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1.2.1 PLC的组成框图
PLC的种类很多，但结构大同小异，典型的PLC控制系统组成框图如图1-5所示。PLC内部主要由CPU、存储器、输入接口、输出接口、通信接口和扩展接口等组成。PLC通过输入接口接收输入设备送来的信号；PLC产生的控制信号通过输出接口送给输出设备；如果需要与其他设备通信，可在PLC的通信接口连接其他设备；如果希望增强PLC的功能，可在PLC的扩展接口连接扩展单元。
图1-5 典型的PLC控制系统组成框图
1.2.2 CPU与存储器
CPU又称中央处理器，是PLC的控制中心，它通过总线（包括数据总线、地址总线和控制总线）与存储器和各种接口连接，以控制它们有条不紊地工作。 CPU的性能对PLC工作速度和效率有较大的影响，故大型PLC通常采用高性能的CPU。CPU的主要功能如下。
①接收通信接口送来的程序和信息，并将它们存入存储器。
②采用循环检测（即扫描检测）方式不断检测输入接口电路送来的状态信息，以判断输入设备的状态。
③逐条运行存储器中的程序，并进行各种运算，再将运算结果存储下来，然后通过输出接口电路对输出设备进行有关控制。
④监测和诊断内部各电路的工作状态。
存储器的功能是存储程序和数据。PLC通常配有ROM（只读存储器）和RAM（随机存储器）两种存储器，ROM用来存储系统程序，RAM用来存储用户程序和程序运行时产生的数据。
系统程序由厂家编写并固化在ROM存储器中，用户无法访问和修改系统程序。系统程序主要包括系统管理程序和指令解释程序。系统管理程序的功能是管理整个PLC，让内部各个电路能有条不紊地工作。指令解释程序的功能是将用户编写的程序翻译成CPU可以识别和执行的代码。
用户程序是用户通过编程器输入存储器的程序，为了方便调试和修改，用户程序通常存放在RAM中。由于断电后RAM中的程序会丢失，所以RAM专门配有后备电池供电。有些PLC采用EEPROM（电可擦写只读存储器）来存储用户程序，由于EEPROM存储器中的内容可用电信号擦写，并且掉电后内容不会丢失，因此采用这种存储器可不要备用电池供电。
1.2.3 输入接口电路
输入接口电路是输入设备与PLC内部电路之间的连接电路，用于将输入设备的状态或产生的信号传送给PLC内部电路。
PLC的输入接口电路分为开关量（又称数字量）输入接口电路和模拟量输入接口电路，开关量输入接口电路用于接收开关通断信号，模拟量输入接口电路用于接收模拟量信号。 模拟量输入接口电路采用A/D转换电路，将模拟量信号转换成数字信号。开关量输入接口电路采用的电路形式较多，根据使用电源不同，可分为内部直流输入接口电路、外部交流输入接口电路和外部交/直流输入接口电路。三种类型的开关量输入接口电路如图1-6所示。
图1-6 三种类型的开关量输入接口电路
该类型的输入接口电路的电源由PLC内部直流电源提供。当输入开关闭合时，有电流流过光电耦合器和输入指示灯（电流途径：DC 24V右正→光电耦合器的发光管→输入指示灯→R1→输入端子→输入开关→COM端子→DC 24V左负），光电耦合器的光敏管受光导通，将输入开关状态传送给内部电路。由于光电耦合器内部通过光线传递信号，故可以将外部电路与内部电路有效隔离，输入指示灯点亮用于指示输入端子有输入。输入端子有电流流过时称作输入为ON（或称输入为1）。
R2、C组成滤波电路，用于滤除输入端子窜入的干扰信号，R1为限流电阻。
图1-6 三种类型的开关量输入接口电路（续）
