RAM）、输入/输出单元、外设I/O接口、通信接口及电源组成。对于整体式的PLC，这些部件都在同一个机壳内。而对于模块式结构的PLC，各部件独立封装，称为模块，各模块通过机架和电缆连接在一起。主机内的各个部分均通过电源总线、控制总线、地址总线和数据总线连接。根据实际控制对象的需要配备一定的外部设备，可构成不同的PLC控制系统。常用的外部设备有编程器、打印机、EPROM写入器等。PLC可以配置通信模块与上位机及其他的PLC进行通信，构成PLC的分布式控制系统。

下面分别介绍PLC各组成部分及其作用，以便用户进一步了解PLC的控制原理和工作过程。

1.中央处理单元（CPU）

PLC中所采用的CPU随机型不同而不同，通常有3种：通用微处理器（如：8086、80286、80386等）、单片机、位片式微处理器。小型PLC大多采用8位、16位微处理器或单片机作CPU，如：Z80A、8031、M6800等，这些芯片具有价格低、通用性好等优点。对于中型的PLC，大多采用16位、32位微处理器或单片机作为CPU，如：8086、8096系列单片机，具有集成度高、运算速度快、可靠性高等优点。对于大型PLC，大多数采用高速位片式微处理器，具有灵活性强、速度快、效率高等优点。

CPU是PLC的控制中枢，PLC在CPU的控制下有条不紊地协调工作，从而实现对现场的各个设备进行控制。CPU由微处理器和控制器组成，它可以实现逻辑运算和数学运算，并协调控制系统内部各部分的工作。它的基本功能就是从内存中读取指令和执行指令。

CPU的具体作用如下：

●采集由现场输入装置送来的状态或数据，通过输入接口存入输入映像寄存器或数据寄存器中，用扫描方式接收输入设备的状态信号，并存入相应的数据区（输入映像寄存器）。

●按用户程序存储器中存放的先后次序逐条读取指令，完成各种数据的运算、传递和存储等功能，进行编译解释后，按指令规定的任务完成各种运算和操作。

●把各种运算结果向外界输出。

●监测和诊断电源以及PLC内部电路工作状态和用户程序编程过程中出现的语法错误。

●根据数据处理的结果，刷新有关标志位的状态和输出状态寄存器表的内容，响应各种外部设备（如：编程器、打印机、上位计算机、图形监控系统、条码判读器等）的工作请求，以实现输出控制、制表打印或数据通信等功能。

这里要说明的一点，一些专业生产PLC的厂家均采用自己开发的CPU芯片。

2.存储器

可编程序控制器配有两种存储器，即系统存储器（EPROM）和用户存储器（RAM）。系统存储器用来存放系统管理程序，用户不能访问和修改这部分存储器的内容。用户存储器用来存放编制的应用程序和工作数据状态。存放工作数据状态的用户存储器部分也称为数据存储区。它包括输入、输出数据映像区，定时器/计数器预置数和当前值的数据区，存放中间结果的缓冲区。

PLC的存储器主要包括：

●只读存储器（Read Only Memory，ROM）。

●可编程只读存储器（Programmable Read Only Memory，PROM）。

●可擦除可编程只读存储器（Erasable Programmable Read Only Memory，EPROM）。

●电可擦除可编程只读存储器（Electrically Erasable Programmable Read Only Memory,EEPROM）。

●随机存取存储器（Random Access Memory, RAM）。

3.输入/输出模块

PLC的控制对象是工业生产过程，实际生产过程中的信号电平是多种多样的，外部执行机构所需的电平也是各不相同的，而可编程序控制器的CPU所处理的信号只能是标准电平，这样就需要有相应的I/O模块作为CPU与工业生产现场的桥梁，进行信号电平的转换。目前，生产厂家已开发出各种型号的输入、输出模块供用户选择，且这些模块在设计时采取了光隔离、滤波等抗干扰措施，提高了PLC的可靠性，对各种型号的输入/输出模块，可以把它们以不同形式进行分类。按照信号的种类分有直流信号输入、输出，交流信号的输入、输出；按照信号的输入、输出形式分有数字量输入/输出，开关量输入/输出，模拟量输入/输出。

下面通过开关量输入/输出模块来说明I/O模块与CPU的连接方式。

（1）开关量输入模块

开关量输入设备是各种开关、按钮、传感器等，通常PLC的输入类型可以是直流、交流和交直流。输入电路的电源可由外部供给，有的也可由PLC内部提供。图2-3和图2-4分别为PLC的直流和交流输入接口电路的电路图，采用的是外接电源。

图2-3 直流输入接口电路

图2-3描述了一个输入点的接口电路。其输入电路的一次电路与二次电路用光耦合器相连，当行程开关闭合时，输入电路和一次电路接通，上面的发光管用于对外显示，同时光耦合器中的发光管使晶体管导通，信号进入内部电路，此输入点对应的位由0变为1。即输入映像寄存器的对应位由0变为1。

