第二章 启闭机常用电气设备
第一节 常用低压元器件
一、断路器（塑壳开关和框架开关）
断路器用于配电系统中总电路与分支电路的保护及通断电控制，也可用于非频繁通断的用电设备的控制和保护，如图2－1所示。
图2－1 断路器
断路器由开关部分、保护部分和控制部分组成。根据保护部分的特性，断路器又可分为配电保护断路器、电动机保护断路器和发动机保护断路器。
（一）断路器的主要参数
（1）额定工作电流。断路器能够长时间承受，并正常接通和切断的电流。通常根据负载设备的工作电流选择。
（2）额定工作电压。断路器能够长时间承受的工作电压，应高于断路器所处的线电压。
（3）极限分断能力。断路器可分断的最大短路电流。执行分断任务后的断路器不保证能够再次分断短路电流，必须检修后方可继续使用。
（4）使用分断能力。断路器可分断的短路电流。执行分断任务后的断路器至少还具备分断另一次相应的短路电流的能力。
（5）短时耐受电流。为了保证配电线路的选择性，上级断路器要能够承受短时间的局部短路电流。
（二）脱扣器
脱扣器用于在故障发生时使断路器主触点分离（脱扣）。
根据保护的性质，脱扣器分为电磁保护脱扣器和热磁保护脱扣器。前者只提供短路保护，后者可同时提供短路保护和过载保护。
根据保护的对象或应用场合，脱扣器分为电动机保护脱扣器、配电保护脱扣器和发电机保护脱扣器。三者的主要区别在于短路保护电流对整定电流的倍数，电动机保护时取值较大而发电机保护时取值较小。
根据脱扣器的性能，脱扣器又分为普通脱扣器和电子脱扣器。
各种脱扣器的脱扣曲线示意如图2－2所示。
图2－2 不同脱扣器的脱扣曲线
Im—短路保护电流；Ir—热保护电流；Isd—短路故障固定延时保护电流；Ii—短路故障瞬时保护电流；Ig—接地故障保护电流；Tsd—短路故障保护动作延时时间；tg—接地电流故障保护电流
1.电动机电磁保护脱扣器
（1）配置有电动机电磁保护脱扣器的断路器称作电动机保护断路器。主要任务是为电动机提供短路保护和隔离点，它可以与热继电器一起构成非频繁操作的电动机控制器，与作为电动机热保护的电动机断路器相比，电流更大，性能更强。但一般不提供热磁（过载）保护脱扣功能，除非选用电子脱扣器。
（2）大电流电动机保护脱扣器（如施耐德电气的NSX系列断路器超过220A时），只有电子式的可供选用。电子式电动机保护脱扣器（MIC2.∗M）除了可以为电动机负载提供短路保护外，还可提供过载保护和断相故障保护。
2.配置配电热磁保护脱扣器
（1）配置配电热磁保护脱扣器的断路器称为配电保护断路器。主要任务是为各种类型的负载提供短路保护、过载保护和隔离点。
（2）当配电回路的额定电流较大时（如：施耐德电气产品为大于250A），只有电子式配电保护脱扣器可供选用。电子式配电保护脱扣器可以通过对长延时、短延时、瞬时延时的整定值和延时时间的分别整定，为配电回路提供完善的保护。
（三）断路器的主要附件
（1）辅助触点。可分别指示断路器触头位置、断路器脱扣、已储能、断路器故障脱扣和断路器接地故障脱扣。
（2）欠压脱扣线圈。发生欠电压故障时使断路器脱扣。
（3）分励脱扣线圈。通过开关上的按钮或外部控制电压使断路器脱扣。启闭机应用时，常采用分励脱扣来实现在驾驶室里切断启闭机总电源（启闭机驾驶员在驾驶室里允许接通或复位主接触器，允许切断主断路器，但不允许接通或复位主断路器）。
（4）远程合闸线圈和电动机构。需要远程合闸操作时使用，启闭机应用中一般不建议采用远程合闸操作。
（5）接地故障检测模块。用于火灾和人身安全的防护。
（四）施耐德电气断路器的相关型号与选型
（1）断路器的选型介绍，见表2－1。
表2－1 配电和电动机保护断路器选型表
（2）电动机保护脱扣器选型介绍，见表2－2。
（3）配电保护脱扣器选型介绍，见表2－3。
（4）变压器回路保护断路器选型介绍，见表2－4。
表2－2 电动机保护脱扣器选型表
