1.2 PLC 的组成及硬件配置（课件）《PLC技术及应用》（高教版·第2版）同步精品课堂

任务1.2 PLC 的组成及硬件配置 《PLC技术及应用》（高教版·第2版） 同步精品课堂—中职专业课 学习目标 01 03 02 能准确说出 PLC 硬件系统的六大核心部件（电源模块、外设通信接口、存储器、中央处理单元（CPU）、输入 / 输出单元（I/O 模块）、I/O 扩展接口）的名称及在系统中的基本位置，建立 PLC 硬件组成的整体认知框架。 能详细阐述各核心部件的核心功能：如电源模块的电压转换与供电范围、CPU 的循环扫描工作机制、存储器的分类及数据存储特性、I/O 模块的信号处理逻辑。 能针对具体工业场景（如电机启停控制、传感器数据采集），分析所需 PLC 硬件部件的配置逻辑 。 学习目标 课前导入 车间里的自动化生产线，电机能精准启停、机械臂能按流程抓取物料；智能仓库中，传送带能根据货物位置调整速度、货架能自动定位存取。大家有没有想过，是谁在 “指挥” 这些设备协同工作，实现精准控制呢？没错，就是我们之前初步接触过的可编程逻辑控制器，也就是 PLC。 施耐德 M262 西门子 S7-1200 一般外接交流 220V电源，并通过其内部的开关稳压电源转换成直流5V和直流 24V等直流电源;其中，直流5V电源用于对CPU供电，直流 24 V电源用于对 I0 模块、外部传感器供电。 电源模块 PLC组成结构框图 专用于连接其他外部设备，如个人计算机、编程器、打印机、图形监控系统等。其中通过与个人计算机或编程器的连接可实现用户程序的编写、编辑、调试和监视，还可以调用和显示PLC内各部件的状态和系统参数。 外设通信接口 PLC配有“系统与用户”两种不同类型的程序存储器 (1)系统程序存储器(ReadOnly Memory，ROM) 用来存储 PLC 生产厂家编写的各种系统程序，相当于个人计算机中的操作系统;所谓系统程序，是指控制和完成PLC各种功能的程序，如控制器的监视程序、基本指令和功能指令翻译程序、系统诊断程序、通信管理程序等;在很大程度上它决定了该种PLC的性能与质量，用户无法更改或调用。 存储器 (2)用户程序存储器(Random Access Memory，RAM) 用来存放用户程序和用户程序执行过程中生成的用户数据;所谓用户程序，是指使用者根据工程现场的生产过程和工艺要求编写的控制程序，可由用户根据控制需要读、写、修改或增删，可采用CMOS RAM(由锂电池实现掉电保护)或EPROM与EEPROM。 存储器 用户存储器容量是PLC的一项重要技术指标，其容量一般以“步”为单位(16位二进制数为1“步”，或称为“字”)。 又称为 CPU或中央控制器，是PLC的核心，其作用类似于人的大脑。它按PLC中系统程序规定的功能，指挥PLC有条不紊地进行工作。 中央处理单元(CPU) 其主要任务如下： (1)诊断电源、PLC 内部电路的工作故障和编程中的语法错误等。 (2)接收并存储由编程器、上位机输入的用户程序和数据。 (3)用扫描的方式通过 I/0 部件接收现场的状态或数据，并存人指定的存储单元或寄存器中。 中央处理单元(CPU) (4)当PLC进入运行状态后，从存储器逐条读取用户指令，经命令解释后按指令规定的任务进行数据传送、逻辑或算术运算等。 (5)根据运算结果，更新有关标志位的状态和输出寄存器的内容，再经输出部件实现输出控制、制表、打印或数据通信等功能。 中央处理单元(CPU) CPU模块的工作电压一般为5V，而PLC的I/0 信号电压一般较高，有直流 24V和交流 220V等;在使用时，要防止外部尖端电压和干扰噪声侵入，以免损坏 CPU模块中的部件或影响PLC正常工作。