任務1.4 認識PLC的硬件結構及工作原理

任務引入

PLC是一種適用于工業級控制的專用電子計算機，因此，雖然PLC生產廠家眾多，產品功能和指令系統存在差異，但其硬件結構和工作原理卻非常相似，都采用了典型的計算機結構。那么，不同廠家各種機型的PLC的硬件結構是什么樣的框架？其工作原理是什么？

任務分析

為了完成本節任務，需要了解PLC的硬件結構及其工作原理的相關知識。相關知識

1.4.1 PLC的硬件結構

從PLC的定義可知，PLC也是一種計算機，它有著與通用計算機相類似的結構，即PLC也是由中央處理器（CPU）、存儲器（MEMORY）、輸入/輸出（I/O）接口及電源組成的。現以小型可編程序控制器為例，來說明PLC的硬件組成。

PLC的基本結構如圖1-7所示。由圖1-7可知，由PLC作為控制器的自動控制系統，就是工業計算機控制系統。PLC的中央處理器是由微型計算機處理器、單片機或位片式計算機組成的，且具有各種功能的I/O接口及存儲器。下面結合圖1-7說明PLC各組成部分的功能。

圖1-7 PLC的基本結構示意圖

1.CPU是整個PLC的核心

與微型計算機一樣，CPU在整個PLC控制系統中的作用就好像人的大腦一樣，是一個控制指揮的中心。由控制電路、寄存器和運算器組成，這些電路一般都集成在一塊芯片上。CPU通過內部總線同存儲器及輸入/輸出接口電路相連，它主要完成以下功能：

1）接收用戶程序和數據并送入到存儲器中存儲起來；

2）檢查編程過程中的語法錯誤，診斷電源及PLC內部的工作故障；

3）用掃描方式工作，接收來自現場的輸入信號，并傳送到輸入映像寄存器和數據存儲器中；

4）在進入程序執行后，從存儲器中逐條讀取并執行用戶程序，完成用戶程序所規定的邏輯運算、算術運算及數據處理等操作；

5）根據運算結果更新有關標志位的狀態，刷新輸出映像寄存器的內容，再送入輸出鎖存器，經輸出部件實現輸出控制、打印制表通信等功能。

隨著大規模集成電路的發展，PLC采用單片機用作CPU的越來越多，PLC常用的CPU主要采用通用的微處理器（如Z80、8086、M6809等）、單片機（如8031、8051、8098等）和位處理器（如AM2900、AM2901等）。它以高集成度、高可靠性、高功能、高速度及低價格的優勢正在占領小型PLC市場。

目前，小型PLC均為單CPU系統，而大、中型PLC通常是雙CPU或多CPU系統。所謂雙CPU，是在CPU模板上裝有兩個CPU芯片，一個作為字處理器，一個作為位處理器。字處理器是主處理器，它執行所有的編程器接口的功能，監視內部定時器及掃描時間，完成字節指令的處理，并對系統總線和微處理器進行控制。位處理器是從處理器，它主要完成對位指令的處理，以減輕字處理器的負擔，提高位指令的處理速度，并將面向控制過程的編程語言（如梯形圖、流程圖）轉換成機器語言。

2.存儲器（Memory）

與普通微型計算機系統中的存儲功能相似，PLC中的存儲器分為兩部分：一是系統程序存儲器，另一是用戶程序存儲器。

系統程序存儲器主要用來存儲PLC內部的各種消息。一般系統程序是由PLC生產廠家編寫的系統監控程序，不能由用戶直接存取。系統監控程序主要由系統管理解釋命令、標準程序及控制調用等程序組成。系統程序存儲器一般用PROM或EPROM構成。

用戶程序是由用戶編寫的程序，也稱為應用程序。用戶程序存放在用戶程序存儲器中，用戶程序存儲器的容量不大，主要存儲PLC內部的輸入與輸出信息，以及內部繼電器、位移寄存器、累加寄存器、數據寄存器、定時器和計數器的動作狀態。小型PLC的存儲容量一般只有幾千字節的容量（不超過8KB）。一般講PLC的內存大小，是指用戶程序存儲器的容量。用戶程序存儲器常用RAM構成。

