plc是微機技術(shù)和控制技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是一種以微處理器為核心的用于控制的特殊計算機，因此plc的基本組成與一般的微機系統(tǒng)類似。
一、plc的硬件組成
plc的硬件主要由中央處理器（cpu）、存儲器、輸入單元、輸出單元、通信接口、擴展接口電源等部分組成。其中，cpu是plc的核心，輸入單元與輸出單元是連接現(xiàn)場輸入/輸出設(shè)備與cpu之間的接口電路，通信接口用于與編程器、上位計算機等外設(shè)連接。
對于整體式plc，所有部件都裝在同一機殼內(nèi)，其組成框圖如圖1所示；對于模塊式plc，各部件獨立封裝成模塊，各模塊通過總線連接，安裝在機架或?qū)к壣希浣M成框圖如圖2所示。無論是哪種結(jié)構(gòu)類型的plc，都可根據(jù)用戶需要進行配置與組合。
圖1 整體式plc組成框圖
圖2 模塊式plc組成框圖
盡管整體式與模塊式plc的結(jié)構(gòu)不太一樣，但各部分的功能作用是相同的，下面對plc主要組成各部分進行簡單介紹。
1．中央處理單元（cpu）
同一般的微機一樣，cpu是plc的核心。plc中所配置的cpu隨機型不同而不同，常用有三類：通用微處理器（如z80、8086、80286等）、單片微處理器（如8031、8096等）和位片式微處理器(如amd29w等)。小型plc大多采用8位通用微處理器和單片微處理器；中型plc大多采用16位通用微處理器或單片微處理器；大型plc大多采用高速位片式微處理器。
目前，小型plc為單cpu系統(tǒng)，而中、大型plc則大多為雙cpu系統(tǒng)，甚至有些plc中多達8個cpu。對于雙cpu系統(tǒng)，一般一個為字處理器，一般采用8位或16位處理器；另一個為位處理器，采用由各廠家設(shè)計制造的專用芯片。字處理器為主處理器，用于執(zhí)行編程器接口功能，監(jiān)視內(nèi)部定時器，監(jiān)視掃描時間，處理字節(jié)指令以及對系統(tǒng)總線和位處理器進行控制等。位處理器為從處理器，主要用于處理位操作指令和實現(xiàn)plc編程語言向機器語言的轉(zhuǎn)換。位處理器的采用,提高了plc的速度，使plc更好地滿足實時控制要求。
在plc中cpu按系統(tǒng)程序賦予的功能，指揮plc有條不紊地進行工作，歸納起來主要有以下幾個方面：
1）接收從編程器輸入的用戶程序和數(shù)據(jù)。
2）診斷電源、plc內(nèi)部電路的工作故障和編程中的語法錯誤等。
3）通過輸入接口接收現(xiàn)場的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并存入輸入映象寄有器或數(shù)據(jù)寄存器中。
4） 從存儲器逐條讀取用戶程序，經(jīng)過解釋后執(zhí)行。
5） 根據(jù)執(zhí)行的結(jié)果，更新有關(guān)標(biāo)志位的狀態(tài)和輸出映象寄存器的內(nèi)容，通過輸出單元實現(xiàn)輸出控制。有些plc還具有制表打印或數(shù)據(jù)通信等功能。
2．存儲器
存儲器主要有兩種：一種是可讀/寫操作的隨機存儲器ram，另一種是只讀存儲器rom、prom、eprom和eeprom。在plc中，存儲器主要用于存放系統(tǒng)程序、用戶程序及工作數(shù)據(jù)。
系統(tǒng)程序是由plc的制造廠家編寫的，和plc的硬件組成有關(guān)，完成系統(tǒng)診斷、命令解釋、功能子程序調(diào)用管理、邏輯運算、通信及各種參數(shù)設(shè)定等功能，提供plc運行的平臺。系統(tǒng)程序關(guān)系到plc的性能，而且在plc使用過程中不會變動，所以是由制造廠家直接固化在只讀存儲器rom、prom或eprom中，用戶不能訪問和修改。
用戶程序是隨plc的控制對象而定的，由用戶根據(jù)對象生產(chǎn)工藝的控制要求而編制的應(yīng)用程序。為了便于讀出、檢查和修改，用戶程序一般存于cmos靜態(tài)ram中，用鋰電池作為后備電源，以保證掉電時不會丟失信息。為了防止干擾對ram中程序的破壞，當(dāng)用戶程序經(jīng)過運行正常，不需要改變，可將其固化在只讀存儲器eprom中?，F(xiàn)在有許多plc直接采用eeprom作為用戶存儲器。
