《西门子S7-1200 PLC工程实例精解》课件1.1.3PLC的硬件结构

主讲：蒋明红PLC的硬件结构

目录CONTENTSPLC的分类PART01PLC的硬件组成PART02PLC的分类01PLC的分类

一般PLC分为整体式和两类:整体式机型大多应用于小型单机控制，组合式机型应用于大型多机网络式控制。整体式组合式PLC种类很多，但结构大同小异，PLC的主机一般由CPU、存储器（EPROM、RAM）、输入/输出单元、外设I/O接口、通信接口、扩展接口及电源组成。对于整体式PLC，这些部件都在同一个机壳内。而对于模块式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，构成不同的PLC控制系统。PLC的硬件结构02

PLC硬件结构组成示意图1.CPU

CPU又称中央处理器，为PLC的控制中心，它通过总线（包括数据总线、地址总线和控制总线）与存储器和各种接口连接，以控制它们有条不紊地工作。PLC的档次越高，所用的CPU的位数也越多，运算速度也越快，功能越强。CPU的主要功能有：1）

接收通信接口送来的程序和信息，并将其存入存储器。2）

采用循环检测（即扫描检测）方式不断检测输入接口送来的状态信息，以判断输入设备的输入状态。3）逐条运行存储器中的程序，并进行各种运算，再将运算结果存储下来，然后通过输出接口输出，以对输出设备进行有关控制。4）监测和诊断内部各电路的工作状态。

2.存储器

PLC配有系统存储器和用户存储器两种存储器。在系统程序存储区中存放着相当于计算机操作系统的系统程序，包括监控程序、管理程序、命令解释程序、功能子程序和系统诊断子程序等。由制造厂商将其固化在EPROM中，用户不能直接存取。它和硬件一起决定了该PLC的性能。用户存储器用来存放用户编制的控制程序。存储器常用类型有ROM、RAMEPROM和EEPROM。3输入/输出（I/O）部件（接口）

输入/输出部件（即输入/输出电路）又称I/O接口或I/O模块，是PLC与外围设备之间的连接桥梁。PLC通过输入接口电路检测输入设备的状态，以此作为对输出设备控制的依据，同时又通过输出接口电路对输出设备进行控制。PLC的I/O接口能接收的输入和输出信号个数称为PLC的I/O点数。I/O点数是选择PLC的重要依据之一。PLC外围设备提供或需要的信号电平是多种多样的，而PLC内部CPU只能处理标准电平信号，所以I/O接口要能进行电平转换；另外，为了提高PLC的抗干扰能力，I/O接口一般具有光电隔离和滤波功能；此外，为了便于了解I/O接口的工作状态，I/O接口还带有状态指示灯。

（1）开关量I/O接口1）开关量输人接口

被控对象的现场信号通过开关、按钮或传感器，以开关量的形式，由开关量输人接口送入CPU进行处理，开关量输人接口组成框图如下图所示。通常开关量输人接口按信号电源的不同分为三种类型:DCI2~24V输入、AC100~120V或200~240V输入和ACDCI2~24V输入，常用的是DC24V的输入模块。1）开关量输人接口

PLC所控制的现场执行元件有电磁阀、继电器、接触器、指示灯、电动机等，CPU输出的控制信号，经输出模块驱动执行元件。开关量输出接口组成框图如图9-11所示，其中输出电路常由隔离电路和功率放大电路组成。开关量输出接口的输出形式有三种;继电器输出、品闸管输出和品体管输出。目前常用的是继电器输出和品体管输出。2）开关量输出接口PLC所控制的现场执行元件有电磁阀、继电器、接触器、指示灯、电动机等，CPU输出的控制信号，经输出模块驱动执行元件。开关量输出接口组成框图如图所示，其中输出电路常由隔离电路和功率放大电路组成。

