1.4 PLC的硬件结构
本节将介绍PLC的硬件组成部分
学习目标
- 掌握PLC的基本硬件结构
- 理解各部件的功能
- 了解I/O模块的类型
1. PLC硬件系统概述
1.1 硬件结构框图
PLC硬件系统结构：
┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ PLC主机 │
│ ┌─────────┐ ┌─────────┐ ┌─────────┐ ┌─────────┐ │
│ │ │ │ │ │ │ │ │ │
│ │ 电源模块 │ │ CPU模块 │ │ 存储器 │ │ 通信接口 │ │
│ │ │ │ │ │ │ │ │ │
│ └────┬────┘ └────┬────┘ └────┬────┘ └────┬────┘ │
│ │ │ │ │ │
│ └────────────┴────────────┴────────────┘ │
│ │ │
│ 系统总线 │
│ │ │
│ ┌─────────────────┼─────────────────┐ │
│ │ │ │ │
│ ┌────┴────┐ ┌────┴────┐ ┌────┴────┐ │
│ │ 输入模块 │ │ 输出模块 │ │ 特殊模块 │ │
│ │ (DI) │ │ (DO) │ │(AI/AO等)│ │
│ └────┬────┘ └────┬────┘ └────┬────┘ │
└───────┼────────────────┼────────────────┼──────────────────┘
│ │ │
▼ ▼ ▼
┌─────────┐ ┌─────────┐ ┌─────────┐
│外部输入 │ │外部输出 │ │特殊设备 │
│(按钮等) │ │(电机等) │ │(传感器) │
└─────────┘ └─────────┘ └─────────┘1.2 硬件分类
根据结构形式，PLC可分为：
| 类型 | 特点 | 适用场合 |
|---|---|---|
| 整体式 | CPU、I/O集成在一起 | 小型控制系统 |
| 模块式 | 各功能模块独立，可自由组合 | 中大型控制系统 |
| 混合式 | 主机整体式，可扩展模块 | 灵活应用 |
整体式PLC vs 模块式PLC：
整体式： 模块式：
┌─────────────────────┐ ┌────┬────┬────┬────┬────┐
│ CPU │ I/O │ 电源 │ │电源│CPU │ DI │ DO │ AI │
│ │ │ │ │模块│模块│模块│模块│模块│
└─────────────────────┘ └────┴────┴────┴────┴────┘
紧凑、经济 灵活、可扩展2. CPU模块
2.1 CPU的功能
CPU（中央处理单元）是PLC的核心，相当于人的"大脑"。
CPU模块的主要功能：
┌────────────────────────────────────────────────┐
│ CPU模块 │
├────────────────────────────────────────────────┤
│ ● 程序执行 ────── 执行用户编写的控制程序 │
│ ● 数据处理 ────── 进行逻辑运算、数学运算 │
│ ● I/O控制 ────── 控制输入采样和输出刷新 │
│ ● 通信管理 ────── 与外部设备进行数据交换 │
│ ● 自诊断 ────── 检测系统故障，报警处理 │
│ ● 系统管理 ────── 协调各模块工作 │
└────────────────────────────────────────────────┘2.2 CPU的性能指标
| 指标 | 说明 | 典型值 |
|---|---|---|
| 位数 | 处理器字长 | 16位、32位、64位 |
| 主频 | 时钟频率 | 几十MHz到几GHz |
| 指令速度 | 执行基本指令时间 | 0.01-1 μs/步 |
| 程序容量 | 可存储程序大小 | 几KB到几十MB |
| I/O点数 | 可控制的I/O数量 | 几十到数万点 |
2.3 不同规模CPU对比
PLC规模分类：
┌──────────┬─────────────┬─────────────┬─────────────┐
│ 规模 │ I/O点数 │ 程序容量 │ 典型应用 │
├──────────┼─────────────┼─────────────┼─────────────┤
│ 微型 │ <64点 │ <4KB │ 单机控制 │
├──────────┼─────────────┼─────────────┼─────────────┤
│ 小型 │ 64-256点 │ 4-16KB │ 小型设备 │
├──────────┼─────────────┼─────────────┼─────────────┤
│ 中型 │ 256-2048点 │ 16-128KB │ 生产线 │
├──────────┼─────────────┼─────────────┼─────────────┤
│ 大型 │ >2048点 │ >128KB │ 工厂级 │
└──────────┴─────────────┴─────────────┴─────────────┘3. 电源模块
3.1 电源模块的功能
电源模块为PLC各部件提供稳定的工作电源。
电源模块功能示意：
外部电源 电源模块 各功能模块
┌─────────────┐
AC220V ────────▶│ 整流滤波 │────▶ DC 24V（传感器电源）
或 │ │
AC110V ────────▶│ DC-DC转换 │────▶ DC 5V（CPU/逻辑电路）
或 │ │
