PLC(Programmable Logic Controller，可编程逻辑控制器)，由CPU、指令及数据内存模块、I/O接口、电源模块、模拟量模块等硬件单元组成，可配备如编程器、图形显示器、通信接口等外部设备，是为工业控制应用而设计制造的数字运算控制器，可以将编写好的控制指令通过总线接口随时载入内存进行储存与执行，它主要用来代替继电器实现工业自动化设备的逻辑控制。

　　图1、PLC硬件组成

　　通常来讲，一台PLC可以同时控制2~4个伺服电机，8~32个变频器，这些与实际的接口数量有关。PLC可按照I/O(输入/输出)点数来分成5个类别：1、超小型PLC，I/O点数往往在64个以内;2、小型PLC，I/O点数在64个到256个之间;3、中型PLC，有256个到2048个I/O点;4、大型PLC，I/O点数在2048个到10000个之间;5、超大型PLC，I/O点数在10000个以上。

　　图2、PLC按点数分类

　　当然，以上划分标准也没那么绝对。还有以PLC结构划分成3类：1、整体式，将CPU、指令及数据内存模块、I/O接口、电源模块、数模转换等集中在一个机箱内，结构紧凑、性价比高，一般小型PLC采用这种结构;2、模块式，将各个硬件单元划分成若干个模块，各个模块可装在框架或基板的插座上然后装进机箱。用户可选配不同模块组成一个定制化PLC，具有配置灵活、 方便扩展和维修的特点，一般中大型PLC采用这种结构。3、叠装式，结合了整体式和模块式的特点，各个模块相互独立且靠电缆连接，易于扩展，配置更灵活，体积小巧。

　　图3、PLC特点、结构和分类(图源：慧博财经)

　　中小型PLC侧重于控制单台设备或那些控制内容不是很复杂的小项目。大型PLC基本上都是扩展型PLC，能够根据需要通过总线或其他方式增加IO点数以及种类，侧重于设备、过程自动化控制等复杂工业场景，强调软硬件结合，其CPU数据处理能力更强，扫描速度更快，当然价格相对来说也更贵。工程师在设计PLC及其有关的外围设备前，都遵循统一的原则：更易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能，易于编程。这里我们从各个硬件单元分析一下：

　　1、CPU也称中央处理器，是由一颗或几颗SoC芯片组成的，是PLC的核心器件;CPU的作用是取内存储存到的逻辑指令向系统的各个单元发令，同时对被测参数进行巡回检测、数据处理、控制运算、报警处理及逻辑判断等，以实现对整个PLC工作程序的控制及处理;PLC有用8位或者16位MCU作CPU，还有搭配FPGA的，品牌有西门子、微芯、恩智浦/飞思卡尔、瑞萨/NEC、芯科、AMD/赛灵思、澎湃微、中颖电子、极海、兆易创新等。2、指令及数据内存模块的核心是存储芯片，RAM、ROM、EPROM、EEPROM都有用到，RAM为随机存储器，一般都是CMOS型的，耗电极微，在PLC中通常用锂电池作后备，失电时也不会丢失程序;ROM为只读存储器，系统程序固化在其中，用户不可更改，失电不受影响;EPROM为可擦除存储器，其写入和擦除时都必须要用专用的写入器和擦除器，用户很不方便;EEPROM为电可擦除只读存储器，其内部的程序可通过编程器的写入和擦除。PLC使用小容量的居多，芯片品牌有微芯、瑞萨、亚德诺/美信、超捷、英飞凌/赛普拉斯/飞索、美光、三星、芯成、兆易创新等。3、I/O接口是输入(IN)/输出(OUT)接口的简称，是PLC主机与被控对象进行信息交换的纽带;PLC通过I/O接口与外部设备进行数据交换，PLC的输入输出信号有开关量、模拟量、数字量三种类型，所有的输入输出信号均经过光电等隔离，大大增强了PLC的抗干扰能力。通常的工业接口是RS232/RS422/RS485和TTL串口，使用半双工或全双工通信方式。芯片品牌有德州仪器、亚德诺/美信、瑞萨/英特矽尔、贝岭、芯力特、广芯微、思瑞浦、致远等。