工作數(shù)據(jù)是plc運行過程中經(jīng)常變化、經(jīng)常存取的一些數(shù)據(jù)。存放在ram中，以適應(yīng)隨機存取的要求。在plc的工作數(shù)據(jù)存儲器中，設(shè)有存放輸入輸出繼電器、輔助繼電器、定時器、計數(shù)器等邏輯器件的存儲區(qū)，這些器件的狀態(tài)都是由用戶程序的初始設(shè)置和運行情況而確定的。根據(jù)需要，部分?jǐn)?shù)據(jù)在掉電時用后備電池維持其現(xiàn)有的狀態(tài)，這部分在掉電時可保存數(shù)據(jù)的存儲區(qū)域稱為保持?jǐn)?shù)據(jù)區(qū)。
由于系統(tǒng)程序及工作數(shù)據(jù)與用戶無直接聯(lián)系，所以在plc產(chǎn)品樣本或使用手冊中所列存儲器的形式及容量是指用戶程序存儲器。當(dāng)plc提供的用戶存儲器容量不夠用，許多plc還提供有存儲器擴展功能。
3．輸入/輸出單元
輸入/輸出單元通常也稱i/o單元或i/o模塊，是plc與工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場之間的連接部件。 plc通過輸入接口可以檢測被控對象的各種數(shù)據(jù)，以這些數(shù)據(jù)作為plc對被控制對象進行控制的依據(jù)；同時plc又通過輸出接口將處理結(jié)果送給被控制對象，以實現(xiàn)控制目的。
由于外部輸入設(shè)備和輸出設(shè)備所需的信號電平是多種多樣的，而plc內(nèi)部cpu的處理的信息只能是標(biāo)準(zhǔn)電平，所以i/o接口要實現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換。i/o接口一般都具有光電隔離和濾波功能，以提高plc的抗干擾能力。另外，i/o接口上通常還有狀態(tài)指示，工作狀況直觀，便于維護。
plc提供了多種操作電平和驅(qū)動能力的i/o接口，有各種各樣功能的i/o接口供用戶選用。i/o接口的主要類型有：數(shù)字量（開關(guān)量）輸入、數(shù)字量（開關(guān)量）輸出、模擬量輸入、模擬量輸出等。
常用的開關(guān)量輸入接口按其使用的電源不同有三種類型：直流輸入接口、交流輸入接口和交/直流輸入接口，其基本原理電路如圖3所示。
圖3 開關(guān)量輸入接口
a）直流輸入 b）交流輸入 c）交/直流輸入
常用的開關(guān)量輸出接口按輸出開關(guān)器件不同有三種類型：是繼電器輸出、晶體管輸出和雙向晶閘管輸出，其基本原理電路如圖4所示。繼電器輸出接口可驅(qū)動交流或直流負載，但其響應(yīng)時間長，動作頻率低；而晶體管輸出和雙向晶閘管輸出接口的響應(yīng)速度快，動作頻率高，但前者只能用于驅(qū)動直流負載，后者只能用于交流負載。
圖4 開關(guān)量輸出接口
a）繼電器輸出 b）晶體管輸出 c）晶閘管輸出
plc的i/o接口所能接受的輸入信號個數(shù)和輸出信號個數(shù)稱為plc輸入/輸出（i/o）點數(shù)。i/o點數(shù)是選擇plc的重要依據(jù)之一。當(dāng)系統(tǒng)的i/o點數(shù)不夠時，可通過plc的i/o擴展接口對系統(tǒng)進行擴展。
4．通信接口
plc配有各種通信接口，這些通信接口一般都帶有通信處理器。plc通過這些通信接口可與監(jiān)視器、打印機、其它plc、計算機等設(shè)備實現(xiàn)通信。plc與打印機連接，可將過程信息、系統(tǒng)參數(shù)等輸出打??；與監(jiān)視器連接，可將控制過程圖像顯示出來；與其它plc連接，可組成多機系統(tǒng)或連成網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)更大規(guī)?？刂?。與計算機連接，可組成多級分布式控制系統(tǒng)，實現(xiàn)控制與管理相結(jié)合。
遠程i/o系統(tǒng)也必須配備相應(yīng)的通信接口模塊。
5．智能接口模塊