用戶程序存儲器一般分為兩個區，程序存儲區和數據存儲區。程序存儲區用來存儲由用戶編寫的、通過編程器輸入的程序。而數據存儲區用來存儲通過輸入端子讀入數的輸入信號的狀態、準備通過輸出端子輸出信號的狀態、PLC中各個內部器件的狀態，以及特殊功能要求的有關數據。PLC存儲器的存儲結構如圖1-8所示。

3.輸入部件及接口（數字量）

來自現場的主令元件、檢測元件的信號由輸入接口進入到PLC。主令元件的信號多數是指控制按鈕，這種信號的特點基本上都是人為操作的。檢測元件的信號主要來自各種傳感器、限位開關、繼電器等的觸點，也可以說是過程控制當中某些位置變化或參數值變化所產生的信號，這些信號有的是開關量（數字量），有的是模擬量（連續變化的量），有的是直流信號，有的是交流信號，要根據輸入信號的類型選擇合適的輸入接口。

為提高系統的抗干擾能力，各種輸入接口均采取了抗干擾措施，如在輸入接口內帶有光耦合電路，使PLC與外部輸入信號進行隔離，圖1-9為光耦合輸入電路圖。為消除信號噪聲在輸入接口內還設置了許多濾波電路。為便于PLC的信號處理，輸入接口內有電平轉換及信號鎖存電路。通常，為便于現場信號的連接在輸入接口的外部設有接線端子排。

圖1-8 PLC存儲器構成

4.輸出部件及接口（數字量）

PLC產生的各種輸出控制信號經輸出接口去控制和驅動負載。因為PLC的直接輸出帶負載能力有限，最高電壓為交流220V，電流最高2A，所以PLC輸出接口所帶的負載，通常就是接觸器和繼電器線圈、電磁閥、指示燈、警告器等，一般PLC的輸出形式有3種：繼電器輸出、晶體管輸出、雙向晶閘管輸出。同輸入接口一樣，輸出接口的負載有交流的，要根據不同的負載性質選擇PLC輸出電路的形式。具體輸出電路如圖1-10所示。

輸出接口的輸出方式為繼電器輸出型，既可用于直流負載，又可用于交流負載。使用時，只要外接一個與負載相符的電源即可。因而采用繼電器輸出型，對用戶方便和靈活，但由于它是有觸點輸出，所以工作頻率不能很高，工作壽命不如無觸點的半導體器件長。

圖1-9 PLC光耦合輸入電路圖

圖1-10 PLC輸出電路

a）晶體管輸出電路 b）繼電器輸出電路 c）晶閘管輸出電路

繼電器輸出型每個輸出點的最大帶負載能力約為2A，作為數字量輸出選擇繼電器型更為自由和方便，且使用場所普遍。因此，在對動作時間和動作頻率要求不高的情況下，常常采用此方式。

輸出接口的輸出方式為晶體管型，適用直流負載或TTL電路，晶體管輸出型每個輸出點的最大負載能力約為0.75A，其接口響應速度較快，特別適合控制步進電動機之類的直流高頻脈沖型負載。

輸出接口的輸出方式為雙向晶閘管型，適用交流負載。雙向晶閘管輸出型每個點最大負載能力約為0.5～1A，其接口響應速度較快，適合控制要求頻繁動作的交流高頻負載。

PLC的控制信號經輸出接口送出來，接口與外部用戶設備的接線方式可分為匯點式輸出接線和隔離式輸出接線兩種。

匯點式輸出接線方式，把所有的輸出點分成幾個組，一組一個公共端（COM）。這樣做的目的就是為了適應用戶設備不同電壓等級的要求，同級別電壓的設備可放在同一組，通過本組的公共端（COM）形成電壓回路，如圖1-11a所示。還可以將全部輸出點作為一組，所有輸出點共用一個COM點，如圖1-11b所示。可以明顯地看出圖1-11b接線方式就不如圖1-11a的接線方式靈活方便，圖1-11a可以當作圖1-11b使用，而圖1-11b是不能當作圖1-11a來使用的。

