1.3　PLC的基本結構及工作原理

1.3.1　PLC的基本結構

PLC主要由主機和外部設備構成。主機由微處理器（CPU）、存儲器（RAM/ROM）、輸入/輸出（I/O）接口和內部電源構成；外部設備一般由編程器、打印機、顯示器、特殊模塊、上位計算機及其他PLC等構成。PLC的基本結構如圖1-5所示。

①CPU（Central Processing Unit）　中央處理單元，是PLC的運算控制中心，它在系統程序的控制下，完成邏輯運算、數學運算、協調系統內部各部分的工作，其具體作用是：

a.接收、存儲用戶程序；

b.按掃描工作方式接收來自輸入單元的數據和信息，并存入相應的數據存儲區；

c.執行監控程序和用戶程序，完成數據和信息的邏輯處理，產生相應的內部控制信號，完成用戶指令規定的各種操作；

d.響應外部設備的請求。

②RAM（Random Access Memory）　隨機存取存儲器，用于用戶程序和運行中的數據。RAM可讀可寫，沒有斷電保持功能。用戶存儲器一般采用低功耗的CMOS RAM，由鋰電池實現斷電保護，可保持用戶程序5～10年。

③ROM（Read Only Memory）　只讀存儲器，CPU只能讀不能寫入，用于存儲廠家編寫的系統程序，系統程序是控制和完成PLC各種功能的程序，系統程序存儲器一般為EPROM和EEPROM，由編程器寫入。

④I（Input）/O（Output）　輸入/輸出，連接現場設備與CPU之間的接口電路。輸入接口用來接收生產過程的各種參數（輸入信號）；輸出接口用來送出可編程控制器運算后得出的控制信息（輸出信號），并通過機外的執行機構完成工業現場的各類控制。為了適應工業生產現場的復雜環境，輸入輸出接口有良好的抗干擾能力和滿足各類信號的匹配要求。

⑤外部設備　可編程控制器一般可配備的外部設備有編程器、打印機（打印程序或制表）、EPROM寫入器（將程序寫入用戶EPROM中）、彩色圖形監控系統（顯示或監視有關部分的運行狀態）。

1.3.2　PLC的工作原理

最初生產的PLC主要用于代替傳統的由繼電器、接觸器構成的控制裝置，但這兩者的運行方式是不相同的。繼電器控制裝置采用硬邏輯并行運行的方式，即如果這個繼電器的線圈通電或斷電，該繼電器所有的觸點（包括其常開或常閉觸點）在繼電器控制線路的哪個位置上都會立即同時動作。而PLC的CPU采用順序邏輯掃描用戶程序的運行方式，即如果一個輸出線圈或邏輯線圈被接通或斷開，該線圈的所有觸點（包括其常開或常閉觸點）不會立即動作，必須等掃描到該觸點時才會動作。

為了消除二者之間由于運行方式不同而造成的差異，考慮到繼電器控制裝置各類觸點的動作時間一般在100ms以上，而PLC掃描用戶程序的時間一般均小于100ms，因此，PLC采用了一種不同于一般微型計算機的運行方式——掃描技術。這樣在對于I/O響應要求不高的場合，PLC與繼電器控制裝置的處理結果上就沒有什么區別了。

PLC的一個掃描過程包含以下五個階段。如圖1-6所示。

①內部處理　檢查CPU等內部硬件是否正常，對監視定時器復位，其他內部處理。

②通信服務　與編程器、計算機進行通信。如響應編程器鍵入的命令，更新編程器的顯示內容；用一臺計算機與多臺PLC組成分布式控制系統。

③輸入采樣　在輸入采樣階段，PLC以掃描方式依次地讀入所有輸入狀態和數據，并將它們存入輸入映像寄存器中的相應單元內。輸入采樣結束后，轉入用戶程序執行和輸出刷新階段。在這兩個階段中，即使輸入狀態和數據發生變化，輸入映像寄存器中的相應單元的狀態和數據也不會改變。因此，如果輸入是脈沖信號，則該脈沖信號的寬度必須大于一個掃描周期，才能保證在任何情況下，該輸入均能被讀入。

④用戶程序執行　在用戶程序執行階段，PLC總是按由上而下的順序依次地掃描用戶程序（梯形圖）。在掃描每一條梯形圖時，又總是先掃描梯形圖左邊的由各觸點構成的控制線路，并按先左后右、先上后下的順序對由觸點構成的控制線路進行邏輯運算，然后根據邏輯運算的結果，刷新該邏輯線圈在系統RAM存儲區中對應位的狀態，或者刷新該輸出線圈在輸入/輸出映像寄存器中對應位的狀態，或者確定是否要執行該梯形圖所規定的特殊功能指令。

⑤輸出刷新　當掃描用戶程序結束后，PLC就進入輸出刷新階段。在此期間，CPU按照輸出映像寄存器中對應的狀態和數據刷新所有的輸出鎖存電路，再經輸出電路驅動相應的外部設備。這時才是PLC的真正輸出。