智能接口模塊是一獨立的計算機系統(tǒng)，它有自己的cpu、系統(tǒng)程序、存儲器以及與plc系統(tǒng)總線相連的接口。它作為plc系統(tǒng)的一個模塊，通過總線與plc相連，進行數(shù)據(jù)交換，并在plc的協(xié)調(diào)管理下獨立地進行工作。
plc的智能接口模塊種類很多，如：高速計數(shù)模塊、閉環(huán)控制模塊、運動控制模塊、中斷控制模塊等。
6．編程裝置
編程裝置的作用是編輯、調(diào)試、輸入用戶程序，也可在線監(jiān)控plc內(nèi)部狀態(tài)和參數(shù)，與plc進行人機對話。它是開發(fā)、應(yīng)用、維護plc不可缺少的工具。編程裝置可以是專用編程器，也可以是配有專用編程軟件包的通用計算機系統(tǒng)。專用編程器是由plc廠家生產(chǎn)，專供該廠家生產(chǎn)的某些plc產(chǎn)品使用，它主要由鍵盤、顯示器和外存儲器接插口等部件組成。專用編程器有簡易編程器和智能編程器兩類。
簡易型編程器只能聯(lián)機編程，而且不能直接輸入和編輯梯形圖程序，需將梯形圖程序轉(zhuǎn)化為指令表程序才能輸入。簡易編程器體積小、價格便宜，它可以直接插在plc的編程插座上，或者用專用電纜與plc相連，以方便編程和調(diào)試。有些簡易編程器帶有存儲盒，可用來儲存用戶程序，如三菱的fx-20p-e簡易編程器。
智能編程器又稱圖形編程器，本質(zhì)上它是一臺專用便攜式計算機，如三菱的gp-80fx-e智能型編程器。它既可聯(lián)機編程，又可脫機編程?？芍苯虞斎牒途庉嬏菪螆D程序，使用更加直觀、方便，但價格較高，操作也比較復(fù)雜。大多數(shù)智能編程器帶有磁盤驅(qū)動器，提供錄音機接口和打印機接口。
專用編程器只能對指定廠家的幾種plc進行編程，使用范圍有限，價格較高。同時，由于plc產(chǎn)品不斷更新?lián)Q代，所以專用編程器的生命周期也十分有限。因此，現(xiàn)在的趨勢是使用以個人計算機為基礎(chǔ)的編程裝置，用戶只要購買plc廠家提供的編程軟件和相應(yīng)的硬件接口裝置。這樣，用戶只用較少的投資即可得到高性能的plc程序開發(fā)系統(tǒng)。
基于個人計算機的程序開發(fā)系統(tǒng)功能強大。它既可以編制、修改plc的梯形圖程序，又可以監(jiān)視系統(tǒng)運行、打印文件、系統(tǒng)仿真等。配上相應(yīng)的軟件還可實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和分析等許多功能。
7.電源
plc配有開關(guān)電源，以供內(nèi)部電路使用。與普通電源相比，plc電源的穩(wěn)定性好、抗干擾能力強。對電網(wǎng)提供的電源穩(wěn)定度要求不高，一般允許電源電壓在其額定值±15%的范圍內(nèi)波動。許多plc還向外提供直流24v穩(wěn)壓電源，用于對外部傳感器供電。
8.其它外部設(shè)備
除了以上所述的部件和設(shè)備外，plc還有許多外部設(shè)備，如eprom寫入器、外存儲器、人/機接口裝置等。
eprom寫入器是用來將用戶程序固化到eprom存儲器中的一種plc外部設(shè)備。為了使調(diào)試好用戶程序不易丟失，經(jīng)常用eprom寫入器將plc內(nèi)ram保存到eprom中。
plc內(nèi)部的半導(dǎo)體存儲器稱為內(nèi)存儲器。有時可用外部的磁帶、磁盤和用半導(dǎo)體存儲器作成的存儲盒等來存儲plc的用戶程序，這些存儲器件稱為外存儲器。外存儲器一般是通過編程器或其它智能模塊提供的接口，實現(xiàn)與內(nèi)存儲器之間相互傳送用戶程序。
人/機接口裝置是用來實現(xiàn)操作人員與plc控制系統(tǒng)的對話。最簡單、最普遍的人/機接口裝置由安裝在控制臺上的按鈕、轉(zhuǎn)換開關(guān)、撥碼開關(guān)、指示燈、led顯示器、聲光報警器等器件構(gòu)成。對于plc系統(tǒng)，還可采用半智能型crt人/機接口裝置和智能型終端人/機接口裝置。半智能型crt人/機接口裝置可長期安裝在控制臺上，通過通信接口接收來自plc的信息并在crt上顯示出來；而智能型終端人/機接口裝置有自己的微處理器和存儲器，能夠與操作人員快速交換信息，并通過通信接口與plc相連，也可作為獨立的節(jié)點接入plc網(wǎng)絡(luò)。