DC24V ────────▶│ 稳压保护 │────▶ DC 3.3V（存储器）
└─────────────┘3.2 电源规格
| 参数 | 说明 |
|---|---|
| 输入电压 | AC 100-240V 或 DC 24V |
| 输出电压 | DC 5V、DC 24V等 |
| 输出功率 | 几十W到几百W |
| 保护功能 | 过流、过压、短路保护 |
3.3 电源选型注意事项
电源容量计算：
总功耗 = CPU功耗 + Σ(各模块功耗) + 传感器功耗 + 余量
建议：电源容量 ≥ 总功耗 × 1.3（留30%余量）
示例：
CPU模块：5W
DI模块×2：2W×2 = 4W
DO模块×1：3W
传感器：10W
────────────────
总计：22W
电源选型：≥ 22×1.3 = 28.6W，选30W或以上4. 输入模块
4.1 数字量输入模块（DI）
数字量输入模块用于接收开关量信号（0或1）。
数字量输入模块结构：
外部信号 输入模块内部 PLC内部
┌─────────────────────┐
按钮 ──────│ 光电耦合隔离 │
│ ┌─────┐ │ 输入映像
开关 ──────│──│ LED │──│>├──────│────▶ 寄存器
│ └─────┘ 光耦 │
传感器 ─────│ 滤波电路 │
└─────────────────────┘
│
指示灯LEDDI模块类型：
| 类型 | 输入电压 | 说明 |
|---|---|---|
| DC输入 | DC 24V | 最常用，响应快 |
| AC输入 | AC 110V/220V | 直接接交流信号 |
| DC/AC通用 | DC/AC | 灵活性高 |
4.2 模拟量输入模块（AI）
模拟量输入模块用于接收连续变化的信号。
模拟量输入处理流程：
传感器信号 A/D转换 数字值
┌─────────┐
4-20mA ──────▶│ │────▶ 0-27648
│ A/D │ (16位)
0-10V ──────▶│ 转换器 │────▶ 0-27648
│ │
热电偶/热电阻───▶│ │────▶ 温度值
└─────────┘AI模块规格：
| 参数 | 常见规格 |
|---|---|
| 信号类型 | 电压：0-10V、±10V；电流：4-20mA、0-20mA |
| 分辨率 | 12位、14位、16位 |
| 转换时间 | 几十μs到几ms |
| 通道数 | 4、8、16通道等 |
4.3 输入接线方式
数字量输入接线（源型/漏型）：
【漏型输入】（NPN型传感器） 【源型输入】（PNP型传感器）
DC24V DC24V
│ │
│ ├──────┐
┌──┴──┐ ┌──┴──┐ │
│传感器│ │传感器│ │
│(NPN)│ │(PNP)│ │
└──┬──┘ └──┬──┘ │
│ │ │
└───────▶ DI端子 └──────│▶ DI端子
│ │
COM端子 ◀─────────────────────────┘
│
GND5. 输出模块
5.1 数字量输出模块（DO）
数字量输出模块用于控制外部执行机构的通断。
输出类型对比：
| 类型 | 符号 | 优点 | 缺点 | 适用场合 |
|---|---|---|---|---|
| 继电器输出 | R | 可带交直流负载，触点隔离 | 寿命有限，速度慢 | 一般场合 |
| 晶体管输出 | T | 速度快，寿命长 | 只能带直流负载 | 高速、高频场合 |
| 晶闸管输出 | S | 可带交流负载，速度快 | 只能带交流负载 | 交流高速场合 |
三种输出类型结构：
【继电器输出】 【晶体管输出】 【晶闸管输出】
内部 外部 内部 外部 内部 外部
┌───┐ ┌───┐ ┌───┐ ┌───┐ ┌───┐ ┌───┐
──┤ ├──┤ ├── ──┤ ├──┤ ├── ──┤ ├──┤ ├──
│继电│ │负载│ │晶体│ │负载│ │晶闸│ │负载│
│ 器 │ │ │ │ 管 │ │(DC)│ │ 管 │ │(AC)│
└───┘ └───┘ └───┘ └───┘ └───┘ └───┘
AC/DC均可 仅DC负载 仅AC负载5.2 模拟量输出模块（AO）
模拟量输出模块用于输出连续变化的控制信号。
模拟量输出处理流程：
数字值 D/A转换 输出信号
┌─────────┐
0-27648 ──────▶│ │────▶ 4-20mA ──▶ 变频器
(16位) │ D/A │
│ 转换器 │────▶ 0-10V ──▶ 调节阀
│ │
└─────────┘5.3 输出接线示例
继电器输出接线示例：
PLC输出模块 外部负载
┌─────────────┐
│ Q0.0 ────┼─────┐
│ COM ────┼──┐ │ ┌────────┐
│ │ │ └─────┤ 指示灯 │
│ │ │ └────┬───┘
│ Q0.1 ────┼──┼────────────┤
│ │ │ │
│ Q0.2 ────┼──┼─────┐ │
│ │ │ │ ┌──┴───┐
│ │ └─────┼───┤ 继电器│
└─────────────┘ │ └──────┘
│
AC220V6. 通信模块
6.1 通信接口类型
PLC常见通信接口：
┌────────────────────────────────────────────────────────┐
│ PLC通信模块 │
├────────────┬──────────────┬───────────────────────────┤
│ 接口类型 │ 标准 │ 用途 │
├────────────┼──────────────┼───────────────────────────┤
│ RS232 │ 串行通信 │ 点对点，编程调试 │
│ RS485 │ 串行通信 │ 多点通信，现场总线 │