表2－3 配电保护脱扣器选型表
表2－4 变压器回路保护断路器选型表
（五）启闭机脱扣器选用原则概述
主断路器选用配电保护脱扣器。
低/低变压器回路（如控制回路、照明回路的总断路器等）可根据表2－4来选择配电热磁保护脱扣器。
电动机采用直接控制模式的工作机构，应选用电动机电磁保护脱扣器，并配置热继电器或其他电动机热保护器件。
电动机采用变频调速或定子调压调速驱动的工作机构，建议选用配电热磁保护脱扣器，提供调速器及其调速器进线侧的短路保护和电缆过载保护，由调速器提供电动机的过载和短路保护。当一台调速器驱动多台电动机时，各电动机需要分别配置热继电器或其他热保护器件来保护电动机。如果采用了电动机电磁保护脱扣器则需要另行配置熔断器或其他过载保护器件为调速器及进线侧电缆提供过载保护。
电动机采用绕线转子电动机串电阻调速模式的工作机构，选用配电热磁保护脱扣器或电动机保护电磁脱扣器均可，如果选用电动机电磁保护脱扣器，电动机需要配置热继电器或其他热保护器件来实施过载保护。
二、接触器
接触器是一种能在正常的电路条件（包括操作过载条件）下接通、承载和分断电流的机械开关电器，用于需要频繁通断的用电设备的控制，如图2－3所示。
图2－3 接触器
接触器由线圈、弹簧、主触点、辅助触点等构件组成。主触点串接在主电路中，直接接通或切断用电设备，通常由3或4副常开触点构成：辅助触点用于控制回路，有常开和常闭两种形式，用于状态指示及联锁等用途。有些制造商允许定制不同主触点数量的接触器。如施耐德电气允许定制最多带3副常闭主触点和5副常开主触点，但主触点总数不超过6副的可变组合接触器。
（一）接触器的主要参数
（1）额定电流。接触器铭牌额定电流是指主触点的额定电流。主触点额定工作电流是指根据额定工作电压、额定功率、额定工作制、使用类别以及外壳防护型式等所决定的保证接触器正常工作的电流值。
（2）额定电压。接触器铭牌额定电压是指主触点上的额定电压，即主触点导通和切断时能够承受的工作电压。
（3）接触器线圈的控制电压。分直流线圈和交流线圈两种。启闭机控制系统常用的有交直流24V、交流48V、交流110V、交流220V及交流380V等。
（4）约定发热电流。主触点能够长期承受的热电流（触点长期接通状态下，接触器能够承受的电流）。
（二）接触器的主要附件和选件
（1）辅助触点。如果所选用的接触器本身未配备辅助触点或配备的辅助触点的数量不够用，就需要另配辅助触点选件。辅助触点选件有即时常开、即时常闭、通电延时接通（常开）、通电延时打开（常闭）、断电延时接通（常闭）和断电延时打开（常开）等多种形式。
（2）干扰抑制附件。用于降低接触器线圈通断电时对外部电路的干扰，有阻容（抗高频干扰）、变阻器（限制瞬态电压）、二极管（消除过电压和振荡）、双向峰值限制二极管（限制瞬态电压）等多种形式。注意采用二极管保护时，接触器的断开时间将增加到正常值的6～10倍，大电流接触器慎用，对接触器导通时间有要求的场合慎用。
（3）机械联锁附件。机械锁定两个同规格的接触器，不允许它们同时导通。有带电气连锁和不带电气连锁两种形式。用于正反向运行接触器的互锁等。需要连锁的接触器可以并列安装，也可以上下安装。
（4）机械闭锁模块。接触器在控制线圈断电后不复位，需要通过机械闭锁模块手动或电动复位。
（三）接触器的工作类别
（1）AC－1工作类别。在额定电压下接通和分断额定电流。适用于纯阻性负载和零电流接通切断的工况。启闭机主接触器在正常工作时不接通和切断电流，采用变频器驱动的机构接触器，在正常工作时仅接通变频器电容起始充电电流，不切断工作电流，可按AC－1工作类别选择。
（2）AC－2工作类别。在额定电压下接通和分断2.5倍额定电流。适用于绕线转子电动机的直接控制。
（3）AC－3工作类别。在额定电压下接通6倍额定电流，适用于普通电动机的直接控制。