该类型的输入接口电路的电源由外部的交流电源提供。为了适应交流电源的正负变化，接口电路采用双向发光管型光电耦合器和双向发光二极管输入指示灯。
当输入开关闭合时，若交流电源AC极性为上正下负，则有电流流过光电耦合器和输入指示灯（电流途径：AC电源上正→输入开关→输入端子→C、R2元件→左正右负发光二极管输入指示灯→光电耦合器的上正下负发光管→COM端子→AC电源下负）；当交流电源AC极性变为上负下正时，也有电流流过光电耦合器和输入指示灯（电流途径：AC电源下正→COM端子→光电耦合器的下正上负发光管→右正左负发光二极管输入指示灯→R2、C元件→输入端子→输入开关→AC电源上负），光电耦合器导通，将输入开关的状态传送给内部电路。
该类型的输入接口电路的电源由外部的直流或交流电源提供。输入开关闭合后，不管外部是直流电源还是交流电源，均有电流流过光电耦合器。
1.2.4 输出接口电路
输出接口电路是PLC内部电路与输出设备之间的连接电路，用于将PLC内部电路产生的信号传送给输出设备。
PLC的输出接口电路也分为开关量输出接口电路和模拟量输出接口电路。 模拟量输出接口电路采用D/A转换电路，将数字量信号转换成模拟量信号。 开关量输出接口电路主要有三种类型：继电器输出接口电路、晶体管输出接口电路和双向晶闸管（也称双向可控硅）输出接口电路。 三种类型开关量输出接口电路如图1-7所示。
图1-7 三种类型开关量输出接口电路
当PLC内部电路输出为ON（也称输出为1）时，内部电路会输出电流流过继电器KA线圈，继电器KA常开触点闭合，负载有电流流过（电流途径：电源一端→负载→输出端子→内部闭合的KA触点→COM端子→电源另一端）。
由于继电器触点无极性之分，故继电器输出接口电路可驱动交流或直流负载（即负载电路可采用直流电源或交流电源供电），但触点开闭速度慢，响应时间长，动作频率低。
图1-7 三种类型开关量输出接口电路（续）
将光电耦合器与晶体管配合使用，当PLC内部电路输出为ON时，内部电路会输出电流流过光电耦合器的发光管，光敏管受光导通，为晶体管基极提供电流，晶体管也导通，负载有电流流过（电流途径：DC电源上正→负载→输出端子→导通的晶体管→COM端子→电源下负）。
由于晶体管有极性之分，故晶体管输出接口电路只可驱动直流负载（即负载电路只能使用直流电源供电）。晶体管输出接口电路是依靠晶体管导通、截止实现开闭的，开闭速度快，动作频率高，适合输出脉冲信号。
采用双向晶闸管型光电耦合器，在受光照射时，光电耦合器内部的双向晶闸管可以双向导通。
双向晶闸管输出接口电路的响应速度快，动作频率高，用于驱动交流负载。
1.2.5 通信接口、扩展接口与电源
PLC配有通信接口，PLC可通过通信接口与监视器、打印机、其他PLC和计算机等设备进行通信。 PLC与编程器或写入器连接，可以接收编程器或写入器输入的程序；PLC 与打印机连接，可将过程信息、系统参数等打印出来；PLC与人机界面（如触摸屏）连接，可以在人机界面直接操作PLC或监视PLC的工作状态；PLC与其他PLC连接，可组成多机系统或连成网络，实现更大规模的控制；PLC与计算机连接，可组成多级分布式控制系统，实现控制与管理相结合。
为了提升PLC的性能，增强PLC的控制功能，可以通过扩展接口给PLC加接一些专用功能模块， 如高速计数模块、闭环控制模块、运动控制模块、中断控制模块等。
PLC一般采用开关电源供电，与普通电源相比，PLC电源的稳定性好、抗干扰能力强。PLC的电源对电网提供的电源稳定度要求不高，一般允许电源电压在其额定值±15%的范围内波动。有些PLC还可以通过端子往外提供24V直流电源。
1.2.6 PLC的工作方式
