plc種類繁多，但其組成結(jié)構(gòu)和工作原理基本相同。用可編程序控制器實(shí)施控制，其實(shí)質(zhì)是按一定算法進(jìn)行輸入輸出變換，并將這個(gè)變換予以物理實(shí)現(xiàn)，應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場。plc專為工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用而設(shè)計(jì)，采用了典型的計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)，它主要是由cpu、電源、存儲(chǔ)器和專門設(shè)計(jì)的輸入輸出接口電路等組成。plc的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
圖1 plc的結(jié)構(gòu)框圖
1． 中央處理器
中央處理單元(cpu)一般由控制器、運(yùn)算器和寄存器組成，這些電路都集成在一個(gè)芯片內(nèi)。cpu通過數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線與存儲(chǔ)單元、輸入輸出接口電路相連接。與一般計(jì)算機(jī)一樣，cpu是plc的核心，它按plc中系統(tǒng)程序賦予的功能指揮plc有條不紊地進(jìn)行工作。用戶程序和數(shù)據(jù)事先存入存儲(chǔ)器中，當(dāng)plc處于運(yùn)行方式時(shí)，cpu按循環(huán)掃描方式執(zhí)行用戶程序。
cpu的主要任務(wù)有：控制用戶程序和數(shù)據(jù)的接收與存儲(chǔ)；用掃描的方式通過i/o部件接收現(xiàn)場的狀態(tài)或數(shù)據(jù)。并存人輸入映像寄存器或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中；診斷plc內(nèi)部電路的工作故障和編程中的語法錯(cuò)誤等；plc進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)后，從存儲(chǔ)器逐條讀取用戶指令，經(jīng)過命令解釋后按指令規(guī)定的任務(wù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送、邏輯或算術(shù)運(yùn)算等；根據(jù)運(yùn)算結(jié)果，更新有關(guān)標(biāo)志位的狀態(tài)和輸出映像寄存器的內(nèi)容，再經(jīng)輸出部件實(shí)現(xiàn)輸出控制、制表打印或數(shù)據(jù)通訊等功能。
不同型號的plc其cpu芯片是不同的，有采用通用cpu芯片的，有采用廠家自行設(shè)計(jì)的專用cpu芯片的。cpu芯片的性能關(guān)系到plc處理控制信號的能力與速度，cpu位數(shù)越高，系統(tǒng)處理的信息量越大，運(yùn)算速度也越快。plc的功能是隨著cpu芯片技術(shù)的發(fā)展而提高和增強(qiáng)的。
2． 存儲(chǔ)器
plc的存儲(chǔ)器包括系統(tǒng)存儲(chǔ)器和用戶存儲(chǔ)器兩部分。
系統(tǒng)存儲(chǔ)器用來存放由plc生產(chǎn)廠家編寫的系統(tǒng)程序，系統(tǒng)程序固化在rom內(nèi)，用戶不能直接更改，它使plc具有基本的功能，能夠完成plc設(shè)計(jì)者規(guī)定的各項(xiàng)工作。系統(tǒng)程序質(zhì)量的好壞，很大程度上決定了plc的性能，其內(nèi)容主要包括三部分。第一部分為系統(tǒng)管理程序，它主要控制plc的運(yùn)行，使整個(gè)plc按部就班地工作。第二部分為用戶指令解釋程序，通過用戶指令解釋程序，將plc的編程語言變?yōu)闄C(jī)器語言指令，再由cpu執(zhí)行這些指令。第三部分為標(biāo)準(zhǔn)程序模塊與系統(tǒng)調(diào)用，它包括許多不同功能的子程序及其調(diào)用管理程序，如完成輸入、輸出及特殊運(yùn)算等的子程序。plc的具體工作都是由這部分程序來完成的，這部分程序的多少也決定了plc性能的高低。
用戶存儲(chǔ)器包括用戶程序存儲(chǔ)器(程序區(qū))和功能存儲(chǔ)器(數(shù)據(jù)區(qū))兩部分。用戶程序存儲(chǔ)器用來存放用戶針對具體控制任務(wù)用規(guī)定的plc編程語言編寫的各種用戶程序，以及用戶的系統(tǒng)配置。用戶程序存儲(chǔ)器根據(jù)所選用的存儲(chǔ)器單元類型的不同，可以是ram(有掉電保護(hù))、eprom或eeprom存儲(chǔ)器，其內(nèi)容可以由用戶任意修改或增刪。用戶功能存儲(chǔ)器是用來存放(記憶)用戶程序中使用器件的on/off狀態(tài)／數(shù)值數(shù)據(jù)等。用戶存儲(chǔ)器容量的大小，關(guān)系到用戶程序容量的大小，是反映plc性能的重要指標(biāo)之一。
3． 輸入單元