（4）AC－4工作类别。在额定电压下接通6倍额定电流，适用于直接驱动电动机频繁寸动和反接制动的应用场合。启闭机各运行机构直接驱动时，都应按AC－4工况选择机构接触器。
（5）同一个接触器工作于不同的工作类别时，具有不同的额定工作电流。表2－5为施耐德电气D系列和B系列接触器在不同工作类别时的额定工作电流和额定分断能力对比，从表中可以看到接触器工作类别对选型的影响。
表2－5 接触器在不同工作类别时的额定电流示例
（四）超动次数
超动次数为不同负载率（接触器导通时间/周期）下接触器的每小时通断次数。当直接驱动的电动机操作非常频繁，且负载率较高时接触器需要很大的降容系数。表2－6展示了施耐德电气D系列、B系列接触器在AC－2/AC－4工作类别时不同超动次数下的允许工作电流对比，从表中可以看到工况和操作习惯对接触器选型的影响。
表2－6 接触器在AC－2/AC－4工作类别时不同超动次数和负载率时的允许电流示例
注 表中各数据为“AC－2/AC－4工作类别的许用电流”，单位为A。
（五）使用寿命
接触器的使用寿命分机械寿命和电气寿命。机械寿命一般较长（如：施耐德电气接触器的机械寿命为100万次），而电气寿命与工作电流有关。对于需要频繁操作的接触器，应降容使用以延长使用寿命，增长维修周期。
（六）接触器用于绕线转子电动机转子电阻切换
接触器用于绕线转子电动机转子电阻切换时，应当根据接触器的热应力和机械寿命来进行选型。目前各接触器生产厂家较少见到相关的选型介绍。表2－7为施耐德电气D系列接触器的选型参数，供参考。
表2－7 接触器用于绕线转子电动机转子电阻切换回路时的选型示例
（七）接触器用于变压器前端
变压器接通瞬间会出现20～40倍的涌流。选择接触器时，接通电流是主要的考虑因素。表2－8为施耐德电气D系列和B系列接触器用于三相隔离变压器前端时的选型参数，供参考。
表2－8 接触器用于变压器前端时的选型示例
续表
（八）启闭机接触器选型原则
（1）接触器用于电动机直接驱动时，如很少需要点动和反接制动可按AC－3工作类别选型，如需要经常点动和反接制动时按AC－4工作类别选型。
（2）电动机变频驱动时，接触器可按AC－1工作类别选型，但应考虑谐波电流影响（应按照变频器线路电流，而不是输出电流选型）。
（3）绕线电动机控制时，定子回路接触器按AC－2工作类别选型，转子电阻切换接触器按表2－7选型，供应商未提供对应选型表时可按AC－3工作类别选型。使用了调压调速器的绕线电机定子回路，建议根据电动机电流按AC－3工作类别选型。
（4）电动机直接控制，需要频繁寸动和反接制动，但工作级别相对较低的起重机运行机构，在根据AC－4工作类别选型后，还要根据接触器每小时的动作次数和负载率，按超动次数对应表（见表2－6）降容使用。
（5）电动机直接控制，需要频繁寸动和反接制动，且工作级别很高的起重机运行机构，需要根据所需的接触器维修周期，按AC－4工作类别下的电气寿命选择接触器。
三、电动机热保护
（一）电动机断路器
电动机断路器分为热磁断路器和电磁断路器两种，如图2－4所示。
1.热磁断路器
热磁断路器相当于负荷开关＋熔断器的组合，具备短路保护（磁脱扣）、电动机过载保护（热脱扣）和线路通断操作（按键操作、拨动开关操作和转盘操作等）等功能，可以直接构成单元件不频繁作业的单台电动机控制电路，也可配合接触器构成双元件频繁作业的单台电动机控制电路如图2－5所示。热磁断路器的主要参数如下：
图2－4 电动机断路器
图2－5 单元件和双元件电动机控制电路
（1）热脱扣电流整定范围。它是热磁断路器保护的额定电流取值范围。在使用中，必须调整此整定值，使之等于电动机的额定电流，否则无法保护电动机过载。
（2）磁脱扣电流。它是短路动作的保护电流。当电动机断路器选定后，此值是固定的。要求核算短路发生在断路器下游任何位置时，磁脱扣都能够可靠动作。
