西门子KP300操作面板

可编程控制器主要由CPU、存储器、基本I/O接口电路、外设接口、编程装置、电源等组成。可编程控制器的结构多种多样，但其组成的一般原理基本相同，都是以微处理器为核心的结构，。编程装置将用户程序送入可编程控制器，在可编程控制器运行状态下，输入模块接收到外部元件发出的输入信号，可编程控制器执行程序，并根据程序运行后的结果，由输出模块驱动外部设备。

.中央处理单元

中央处理单元主要由微处理器CPU和存储器组成。

（1）微处理器CPU

微处理器CPU是可编程控制器的核心，相当于人的大脑。CPU一般由控制电路、运算器和寄存器组成。这些电路通常都被封装在一个集成的芯片上。CPU通过地址总线、数据总线、控制总线与存储器、输入输出接口电路连接。CPU的功能有：在系统监控程序的控制下工作，通过扫描方式，将外部输入信号的状态写入输入映像寄存区域，PLC进入运行状态后，从存储器逐条读取用户指令，按指令规定的任务进行数据的传送、逻辑运算、算术运算等，然后将结果送到输出映像寄存区域。

常用的微处理器有通用型微处理器、单片机和位片式计算机等。通用型微处理器常见的如Intel公司的8086、80186、到Pentium系列芯片，单片机型的微处理器如Intel公司的MCS-96系列单片机，位片式微处理器如AMD2900系列的微处理器。小型PLC的CPU多采用单片机或专用CPU，中型PLC的CPU大多采用16位微处理器或单片机，大型PLC的CPU多采用高速位片式处理器，具有高速处理能力。

（2）存储器

存储器是PLC存放系统程序、用户程序和运行数据的单元。可编程控制器的存储器由只读存储器ROM、随机存储器RAM和可电擦写的存储器EEPROM三大部分构成。只读存储器ROM用以存放系统程序，可编程控制器在生产过程中将系统程序固化在ROM中，用户是不可改变的。用户程序和中间运算数据存放在随机存储器RAM中，RAM存储器是一种高密度、低功耗、价格便宜的半导体存储器，可用锂电池做备用电源。它存储的内容是易失的，掉电后内容丢失；当系统掉电时，用户程序可以保存在只读存储器EEPROM或由高能电池支持的RAM中。EEPROM兼有ROM的非易失性和RAM的随机存取优点，用来存放需要长期保存的重要数据。

2.输入/输出（I/O）单元及I/O扩展接口

（1）输入/输出（I/O）单元

PLC的对外功能主要是通过各类接口模块的外接线，实现对工业设备和生产过程的检测与控制。通过各种输入/输出接口模块，PLC既可检测到所需的过程信息，又可将处理结果传送给外部过程，驱动各种执行机构，实现工业生产过程的控制。通过输入模块单元，PLC能够得到生产过程的各种参数；通过输出模块单元，PLC能够把运算处理的结果送至工业过程现场的执行机构实现控制。为适应工业过程现场对不同输入/输出信号的匹配要求，PLC配置了各种类型的输入/输出模块单元。

（2）I/O扩展接口

I/O扩展接口是PLC主机用于扩展输入/输出点数和类型的部件，输入/输出扩展单元、远程输入/输出扩展单元、智能输入/输出单元等都通过它与主机相连。I/O扩展接口有并行接口、串行接口等多种形式。

3.外设I/O接口

外设I/O接口是PLC主机实现人机对话、机机对话的通道。通过外设I/O接口，PLC可以和编程器、彩色图形显示器、打印机等外部设备相连，也可以与其他PLC或上位计算机连接。外设I/O接口一般是RS232C或RS422A串行通信接口，该接口的功能是进行串行/并行数据的转换、通信格式的识别、数据传输的出错检验、信号电平的转换等。对于一些小型PLC，外设I/O接口中还有与专用编程器连接的并行数据接口。

4.电源单元

电源单元的作用是将外部电源（220V的交流电源）转换成内部工作电压。外部连接的电源，通过PLC内部配有的一个专用开关式稳压电源，将交流/直流供电电源转化为PLC内部电路需要的工作电源（直流5V、12V、24V），并为外部输入元件（如接近开关）提供24V直流电源（仅供输入端使用），而驱动PLC负载的电源由用户提供。PLC的电源一般采用开关电源，其特点是输入电压范围宽，体积小，质量轻，效率高，抗干扰性能好。

1.3.2　输入/输出扩展环节

输入/输出扩展环节是PLC输入/输出单元的扩展部件。当用户所需的输入/输出点数或类型超出主机的输入/输出单元所允许的点数或类型时，可以通过加接输入/输出扩展环节来解决。输入/输出扩展环节与主机的输入/输出扩展接口相连，有两种类型：简单型和智能型。简单型的输入/输出扩展环节本身不带中央处理单元，对外部现场信号的输入/输出处理过程完全由主机的中央处理单元管理，依赖于主机的程序扫描过程。通常，它通过并行接口与主机通信，并安装在主机旁边，在小型PLC的输入/输出扩展时常被采用。智能型的输入/输出扩展环节本身带有中央处理单元，它对生产过程现场信号的输入/输出处理由本身所带的中央处理单元管理，而不依赖于主机的程序扫描过程。通常，它采用串行通信接口与主机通信，可以远离主机安装，多用于大中型PLC的输入/输出扩展。

