1.2　可編程控制器的結構和工作原理

1.2.1　可編程控制器的硬件組成

可編程控制器種類繁多，但其基本結構和工作原理相同。可編程控制器的功能結構區由CPU（中央處理器）、存儲器和輸入模塊/輸出模塊三部分組成，如圖1-1所示。

（1）CPU（中央處理器）

CPU的功能是完成PLC內所有的控制和監視操作，一般由控制器、運算器和寄存器組成。CPU通過數據總線、地址總線和控制總線與存儲器、輸入/輸出接口電路連接。

（2）存儲器

在PLC中使用兩種類型的存儲器：一種是只讀類型的存儲器，如EPROM和EEPROM；另一種是可讀/寫的隨機存儲器RAM。PLC的存儲器分為5個區域，如圖1-2所示。

程序存儲器的類型是只讀存儲器（ROM），PLC的操作系統存放在這里，程序由制造商固化，通常不能修改。有的PLC廠商對部分PLC產品（如西門子的S7-1200和S7-200 SMART）提供操作系統升級服務。存儲器中的程序負責解釋和編譯用戶編寫的程序、監控I/O口的狀態、對PLC進行自診斷、掃描PLC中的程序等。系統存儲器屬于隨機存儲器（RAM），主要用于存儲中間計算結果和數據、系統管理，有的PLC廠家用系統存儲器存儲一些系統信息，如錯誤代碼等，系統存儲器不對用戶開放。I/O狀態存儲器屬于隨機存儲器，用于存儲I/O裝置的狀態信息，每個輸入模塊和輸出模塊都在I/O映像表中分配一個地址，而且這個地址是唯一的。數據存儲器屬于隨機存儲器，主要用于數據處理功能，為計數器、定時器、算術計算和過程參數提供數據存儲。有的廠家將數據存儲器細分為固定數據存儲器和可變數據存儲器。用戶存儲器，其類型可以是隨機存儲器、可擦除存儲器（EPROM）和電擦除存儲器（EEPROM），高檔的PLC還可以用FLASH。用戶存儲器主要用于存放用戶編寫的程序。存儲器的關系如圖1-3所示。

只讀存儲器可以用來存放系統程序，PLC斷電后再上電，系統內容不變且重新執行。只讀存儲器也可用來固化用戶程序和一些重要參數，以免因偶然操作失誤而造成程序和數據的破壞或丟失。隨機存儲器中一般存放用戶程序和系統參數。當PLC處于編程工作時，CPU從RAM中取指令并執行。用戶程序執行過程中產生的中間結果也在RAM中暫時存放。RAM通常由CMOS型集成電路組成，功耗小，但斷電時內容消失，所以一般使用大電容或后備鋰電池保證掉電后PLC的內容在一定時間內不丟失。

（3）輸入模塊/輸出模塊

可編程控制器的輸入和輸出信號可以是開關量或模擬量。輸入/輸出接口是PLC內部弱電（low power）信號和工業現場強電（high power）信號聯系的橋梁。輸入/輸出接口主要有兩個作用，一是利用內部的電隔離電路將工業現場和PLC內部進行隔離，起保護作用；二是調理信號，可以把不同的信號（如強電、弱電信號）調理成CPU可以處理的信號（5V、3.3V或2.7V等），如圖1-4所示。