因此，CPU不能直接与外部输入/输出装置相连接，需要通过I0 模块和外部设备相连。I/0模块除了传递信号外，还具有电平转换与噪声隔离功能。 I/0模块是CPU和现场I/0装置或其他外部设备之间的连接部件。 各种 PLC 输人、输出接口电路的结构大致相同，一般由I/0端子、光电耦合器、PLC 内部电路和驱动电源四大部分组成。 (1)输入单元 输入/输出单元(I/O 模块 ) 如图 1-5 所示，其输人方式有两种。一种是直流输人(直流12V或24V);另一种是交流输入(交流100~120V或200~240V)。它们都是由装在PLC面板上的发光二极管(LED)来显示某一输人点是否有信号输人。 输入/输出单元(I/O 模块 ) 其外部所连接的输人设备可以是无源触点，如按钮、行程开关等，也可以是有源器件，如各类传感器、接近开关、光电开关等。当输入信号为电位器、热电偶或各类变送器提供的连续变化的模拟量时，信号必须经过专用的模拟量输人模块进行 A/D 转换，然后才可以通过输人电路进人 PLC。 (2)输出单元 输入/输出单元(I/O 模块 ) 如图 1-6所示，为适应不同负载的需要，其输出形式有3种。 继电器(R)输出方式最常用，适用于交、直流负载，其特点是带负载能力强，但动作频率与响应速度慢;晶体管(T)输出适用于直流负载，其特点是动作频率高，响应速度快，但带负载能力弱:晶闸管(S)输出适用于交流负载，其特点是动作频率高，响应速度快，但带负载能力不强。 其外部所连接的输出设备(外部负载)(如指示灯、接触器、电磁阀、报警装置等)可直接与PLC输出端子相连，输出电路的负载电源由用户根据负载要求(电源类型、电压等级、容量等)自行配备，PLC输出电路仅提供输出通道。 用来扩展输入/输出或特殊功能模块，以便用户根据控制要求灵活组合系统，以构成符合要求的系统配置。 扩展模块的输入信息通过 I0扩展接口进人PLC 主机总线，由CPU 进行处理;程序执行后，相关输出也是经总线、I/0扩展接口和扩展模块的输出通道实现对外部设备的控制。 I/0 扩展接口 课堂练习 1.PLC 的输出单元不包括以下哪种类型？（ ） A. 继电器输出 B. 晶体管输出 C. 晶闸管输出 D. 电阻输出 答案：D 解析：PLC 输出单元主要有三种类型：继电器输出（适用于交流和直流负载，带载能力强，响应速度较慢）、晶体管输出（适用于直流负载，响应速度快，带载能力较弱）、晶闸管输出（适用于交流负载，响应速度较快）。电阻输出并非 PLC 输出单元的常见类型。 课堂练习 2.以下哪个部件出现故障时，PLC 可能无法正常启动？（ ） A. 输入模块 B. 电源模块 C. 输出模块 D. I/O 扩展接口 答案：B 解析：电源模块为 PLC 所有部件提供电力，若电源模块故障，CPU、存储器、I/O 模块等均无法获得正常供电，PLC 将无法启动。A 选项输入模块故障仅影响输入信号的采集，PLC 仍可启动但无法正常接收外部输入；C 选项输出模块故障仅影响输出信号的发送，PLC 可启动但无法驱动外部执行器；D 选项 I/O 扩展接口故障仅影响扩展 I/O 模块的使用，不影响 PLC 基本单元的启动。 课堂练习 3.用于存储 PLC 运行过程中产生的临时数据（如中间变量、定时器计数器值）的存储器是（ ） A. ROM B. RAM C. EEPROM D. 闪存 答案：B 解析：RAM（随机存取存储器）的特点是读写速度快，适合存储 PLC 运行过程中产生的临时数据，如中间逻辑变量、定时器和计数器的当前值、数据寄存器的实时数据等，但断电后这些数据会丢失，因此通常需要配备备用电池（如锂电池）来保护重要的临时数据。