1、可編程控制器的基本結(jié)構(gòu)
可編程控制器的主要由cpu模塊、輸入模塊、輸出模塊和編程器組成（見圖1）
圖1 plc控制系統(tǒng)示意圖
（1）cpu模塊
cpu模塊主要由微處理器（cpu芯片）和存儲器組成，在可編程控制器系統(tǒng)中，cpu模塊相當(dāng)于人的大腦和心臟，它不斷地采集輸入信號，執(zhí)行用戶程序，刷新系統(tǒng)的輸。存儲器用來儲存程序和數(shù)據(jù)。
（2）i/o模塊
輸入（input）模塊和輸出（output）模塊簡稱為i/o模塊，它們是系統(tǒng)的眼、耳、手、腳，是聯(lián)系外部現(xiàn)場和cpu模塊的橋梁。輸入模塊用接收和采集輸入信號，輸入信號有兩類：一類是從按鈕、選擇開關(guān)、數(shù)字拔碼開關(guān)、限位開關(guān)、接近開關(guān)、光電開關(guān)、壓力繼電器等開關(guān)量輸入信號；另一類是由電位器、熱電偶、測速發(fā)電機(jī)、各種變送器提供的連續(xù)變化 的模擬量輸入/輸出信號電壓一般較高，如直流24v 和交流220v。從外部引入的尖銳電壓和干擾噪聲可能損壞cpu模塊中的元器件，或使用權(quán)可編程控制器不能正常工作。在i/o模塊中，用光電耦合器，光電可控硅、小型繼電器等器件來隔離外部輸入電路和負(fù)載，i/o模塊除了傳遞信號外，還有電平轉(zhuǎn)換與隔離的作用。
（3）編程器
編程器除了用來輸入和編輯用戶程序外，還可以用來監(jiān)視可編程控制器運(yùn)行中各種編程元件的工作狀態(tài) 。
編程器可以永久地連接在可編程控制器上，將編程取下來后系統(tǒng)也可以運(yùn)行。一般只在程序邏輯輸入、調(diào)試和檢修時(shí)使用編程器，一臺編程器可供多臺編程序控制器公用。
（4）電源
可編程控制器使用220v交流電源或24v直流電源。可編程控制器內(nèi)部的直流穩(wěn)壓電源為各模塊內(nèi)的電路供電，某些可編程控制器可以輸入電路和外部電子檢測裝置（如接近開關(guān)）提供24v真流電源，驅(qū)動現(xiàn)場執(zhí)行機(jī)構(gòu)的直流電源一般由用戶提供。
2、可編程控制器的物理結(jié)構(gòu)
根據(jù)硬件結(jié)構(gòu)的不同，可以將可編程控制器分整體式、模塊式和疊裝式。
（1） 整體式可編程序控制器
整體式又叫做單元式或箱體式cup模塊、i/o模塊和電源裝在一個(gè)箱狀機(jī)殼內(nèi)，結(jié)構(gòu)非常緊湊，它的體積小，價(jià)格低，小型可編程序控制器一般采用整體式結(jié)構(gòu)。圖2中示出三菱公司的f1系列整體式可編程序控制器，上面是編程器，后面的小開頭是模擬調(diào)試用戶程序用的。整體式可編程序控制器提供多種不同i/o點(diǎn)數(shù)的基本元和擴(kuò)展單元供用戶選用，基本單元內(nèi)有cpu模塊，i/o模塊和電源，擴(kuò)展單元內(nèi)只有i/o模塊和電源，基本單元之間用扁平電纜連接。各單元的輸入點(diǎn)與輸出點(diǎn)的比例一般是固定的，有的可編程序控制器有全輸入型和全輸出型的擴(kuò)展單元。選擇不同的基本單和擴(kuò)展單元，可以滿足用戶的不同要求。
整體式可編程控制器一般配備有許多專用的特殊功能單元 ，如模擬量i/o單元、位置控制單元、數(shù)據(jù)輸入輸出單元等，使可編程控制器的功能得到擴(kuò)展。
圖2 整體式可編程控制器
（2）模塊式可編程控制器
圖3 模塊式可編程控制器