（3）分断能力。当电动机断路器下游发生短路故障时，能切断的最大短路电流。该值应大于电动机断路器下端口发生短路时可能发生的最大电流。如果电动机断路器的分断能力小于可能发生的最大故障电流，应配合熔断器使用。分断能力分为极限分断能力和使用分断能力，断路器可以多次在使用分断能力下切除短路电流，但只允许分断一次极限分断能力的短路电流。
电动机断路器的附件有瞬时动作辅助触点、故障信号触点、短路信号触点、欠电压脱扣模块、分流脱扣模块以及外部操作手柄等。
施耐德电气的电动机热磁断路器型号规格参见表2－9。
表2－9 GV2/GV3系列电动机保护热磁断路器规格
续表
2.电磁断路器
电磁断路器具备短路保护（磁脱扣）和线路通断操作功能，但不具备电动机热保护功能。可与热继电器一起构成2元件不频繁动作电动机控制电路，或与热继电器和接触器一起构成3元件电动机控制电路。电磁断路器常用于多台电动机的控制，各电动机应分别配置热继电器：如果各电动机非同时运行，或需要频繁启停，还需配置各自的接触器，电动机电磁断路器的应用如图2－6所示。施耐德电气的电动机电磁断路器只有拨盘式的，选用时将表2－9中拨盘式热磁脱扣器型号中的RS改为LE即可。
图2－6 电动机电磁断路器的应用
在启闭机应用中，电动机热磁断路器不仅常用于机构断路器，还可代替热继电器用作一台变频器驱动多个电动机时各电动机的热保护器件。其优点如下：
（1）当电动机发生短路故障时，能通过断路器的限流特性限制短路电流，快速切断发生短路故障的电动机，避免故障的扩大化。
（2）代替“热继电器＋接触器”组合，切断故障电动机，保持机构的带故障运行能力（电动机应留有裕量，需要时应为每个电动机断路器配备欠压或分励脱扣选件）。例如大车机构每侧有4个电动机驱动，当其中1个电动机发生短路故障时，可切断这个电动机上游侧的热磁断路器，而由其他3个电动机继续驱动大车运行。当然，这时另外3台电动机可能运行于过载状态，这只能用于应急处理。
（二）热过载继电器
热过载继电器主要用于电动机的过载保护，也可间接实现电动机断相和长时间堵转的保护，如图2－7所示。可配合接触器和电磁保护断路器构成3元件的电动机控制电路，或在变频器带多电机时作为电动机的热保护，如图2－8所示。
图2－7 热过载继电器
图2－8 热继电器用于3元件电动机控制和变频器驱动多电机
热过载继电器串接在电动机的主回路中，当电动机过电流的强度对时间的累积值超过规定后，通过辅助触点给出故障信号、报警或通过接触器等器件切断电动机供电。热继电器的主要参数介绍如下。
1.热脱扣电流整定范围
热脱扣电流整定范围即热继电器所保护的额定电流取值范围。在使用中，必须调整此整定值，使之小于或等于电动机的额定电流、否则无法起到电动机过载保护作用。
2.热继电器的脱扣等级
脱扣等级决定了热继电器在7.2倍设置电流时的脱扣时间，等级越高，所需的脱扣时间越长。10A级为2～10s，10级为4～10s，20级为6～20s，30级为9～30s。起重行业直接控制机构在选择热继电器时，应选用脱扣等级为20级的；需要频繁点动或反接制动的机构，可选用脱扣等级为30级的；而用于一台变频器驱动多台电动机时，则可采用脱扣等级10A或10级；对于那些需要在特定工况下过载运行的电动机，需要根据工艺条件和电动机工作制式选用合适的热电器。
热继电器脱扣时间与电流的对应关系，应查阅产品样本中的脱扣曲线表。
热继电器的安装方式有独立安装和直接安装在接触器上共两种。独立安装可以由热继电器加上一个安装支架附件构成。
热继电器分2极保护和3极保护，前者只监控2根相线的电流，后者监控全部3根相线的电流。建议选用3极保护的热继电器。
热继电器的复位方式有手动复位和自动复位两种。
施耐德电气常用热继电器的相关型号规格参见表2－10。
表2－10 LRD系列热继电器规格
图2－9 电子过电流继电器
（三）电子过电流继电器
电子过电流继电器的使用与热继电器基本相同，但在启闭机应用中能够为电动机提供比热继电器更精确、更灵活的保护，如图2－9所示。
