1.3 PLC組成與工作原理

1.3.1 PLC的組成方框圖

PLC種類很多，但結構大同小異，典型的PLC控制系統組成方框圖如圖1-5所示。在組建PLC控制系統時，需要給PLC的輸入端子連接有關的輸入設備（如按鈕、觸點和行程開關等），給輸出端子連接有關的輸出設備（如指示燈、電磁線圈、電磁閥等），如果需要PLC與其他設備通信，可在PLC的通信接口連接其他設備，如果希望增強PLC的功能，可在PLC的擴展接口連接擴展單元。

1.3.2 PLC各組成部分說明

從圖1-5可以看出，PLC內部主要由CPU、存儲器、輸入接口電路、輸出接口電路、通信接口、擴展接口等組成。

1 CPU

CPU又稱中央處理器，是PLC的控制中心，通過總線（包括數據總線、地址總線和控制總線）與存儲器和各種接口連接，以控制它們有條不紊地工作。CPU的性能對PLC的工作速度和效率有較大的影響，故大型PLC通常采用高性能的CPU。

CPU的主要功能如下。

[1] 接收通信接口送來的程序和信息，并將它們存入存儲器。

[2] 采用循環檢測（即掃描檢測）方式不斷檢測輸入接口電路送來的狀態信息，以判斷輸入設備的狀態。

[3] 逐條運行存儲器中的程序，并進行各種運算，再將運算結果存儲下來，然后經輸出接口電路對輸出設備進行有關的控制。

[4] 監測和診斷內部各電路的工作狀態。

2 存儲器

存儲器的功能是存儲程序和數據。PLC通常配有ROM（只讀存儲器）和RAM（隨機存儲器）兩種存儲器，ROM用來存儲系統程序，RAM用來存儲用戶程序和程序運行時產生的數據。

系統程序由廠家編寫并固化在ROM存儲器中，用戶無法訪問和修改系統程序。系統程序主要包括系統管理程序和指令解釋程序。系統管理程序的功能是管理整個PLC，讓內部各個電路能有條不紊地工作。指令解釋程序的功能是將用戶編寫的程序翻譯成CPU可以識別和執行的程序。

用戶程序是用戶通過編程器輸入存儲器的程序。為了方便調試和修改，用戶程序通常存放在RAM中，由于斷電后RAM中的程序會丟失，所以RAM由專門的后備電池進行供電。有些PLC采用EEPROM（電可擦寫只讀存儲器）來存儲用戶程序，由于EEPROM存儲器中的內部程序可用電信號進行擦寫，并且掉電后內容不會丟失，因此采用這種存儲器后可不需配備用電池。

3 輸入/輸出接口電路

輸入/輸出接口電路又稱I/O接口電路或I/O模塊，是PLC與外圍設備之間的連接部件。PLC通過輸入接口電路檢測輸入設備的狀態，以此作為對輸出設備進行控制的依據，同時PLC又通過輸出接口電路對輸出設備進行控制。

PLC的I/O接口電路能接受的輸入和輸出信號個數稱為PLC的I/O點數。I/O點數是選擇PLC的重要依據之一。

PLC外圍設備提供或需要的信號電平是多種多樣的，而PLC內部CPU只能處理標準電平信號，所以I/O接口電路需進行電平轉換。另外，為了提高PLC的抗干擾能力，I/O接口電路一般具有光電隔離和濾波功能。此外，為了便于了解I/O接口電路的工作狀態，I/O接口電路還帶有狀態指示燈。

（1）輸入接口電路

PLC的輸入接口電路分為開關量輸入接口電路和模擬量輸入接口電路，開關量輸入接口電路用于接收開關通斷信號，模擬量輸入接口電路用于接收模擬量信號。模擬量輸入接口電路通常采用A/D轉換電路，將模擬量信號轉換成數字信號。開關量輸入接口電路采用的電路形式較多，根據使用電源的不同，可分為內部直流輸入接口電路、外部交流輸入接口電路和外部交/直流輸入接口電路。三種類型開關量輸入接口電路如圖1-6所示。

圖1-6（a）所示為內部直流輸入接口電路，輸入接口電路的電源由PLC內部直流電源提供。當閉合輸入開關后，有電流流過光電耦合器和輸入指示燈，光電耦合器導通，將輸入開關狀態送給內部電路，由于光電耦合器內部是通過光線傳遞，故可以將外部電路與內部電路有效隔離開來，輸入指示燈點亮用于指示輸入端子有輸入。R2、C為濾波電路，用于濾除輸入端子竄入的干擾信號，R1為限流電阻。

圖1-6（b）所示為外部交流輸入接口電路，輸入接口電路的電源由外部的交流電源提供。為了適應交流電源的正負變化，接口電路采用了發光管正負極并聯的光電耦合器和輸入指示燈。

圖1-6（c）所示為外部直/交流輸入接口電路，輸入接口電路的電源由外部的直流或交流電源提供。

（2）輸出接口電路

PLC的輸出接口電路也分為模擬量輸出接口電路和開關量輸出接口電路。模擬量輸出接口電路通常采用D/A轉換電路，將數字量信號轉換成模擬量信號；開關量輸出接口電路采用的電路形式較多，根據使用的輸出開關器件不同可分為繼電器輸出接口電路、晶體管輸出接口電路和雙向晶閘管輸出接口電路。三種類型開關量輸出接口電路如圖1-7所示。