图2-4为交流输入接口电路，与上述的直流开关量模块原理基本相同，在此不再赘述。(www.daowen.com)

图2-4 交流输入接口电路

（2）开关量输出模块

输出模块的作用是将CPU执行用户程序所输出的TTL电平的控制信号转化为现场所需的、能驱动特定设备的信号，以驱动执行机构的动作。

通常开关量输出模块有3种形式，即继电器输出、晶体管输出和双向晶闸管输出。继电器输出可接直流或交流负载，晶体管输出属直流输出，只能接直流负载。当开关量输出的频率低于1000Hz，一般选用继电器输出模块。当开关量输出的频率大于1000Hz，一般选用晶体管输出。而双向晶闸管输出属交流输出。下面着重介绍继电器输出模块的工作过程，其原理图如图2-5所示。输出信号经I/O总线由输出锁存器输出，驱动继电器线圈，从而使继电器触点吸合，驱动外部负载工作。

图2-5 继电器输出原理图

从上面的分析可知，对于继电器输出型，CPU输出时接通或者断开继电器的线圈，继电器的触点闭合或者断开从而控制外电路的通断。PLC继电器输出电路形式允许负载一般是AC250V/50V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继电器输出电路的形式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形式。

当连接感性负载时，为了延长继电器触点的使用寿命，对于外接直流电源时的情况，通常应在负载两端加过电压抑制二极管（如图2-5所示，外接继电器线圈上的二极管）；对于交流负载，应在负载两端加RC抑制器。

晶体管输出型电路如图2-6所示，是通过光耦合使开关晶体管截止或者饱和导通以控制外部电路。晶体管输出型电路的外接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DC5～30V，允许负载电流为0.2～0.5A。和继电器输出形式电路一样，在驱动感性负载时也要在负载两端反向并联二极管（二极管的阴极接电源的正极）防止过电压，保护PLC的输出电路。

晶闸管输出型电路如图2-7所示，采用的是光触发型双向晶闸管。双向晶闸管输出的驱动能力要比继电器输出的要小，允许负载电压一般为AC85～242V；单点输出电流为0.2～0.5A，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）。

图2-6 晶体管输出型电路

图2-7 晶闸管输出型电路

为了保护晶闸管，通常在PLC内部电路晶闸管的两端并接RC阻容吸收元件（一般为0.015µF/22Ω左右）和压敏电阻，因此，在晶闸管关断时，PLC的输出仍然有1～2mA的开路漏电流，这就可能导致一些小型继电器在PLC输出OFF时出现无法关断的情况。

4.编程器

编程器用于用户程序的编制、编辑、调试及监控、显示PLC的一些系统参数和内部状态，是开发、维护、设计PLC控制系统的必要工具。主机内存中的用户程序就是由编程器通过通信接口输入的。对于已设计、安装好的PLC控制系统，一般都不带编程器而直接运行。不同系列的PLC的编程器互不通用。

编程器一般具有下列5种功能：

●编辑功能：实现用户程序的修改、插入、删除等。

●编程功能：用户程序的全部清除、写入/读出、检索等。

●监视功能：对I/O点通/断的监视，对内部线圈、计数器、定时器通/断状态的监视以及跟踪程序运行过程等。

●检查功能：对语法、输入步骤、I/O序号进行检查。

●命令功能：向PLC发出运行、暂停等命令。

此外，编程器还具有与EPROM写入器、打印机、盒式录音机等外围设备通信的功能。编程器可分为简易编程器、图形编程器、通用计算机编程器。

（1）简易编程器

它可以直接与PLC的专用插座相连，或通过电缆与PLC相连，它与主机共用一个CPU，一般只能用助记符或功能指令代号编程。其优点是携带方便，价格便宜。多用于微型、小型PLC，缺点是因编程器与主机共用一个CPU，只能联机编程，对PLC的控制能力较小。

（2）图形编程器

图形编程器有两种显示屏，一种是液晶显示（LCD）屏，另一种是阴极射线管（CRT）显示屏。显示屏可以用来显示编程的情况，还可以显示I/O、各继电器的工作状况、信号状态和出错信息等。工作方式既可以是连机编程又可以是脱机编程。可以是梯形图编程，也可以用助记符指令编程，同时还可以与打印机、绘图仪等设备相连，并有较强的监控功能，但价格高，通常用于大、中型PLC。

（3）通用计算机编程

通用计算机编程采用通用计算机，通过硬件接口和专用软件包，使用户可以直接在计算机上以连机或脱机方式编程。可以运用梯形图编程，也可以用助记符指令编程，并有较强的监控能力。