任務三　認識PLC系統的組成及原理

【知識、能力目標】

掌握PLC的硬件系統組成及各部件的作用；

掌握PLC的軟件系統組成；

掌握PLC的工作原理；

能分析、歸納PLC控制系統與繼電接觸器控制系統的區別。

一、PLC的系統組成

PLC其實質上是一臺工業控制用的專用計算機，因此，它的組成與微型計算機基本相同，也是由硬件系統和軟件系統兩大部分組成。

1. PLC的硬件系統

圖1-2 為一般小型PLC的硬件系統簡化框圖。PLC的基本單元主要由微處理器（CPU）、存儲器、輸入和輸出模塊、電源模塊、I/O擴展接口、外設I/O接口，以及編程器等部分組成。

（1）微處理器（CPU）

CPU是整個PLC控制的核心，它指揮、協調整個PLC的工作。它主要由控制器、運算器、寄存器等組成，其中控制器控制CPU的工作，由它讀取指令、解釋指令及執行指令；運算器用于進行數字或邏輯運算，在控制器指揮下工作；寄存器參與運算，并存儲運算的中間結果，它也是在控制器指揮下工作。CPU完成的主要功能如下。

① 接收并存儲從編程器輸入的用戶程序和數據；

② 用循環掃描的方式采集由現場輸入設備送來的狀態信號或數據，并存入規定的寄存器中；

③ 診斷電源和PLC內部電路的工作狀態和編程過程中的語法錯誤等；

④ PLC進入運行后，從用戶程序存儲器中逐條讀取指令，經分析后再按指令規定的任務產生相應的控制信號，去指揮有關的控制電路。

⑤ 響應各種外圍設備（如編程器、打印機等）的請求。

（2）存儲器

存儲器是PLC記憶或暫存數據的部件，用來存放系統程序、用戶程序、邏輯變量及其他一些信息。常用的存儲器類型有：CMOS RAM（隨機讀寫存儲器）、ROM（只讀存儲器）、PROM（用戶可編程只讀存儲器）、EPROM（紫外線可擦除、可編程）、 EEPROM（電可擦除、可編程）。PLC的存儲器分為系統存儲器和用戶存儲器。

系統存儲器用來存放系統程序，一般采用PROM或EPROM。系統程序由PLC生產廠家編寫，并固化在只讀存儲器內，它使PLC具有基本的智能，它主要由系統管理（負責系統的運行管理、存儲空間管理、系統自診斷管理等）、指令解釋、標準程序及系統調用等程序組成。

用戶存儲器用來存放用戶編制的控制程序和數據，采用RAM或EEPROM。為了使斷電后RAM存放的用戶程序和數據信息不丟失，可以用鋰電池作為備用電源，用于斷電時保持RAM中的內容。現在大部分的PLC已經不用鋰電池，而改用大電容來完成臨時的斷電保護功能。對于重要的用戶程序和數據，則存儲到EEPROM中。

用戶存儲器又分為用戶程序存儲器（一般用于存放用戶程序）和用戶數據存儲器（用于存放CPU采樣的數據，以及執行程序時的中間結果和內部編程元件的狀態）。

（3）輸入/輸出（I/O）模塊

I/O模塊（I/O接口）是PLC與現場用戶輸入、輸出設備之間聯系的橋梁。

PLC的輸入模塊用以接收和采集外部設備各類輸入信號（如按鈕、各種開關、繼電器觸點等送來的開關量；或電位器、測速發電機、傳感器等送來的模擬量），并將其轉換成PLC能接收和處理的數據。

PLC的輸出模塊則是將PLC內部的標準信號，轉換成外部設備所需要的控制信號，用于驅動控制元件（如接觸器、指示燈、電磁閥、調節閥、調速裝置等）。

PLC提供多種用途和功能的I/O模塊，供用戶根據具體情況來選擇。如開關量I/O、模擬量I/O、I/O電平轉換、電氣隔離、A/D或D/A變換、串/并行變換、數據傳送、高速計數器、遠程I/O控制等模塊。其中開關量I/O模塊是PLC中最基本、最常用的接口模塊，在圖1-2中繪出的就是這種I/O模塊。

為了提高PLC的抗干擾能力，一般的I/O模塊都有光電隔離裝置。在數字量輸入模塊中，廣泛采用濾波電路，以及由發光二極管和光電三極管組成的光電耦合器；在數字量輸出模塊中，廣泛采用電氣隔離技術；在模擬量I/O模塊，通常采用隔離放大器。

（4）電源模塊

電源是整機的能源供給中心。PLC系統的電源分為內部電源和外部電源。PLC內部配有開關式穩壓電源模塊，它為PLC的微處理器、存儲器等電路提供5V、±12V、24V等直流電源。內部電源具有很高的抗干擾能力，性能穩定、安全可靠。小型PLC的內部電源往往和CPU單元合為一體，大中型PLC都有專用的電源模塊。