輸入/輸出接口模塊是PLC系統中最大的部分，通常需要電源，輸入電路的電源可以由外部提供，對于模塊化的PLC還需要背板（安裝機架）。

①輸入接口電路　輸入接口電路的組成和作用。輸入接口電路由接線端子、輸入調理和電平轉換電路、狀態顯示電路、電隔離電路和多路選擇開關模塊組成，如圖1-5所示。現場的信號必須連接在輸入端子才可能將信號輸入到CPU中，它提供了外部信號輸入的物理接口；調理和電平轉換電路十分重要，可以將工業現場的信號（如強電220V AC信號）轉化成電信號（CPU可以識別的弱電信號）；電隔離電路主要利用電隔離器件將工業現場的機械或者電輸入信號和PLC的CPU的信號隔開，它能確保過高的電干擾信號和浪涌不串入PLC的微處理器，起保護作用，有三種隔離方式，用得最多的是光電隔離、其次是變壓器隔離和干簧繼電器隔離；當外部有信號輸入時，輸入模塊上有指示燈顯示，這個電路比較簡單，當線路中有故障時，它幫助用戶查找故障，由于氖燈或LED燈的壽命比較長，因此這個燈通常是氖燈或LED燈；多路選擇開關接受調理完成的輸入信號，并存儲在多路開關模塊中，當輸入循環掃描時，多路開關模塊中信號輸送到I/O狀態寄存器中。輸入接口的內部電路如圖1-6所示。

輸入信號的設備的種類。輸入信號可以是離散信號和模擬信號。當輸入端是離散信號時，輸入端的設備類型可以是限位開關、按鈕、壓力繼電器、繼電器觸點、接近開關、選擇開關、光電開關等，如圖1-7所示。當輸入為模擬量輸入時，輸入設備的類型可以是壓力傳感器、溫度傳感器、流量傳感器、電壓傳感器、電流傳感器、力傳感器等。

②輸出接口電路　輸出接口電路的組成和作用。如圖1-7所示為輸入/輸出接口2。輸出接口電路由多路選擇開關模塊、信號鎖存器、電隔離電路、狀態顯示電路、輸出電平轉換電路和接線端子組成，如圖1-8所示。在輸出掃描期間，多路選擇開關模塊接受來自映像表中的輸出信號，并對這個信號的狀態和目標地址進行譯碼，最后將信息送給鎖存器；信號鎖存器是將多路選擇開關模塊的信號保存起來，直到下一次更新；輸出接口的電隔離電路作用和輸入模塊的一樣，但是由于輸出模塊輸出的信號比輸入信號要強得多，因此要求隔離電磁干擾和浪涌的能力更高；輸出電平轉換電路將隔離電路送來的信號放大成足夠驅動現場設備的信號，放大器件可以是雙向晶閘管、三極管和干簧繼電器等；輸出端的接線端子用于將輸出模塊與現場設備相連接。

可編程控制器有三種輸出接口形式：繼電器輸出、晶體管輸出和晶閘管輸出形式。繼電器輸出形式的PLC的負載電源可以是直流電源或交流電源，但其輸出響應頻率較慢，其內部電路如圖1-9所示。晶體管輸出的PLC負載電源是直流電源，其輸出響應頻率較快，其內部電路如圖1-10所示。晶閘管輸出形式的PLC的負載電源是交流電源，歐姆龍CP1L系列PLC的CPU模塊暫時還沒有晶閘管輸出形式的產品出售，但三菱FX系列有這種產品。選型時要特別注意PLC的輸出形式。

輸出信號的設備的種類。輸出信號可以是離散信號和模擬信號。當輸出端是離散信號時，輸出端的設備類型可以是電磁閥的線圈、電動機啟動器、控制柜的指示器、接觸器線圈、LED燈、指示燈、繼電器線圈、報警器和蜂鳴器等，如圖1-7所示。當輸出為模擬量輸出時，輸出設備的類型可以是流量閥、AC驅動器（如交流伺服驅動器）、DC驅動器、模擬量儀表、溫度控制器和流量控制器等。

【例1-1】　某學生按如圖1-11所示接線，之后按下SB1、SB2和SB3按鈕，發現輸入端的指示燈沒有顯示，PLC中沒有程序，但燈HL常亮，接線沒有錯誤，+24V電源也正常。學生的分析是輸入和輸出接口燒毀，請問學生的分析是否正確。

【解】　分析如下。

①一般輸入端口不會燒毀，因為輸入接口電路有光電隔離電路保護，除非有較大電壓（如交流220V）的誤接入，而且燒毀輸入接口一般也不會所有的接口同時燒毀。經過檢查，發現輸入側的接線端子COM是“虛接”，壓緊此接線端子后，輸入端恢復正常。