1.堵转保护
可设置启动所需时间（D－Time），电子过电流继电器不考虑启动过程中的堵转电流（不累积）。但如果在运行过程中出现堵转故障（负载电流超过设置电流3倍，且持续时间超过0.5s）时，过电流继电器能够提供保护，如图2－10所示。
2.过载保护
当负载电流超过设置电流，且持续时间超过设置时间（O－Time）时，过电流继电器立即动作，但持续时间短于设置时间的过载电流不作累积如图2－10所示。
图2－10 电子过电流继电器的堵转和过载保护功能
3.机械冲击保护
将过载保护时间设置为较小值时，过电流继电器对机械冲击故障可以有很高的灵敏度，可用于替代传统的安全销保护如图2－11所示。
图2－11 电子过电流继电器的机械冲击保护
（1）可提供断相保护。
（2）保护检测与环境温度无关。在起重行业的应用中，由于机械抱闸的存在，启动过程较长，启动电流较大。使用普通热继电器时，为了保证启动过程不动作，只能将过载保护电流设置在较高值，这样对运行中的故障就不能及时反应。而电子过电流继电器可以屏蔽掉电动机的启动过程，准确设置过载电流的阀值和动作时间，从而更好地保护电动机和相关设备。
（四）热敏保护继电器
电动机预埋有PTC测温电阻时，可以配合变频器或PLC对电动机的温升进行直接监控，以实现更好的保护。
电动机需要利用过载系数使用时，如启闭机的故障运行和满负荷运行，必须使用PTC测温电阻作为电动机的保护器件。
在使用了变频器或PLC的电控系统中，变频器或PLC可以提供对PTC热敏电阻的检测和相应的保护。在未使用变频器和PLC的应用场合，可以选用热敏保护继电器实现该功能，见表2－11。如施耐德电气的LT3系列热敏保护继电器或RM35TM测量和控制继电器。借助于嵌入电机绕组内部的PTC热敏电阻探头，热敏保护继电器持续监控被保护电动机的温度，在电动机内部温度超过允许值时，通过触点给出信号、报警或切断电动机的运行命令，如图2－12所示。
表2－11 LT3系列热敏保护继电器规格
（1）电动机3个绕组的PTC热敏电阻串联后接入热敏保护继电器的输入端，热敏继电器的输出触点指示电动机是否过热。1个热敏继电器只监控1台电动机。
（2）无故障记忆：热敏电阻测得电动机过热后，热敏保护继电器的输出触点给出故障信号，电动机温度恢复后输出触点的状态也恢复。
（3）带故障记忆：热敏电阻测得电动机过热后，热敏保护继电器的输出触点给出故障信号，电动机温度恢复后输出触点的状态不恢复，需要人工（或远程）复位后输出触点才复位。
图2－12 热敏保护继电器
四、三合一电动机启动器
三合一电动机启动器相当于电磁断路器（或负荷开关＋熔断器）
＋接触器（可逆或不可逆）＋多功能保护单元（性能远超热过载继电器）的组合，体积小，结构紧凑。
三合一电动机启动器由动力底座、控制单元及各种辅助功能选件构成。可实现过载和短路保护、断相和相不平衡保护、接地故障保护（仅对设备）、复位（手动、远程或自动）、报警、日志、检测、故障区分及过转矩、空载运行保护等功能，如图2－13所示。
图2－13 三合一电动机启动器
五、继电器
（一）控制继电器
控制继电器又称为接触器式继电器，它相当于只有辅助触点而没有主触点的接触器，用于控制逻辑的构建。
控制继电器的辅助触点由于负荷能力的限制不能用于主触点，为了保证小信号的可靠性，接触器主触点也同样不能用于辅助触点。控制继电器与接触器不能互换。
施耐德电气的D系列控制继电器有5常开触点（CAD50）和3常开2常闭（CAD32）触点两种，并可增加瞬时辅助触点、延时辅助触点和机械闭锁等选件。
启闭机控制回路推荐使用控制继电器如图2－14所示。
图2－14 控制继电器
图2－15 小型中间继电器
（二）小型中间继电器
与控制继电器相比，小型中间继电器有体积小、价格低、功耗小等优点，但由于抗震抗冲击能力等限制，不推荐在起重行业使用小型中间继电器，如图2－15所示。