PLC的外部工作電源一般使用220V交流電源或24V直流電源。另外，用于傳送現場信號或驅動現場負載的電源通常由用戶另備，叫用戶電源。

（5）編程器

編程器是對用戶程序進行編輯、輸入、調試，通過其鍵盤去調用和顯示PLC內部的一些狀態和系統參數，從而實現監控功能的設備。它是PLC最重要的外圍設備，是PLC不可缺少的一部分。它通過接口與CPU聯系，完成人機對話。一般只是在要輸入用戶程序和檢修時使用編程器，所以一臺編程器可供多臺PLC共同享用。

編程器一般分為簡易型和智能型兩類，簡易型編程器需要聯機工作，且只能輸入和編輯語句表程序，但它由PLC提供電源，體積小，價格低。智能型編程器，既可聯機，又可脫機編程；既可用語句表編程，又可用梯形圖編程，使用起來方便直觀，但價格較高。

目前，許多PLC都用微型計算機作為編程工具，只要配上相應的硬件接口和軟件包，就可以使用梯形圖、語句表等多種編程語言進行編程。由于計算機功能強、顯示屏幕大，使程序輸入和調試，以及系統狀態的監控更加方便和直觀。

（6）外部設備I/O接口

PLC的外部設備主要有編程器、EPROM寫入器（用于將用戶程序寫入到EPROM中）、打印機、外存儲器（磁帶或磁盤）等。外部設備I/O接口的作用就是將這些外部設備與PLC相連。某些PLC可以通過通信接口與其他PLC或上位計算機連接，以實現通信網絡功能。

（7）I/O擴展接口

當用戶的輸入、輸出設備所需的I/O點數超過了主機（基本單元）的I/O點數，或者PLC控制系統需要進行特殊功能控制時，就需要用I/O擴展接口進行擴展。I/O擴展接口就是用于將I/O點擴展單元，以及特殊功能模塊與基本單元之間相連，它使得PLC的配置更加靈活，以滿足不同控制系統的需求。

2. PLC的軟件系統

PLC的軟件是指PLC工作所使用的各種程序的集合，它包括系統軟件和應用軟件兩大部分。系統軟件決定了PLC的基本智能，應用軟件則規定了PLC的具體工作。

（1）系統軟件

系統軟件又叫系統程序，是由PLC生產廠家編制的用來管理、協調PLC的各部分工作，充分發揮PLC的硬件功能，方便用戶使用的通用程序。系統軟件通常被固化在EPROM中與機器的其他硬件一起提供給用戶。有了系統程序才給PLC賦予了各種各樣的功能，包括PLC的自身管理及執行用戶程序，完成各種工作任務。通常系統程序有以下功能。

① 系統配置登記和初始化：不同的控制對象、不同的控制過程，其PLC控制系統的配置各不相同。系統程序在PLC通電或復位時，首先對各模塊進行登記、分配地址，做初始化，為系統管理及運行工作做好準備。

② 系統自診斷：對CPU、存儲器、電源、輸入、輸出模塊進行故障診斷測試，若發現異常，則停止執行用戶程序，顯示故障代碼，等待處理。

③ 命令識別與處理：操作人員通過鍵盤操作，對PLC發出各種工作指令，系統程序不斷地監視、接收每一個操作指令并加以解釋，然后按指令去完成相應操作，并顯示結果。

④ 編譯程序：用戶編寫的工作程序送入PLC后，首先要由系統編譯程序對其進行翻譯，變成CPU可以識別執行的指令碼程序后，才被存入用戶程序存儲器。同時還要對用戶輸入的程序進行語法檢查，發現錯誤及時提示。

⑤ 標準程序模塊及系統調用：廠家為方便用戶，經常提供一些各自能完成不同功能的獨立程序模塊，如輸入、輸出、運算等，PLC的各種具體工作都是由這部分程序來完成的，這部分程序的多少，決定了PLC性能的強弱。用戶需要時只需按調用條件進行調用即可。

（2）應用軟件

應用軟件又叫用戶程序，是用戶根據實際系統控制需要用PLC的編程語言編寫的。同一廠家生產的同一型號PLC，其系統軟件是相同的，但不同用戶，用于不同的控制對象，解決不同的問題所編寫的用戶程序則是不同的。

硬件系統和軟件系統組成了一個完整的PLC系統，它們相輔相成，缺一不可。沒有軟件支持的PLC只是一臺裸機，不起任何作用，反之，沒有硬件支持，軟件也就無立足之地，程序根本無法執行。

二、PLC 的工作原理

1. PLC的工作方式

PLC是靠執行用戶程序來實現控制要求的。PLC對用戶程序的執行采用循環掃描的工作方式。用戶根據控制要求，編制好輸入程序，并存于PLC的用戶程序存儲器中。用戶程序由若干條指令組成，指令在存儲器中按步序號順序排列。PLC開始運行時，CPU對用戶程序作周期性循環掃描，在無跳轉指令或中斷的情況下，CPU從第一條指令開始順序逐條地執行用戶程序，直到用戶程序結束，然后又返回第一條指令開始新的一輪掃描，并周而復始地重復。在每次掃描過程中，還要完成對輸入信號的采集和對輸出狀態的刷新等工作。