②誤接線容易造成晶體管輸出回路的器件燒毀，晶體管的擊穿會造成回路導通，從而造成燈HL常亮。

1.2.2　可編程控制器的工作原理

PLC是一種存儲程序的控制器。用戶根據某一對象的具體控制要求，編制好控制程序后，用編程器將程序輸入到PLC（或用計算機下載到PLC）的用戶程序存儲器中寄存。PLC的控制功能就是通過運行用戶程序來實現的。

PLC運行程序的方式與微型計算機相比有較大的不同，微型計算機運行程序時，一旦執行到END指令，程序運行結束。而PLC從0號存儲地址所存放的第一條用戶程序開始，在無中斷或跳轉的情況下，按存儲地址號遞增的方向順序逐條執行用戶程序，直到END指令結束。然后從頭開始執行，并周而復始地重復，直到停機或從運行（RUN）切換到停止（STOP）工作狀態。把PLC這種執行程序的方式稱為掃描工作方式。每掃描完一次程序就構成一個掃描周期。另外，PLC對輸入、輸出信號的處理與微型計算機不同。微型計算機對輸入、輸出信號實時處理，而PLC對輸入、輸出信號是集中批處理。下面具體介紹PLC的掃描工作過程。其運行和信號處理示意如圖1-12所示。

PLC掃描工作方式主要分為三個階段：輸入掃描、程序執行、輸出刷新。

（1）輸入掃描

PLC在開始執行程序之前，首先掃描輸入端子，按順序將所有輸入信號，讀入到寄存器-輸入狀態的輸入映像寄存器中，這個過程稱為輸入掃描。PLC在運行程序時，所需的輸入信號不是現時取輸入端子上的信息，而是取輸入映像寄存器中的信息。在本工作周期內這個采樣結果的內容不會改變，只有到下一個掃描周期輸入掃描階段才被刷新。PLC的掃描速度很快，取決于CPU的時鐘速度。

（2）程序執行

PLC完成了輸入掃描工作后，按順序從0號地址開始的程序進行逐條掃描執行，并分別從輸入映像寄存器、輸出映像寄存器以及輔助繼電器中獲得所需的數據進行運算處理。再將程序執行的結果寫入輸出映像寄存器中保存。但這個結果在全部程序未被執行完畢之前不會送到輸出端子上，也就是物理輸出是不會改變的。掃描時間取決于程序的長度、復雜程度和CPU的功能。

（3）輸出刷新

在執行到END指令，即執行完用戶所有程序后，PLC上將輸出映像寄存器中的內容送到輸出鎖存器中進行輸出，驅動用戶設備。掃描時間取決于輸出模塊的數量。

從以上的介紹可以知道，PLC程序掃描特性決定了PLC的輸入和輸出狀態并不能在掃描的同時改變，例如一個按鈕開關的輸入信號的輸入剛好在輸入掃描之后，那么這個信號只有在下一個掃描周期才能被讀入。

掃描周期。上述三個步驟是PLC的軟件處理過程，可以認為就是程序掃描時間。掃描時間通常由三個因素決定：一是CPU的時鐘速度，越高檔的CPU，時鐘速度越快，掃描時間越短；二是I/O模塊的數量，模塊數量越少，掃描時間越短；三是程序的長度，程序長度越短，掃描時間越短。一般的PLC執行容量為1K的程序需要的掃描時間是1～10ms。

1.2.3　可編程控制器的立即輸入、輸出功能

比較高檔的PLC都有立即輸入、輸出功能。

（1）立即輸出功能

所謂立即輸出功能就是輸出模塊在處理用戶程序時，能立即被刷新。PLC臨時掛起（中斷）正常運行的程序，將輸出映像表中的信息輸送到輸出模塊，立即進行輸出刷新，然后回到程序中繼續運行，立即輸出過程如圖1-13所示。注意，立即輸出功能并不能立即刷新所有的輸出模塊。

（2）立即輸入功能

立即輸入適用于要求對反應速度很嚴格的場合，例如幾毫秒的時間對于控制來說十分關鍵的情況下。立即輸入時，PLC立即掛起正在執行的程序，掃描輸入模塊，然后更新特定的輸入狀態到輸入映像表，最后繼續執行剩余的程序，立即輸入過程如圖1-14所示。