隔離式輸出接線方式，隔離式輸出接線方式如圖1-12所示。在這種方式中，每個輸出點都有自己的COM點，更加靈活方便，適合多等級電壓的控制系統。每個COM點都是相對獨立的，相互隔離的，如用戶設備電壓等級并不多，可以給它們任意組合，做起來也很方便，只要把它們的COM點相應接在一起就可以組成同一電壓等級回路。

5.擴展接口

擴展接口現有兩個含義，一個是CPU的擴充，它是在原系統中只有一塊CPU而無法滿足系統工作要求時使用的，這個接口的功能是實現擴充CPU，以及擴充CPU模塊之間的相互控制和信息交換。另一個含義是單純的I/O（數字量I/O或模擬量I/O）擴展接口，它是為了彌補主機上I/O點數有限而設置的，用于擴展輸入/輸出點數，當用戶的PLC控制系統所需的I/O點數超過主機本身的I/O點數時，就要通過I/O擴展接口將主機與I/O擴展單元連接起來以滿足用戶的需求。

圖1-11 匯點式輸出接線方式

圖1-12 隔離式輸出接線方式

6.外部設備接口

1）通信接口。專用于數據通信的，通信接口有串行接口和并行接口兩種。主要實現“人-機”對話或“機-人”的對話。PLC通過通信接口可與打印機監視器相連，也可與其他的PLC或上位計算機相連，構成多機局部網絡系統或多級分布式控制系統，還有可實現管理與控制相結合的綜合系統。用戶應根據不同的設備要求遵循已規范好的通信協議，選擇相應的通信方式并配置適合的通信接口。

2）編程器。是人們以往最常用的編程設備，它又分為簡易編程器和智能編程器。它使用PLC上專用接口與CPU聯系，完成人機對話。編程器可以進行用戶程序的輸入、編輯、調試和監視，還可以通過其鍵盤去調用和顯示PLC的一些內部繼電器狀態和系統參數。通過簡易編程器輸入程序還必須把編好的梯形圖程序轉變成編程器認可的助記符號，用手逐條將程序敲進去，需要很長時間。編程器一般由PLC生產廠家提供，同一廠家的不同規格的PLC所使用的編程器是不一樣的。

由PLC生產廠家生產的專用編程器適用范圍有限，價格一般也較高。在個人計算機不斷更新換代的今天，出現了使用個人計算機為基礎的編程系統，由生產廠家向用戶提供編程軟件，而編程軟件裝載哪臺計算機則由用戶自己選擇，只要能支持此軟件運行就可以了。用戶在計算機上直接編寫梯形圖，然后下載到PLC中進行調試，還可以通過計算機監視程序運行。這種方法的主要優點就是利用個人計算機，用幾秒鐘的時間就可以將程序輸入到PLC當中去，能節省很多勞動和時間，監視運行方便、快捷、直觀。對于不同廠家和型號的PLC，只要更換編程軟件就可以了。

3）人-機接口裝置（HMI）。人-機接口裝置又叫作操作員接口，用于實現操作人員與PLC控制系統的對話和相互作用。人-機接口最簡單最基本和最普遍的形式是安裝在控制臺上的按鈕、轉換開關、撥動開關、指示燈、LED數字顯示器和聲光報警等元器件。它們用來指示PLC的I/O系統狀態及各種信息，通過合理的程序設計，PLC控制系統可以接收并執行操作員的一些指令，小型PLC一般采用這種人-機接口。

4）外存儲器。PLC的CPU內的半導體存儲器稱為內存，可用來存放系統程序和用戶程序。而外存儲器是可將用戶程序存儲在盒式磁帶機的磁帶或磁盤驅動器的磁盤中，作為程序備份或改變生產工藝流程時調用。如果PLC內存中的用戶程序丟失或被破壞可在此將存儲在外存中的程序重新裝入。