图2－16 测量和控制继电器
施耐德电气的小型中间继电器有RUM（通用型）和RPM/RPF（功率型）等系列。
（三）测量和控制继电器
三相测量和控制继电器可用于相序保护、断相保护、相不对称保护、过电压保护和欠电压保护、电机温度（PTC电阻）保护、超速保护、电气房超温保护，如图2－16所示。
启闭机可能使用的测量和控制继电器见表2－12（型号以施耐德电气产品为例）。
三相电源控制继电器简介如下：
（1）三相电源控制继电器可对电源质量进行监控，当电网质量有问题时通过继电器的常开触点来禁止主接触器的闭合或使主接触器跳闸。
（2）启闭机需要监控的电源故障主要有相序、断相、相不平衡、欠电压和过电压等。RM17TE00或RM35TF30电源控制继电器可同时监控全部4种类型的故障，RM35TF30比 RM17TE00多1副触点，并可分别设置过电压和欠电压的门槛。
表2－12 测量和控制继电器
（3）发生相序或断相故障时，电源控制继电器触点立即动作；发生过电压、欠电压或相不平衡故障时，电源控制继电器触点在经过可设置的延时时间后动作；分离主接触器。
（4）如果电源合闸时检测到各类故障，电源控制继电器触点保持在故障指示状态。
六、可编程控制器（PLC）
（一）PLC的结构及基本配置
PLC是以微处理器为基础，综合了计算机技术和自动控制技术而开发的工业控制器产品。它具有面向用户的编程语言，是一个完整的、通用型的工业控制装置，已被广泛应用到启闭机的控制系统中，极大地提高了劳动生产率和自动化程度。
PLC在传统的顺序控制器的基础上引入了微电子技术、计算机技术、自动控制技术和通信技术，用来取代继电器、执行逻辑、计时、计数等顺序控制功能，建立柔性的程控系统。国际电工委员会（IEC）颁布了对PLC的规定：可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。
PLC程序既有生产厂家的系统程序，又有用户自己开发的应用程序。系统程序提供运行平台，同时，还为PLC程序可靠运行及信息与信息转换进行必要的公共处理；用户程序由用户按控制要求设计。
一般讲，PLC分为箱体式和模块式两种，但它们的组成是相同的。对箱体式PLC，有一块CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，当然按CPU性能分成若干型号，并按I/O点数又有若干规格。对模块式PLC，有CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架。无论哪种结构类型的PLC，都属于总线式开放型结构，其I/O能力可按用户需要进行扩展与组合。PLC的基本结构如图2－17所示。
图2－17 PLC的基本组成结构
图2－18 CPU315
1.CPU的构成
PLC中的CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，每台PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存储用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，判断电源和PLC内部电路的工作状态和诊断编程过程中的语法错误等。进入运行后，从用户程序存储器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路，如图2－18所示。
与通用计算机一样，CPU主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，还有外围芯片、总线接口及有关电路。它确定了进行控制的规模、工作速度、内存容量等。