大、中型可編程控制器和部分小型可編程控制器采用模塊式結(jié)構(gòu)。模塊式可編程控制器用搭積木的方式組成系統(tǒng)，它由框架和模塊組成（見圖3）。模塊插在模塊插座上，后者焊在框架中的總線連接板上，可編程控制器廠家備有不同的槽數(shù)的框架供用戶選用，如果一個(gè)框架容納不下所選用的模塊，可以增設(shè)一個(gè)或數(shù)個(gè)擴(kuò)展框架，各框架之間用i/o擴(kuò)展電纜相連。有的可編程控制器沒有框架，各各種模塊安裝在基板上。用戶可以選用不同檔次的cpu模塊，品種繁多的i/o模塊和特殊功能模塊，對硬件配置的選擇余地較大，維修時(shí)更換模塊也很方便。
圖3給出了t1公司模塊式可編程控制形圖和i/o模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。
（3）疊裝式可編程控制器
三菱公司的fx系列可編程控制器吸取了整體式和模塊式可編程控制器的優(yōu)點(diǎn)，它的基本單元 、擴(kuò)展單元和擴(kuò)展模塊的高度和深度相同，但是寬度不同，它們不用基板，僅用扁平電纜連接，緊密拼裝后組成一個(gè)整齊的長方體，輸入，輸出點(diǎn)數(shù)的配置也相當(dāng)靈活，有人將這種結(jié)構(gòu)稱為疊裝式（見圖2.4）?；締卧?，擴(kuò)展單元和擴(kuò)展模塊安裝在din導(dǎo)軌（1）上，或用安裝孔（2）安裝，從din導(dǎo)軌上卸下來時(shí)，往下拉下子（8）用擴(kuò)展電纜連接基本單元與擴(kuò)展單單元擴(kuò)展模塊時(shí)，應(yīng)打開連接插座的蓋子（6）輸入端子（3）和輸出端子（9）上都有透明的端子美國）和（10），（5）為輸入顯示led（7）為輸出顯示led，基本單元上還有其他一些顯示可編程控制器狀態(tài)的led（13）編程器插座在蓋子（12）下面存儲器盒連接器和鋰電池在蓋子（11）下面。
圖4 疊裝式可編程序控制器
3、cpu模塊
1、cpu芯片
cpu模塊主要由cpu芯片和存儲器組成，可編程控制器使用以下幾類cpu芯片：
（1）通用微處理器，如intel公司的8086、80186系列pentium系統(tǒng)芯片；
（2）單片微處理器（單片機(jī)），如intel公司的mc551/96系列單片機(jī)；
（3）位片式微處理器，如amd2900系列位片式微處理器。
2、存儲器
可編程控制器的存儲器分為系統(tǒng)程序存儲器和用戶程序存儲器，系統(tǒng)程序相當(dāng)于個(gè)人計(jì)算機(jī)的操作系統(tǒng)，它使可編程控制器生產(chǎn)廠家設(shè)計(jì)固化在rom內(nèi)，用戶不能直接讀取，可編程控制器的用戶程序由用戶設(shè)計(jì)，它決定了可編程控制器的輸入信號與輸出信號之間的具體關(guān)系。用戶程序存儲器的容量一般以字（每個(gè)字由16位二進(jìn)制數(shù)組成）為單位，三菱的fx系列可編程控制器的用戶程序存儲器以步為單位。小型可編程控制器的用戶程序存儲器容量在1k字（1k=1024= ），大型可編程控制器的用戶程序存儲器容量可達(dá)數(shù)百k字，甚至數(shù)m（兆）字。
可編程控制器常用以下幾種存儲器：
（1）隨機(jī)存取存儲器（ram）
用戶可以用編程器讀出ram中的內(nèi)容，也可以將用戶程序?qū)懭雛am，因此ram又叫讀/寫存儲器。它是易失性的存儲器，將它的電源斷開后，儲存的信息將會丟失。
ram的工作速度高，價(jià)格低，改寫方便。為了在關(guān)煌可編程控制器外部電源后，保存ram中的用戶程序和某些數(shù)據(jù)（如計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值），為ram配備了一個(gè)鋰電池，一般選用耗電極少的cmos型ram，鋰電池可用2—5年，需要更換鋰電池時(shí)由可編程序控制器發(fā)出信號彈，通知用戶，現(xiàn)在大多數(shù)可編程控制器仍用ram來儲存用戶程序。