圖1-7（a）所示為繼電器輸出接口電路，當PLC內部電路產生電流流經繼電器KA線圈時，繼電器常開觸點KA閉合，負載有電流通過。繼電器輸出接口電路可驅動交流或直流負載，但其響應時間長，動作頻率低。

圖1-7（b）所示為晶體管輸出接口電路，它采用光電耦合器與晶體管配合使用。晶體管輸出接口電路響應速度快，動作頻率高，但只能用于驅動直流負載。

圖1-7（c）所示為雙向晶閘管輸出接口電路，它采用雙向晶閘管型光電耦合器，在受光照射時，光電耦合器內部的雙向晶閘管可以雙向導通。雙向晶閘管輸出接口電路響應速度快，動作頻率高，用于驅動交流負載。

4 通信接口

PLC配有通信接口，可通過通信接口與監視器、打印機、人機界面、其他PLC、計算機等設備實現通信。PLC與打印機連接，可將過程信息、系統參數等打印出來；PLC與人機界面（如觸摸屏）連接，可以在人機界面直接操作PLC或監視PLC的工作狀態；PLC與其他PLC連接，可組成多機系統或連成網絡，實現更大規模控制；與計算機連接，可組成多級分布式控制系統，實現控制與管理相結合。

5 擴展接口

為了提升PLC的性能，增強PLC的控制功能，可以通過擴展接口給PLC增接一些專用功能模塊，如高速計數模塊、閉環控制模塊、運動控制模塊、中斷控制模塊等。

6 電源

PLC一般采用開關電源供電，與普通電源相比，PLC電源的穩定性好、抗干擾能力強。PLC的電源對電網提供的電源穩定度要求不高，一般允許電源電壓在其額定值±15%的范圍內波動。有些PLC還可以通過端子向外提供直流24V穩壓電源。

1.3.3 PLC的工作方式

PLC是一種由程序控制運行的設備，其工作方式與微型計算機不同，微型計算機運行到結束指令END時，程序運行結束。PLC運行程序時，會按順序依次逐條執行存儲器中的程序指令，當執行完最后的指令后，并不會馬上停止，而是又重新開始再次執行存儲器中的程序，如此周而復始。PLC的這種工作方式稱為循環掃描方式。

PLC的工作過程如圖1-8所示。

PLC通電后，首先進行系統初始化，將內部電路恢復為起始狀態，然后進行自我診斷，檢測內部電路是否正常，以確保系統能正常運行，診斷結束后對通信接口進行掃描，若接有外設則與其通信。通信接口無外設或通信完成后，系統開始進行輸入采樣，檢測輸入設備（開關、按鈕等）的狀態，然后根據輸入采樣結果依次執行用戶程序，程序運行結束后對輸出進行刷新，即輸出程序運行時產生的控制信號。以上過程完成后，系統又返回，重新開始自我診斷，以后不斷重復上述過程。

PLC有兩個工作狀態：RUN（運行）狀態和STOP（停止）狀態。當PLC處于RUN狀態時，系統會完整執行圖1-8所示的過程；當PLC處于STOP狀態時，系統不執行用戶程序。PLC正常工作時應處于RUN狀態，而在編制和修改程序時，應讓PLC處于STOP狀態。PLC的兩種工作狀態可通過開關進行切換。

PLC處于RUN狀態時，完整執行圖1-8所示的過程所需的時間稱為掃描周期，一般為1～100ms。掃描周期與用戶程序的長短、指令的種類和CPU執行指令的速度都有很大的關系。

1.3.4 用實例說明PLC程序的執行控制過程

PLC的用戶程序執行過程很復雜，下面以PLC正轉控制線路為例進行說明。圖1-9所示為PLC正轉控制線路，為了便于說明，圖中畫出了PLC內部等效圖。

圖1-9中PLC內部等效圖中的X000、X001、X002稱為輸入繼電器，由線圈和觸點兩部分組成，由于線圈與觸點都是等效而來，故又稱為軟線圈和軟觸點。Y000稱為輸出繼電器，也包括線圈和觸點兩部分。PLC內部中間部分為用戶程序（梯形圖程序），程序形式與繼電器控制電路相似，兩端相當于電源線，中間為觸點和線圈。

用戶程序執行過程說明如下。

當按下啟動按鈕SB1時，輸入繼電器X000線圈得電（電流途徑：24V+→X000線圈→X0接線端子→SB1→COM接線端子→24V-），使用戶程序中的X000常開觸點閉合，輸出繼電器Y000線圈得電（左等效電源線→已閉合的X000常開觸點→X001常閉觸點→Y000線圈→右等效電源線），一方面使用戶程序中的Y000常開觸點閉合，對Y000線圈供電進行鎖定，另一方面使輸出端的Y000常開硬觸點（實際為繼電器的常開觸點或晶體管）閉合，接觸器KM線圈得電，主電路中的KM主觸點閉合，電動機得電運轉。

當按下停止按鈕SB2時，輸入繼電器X001線圈得電，使用戶程序中的X001常閉觸點斷開，輸出繼電器Y000線圈失電，用戶程序中的Y000常開觸點斷開，解除自鎖，另外輸出端的Y000常開硬觸點斷開，接觸器KM線圈失電，KM主觸點斷開，電動機失電停轉。

若電動機在運行過程中電流過大，熱繼電器FR動作，FR觸點閉合，輸入繼電器X002線圈得電，使用戶程序中的X002常閉觸點斷開，輸出繼電器Y000線圈失電，輸出端的Y000常開硬觸點斷開，接觸器KM線圈失電，KM主觸點斷開，電動機失電停轉，從而避免電動機長時間過流運行。