A 选项 ROM 存储系统程序，不可临时读写；C 选项 EEPROM 和 D 选项闪存主要用于长期存储用户程序，不适合存储临时数据。 课堂练习 4.PLC 通过外设通信接口与计算机连接，最主要的目的是（ ） A. 为计算机供电 B. 下载用户程序和上传运行数据 C. 控制计算机的运行 D. 读取计算机的硬盘数据 答案：B 解析：PLC 与计算机通过外设通信接口（如 USB、RS232、以太网）连接，核心目的是实现程序和数据的交互，即从计算机向 PLC 下载编写好的用户程序，或从 PLC 向计算机上传运行过程中的数据（如故障信息、实时参数），方便程序的调试和系统的监控。A 选项 PLC 无法为计算机供电；C 选项 PLC 不能控制计算机运行；D 选项 PLC 无需读取计算机硬盘数据。 课堂练习 5.下列哪种设备通常不通过 PLC 的输入单元连接？（ ） A. 光电传感器 B. 急停按钮 C. 接触器线圈 D. 行程开关 答案：C 解析：接触器线圈需要接收 PLC 的控制信号来实现吸合或断开，属于输出负载，应通过 PLC 的输出单元连接。A 选项光电传感器、B 选项急停按钮、D 选项行程开关均为向 PLC 发送状态信号的设备，需通过输入单元连接。 课堂练习 6.I/O 扩展接口的主要作用是实现 PLC 基本单元与哪种模块的连接？（ ） A. 电源扩展模块 B. 通信扩展模块 C. I/O 扩展模块 D. CPU 扩展模块 答案：C 解析：I/O 扩展接口的设计目的就是连接 I/O 扩展模块，当基本单元的 I/O 点数不足时，通过该接口接入 I/O 扩展模块，可增加输入或输出通道，扩展系统的 I/O 能力。A 选项电源扩展模块通常直接与电源总线连接，无需通过 I/O 扩展接口；B 选项通信扩展模块通过专门的通信扩展接口连接；D 选项 PLC 一般不设 CPU 扩展模块，CPU 是核心部件，无法扩展。 课堂练习 7.PLC 电源模块的额定输出电流应满足什么要求？（ ） A. 等于某一个模块的电流需求 B. 大于所有模块电流需求之和 C. 小于所有模块电流需求之和 D. 与模块电流需求无关 答案：B 解析：电源模块的额定输出电流必须大于 PLC 所有已安装模块（CPU 模块、存储器模块、I/O 模块、扩展模块等）的总电流需求，以确保所有模块能获得足够的电力，避免因供电不足导致模块故障或 PLC 运行不稳定。若输出电流小于总需求，可能出现模块无法正常工作、程序运行出错等问题。 课堂练习 8.PLC 的存储器中，系统程序的主要作用是（ ） A. 控制外部设备的运行 B. 实现 PLC 的自我诊断和初始化 C. 存储用户设置的参数 D. 记录设备的运行故障 答案：B 解析：系统程序是 PLC 厂家固化在 ROM 中的程序，主要功能包括 PLC 上电后的初始化（如初始化 I/O 映像寄存器、设置系统参数）、指令解释（将用户程序的指令转换为 CPU 可执行的操作）、自我诊断（检测 CPU、存储器、I/O 模块等是否故障）、模块管理（协调各模块工作）等。A 选项控制外部设备是用户程序的作用；C 选项存储用户参数通常用 EEPROM 或 RAM；D 选项记录故障是用户程序或系统诊断程序的部分功能，并非系统程序的主要作用。 课后作业 对比 PLC 输入模块与输出模块的功能差异，及各自连接的典型外部设备。 说明 I/O 扩展接口的作用及使用时需注意的关键事项。 简述 PLC 输入模块的信号处理流程，以按钮信号为例说明其如何转换为 PLC 内部信号。 课堂小结 $