第2章 PLC的结构和工作原理

2.1 PLC的结构组成

2.1.1 三菱PLC的结构组成

三菱公司为了满足各行各业不同的控制需求推出了多种系列型号的PLC，如Q系列、AnS系列、QnA系列、A系列和FX系列等。

三菱PLC的硬件系统主要由基本单元、扩展单元、扩展模块及特殊功能模块组成，如图2-1所示。

划重点

1 三菱PLC的基本单元

三菱PLC的基本单元是PLC的控制核心，也称主单元，主要由CPU、存储器、输入接口、输出接口及电源等构成，是PLC硬件系统中的必选单元。下面以三菱FX系列PLC为例介绍硬件系统的结构组成。

图2-2为三菱FX系列PLC的基本单元，也称PLC的主机或CPU部分，属于集成型小型单元式PLC，具有完整的性能和通信功能。常见三菱FX系列PLC的产品主要有FX_1N、FN_2N和FN_3U等系列。

划重点

① 三菱FX_1N系列PLC是一种功能强大的普及型PLC，具有扩展输入/输出、模拟量控制和通信、链接等功能，广泛应用于一般的顺序控制系统中。

② 三菱FX_3U系列PLC属于第三代PLC，基本性能大幅提升，基本单元采用晶体管输出型，内置定位功能，增加新的定位指令，使定位功能更加强大，使用更加方便。

③ 三菱FX_2N系列PLC具有高速处理及可扩展大量满足单个需要的特殊功能模块，多应用于工厂自动化设备中。

图2-3为三菱FX系列PLC基本单元的外部结构，主要由电源接口、输入/输出接口、PLC状态指示灯、输入/输出LED指示灯、扩展接口、外围设备接线插座、存储器和串行通信接口等构成。

① 电源接口和输入/输出接口

电源接口包括L端、N端和接地端，用于为PLC供电；输入接口通常使用X0、X1等进行标识；输出接口通常使用Y0、Y1等进行标识。

图2-4为三菱FX系列PLC基本单元的电源接口和输入/输出接口。

② LED指示灯

图2-5为三菱FX系列PLC基本单元的LED指示灯。

LED指示灯包括PLC状态指示灯、输入LED指示灯和输出LED指示灯三部分。

③ 通信接口

PLC与计算机、外围设备、其他PLC之间需要通过共同约定的通信协议和通信方式由通信接口实现信息交换。

图2-6为三菱FX系列PLC基本单元的通信接口。

划重点

① RS-232通信接口安装在FX_2N-232-BD通信扩展板上，采用串行方式，常用于距离较近、通信速率要求不高的场合。

② RS-485通信接口安装在FX_2N-485-BD通信扩展板上，采用两根传输线完成接收和发送任务，常用于联网通信。

③ RS-422通信接口安装在FX_2N-422-BD通信扩展板上，采用差动发送、差动接收方式，常用于距离较远、通信速率高、抗共模干扰的场合。

④ 内部结构

三菱FX系列PLC基本单元的内部结构如图2-7所示。

划重点

在通常情况下，三菱FX系列PLC基本单元的内部主要是由CPU电路板、输入/输出接口电路板和电源电路板构成的。

图2-8为三菱FX系列PLC基本单元的CPU电路板。PU电路板用于完成PLC的运算、存储和控制功能。

图2-9为三菱FX系列PLC基本单元的电源电路板。电源电路板用于为PLC内部各电路提供所需的工作电压。

图2-10为三菱FX系列PLC基本单元的输入/输出接口电路板。输入/输出接口电路板用于PLC输入、输出信号的处理。

不同系列、不同型号的PLC具有不同的规格参数。图2-11为三菱FX_2N系列PLC基本单元的类型、I/O点数和性能参数。

三菱FX系列PLC基本单元的正面标识有PLC的型号，型号中的每个字母或数字都有不同的含义。图2-12为三菱FX_2N系列PLC型号中各字母或数字所表示的含义。

划重点

在三菱FX系列PLC型号标识中，若特殊品种一项无标识，则默认为交流电源、直流输入、横式端子排、标准输出。

2 三菱PLC的扩展单元

图2-13为三菱PLC扩展单元的实物图。

扩展单元是用于增加PLC的I/O点数及供电电流的装置，内部设有电源，无CPU，需要与基本单元同时使用，当扩展组合总供电电流不足时，需在PLC硬件系统中增设扩展单元进行供电电流的扩展。

三菱PLC的扩展单元是一个独立的扩展设备，通常连接在PLC基本单元的扩展接口或扩展插槽上。

三菱PLC扩展单元型号命名规则如图2-14所示。

划重点

图2-14中，字母E表示该产品为扩展单元。

多说两句！

不同系列三菱PLC的扩展单元类型不同，见表2-1。三菱FX_2N系列PLC的扩展单元主要有6种。根据输出类型的不同，6种扩展单元可分为继电器输出和晶体管输出两大类。