PLC是一种由程序控制运行的设备，其工作方式与微型计算机不同，微型计算机运行到结束指令END时，程序运行结束； PLC运行程序时，会按顺序逐条执行存储器中的程序指令，当执行完最后的指令后，并不会马上停止，而是又重新开始执行存储器中的程序，如此周而复始，PLC的这种工作方式称为循环扫描方式。 PLC的工作过程如图1-8所示。
图1-8 PLC的工作过程
PLC通电后，首先进行系统初始化，将内部电路恢复到起始状态。然后进行自我诊断，检测内部电路是否正常，以确保系统能正常运行。诊断结束后对通信接口进行扫描，若接有外设则与其通信。通信接口无外设或通信完成后，系统开始进行输入采样，检测输入设备（开关、按钮等）的状态，然后根据输入采样结果执行用户程序，程序运行结束后对输出进行刷新，即输出程序运行时产生的控制信号。
以上过程完成后，系统又返回，重新开始自我诊断，以后不断重复上述过程。
PLC有两个工作模式：RUN（运行）模式和STOP（停止）模式。 当PLC处于RUN模式时，系统会执行用户程序，当PLC处于STOP模式时，系统不执行用户程序。PLC正常工作时应处于RUN模式，而在下载和修改程序时，应让PLC处于STOP模式。PLC两种工作模式可通过面板上的开关进行切换。
PLC工作在RUN模式时，执行输入采样、处理用户程序和输出刷新所需的时间称为扫描周期，一般为1～100ms。扫描周期与用户程序的长短、指令的种类和CPU执行指令的速度有很大的关系。
1.2.7 用实例说明PLC程序驱动硬件的工作原理
PLC的用户程序执行过程很复杂，下面以PLC正转控制线路为例进行说明。图1-9所示是PLC正转控制线路与内部用户程序，为了便于说明，图中画出了PLC内部等效图。
PLC内部等效图中的X0（也可用X000表示）、X1、X2称为输入继电器，由线圈和触点两部分组成，由于线圈与触点都是等效而来的，故又称为软件线圈和软件触点；Y0（也可用Y000表示）称为输出继电器，它也包括线圈和触点。PLC内部中间部分为用户程序（梯形图程序），程序形式与继电器控制电路相似，两端相当于电源线，中间为触点和线圈。
工作过程如下。
当按下启动按钮SB1时，输入继电器X0线圈得电（电流途径：DC 24V正端→X0线圈→X0端子→SB1→COM端子→DC 24V负端），X0线圈得电会使用户程序中的X0常开触点（软件触点）闭合，输出继电器Y0线圈得电（电流途径：左等效电源线→已闭合的X0常开触点→X1常闭触点→Y0线圈→右等效电源线）。Y0线圈得电一方面使用户程序中的Y0常开自锁触点闭合，对Y0线圈供电进行锁定；另一方面使输出端的Y0硬件常开触点闭合（Y0硬件触点又称物理触点，实际是继电器的触点或晶体管），接触器KM线圈得电（电流途径：AC 220V一端→KM线圈→Y0端子→内部Y0硬件触点→COM端子→AC 220V另一端），主电路中的接触器KM主触点闭合，电动机得电运转。
图1-9 PLC正转控制线路与内部用户程序
当按下停止按钮SB2时，输入继电器X1线圈得电，它使用户程序中的X1常闭触点断开，输出继电器Y0线圈失电，一方面使用户程序中的Y0常开自锁触点断开，解除自锁；另一方面使输出端的Y0硬件常开触点断开，接触器KM线圈失电，KM主触点断开，电动机失电停转。
若电动机在运行过程中长时间电流过大，热继电器FR动作，使PLC的X2端子外接的FR触点闭合，输入继电器X2线圈得电，使用户程序中的X2常闭触点断开，输出继电器Y0线圈马上失电，输出端的Y0硬件常开触点断开，接触器KM线圈失电，KM主触点闭合，电动机失电停转，从而避免电动机长时间过流运行。