可編程序控制器的輸入信號類型可以是開關(guān)量、模擬量和數(shù)字量。輸入單元從廣義上分包含兩部分：一是與被控設(shè)備相連接的接口電路，另一部分是輸入映像寄存器。
輸入單元接收來自用戶設(shè)備的各種控制信號，如限位開關(guān)、操作按鈕、選擇開關(guān)、行程開關(guān)以及其他一些傳感器的信號。通過接口電路將這些信號轉(zhuǎn)換成中央處理器能夠識(shí)別和處理的信號，并存到輸入映像寄存器。運(yùn)行時(shí)cpu從輸入映像寄存器讀取輸入信息并進(jìn)行處理，將處理結(jié)果存放到輸出映像寄存器。
為防止各種干擾信號和高電壓信號進(jìn)入plc，影響其可靠性或造成設(shè)備損壞，現(xiàn)場輸入接口電路一般由光電耦合電路進(jìn)行隔離。光電耦合電路的關(guān)鍵器件是光耦合器，一般由發(fā)光二極管和光電三極管組成。
通常plc的輸入類型可以是直流（dc24v）、交流和交直流。輸入電路的電源可由外部供給。有的也可由plc內(nèi)部提供。
對于直流輸入，根據(jù)現(xiàn)場輸入接口電路形式的不同，分為源型輸入和漏型輸入兩種形式。極大部分的歐美品牌的plc采用漏型輸入，而極大部分的亞洲品牌的plc采用源型輸入。
plc通過輸入/輸出端子與控制對象取得聯(lián)系的，plc的輸入/輸出端子的組織形式通常有三種，即匯點(diǎn)式、分組式和分隔式。極大部分的plc的輸入端子采用匯點(diǎn)式，也有的plc為了增加使用的靈活性采用分組式。圖2和圖3所示分別為采用匯點(diǎn)式的源型和漏型直流輸入電路圖。
圖2 plc源型輸入電路圖
圖3 plc漏型輸入電路圖
3． 輸出單元
可編程序控制器的輸出信號類型可以是開關(guān)量、模擬量和數(shù)字量。輸出單元從廣義上分包含兩部分：一是與被控設(shè)備相連接的接口電路，另一部分是輸出的映像寄存器。
plc運(yùn)行時(shí)cpu從輸入映像寄存器讀取輸入信息并進(jìn)行處理，將處理結(jié)果放到輸出映像寄存器。輸出映像寄存器由輸出點(diǎn)相對應(yīng)的觸發(fā)器組成，輸出接口電路將其由弱電控制信號轉(zhuǎn)換成現(xiàn)場需要的強(qiáng)電信號輸出，以驅(qū)動(dòng)電磁閥、接觸器、指示燈等被控設(shè)備的執(zhí)行元件。
輸出接口電路通常有三種類型：繼電器輸出型、晶體管輸出型和晶閘管輸出則。每種輸出電路都采用電氣隔離技術(shù)，電源由外部提供，輸出電流一般為1.5—2a，輸出電流的額定值與負(fù)載的性質(zhì)有關(guān)。
為使plc避免受瞬間大電流的作用而損壞，輸出端外部接線必須采用保護(hù)措施：一是輸出公共端接熔斷器；二是采用保護(hù)電路，對交流感件負(fù)載，一般用阻容吸收回路；對直流感性負(fù)載用續(xù)流二極管。
極大部分的plc的輸出端子采用分組式和分隔式。對于晶體管輸出型還有源型輸出和漏型輸出兩種形式。極大部分的歐美品牌的plc采用源型輸出，而極大部分的亞洲品牌的plc采用漏型輸出。圖4所示為采用分組式的plc繼電器輸出電路圖，圖5和圖6所示分別為采用分組式的plc源型和漏型晶體管直流輸出電路圖。
圖4 plc繼電器輸出電路圖
圖5 plc漏型晶體管直流輸出電路圖
圖6 plc源型晶體管直流輸出電路圖
4． 通訊接口
現(xiàn)代plc一個(gè)顯著的特點(diǎn)就是具有通訊功能，目前主流的plc一般都具有rs485（或rs232）通訊接口，以便連接編程設(shè)備、監(jiān)視器、打印機(jī)等外圍設(shè)備，或連接諸如變頻器、溫控儀等簡單控制設(shè)備進(jìn)行簡單的主從式通訊，實(shí)現(xiàn)“人一機(jī)”或“機(jī)—機(jī)’’之間的對話。一些先進(jìn)的plc上還具有工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通訊接口，可以與其他的plc或計(jì)算機(jī)相連，組成分布式工業(yè)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)更大規(guī)模的控制，另外還可以與數(shù)據(jù)庫軟件相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)控制與管理相結(jié)合的綜合控制。
5． 編程設(shè)備
編程器的作用是供用戶進(jìn)行程序的編制、編輯、調(diào)試和監(jiān)視。
編程器有簡易型和智能型兩類。簡易型的編程器只能聯(lián)機(jī)編程，且往往需要將梯形圖轉(zhuǎn)化為機(jī)器語言助記符(指令表)后，才能輸入。它—般由簡易鍵盤和發(fā)光二極管或其他顯示器件組成。智能型的編程器又稱圖形編程器，它可以聯(lián)機(jī)編程，也可以脫機(jī)編程，具有l(wèi)cd或crt圖形顯示功能，可以直接輸入梯形圖和通過屏幕對話。
還可以利用微機(jī)(如ibm—pc)作為編程器，plc生產(chǎn)廠家配有相應(yīng)的軟件包，使用微機(jī)編程是plc發(fā)展的趨勢?，F(xiàn)在已有些plc不再提供編程器，而只提供微機(jī)編程軟件了，并且配有相應(yīng)的通訊連接電纜。