CPU的控制器控制CPU工作，由它读取指令、解释指令及执行指令。但工作节奏由震荡信号控制。CPU的运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作。CPU的寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器指挥下工作。
CPU虽然划分为以上几个部分，但PLC中的CPU芯片实际上就是微处理器，由于电路的高度集成，对CPU内部的详细分析已无必要，我们只要弄清它在PLC中的功能与性能，能正确地使用它就够了。
CPU模块的外部表现就是它的工作状态的各种显示、接口及设定或控制开关。一般讲，CPU模块总要有相应的状态指示灯，如电源显示、运行显示、故障显示等。箱体式PLC的主箱体也有这些显示，它的总线接口，用于接I/O模板或底板，有内存接口，用于安装内存；有外设接口，用于接外部设备；有的还有通信口，用于进行通信。CPU模块上还有许多设定开关，用以对PLC作设定，如设定起始工作方式、内存区等。
2.I/O模块
PLC的对外功能，主要是通过各种I/O接口模块与外界联系的，如图2－19所示。按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的基本配置能力，即受最大的底板或机架槽数限制。I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。
图2－19 SM332 I/O模块
图2－20 电源模块
3.电源模块
有些PLC中的电源，是与CPU模块合二为一的，有些是分开的，其主要用途是为PLC各模块的集成电路提供工作电源。同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源。电源类型有交流电源和直流电源，交流电源常用的为交流220V AC或110V AC，直流电源常用的为24V，如图2－20所示。
4.底板或机架
大多数模块式PLC使用底板或机架，在电气上实现各模块间的联系，使CPU能访问底板上的所有模块，在机械上，实现各模块间的连接，使各模块构成一个整体。
5.PLC的外部设备
外部设备是PLC系统不可分割的一部分，有四大类：
（1）编程设备。有简易编程器和智能图形编程器，用于编程、对系统作一些设定、监控PLC及PLC所控制的系统的工作状况。编程器是PLC开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件，但它不直接参与现场控制运行。
（2）监控设备。有数据监视器和图形监视器。直接监视数据或通过画面监视数据。
（3）存储设备。有存储卡、存储磁带、软磁盘或只读存储器，用于永久性地存储用户数据，使用户程序不丢失，如EPROM、EEPROM写入器等。
（4）输入/输出设备。用于接收信号或输出信号，一般有条码读入器、输入模拟量的电位器、打印机等。
6.PLC的通信联网
PLC具有通信联网的功能，它使PLC与PLC之间、PLC与上位计算机以及其他智能设备之间能够交换信息，形成一个统一的整体，实现分散集中控制。现在几乎所有的PLC新产品都有通信联网功能，它和计算机一样具有RS－232接口，通过双绞线、同轴电缆或光缆，可以在几公里甚至几十公里的范围内交换信息。
当然，PLC之间的通信网络是各厂家专用的，PLC与计算机之间的通信，一些生产厂家采用工业标准总线，并向标准通信协议靠拢，这将使不同机型的PLC之间、PLC与计算机之间可以方便地进行通信与联网。
了解了PLC的基本结构，在购买PLC时就有了一个基本配置的概念，做到既经济又合理，尽可能发挥PLC所提供的最佳功能。
（二）可编程控制器的基本原理
PLC虽具有微机的许多特点，但它的工作方式却与微机有很大的不同。与计算机的相同点是基本结构相同和程序执行原理相同，与计算机的不同点主要体现在工作方式上。