（2）只讀存儲器（rom）
rom的內(nèi)容只能讀出，不能寫入。它是非易失的，它的電源消失后，仍能保存存儲的內(nèi)容。
（3）可擦除可編程的只讀存儲器（eprom）
它是非易失性的，但是可以用編程器它編程，兼有rom的非易失性和ram的隨機(jī)存取優(yōu)點(diǎn)，但是它比ram和rom的價(jià)格高一些，與入信息所需的時(shí)間比ram長得多，eeprom用來存放用戶程序。有的可編程控制器將eeprom作為基本配置，有的可編程控制器將eeprom作為可選件。
小型可編程控制器的用戶程序存儲器的容量一般是固定的，大中型可編程控制器的用戶存儲器容量可以由用戶選擇。
4、開關(guān)量i/o模塊的外部接線方式
開關(guān)量i/o模塊的輸入輸出信號僅有接通和斷開兩種狀態(tài)。電壓等級有直流5v，12v，24v，48v，110v和交流110v，220v等。
各i/o點(diǎn)的通/斷狀態(tài)用發(fā)光二極管顯示，外部接線一般接在模塊面板的接線端子上，某些模塊使用可拆裝的插座型端子板，不需斷開端子板上的外部連線，就可以迅速地更換模塊。點(diǎn)數(shù)很多的高密度i/o模塊的外部接線一般用插座連接，用戶可選用連接插座的電纜和端子板。
開關(guān)量i/o模塊的點(diǎn)數(shù)一般是2的n次方，如4，8，16，32，64點(diǎn)。
i/o模塊的外部接線方式有匯點(diǎn)式、分組式和分隔式三種（見圖5）。
圖5 i/o模塊的外部接線方式
匯點(diǎn)式模塊的各i/o電路有一個(gè)公共點(diǎn)，所有i/o點(diǎn)共用一個(gè)電源。
分組式模塊的i/o點(diǎn)分為若干個(gè)組，每一組的各i/o電路有一個(gè)公共點(diǎn)，它們共用一個(gè)電源。各組之間是分隔開的，可分別使用不同的電源。
分隔式模塊的各i/o點(diǎn)之間相互隔離，每一i/o點(diǎn)都可以使用單獨(dú)的電源，將它們的com端連接起來，幾點(diǎn)可以使用同一個(gè)電源。
5、輸入模塊
輸入電路中設(shè)有rc濾波電路，以防止由于輸入觸點(diǎn)抖動或外部干擾脈沖引起錯誤的輸入信號。濾波電路延遲時(shí)間的典型值為10～20ms（信號上升沿）和20～50ms(信號下降沿)，輸入電流約5～10ma.
圖6 直流輸入電路
圖6是某直流輸入模塊的內(nèi)部電路和外部接線圖。在本節(jié)輸入電路和輸出電路中一般只畫出了一路，com是各路的公共點(diǎn)。圖中的輸入觸點(diǎn)直接在公共點(diǎn)和輸入端x001之間，不需要外接輸入回路的電源，有的可編程序控制器還可以為接近開關(guān)、光電開關(guān)之類的傳感器提供24v電源（見圖6）。
當(dāng)圖6中的外接觸點(diǎn)接通時(shí)，光電耦合器中的發(fā)光二極管亮，光敏三極管飽和導(dǎo)通；外接觸點(diǎn)斷開時(shí)，光電耦合器中的發(fā)光二極管熄滅，光敏三極管截止，信號經(jīng)內(nèi)部電路傳送給cpu模塊。
開關(guān)量輸入模塊外接電子傳感器的輸出信號時(shí)，應(yīng)注意傳感器的輸出電路與可編程序控制器輸入電路的配合，對于圖6中輸入模塊的內(nèi)部電路，傳感器的輸出電路應(yīng)為npn管集電極開路的共發(fā)射極電路。
圖7是另一種交流輸入電路，光電耦合器中有兩個(gè)反并聯(lián)的發(fā)光二極管，顯示用的兩個(gè)發(fā)光二極管也是反并聯(lián)的，所以這個(gè)電路可以接收外部的交流輸入電壓。
圖8所示的交流/直流輸入電路的輸入觸點(diǎn)的接通后，輸入信號被濾波和整流，交流電壓或直流電壓被轉(zhuǎn)換為直流電流，送給顯示用的發(fā)