3 三菱PLC的扩展模块

三菱PLC的扩展模块是用于增加PLC的I/O点数及改变I/O比例的装置，内部无电源和CPU，需要与基本单元配合使用，由基本单元或扩展单元供电，如图2-15所示。

划重点

基本单元与扩展模块配合使用，通过扩展接口或扩展插槽连接，由基本单元通过数据线为扩展模块供电。

不同系列三菱PLC扩展模块的类型不同，见表2-2。三菱FX_2N系列PLC的扩展模块主要有3种类型，分别为FX_2N-16EX、FX_2N-16EYT、FX_2N-16EYR。

4 三菱PLC的特殊功能模块

三菱PLC的特殊功能模块是PLC的一种专用扩展模块，如模拟量I/O模块、通信扩展模块、温度控制模块、定位控制模块、高速计数模块、热电偶温度传感器输入模块、凸轮控制模块等。

模拟量I/O模块包含模拟量输入模块和模拟量输出模块。图2-16为三菱PLC模拟量I/O模块的实物图。

划重点

① 模拟量输入模块也称A/D模块，可将连续变化的模拟输入信号转换为PLC内部所需的数字信号。

划重点

② 模拟量输出模块也称D/A模块，可将PLC运算处理后的数字信号转换为外部设备所需的模拟信号。

图2-17为三菱PLC模拟量I/O模块的工作流程。

多说两句！

在图2-17中，生产过程连续变化的模拟信号（如压力、温度、流量等）送入模拟量输入模块中，经循环多路开关后进行A/D转换，再经缓冲区BFM为PLC提供一定位数的数字信号；PLC将接收到的数字信号根据预先编写好的程序进行运算处理，并将运算处理后的数字信号输入模拟量输出模块中，经缓冲区BFM后进行D/A转换，为生产设备提供一定的模拟控制信号。

在三菱PLC模拟量输入模块的内部，直流24V电源经DC/DC转换器转换为±15V和5V开关电源，为模拟量输入模块提供所需的工作电压，同时模拟量输入模块接收由CPU发送来的控制信号，经光电耦合器后控制循环多路开关闭合，通道CH1（或CH2、CH3、CH4）输入的模拟量信号经循环多路开关后进行A/D转换，再经光电耦合器后为CPU提供一定位数的数字信号。

图2-18为三菱PLC模拟量输入模块的内部方框图。

表2-3为三菱FX_2N-4AD模拟量输入模块的基本参数及相关性能指标。

图2-19为三菱PLC高速计数模块的实物图。

划重点

高速计数模块主要用于对PLC控制系统中的脉冲个数进行计数，在PLC基本单元内一般设置有高速计数器，当工业应用中超过内部计数器的工作频率时，需在PLC硬件系统中配置高速计数模块。

划重点

当所控制的机械设备要求定位控制时，需在PLC系统中加入定位控制模块，如通过脉冲输出模块FX_2N-1PG和定位控制模块FX_2N-10GM等实现机械设备的一点或多点的定位控制。

图2-20为三菱PLC的脉冲输出模块和定位控制模块。

图2-21为三菱PLC的其他特殊功能模块。

2.1.2 西门子PLC的结构组成

图2-22为典型西门子PLC的硬件系统。

西门子公司为了满足用户的不同要求推出了多种PLC产品。每种PLC产品的硬件结构不同。以西门子常见的S7系列PLC为例，西门子S7系列PLC的硬件系统主要包括PLC主机（CPU模块）和扩展模块。其中，常见的扩展模块包括电源模块（PS）、接口模块（IM）、信息扩展模块（EM、SM）、通信模块（CP）、功能模块（FM）等。

1 西门子S7系列PLC主机（CPU模块）

图2-23为西门子S7系列PLC主机（CPU模块）。

西门子PLC主机是构成硬件系统的核心单元，主要包括负责执行程序和存储数据的微处理器，被称为CPU模块。西门子PLC主机外部主要由电源接口、输入接口、输出接口、通信接口、PLC状态指示灯、输入/输出LED指示灯、传感器输出接口、检修口等构成。

多说两句！

① 电源接口和输入/输出接口

如图2-24所示，电源接口包括L端、N端和接地端，用于为PLC供电；输入接口通常使用I0.0、I0.1等进行标识；输出接口通常使用Q0.0、Q0.1等进行标识。

② LED指示灯

划重点

LED指示灯包括PLC状态指示灯、输入指示灯和输出指示灯三部分，如图2-25所示。

③ 通信接口

西门子S7系列PLC常采用RS-485通信接口进行连接，支持PPI通信和自由通信协议，如图2-26所示。

④ 检修口

西门子S7系列PLC的检修口包括模式选择开关、模拟量调节电位器和扩展接口，如图2-27所示。

⑤ 西门子S7系列PLC的内部结构

图2-28为西门子S7系列PLC的内部结构。

划重点

取下西门子S7系列PLC的外壳即可看到内部结构。西门子S7系列PLC主要由CPU电路板、输入/输出接口电路板和电源电路板构成。

图2-29为西门子S7系列PLC的CPU电路板。

划重点

CPU电路板主要用于完成PLC的运算、存储和控制功能。

CPU电路板主要由微处理器芯片、存储器芯片、PLC状态指示灯、输出LED指示灯、输入LED指示灯、模式选择开关、模拟量调节电位器、电感器、电容器、与输入/输出接口电路板的接口等构成。