PLC工作的全过程如下。第一步是上电处理。机器上电后对PLC系统进行一次初始化工作，包括硬件初始化，I/O模块配置检查，停电保持范围设定及其他初始化处理等。第二步是扫描过程。PLC上电处理完成后进入扫描工作过程。先完成输入处理，其次完成与其他外设的通信处理，再次进行时钟、特殊寄存器更新。当CPU处于STOP方式时，输入执行自诊断检查。当CPU处于RUN方式时，还要完成用户程序的执行和输出处理，再转入执行自诊断检查。第三步是出错处理。PLC每扫描一次，执行一次自诊断检查，确定PLC自身的动作是否正常，如CPU、电池电压、程序存储器、I/O、通信等是否异常或出错，如检查出异常时，CPU面板上的LED及异常继电器会接通，在特殊寄存器中会存入出错代码。当出现致命错误时，CPU被强制为STOP方式，所有的扫描停止。
PLC执行的三个步骤称为一个扫描周期，PLC完成一个周期后，又重新执行上述过程，扫描周而复始地进行。
当PLC方式开关置于RUN（运行）时，执行所有阶段；当方式开关置于STOP（停止）时，不执行后面的步骤，此时可进行通信处理，比如开展对PLC联机或离线编程。程序执行原理图可编程序控制器的输入处理、执行用户程序和输出处理过程的原理如图2－21所示。
图2－21 PLC程序执行原理图
（三）PLC应用设计的基本原则
可编程序控制器应用设计的基本原则是最大限度地满足被控对象（生产过程和设备）的控制要求，并且要求安全可靠，操作简单，维护方便。主要体现在控制方式、操作方式和系统结构这三个方面。
（1）控制方式。可编程序控制器的输入输出以开关信号（DI和DO）为主、模拟信号（AI和AO）为辅，控制方式以逻辑控制和顺序控制为主，连续控制和特殊控制为辅。
根据被控对象的控制要求，如果设计结果只有开关信号（DI和DO），并只需要逻辑和顺序控制，那就选用一般的可编程序控制器；如果设计结果既有开关信号（DI和DO），又有模拟信号（AI和AO），不仅有逻辑控制和顺序控制，还有连续控制和特殊控制，就选用高档的可编程序控制器，并且要选用相应的专用功能模块。
（2）操作方式。可编程序控制器的操作方式体现在编程组态和操作监视的方式上及其相应的人机接口设备（编程器、操作监视器、操作员站和工程师站）的选择上。
小型整体式结构的可编程序控制器一般配置手持式或便携式编程器，只能提供“离线编程”方式，因为它必须插在主机模块上才能进行编程，编程器和主机模块共用一个CPU，用工作方式开关“编程/运行”切换。当工作方式开关处于“编程”挡，主机模块失去对现场的控制，只为编程器服务，这就是“离线编程”。当程序编好后，再把工作方式开关拨至“运行”挡，主机模块又恢复对现场的控制。这种编程器体积小巧，价格便宜，适合在现场修改程序和调试。另外还可以配置小型操作监视器，用于现场的显示和少量的操作。
中大型可编程序控制器一般配置图形监视器和图形编程器，各自独立工作，相互通信。主机模块除了完成对现场的控制，在一个扫描周期的通信段，一方面接收来自编程器和图形监视器的程序及参数，在下一个扫描周期按照新程序和参数运行，实现在线编程，另一方面把现场实时参数发送到图形监视器，供操作员监视生产过程和设备的运行状况。这种图形编程器和图形监视器的体积大，价格贵，功能强，提供多种编程语言，供操作员对生产过程和设备进行集中操作监视，构成了形象直观的动态操作监视环境。
（3）系统结构。可编程序控制器的结构形式分为整体式和模块式两类，并可以采用层次化网络结构。
小型控制系统选用整体式结构主机模块，DI/DO点在8或16点之内，既可以单机独立工作，也可以多机联网工作。单机用SPI（点点接口）连接图形监视器和图形编程器，多机用MPI（多点接口）将多个主机模块、图形监视器和图形编程器连接在一起，形成总线型结构。
中大型控制系统选用模块式结构，采用机架或导轨式安装，除了主机架外还有扩展机架和远程I/O机架。采用层次化网络结构，从下至上依次分为数据采集层、直接控制层和操作管理层。