PLC采用循環掃描的工作方式，這是有別于微型計算機、繼電接觸器控制的重要特點。微機一般采用等待命令的工作方式。如常見的鍵盤掃描方式或I/O掃描方式，若有鍵按下或I/O動作，則轉入相應的子程序，無鍵按下則繼續掃描。繼電接觸器控制系統將繼電器、接觸器、按鈕等分立電器用導線連接在一起，形成滿足控制對象動作要求的控制程序，它采用硬邏輯“并行”運行的方式，在執行過程中，如果一個繼電器的線圈得電，那么該繼電器的所有常開和常閉的觸點，無論接在控制線路的什么位置，都會立即動作：常閉觸點斷開，常開觸點閉合；如果某些繼電器的線圈得電，那么這些繼電器所對應的觸點都會立即動作。而PLC采用循環掃描的工作方式，在工作過程中，如果某個軟繼電器的線圈接通，該線圈的所有常開和常閉觸點并不一定會立即動作，只有CPU掃描到該接點時才會動作：其常閉觸點斷開，常開觸點閉合。也就是說，PLC在任一時刻只能執行一條指令，是以“串行”方式工作，這樣便避免了繼電接觸器控制的觸點競爭和時序失配問題。

2. PLC的工作過程及I/O處理規則

（1）PLC的工作過程

PLC的循環掃描工作方式是在系統軟件控制下，順序掃描各輸入點的狀態，按用戶程序進行運算處理，然后向輸出點順序發出相應的控制信號。整個工作過程包含五個階段：自診斷、通信處理、輸入采樣、執行用戶程序、輸出結果，如圖1-3 所示。

PLC剛通電時會對系統進行一次初始化，包括對硬件初始化、I/O模塊配置檢查、停電保護范圍設定、系統通信參數配置及其他初始化處理。通電處理完成后即進入循環掃描階段。

對于不同的PLC產品，其掃描過程中五個階段的順序可能不同，這取決于PLC內部的系統程序。

① 自診斷：執行故障自診斷程序，自檢CPU、存儲器、I/O組件等，發現異常便停機顯示出錯。若自診斷正常，則繼續向下掃描。

② 通信處理：這個階段，CPU處理從通信端口接受到的任何信息。

③ 讀入現場信號：PLC中的CPU對各個輸入端進行掃描，將所有輸入端的輸入信號狀態讀入到輸入映像寄存器區。這個階段叫輸入采樣，或稱輸入刷新。在輸入采樣結束后，即使輸入信號狀態發生了改變，輸入映像寄存器區中的狀態也不會發生改變。輸入信號變化了的狀態只能在下一個掃描周期的輸入采樣階段被讀入。所以說，為了避免輸入信號的丟失，要求輸入信號的寬度要大于一個掃描周期。

④ 執行用戶程序：CPU按先左后右、自上而下的順序對用戶程序順序掃描并執行。在掃描每一條指令時，對所需的輸入狀態可從輸入映像寄存器中讀入，從輸出映像寄存器讀入當前的輸出狀態，然后按程序進行相應的運算，運算結果再存入輸出寄存映像器中。隨著程序的執行，輸出映像寄存器的內容會不斷變化。

如果在程序中使用了中斷，與中斷事件相關的中斷程序就作為程序的一部分存儲下來。中斷程序并不作為正常掃描周期的一部分來執行，而是當中斷事件發生時才執行（中斷事件可能發生在掃描周期的任意點上）。

⑤ 輸出結果：當所有指令執行完畢，輸出映像寄存器的狀態轉存到輸出鎖存器中，并通過PLC的輸出模塊轉成被控設備所能接收的信號，驅動外部負載，這是PLC的實際輸出。這個階段叫輸出刷新。

（2）PLC對I/O的處理規則

① 輸入映像寄存器的狀態取決于各輸入端子在上一個刷新期間的狀態；

② 程序執行階段所需的輸入、輸出狀態，由輸入映像寄存器和輸出映像寄存器讀出；

③ 輸出映像寄存器的內容由程序中輸出指令的執行結果決定；

④ 輸出鎖存器中的內容由上一次輸出刷新時輸出映像寄存器的狀態決定；

⑤ 各輸出端子的通斷狀態由輸出鎖存器的內容來決定。

三、習題與訓練

1.3.1　PLC的硬件系統主要由哪幾部分構成？ 其功能是什么？

1.3.2　簡述PLC的系統軟件的功能。

1.3.3　PLC采用什么工作方式？ 該工作方式與繼電接觸器控制系統有什么不同？

1.3.4　PLC的工作過程分為幾個階段？ 各階段的作用是什么？