开关量输出接口的输出形式有三种;继电器输出、晶闸管输出和晶体管输出。目前常用的是继电器输出和晶体管输出。①

继电器输出(AC/DC)模块。继电器输出模块原理图如图1-12所示，在图中，继电器既是输出开关器件，又是隔离器件:电阻R1和LED指示灯组成输出状态显示器;电阻R2和电容器C组成RC灭弧电路，消除继电器触点火花。当CPU输出一个接通信号时,LED指示灯亮,继电器线圈得电,其常开触点闭合，使电源、负载和触点形成回路。继电器触点动作的响应时间约为10ms。继电器输出模块的负载回路，可选用直流电源，也可选用交流电源。外接电源及负载电源的大小由继电器的触点决定，通常在电阻性负载时，继电器输出的最大负载电流为2A/点。②

晶闸管输出（AC）模块。晶闸管输出模块原理图如图所示，在图中，双向晶闸管为输出开关器件，由它组成的固态继电器(ACSSR)具有光电隔离作用，作为隔离元件。电阻R2和电容器C组成高频滤波电路，减小高频信号干扰。压敏电阻作为消除尖峰电压的浪涌吸收器。当CPU输出一个接通信号时，LED指示灯亮，固态继电器中的双向晶闸管导通，负载得电。双向晶闸管开通响应时间不大于1ms，关断时间不大于10ms。由于双向晶闸管的特性，因此输出负载回路中的电源只能选用交流电源。③

晶体管输出（AC）模块晶体管输出模块原理图如图所示，在图中，晶体管V1作为输出开关器件，光电耦合器为隔离器件，稳压管VS和熔断器FU分别用于输出端的过电压保护和过电流保护,二极管VD可禁止负载电源反相接入。当CPU输出一个接通信号时，LED指示灯亮。该信号通过光电耦合器使V1导通，负载得电。晶体管输出模块所带负载只能使用直流电源。采用电阻型负载时，晶体管输出的最大负载电流通常为0.5A点，通断响应时间均小于0.1ms。（2）

模拟量I/O接口在实际的生产过程中，经常需要检测连续变化的模拟量信号，如温度、流量、压力等将其转变为PLC能处理的数字信号;处理完成，又需要把数字信号变换成模拟信号，去制现场设备。因此，PLC需要具有模拟量处理的能力。1)模拟量输入模块。生产现场中连续变化的模拟量信号，如温度、流量、压力，通过变送器转换成DC0~5V、DC1~5V、DC0~I0V、DC10~10V、DC0~20mA、DC4~20mA等标准电压、电流信号。模拟量输入模块的作用是把这些连续变化的电压、电流信号转换成CPU能处理的数字信号。模拟量输入模块一般由变送器、模/数转换(AD)、光电隔离等部分组成，其组成框图如图所示。2）

模拟量输出模块。模拟量输出模块的作用是将CPU处理后的若位数字信号转换成相应的模拟量信号输出，以满足生产控制过程中需要模拟信号的要求。模拟量输出模块组成框图如图所示。CPU的控制信号由输出锁存器经光电隔离、数/模转换(D/A)和运算放大器，变换成模拟量信号输出。模拟量输出为DC0~5V、DCI~5V、DC0~10V、DC-10~10V、DC0~20mA、DC4~20mA等标准电压、电流信号。注意：AD、D/A转换的主要参数有分辨率、精度、转换速度、输入阻抗、输出阻抗、最大允许输入范围、内部电流消耗等。4电源部件

PLC的电源在整个系统中起着十分重要的作用。PLC配有开关稳压电源的电源模块，用来将外部供电电源转换成供PLC内部CPU、存储器I/O接口等电路工作所需的直流电源。同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源，用于对外部传感器供电，避免由于外部电源污染或不合格电源引起的故障。小型PLC的电源往往和CPU单元合为一体，大、中型PLC都有专用电源部件。5I/O扩展单元扩展口是PLC的总线接口，当用户所需的I/O点数超出主机点数时，可以通过加接I/O扩展单元来解决，主机与I/O扩展单元通过扩展口连接。PIC具有多种I/O模块，常见的有A/D、D/A模块，另外有快速响应模块、高速计数模块、通信接口模块、温度控制模块、中断控制模块和定位控制模块等种类繁多、功能各异的专用I/O模块和智能I/O模块。针对不同