5）打印機。打印機在用戶程序編制階段用來打印帶注解的梯形圖程序或語句表程序，這些程序對用戶的維修及系統的改造或擴展是非常有價值的。在系統的實時運行過程中，打印機用來提供運行過程中發生事件的記錄，例如用于記錄系統運行過程中的報警時間和類型，這對于分析事故原因和系統改進是非常重要的。在日常管理中，打印機可以定時或非定時打印各種生產報表。

7.電源

PLC電源部件將交流電轉換成供PLC內部使用的直流電源，要求其性能十分可靠、穩定，是PLC內部電路的能源中心。根據這一設計特點，一般在工業現場PLC就使用工業電源或機電一體化電源即可。

1.4.2 PLC的工作原理

眾所周知，繼電器控制系統是一種“硬件邏輯系統”，它所采用的是并行工作方式，也就是條件一旦形成，多條支路可以同時動作。PLC是在繼電器控制系統邏輯關系基礎上發展演變的，是一種專用的工業控制計算機，其工作原理是建立在計算機工作原理基礎上的。為了可靠地應用在工業環境下，便于現場電氣技術人員的使用和維護，PLC有著大量的接口器件、特定的監控軟件、專用的編程器件。這樣一來，PLC不但外觀不像計算機，它的操作使用方法、編程語言及工作過程與計算機控制系統也是有區別的。

PLC的CPU是以分時操作方式來處理各項任務的。在每一瞬間只能做一件事，所以程序的執行是按程序順序依次完成相應位置元器件的動作，所以PLC屬于串行工作方式。

1.PLC控制系統框圖

PLC控制系統的等效工作電路可以分為3部分，即輸入部分、內部控制電路和輸出部分。輸入部分就是采集輸入信號，輸出部分就是系統的執行部件，這兩部分與接觸器-繼電器控制電路相同。內部控制電路就是用戶所編寫的程序，可以實現控制邏輯，用軟件編程代替繼電器電路的功能。其等效控制框圖如圖1-13所示。

圖1-13 PLC等效控制框圖

（1）輸入部分

輸入部分由外部輸入電路、PLC輸入接線端子和輸入寄存器組成。外部輸入信號經PLC輸入接線端子去驅動輸入繼電器線圈。每個輸入端子與其相同編號的輸入繼電器有著唯一確定的對應關系。當外部的輸入元器件處于接通狀態時，對應的輸入繼電器線圈“得電”，這個輸入繼電器是PLC內部的軟件繼電器，這樣稱呼也是便于用戶接受，實際上這里不存在真正的物理上的繼電器，只是存儲器中的某一位，它可以提供任意多個動合觸點或動斷觸點。這里所說的“觸點”是實際上也是不存在的，還是為了向早期的繼電器電路圖靠攏，便于用戶接受，“觸點”實際上就是這個存儲器位的狀態，這樣一來就可以任意取用了。

為使輸入繼電器的線圈“得電”，即讓外部輸入元器件的接通狀態寫入到對應的存儲單元中去，輸入回路要有電流，這個電源可以用PLC自己提供的24V直流電源，也可以由PLC外部的獨立的交流或直流電源供電。

（2）內部控制電路

內部控制電路是由用戶程序形成的用“軟繼電器”來替代硬繼電器的控制邏輯。它的作用是按照用戶編寫的程序所規定的邏輯關系，處理輸入信號和輸出信號。一般用戶程序是用梯形圖語言編制的，它看上去很像繼電器控制電路圖，這也是PLC設計者追求的。在前面已經提到過，即使PLC的梯形圖與繼電器控制電路完全相同，最后的輸出結果不一定相同，這就因為它們處理信號的過程是完全不一樣的。繼電器控制電路圖中的繼電器線圈都是并聯關系，機會相等，只要條件允許可以同時動作，而PLC的梯形圖程序的工作特點是周期逐行掃描的，這樣一來最后的輸出結果就可能不一樣了。

除了輸入信號和輸出信號，在PLC中還提供了計時器、計數器、輔助繼電器（相當于繼電器控制電路中的中間繼電器）及某些特殊功能的繼電器。為了實現控制要求，在編程是可根據需要選用的，但這些器件只能在PLC的內部控制電路中使用，在PLC的I/O點處是看不到它們的。