二、plc的軟件組成
plc的軟件由系統(tǒng)程序和用戶程序組成。
系統(tǒng)程序由plc制造廠商設(shè)計編寫的，并存入plc的系統(tǒng)存儲器中，用戶不能直接讀寫與更改。系統(tǒng)程序一般包括系統(tǒng)診斷程序、輸入處理程序、編譯程序、信息傳送程序、監(jiān)控程序等。
plc的用戶程序是用戶利用plc的編程語言，根據(jù)控制要求編制的程序。在plc的應(yīng)用中，最重要的是用plc的編程語言來編寫用戶程序，以實現(xiàn)控制目的。由于plc是專門為工業(yè)控制而開發(fā)的裝置，其主要使用者是廣大電氣技術(shù)人員，為了滿足他們的傳統(tǒng)習(xí)慣和掌握能力，plc的主要編程語言采用比計算機語言相對簡單、易懂、形象的專用語言。
plc編程語言是多種多樣的，對于不同生產(chǎn)廠家、不同系列的plc產(chǎn)品采用的編程語言的表達方式也不相同，但基本上可歸納兩種類型：一是采用字符表達方式的編程語言，如語句表等；二是采用圖形符號表達方式編程語言，如梯形圖等。
以下簡要介紹幾種常見的plc編程語言。
1.梯形圖語言
梯形圖語言是在傳統(tǒng)電器控制系統(tǒng)中常用的接觸器、繼電器等圖形表達符號的基礎(chǔ)上演變而來的。它與電器控制線路圖相似，繼承了傳統(tǒng)電器控制邏輯中使用的框架結(jié)構(gòu)、邏輯運算方式和輸入輸出形式，具有形象、直觀、實用的特點。因此，這種編程語言為廣大電氣技術(shù)人員所熟知，是應(yīng)用最廣泛的plc的編程語言，是plc的第一編程語言。
如圖5所示是傳統(tǒng)的電器控制線路圖和plc梯形圖。
圖5 電器控制線路圖與梯形圖
a）電器控制線路圖 b）plc梯形圖
從圖中可看出，兩種圖基本表示思想是一致的，具體表達方式有一定區(qū)別。plc的梯形圖使用的是內(nèi)部繼電器，定時／計數(shù)器等，都是由軟件來實現(xiàn)的，使用方便，修改靈活，是原電器控制線路硬接線無法比擬的。
2.語句表語言
這種編程語言是一種與匯編語言類似的助記符編程表達方式。在plc應(yīng)用中，經(jīng)常采用簡易編程器，而這種編程器中沒有crt屏幕顯示，或沒有較大的液晶屏幕顯示。因此，就用一系列plc操作命令組成的語句表將梯形圖描述出來，再通過簡易編程器輸入到plc中。雖然各個plc生產(chǎn)廠家的語句表形式不盡相同，但基本功能相差無幾。以下是與圖2-9中梯形圖對應(yīng)的（fx系列plc）語句表程序。
步序號 指令 數(shù)據(jù)
0 ld x1
1 or y0
2 ani x2
3 out y0
4 ld x3
5 out y1
可以看出，語句是語句表程序的基本單元，每個語句和微機一樣也由地址（步序號）、操作碼（指令）和操作數(shù)（數(shù)據(jù)）三部分組成。
3.邏輯圖語言
邏輯圖是一種類似于數(shù)字邏輯電路結(jié)構(gòu)的編程語言，由與門、或門、非門、定時器、計數(shù)器、觸發(fā)器等邏輯符號組成。有數(shù)字電路基礎(chǔ)的電氣技術(shù)人員較容易掌握，如圖6所示。
圖6 邏輯圖語言編程
4.功能表圖語言
功能表圖語言（sfc語言）是一種較新的編程方法，又稱狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖語言。它將一個完整的控制過程分為若干階段，各階段具有不同的動作，階段間有一定的轉(zhuǎn)換條件，轉(zhuǎn)換條件滿足就實現(xiàn)階段轉(zhuǎn)移，上一階段動作結(jié)束，下一階段動作開始。是用功能表圖的方式來表達一個控制過程，對于順序控制系統(tǒng)特別適用。
5.高級語言
隨著plc技術(shù)的發(fā)展，為了增強plc的運算、數(shù)據(jù)處理及通信等功能，以上編程語言無法很好地滿足要求。近年來推出的plc，尤其是大型plc，都可用高級語言，如basic語言、c語言、pascal語言等進行編程。采用高級語言后，用戶可以像使用普通微型計算機一樣操作plc，使plc的各種功能得到更好的發(fā)揮。