图2-30为西门子S7系列PLC的输入/输出接口电路板。

划重点

输入/输出接口电路板主要用于对PLC输入、输出信号的处理。

输入/输出接口电路板主要由输入接口、输出接口、电源输入接口、传感器输出接口、与CPU电路板的接口、RS-232/RS-485通信接口、输出继电器、光电耦合器、与电源电路板的接口等构成。

图2-31为西门子S7系列PLC的电源电路板。

西门子各系列PLC主机的类型和功能不同，每一系列的主机又都包含多种类型的CPU，以适应不同的应用要求，如图2-32所示。

电源电路板主要用于为PLC内部各电路提供所需的工作电压。

电源电路板主要由桥式整流堆、压敏电阻器、电容器、变压器、与输入/输出接口电路板的接口等构成。

划重点

① 西门子S7-200 PLC主机将CPU电路板、输入/输出接口电路板和电源电路板等集成封装，单独构成一个独立的控制系统，实现相应的控制功能。

② 西门子S7-300 PLC主机采用模块式结构，有多种不同型号的CPU模块，不同型号的CPU模块有不同的性能，如有些模块集成数字量和模拟量的I/O端子，有些集成现场总线通信接口（PROFIBUS）。

③ 西门子S7-400 PLC主机采用大模块结构，一般适用于对可靠性要求极高的大型复杂的控制系统。

2 西门子S7系列PLC的电源模块

图2-33为西门子S7系列PLC的电源模块。

划重点

电源模块是指由外部为PLC供电的功能单元。西门子S7系列PLC的电源模块主要有两种形式：一种是集成在PLC主机内部的电源模块；另一种是独立的电源模块。

一体化紧凑型PLC的电源模块集成在PLC主机内部，与CPU模块封装在一起，并通过连接总线为CPU模块、扩展模块提供5V的直流电源。

模块式结构PLC的电源供电部分均属于独立的模块单元，不同型号PLC所采用的电源模块不同。

3 西门子S7系列PLC的接口模块

接口模块（IM）用于组成多机架系统时连接主机架（CR）和扩展机架（ER），多应用于西门子S7-300/400系列PLC系统中，如图2-34所示。

4 西门子S7系列PLC的信息扩展模块

在实际应用中，为了实现更强的控制功能，各类型的西门子PLC可以采用扩展I/O点的方法扩展系统配置和控制规模。

划重点

各种扩展用的I/O模块被统称为信息扩展模块（SM）。不同类型PLC所采用的信息扩展模块不同，但基本都包含数字量扩展模块和模拟量扩展模块。

数字量输入模块可将现场送来的数字高电平信号转换为PLC内部可识别的信号电平。在通常情况下，数字量输入模块可用于连接工业现场的机械触点或电子式数字传感器。

① 数字量扩展模块

西门子PLC除本机集成的数字量I/O端子外，还可连接数字量扩展模块（DI/DO）来扩展更多的数字量I/O端子。数字量扩展模块包括数字量输入模块和数字量输出模块。图2-35为西门子S7系列PLC中常见的数字量输入模块。

图2-36为西门子S7系列PLC中常见的数字量输出模块。

数字量输出模块可将PLC内部信号电平转换为生产过程所要求的外部信号电平，在通常情况下，可用于直接驱动电磁阀、接触器、指示灯、变频器等外部设备和功能部件。

② 模拟量扩展模块

模拟量扩展模块包括模拟量输入模块和模拟量输出模块，如图2-37所示。

划重点

模拟量输入模块用于将现场各种传感器输出的直流电压或电流信号的模拟信号转换为PLC内部处理用的数字信号（核心为A/D转换器）。电压和电流传感器、热电偶、电阻或电阻式温度计均可作为传感器与其连接。

5 西门子S7系列PLC的通信模块

图2-38为西门子S7系列PLC的通信模块。

西门子PLC有很强的通信功能，除CPU模块本身集成的通信接口外，还可扩展连接不同类型（信号）的通信模块，用以实现PLC与PLC之间、PLC与计算机之间、PLC与其他功能设备之间的通信，实现强大的通信功能。

6 西门子S7系列PLC的功能模块

图2-39西门子S7系列PLC的功能模块。