│ 以太网 │ TCP/IP │ 高速通信，远程监控 │
│ PROFIBUS │ 现场总线 │ 西门子系统组网 │
│ DeviceNet │ 现场总线 │ 罗克韦尔系统组网 │
│ CC-Link │ 现场总线 │ 三菱系统组网 │
└────────────┴──────────────┴───────────────────────────┘6.2 通信网络拓扑
常见PLC通信网络架构：
┌─────────────┐
│ 上位机 │
│ (SCADA/HMI) │
└──────┬──────┘
│ 以太网
┌─────────────┼─────────────┐
│ │ │
┌───┴───┐ ┌───┴───┐ ┌───┴───┐
│ PLC 1 │ │ PLC 2 │ │ PLC 3 │
└───┬───┘ └───┬───┘ └───┬───┘
│ 现场 │ │
│ 总线 │ │
┌───┴───┐ ┌───┴───┐ ┌───┴───┐
│远程I/O │ │变频器 │ │ 仪表 │
└───────┘ └───────┘ └───────┘7. 存储器结构
7.1 存储器类型
PLC存储器结构：
┌─────────────────────────────────────────────────────┐
│ PLC存储器 │
├─────────────────────────────────────────────────────┤
│ │
│ ┌─────────────┐ ┌─────────────┐ │
│ │ 系统ROM │ │ 用户程序 │ │
│ │ (操作系统) │ │ 存储器 │ │
│ │ 只读 │ │ (Flash) │ │
│ └─────────────┘ └─────────────┘ │
│ │
│ ┌─────────────┐ ┌─────────────┐ │
│ │ 系统RAM │ │ 数据存储器 │ │
│ │ (工作区) │ │ (保持/非保持)│ │
│ │ 易失 │ │ │ │
│ └─────────────┘ └─────────────┘ │
│ │
└─────────────────────────────────────────────────────┘7.2 数据区划分
| 区域 | 符号(西门子) | 说明 |
|---|---|---|
| 输入映像 | I | 存储输入端子状态 |
| 输出映像 | Q | 存储输出端子状态 |
| 位存储器 | M | 内部中间继电器 |
| 定时器 | T | 定时器当前值和状态 |
| 计数器 | C | 计数器当前值和状态 |
| 数据块 | DB | 用户数据存储 |
8. 实物示例
8.1 西门子S7-1200
西门子S7-1200硬件配置示例：
┌─────────────────────────────────────────────────────┐
│ S7-1200 PLC │
├────────┬────────┬────────┬────────┬────────────────┤
│ 电源 │ CPU │ DI │ DO │ 信号板 │
│ 模块 │ 1214C │ SM1221 │ SM1222 │ (可选) │
│ │ │ 16DI │ 16DO │ │
├────────┼────────┼────────┼────────┼────────────────┤
│ 24VDC │内置14DI│ 扩展 │ 扩展 │ AI/AO扩展 │
│ 输入 │ 10DO │ 16点 │ 16点 │ │
│ │ 2AI │ │ │ │
└────────┴────────┴────────┴────────┴────────────────┘
总I/O配置：30DI + 26DO + 2AI（可继续扩展）8.2 三菱FX5U
三菱FX5U硬件配置示例：
┌─────────────────────────────────────────────────────┐
│ FX5U PLC │
├────────────────────┬────────────────────────────────┤
│ 主机单元 │ 扩展单元 │
│ ┌──────────────┐ │ ┌────────┐ ┌────────┐ │
│ │ FX5U-32MT/ES │ │ │FX5-16EX│ │FX5-4AD │ │
│ │ 16DI + 16DO │ │ │ 16DI │ │ 4AI │ │
│ │ 内置以太网 │ │ │ │ │ │ │
│ └──────────────┘ │ └────────┘ └────────┘ │
└────────────────────┴────────────────────────────────┘
总I/O配置：32DI + 16DO + 4AI本节小结
PLC硬件结构要点：
┌────────────────────────────────────────────────────┐
│ 1. CPU模块：PLC的核心，负责程序执行和数据处理 │
│ │
│ 2. 电源模块：为各部件提供稳定电源 │
│ │
│ 3. 输入模块：接收外部信号（DI数字量/AI模拟量） │
│ │
│ 4. 输出模块：控制外部设备（DO数字量/AO模拟量） │
│ │
│ 5. 通信模块：实现与其他设备的数据交换 │
│ │
│ 6. 存储器：存储程序和数据 │
└────────────────────────────────────────────────────┘思考题
- PLC的CPU模块有哪些主要功能？
- 数字量输出的三种类型各有什么特点？
- 如何根据控制系统的需求选择合适的PLC？
- 什么情况下需要使用模拟量输入/输出模块？