可编程控制器用于对外部设备的控制，外部信号的输入、PLC的运算结果的输出都要通过PLC输入、输出端子来进行接线，输入、输出端子的数目之和被称作PLC的输入、输出点数，简称I/O点数。

由I/O点数的多少可将PLC分成小型、中型和大型。

小型PLC的I/O点数小于256点，以开关量控制为主，具有体积小、价格低的优点。可用于开关量的控制、定时/计数的控制、顺序控制及少量模拟量的控制场合，代替继电器-接触器控制，在单机或小规模生产过程中使用。

中型PLC的I/O点数在256～1024之间，功能比较丰富，兼有开关量和模拟量的控制能力，适用于较复杂系统的逻辑控制和闭环过程的控制。

大型PLC的I/O点数在1024点以上。用于大规模过程控制、集散式控制和工厂自动化网络。

（2）按结构形式分类

PLC可分为整体式结构和模块式结构两大类。

整体式是将存储器部件等组成部分集中于一体安装在印刷电路板上PLCCPU、、I/O，，并连同电源一起装在一个机壳内，形成一个整体，通常称为主机或基本单元。整体式结构的PLC具有结构紧凑、体积小、重量轻、价格低的优点。一般小型或超小型PLC多采用这种结构。

模块式PLC是把各个组成部分做成独立的模块，如CPU模块、输入模块、输出模块、电源模块等。各模块作成插件式，并将组装在一个具有标准尺寸且带有若干插槽的机架内。模块式结构的PLC配置灵活，装配和维修方便，易于扩展。一般大中型的PLC都采用这种结构。

1.可编程控制器的特点

（1）编程简单，使用方便

梯形图是使用多的可编程序控制器的编程语言，其符号与继电器电路原理图相似。有继电器电路基础的电气技术人员只需很短的时间就可以熟悉梯形图语言，并用来编制用户程序，梯形图语言形象直观，易学易懂。

（2）控制灵活，程序可变，具有很好的柔性

可编程控制器产品采用模块化形式，配备有品种齐全的各种硬件装置，供用户选用。用户能灵活方便地进行系统配置，组成不同功能、不同规模的系统。可编程控制器用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，硬件配置确定后，可以通过修改用户程序，不用改变硬件，方便快速地适应工艺条件的变化，具有很好的柔性。

（3）功能强，扩充方便，性能价格比高

可编程控制器内有成百上千个可供用户使用的编程元件，有很强的逻辑判断、数据处理、PID调节和数据通信功能，可以实现非常复杂的控制功能。如果元件不够，只要加上需要的扩展单元即可，扩充非常方便。与相同功能的继电器系统相比，具有很高的性能价格比。

PLC与继电器控制的区别主要体现在：组成器件不同，PLC中是软继电器；触点数量不同，PLC编程中无触点数的限制；实施控制的方法不同，PLC是主要软件编程控制，而继电器控制依靠硬件连线完成。1.5.3　可编程控制器的应用

目前，可编程控制器已经广泛地应用在各个工业部门。随着其性能价格比的不断提高，应用范围还在不断扩大，主要有以下几个方面：

（1）逻辑控制

可编程控制器具有“与”、“或”、“非”等逻辑运算的能力，可以实现逻辑运算，用触点和电路的串、并联，代替继电器进行组合逻辑控制、定时控制与顺序逻辑控制。数字量逻辑控制可以用于单台设备，也可以用于自动生产线，其应用领域为普及，包括微电子、家电行业也有广泛的应用。

（2）运动控制

可编程控制器使用专用的运动控制模块，或灵活运用指令，使运动控制与顺序控制功能有机地结合在一起。随着变频器、电动机启动器的普遍使用，可编程控制器可以与变频器结合，运动控制功能更为强大，并广泛地用于各种机械，如金属切削机床、装配机械、机器人、电梯等场合。

（3）过程控制

可编程控制器可以接收温度、压力、流量等连续变化的模拟量，通过模拟量I/O模块，实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A/D转换和D/A转换，并对被控模拟量实行闭环PID控制。现代的大中型可编程控制器一般都有PID闭环控制功能，此功能已经广泛地应用于工业生产、加热炉、锅炉等设备，以及轻工、化工、机械、冶金、电力、建材等行业。

（4）数据处理

可编程控制器具有数学运算、数据传送、转换、排序和查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析和处理。这些数据可以是运算的中间参考值，也可以通过通信功能传送到其他的智能装置，或者保存、打印。数据处理一般用于大型控制系统，如无人柔性制造系统，也可以用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。

（5）构建网络控制

可编程控制器的通信包括主机与远程I/O之间的通信、多台可编程控制器之间的通信、可编程控制器和其他智能控制设备（如计算机、变频器）之间的通信。可编程控制器与其他智能控制设备一起，可以组成“集中管理、分散控制”的分布式控制系统。

当然，并非所有的可编程控制器都具有上述功能，用户应根据系统的需要选择可编程控制器，这样既能完成控制任务，又可节省资金。1.5.4　可编程控制器的发展

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（1）向高集成、高性能、高速度、大容量发展

微处理器技术、存储技术的发展十分迅猛，功能更强大，价格更便宜，研发的微处理器针对性更强。这为可编程控制器的发展提供了良好的环境。大型可编程控制器大多采用多CPU结构，不断地向高性能、高速度和大容量方向发展。

在模拟量控制方面，除了专门用于模拟量闭环控制的PID指令和智能PID模块，某些可编程控制器还具有模糊控制、自适应、参数自整定功能，使调试时间减少，控制精度提高。