（3）輸出部分（以數字量繼電器輸出型PLC為例）

輸出部分是由在PLC內部且內部控制電路隔離的輸出繼電器的動合觸點、輸出接線端子和外部驅動電路組成，用來驅動外部負載。

每個輸出繼電器除了有為內部控制程序提供編寫用任意多個動合、動斷觸點外，還為外部輸出電路提供了一個實際的動合觸點與輸出接線端子相連。需要特別指出的是輸出繼電器是PLC中唯一存在的實際物理器件，打開PLC會發現在輸出側放置的那些微型繼電器。

2.PLC的工作原理

PLC雖具有計算機的許多特點，但它的工作方式卻與計算機有很大的不同。計算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，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。PLC則采用循環掃描的工作方式，在PLC中，用戶程序按先后順序存放，如CPU從第一條指令開始執行程序，直至遇到結束符后又返回第一條，如此周而復始地不斷循環。這種工作方式是在系統軟件控制下，順次掃描各輸入點的狀態，按用戶程序進行運算處理，然后順序向輸出點發出相應的控制信號。整個工作過程可分為5個階段：自診斷、通信處理、掃描輸入、執行程序、刷新輸出，其工作過程示意圖如圖1-14所示。

1）每次掃描用戶程序之前，都先執行故障自診斷程序。自診斷內容為I/O部分、存儲器、CPU等，如發現異常則停機并顯示出錯。若自診斷正常，則繼續向下掃描。

2）PLC檢查是否有與編程器、計算機等的通信請求，若有則進行相應處理，如接收由編程器送來的程序、命令和各種數據，并把要顯示的狀態、數據、出錯信息等發送給編程器進行顯示。如果有與計算機等的通信請求，也在這段時間完成數據的接收和發送任務。

圖1-14 PLC工作示意圖

3）PLC的中央處理器對各個輸入端進行掃描，并將所有輸入端的狀態送到輸入映像寄存器中。

4）中央處理器CPU將逐條執行用戶指令程序，即按程序的要求對數據進行邏輯、算術運算，再將正確的結果送到輸出狀態寄存器中。

5）當所有的指令執行完畢時，集中把輸出映像寄存器的狀態通過輸出部件轉換成被控設備所能接收的電壓或電流信號，以驅動被控設備。

PLC經過這5個階段的工作過程，則稱為一個掃描周期，完成一個掃描周期后，又重新執行上述過程，即掃描周而復始地進行。在不考慮第二個因素（通信處理）時，掃描周期T的大小為

T=（讀入一點時間×輸入點數）+（運算速度×程序步數）+（輸出一點時間×輸出點數）+故障診斷時間

顯然掃描周期主要取決于程序的長短，一般每秒鐘可掃描數十次以上，這對于工業設備通常沒有什么影響。但對控制時間要求較嚴格、響應速度要求快的系統，就應該精確地計算響應時間，細心地編排程序，合理安排指令的順序，以盡可能地減少因掃描周期造成的響應延時等不良影響。

PLC與繼電器-接觸器控制的重要區別之一就是工作方式的不同。繼電器-接觸器是按“并行”方式工作的，也就是說是按同時執行的方式工作的，只要形成電流通路，就可能有幾個電器同時動作。而PLC是以反復掃描的方式工作的，它是循環地連續逐條執行程序，任一時刻它只能執行一條指令，這就是說PLC是以“串行”方式工作的。這種串行工作方式可以避免繼電器-接觸器控制的觸點競爭和時序失配問題。

總之，采用循環掃描的工作方式也是PLC區別于計算機的最大特點，使用者應特別注意。PLC的掃描工作過程如圖1-15所示。

圖1-15 PLC掃描工作過程

任務實施

讀者自行設計完成該任務的步驟。

任務總結

通過完成可編程序控制器的物理硬件構成及其功能統計和可編程序控制器的工作原理分析兩任務，就能夠明確各種機型PLC的物理硬件構成及其工作原理。