　　图4、通信方式简图

　　PLC常见的输出形式有继电器输出、晶闸管(可控硅)输出、晶体管输出。继电器输出型热点：CPU驱动继电器线圈，令触点吸合，使外部电源通过闭合的触点驱动外部负载，其开路漏电流为零，响应时间慢(约10ms)，可带较大的外部负载;晶闸管输出型特点：CPU通过光耦合使三端双向可控硅通断，以控制外部交流负载,开路漏电流大，响应时间较快(约1ms)。晶体管输出型特点：CPU通过光耦合使晶体管通断，以控制外部直流负载，响应时间快(约0.2ms)，可带外部负载小;继电器品牌有欧姆龙、松下、富士通、中汇瑞德、欣灵、宏大等;晶闸管/晶体管品牌有英飞凌、安世、瑞萨/NEC、东芝、罗姆、士兰、光宇睿芯等。

　　4、PLC的电源模块通常通过U型连接器连接到背板总线，并专门为背板总线提供内部所需的电源，为CPU、通信模块、以及接口模块等供电。电源模块的额定电流必须大于CPU、I/O模块、及其它模块的总消耗电流。根据实际应用场景预留为编程器、图形显示器、通信接口等外部设备的供电。涉及到的芯片品牌有德州仪器、亚德诺/凌力尔特、亚德诺/美信、安森美、伍尔特、RECOM、Vicor、芯源、TDK-Lambda、矽力杰、艾诺、金升阳、爱浦、登钛等。

　　5、PLC的模拟量模块是实现模数转换的功能，接收工控系统中最基本的过程信号(压力、温度、流量等)，将这些检测信号转换为统一的电压、电流信号，并将这些模拟量信号实时传送、计算转换，变成CPU可处理和控制的数值信号，从而实现整个系统的监控及控制。模拟量模块的核心是ADC芯片，芯片品牌有德州仪器、亚德诺、意法半导体、圣邦、思瑞浦、贝岭、芯炽、类比等。

　　图5、PLC模拟量模块

　　我们以一台三翻翻车机的实际应用案例来做个更直观的说明。三翻控制系统单翻部分由一台电动机驱动，双翻部分由两台电动机驱动。三翻控制系统总共三台电动机，每台电动机由一台变频器驱动，电动机带编码器，变频器为闭环矢量控制方式。通讯方式是工业以太网Modbus TCP/IP，选择的是施耐德M580系列PLC进行运行监视和控制。

　　图6、三翻翻车机结构及控制系统简图(图源：技成)

　　工程师如何设计一款PLC，小编并非专业工程师，但整理了市场上已有几款的方案：1、信捷的PLC型号XC3-24R-E

　　图7、信捷的XC3 PLC(图源：与非网)

　　表1、信捷的XC3 PLC部分料

　　2、松下的型号FP-X C60R，属于继电器输出型PLC，输入有32点，继电器输出28点，支持100～240V交流电供电。

　　图8、松下FP-X C60R PLC(图源：与非网)

　　表2、松下FP-X PLC部分料

　　3、三菱PLC型号是FX2N-32MR，32点输入/输出的继电器类型PLC。

　　表3、三菱FX2N-32MR PLC部分料

　　4、罗克韦尔PLC型号为Nx7S-40ADR，是一款十几年前的产品，所选用的元器件部分已停产，仅供学习和设计参考。

　　表4、罗克韦尔Nx7S-40ADR PLC部分料

　　5、施耐德PLC产品型号为TM218LDA16DRN，是一款紧凑可扩展的小型PLC。与常见的三块板(电源板、I/O板以及主控板)PLC结构不同，这款产品除了带有以太网口，并且在结构上将主控板和I/O板合二为一。

　　表5、施耐德PLC部分料

　　6、西门子型号S7-1212C的PLC。

　　图9、西门子S7-1212C PLC(图源：工控明灯)

　　表6、西门子PLC部分料

　　7、Allen-Bradley Micro850可编程逻辑控制器(PLC)。

　　图10、AB Micro850 PLC(图源：PLC发烧友)

　　表7、AB Micro850 PLC部分料

　　综上所述，我们所见的芯片品牌几乎源自欧美和日本，国产芯片Design In到工控PLC里任重而道远。碎片化的工控芯片市场，以终端产品会长期运行在极高/低温、高湿、强盐雾和电磁辐射的恶劣环境中为前提，所以在稳定性、可靠性和安全性方面要求会比商业级高。拍明芯城是快速撮合的元器件交易平台，过去数年已积累了丰富的工业芯片的优势货源。我们聚焦服务元器件长尾客户群，让每一家芯片原厂或分销商的每一款芯片，在Design In、Design Win和流通中更高效，帮助工程师的方案选型、试样及采购，为电子产业供需略尽绵薄之力。

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