1.3 PLC的組成與工作原理

1.3.1 PLC的組成框圖

PLC種類很多，但結(jié)構(gòu)大同小異，典型的PLC控制系統(tǒng)組成框圖如圖1-5所示。在組建PLC控制系統(tǒng)時(shí)，需要給PLC的輸入端子連接有關(guān)的輸入設(shè)備（如按鈕、觸點(diǎn)和行程開(kāi)關(guān)等），給輸出端子連接有關(guān)的輸出設(shè)備（如指示燈、電磁線圈和電磁閥等）；如果需要PLC與其他設(shè)備通信，可在PLC的通信接口連接其他設(shè)備；如果希望增強(qiáng)PLC的功能，可給PLC的擴(kuò)展接口連接擴(kuò)展單元。

圖1-5 典型的PLC控制系統(tǒng)組成框圖

1.3.2 CPU與存儲(chǔ)器

PLC內(nèi)部主要由CPU、存儲(chǔ)器、輸入接口電路、輸出接口電路、通信接口和擴(kuò)展接口等組成。

1.CPU

CPU又稱中央處理器，是PLC的控制中心，它通過(guò)總線（包括數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線）與存儲(chǔ)器和各種接口連接，以控制其他器件有條不紊地工作。CPU的性能對(duì)PLC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(lái)的程序和信息，并將它們存入存儲(chǔ)器。

2）采用循環(huán)檢測(cè)（即掃描檢測(cè)）方式不斷檢測(cè)輸入接口電路送來(lái)的狀態(tài)信息，以判斷輸入設(shè)備的狀態(tài)。

3）逐條運(yùn)行存儲(chǔ)器中的程序，并進(jìn)行各種運(yùn)算，再將運(yùn)算結(jié)果存儲(chǔ)下來(lái)，然后通過(guò)輸出接口電路對(duì)輸出設(shè)備進(jìn)行有關(guān)的控制。

4）監(jiān)測(cè)和診斷內(nèi)部各電路的工作狀態(tài)。

2.存儲(chǔ)器

存儲(chǔ)器的功能是存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)。PLC通常配有ROM（只讀存儲(chǔ)器）和RAM（隨機(jī)存儲(chǔ)器）兩種存儲(chǔ)器，ROM用來(lái)存儲(chǔ)系統(tǒng)程序，RAM用來(lái)存儲(chǔ)用戶程序和程序運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)程序由廠商編寫并固化在ROM中，用戶無(wú)法訪問(wèn)和修改系統(tǒng)程序。系統(tǒng)程序主要包括系統(tǒng)管理程序和指令解釋程序。系統(tǒng)管理程序的功能是管理整個(gè)PLC，讓內(nèi)部各個(gè)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(shí)別和執(zhí)行的代碼。

用戶程序是用戶通過(guò)編程器輸入存儲(chǔ)器的程序，為了方便調(diào)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(huì)丟失，所以RAM專門配有后備電池供電。有些PLC采用EEPROM（電可擦寫只讀存儲(chǔ)器）來(lái)存儲(chǔ)用戶程序，由于EEPROM中的內(nèi)容可用電信號(hào)擦寫，并且掉電后內(nèi)容不會(huì)丟失，因此采用這種存儲(chǔ)器可不要備用電池供電。

1.3.3 輸入接口電路

輸入接口電路是輸入設(shè)備與PLC內(nèi)部電路之間的連接電路，用于將輸入設(shè)備的狀態(tài)或產(chǎn)生的信號(hào)傳送給PLC內(nèi)部電路。

PLC的輸入接口電路分為開(kāi)關(guān)量（又稱數(shù)字量）輸入接口電路和模擬量輸入接口電路。數(shù)字量輸入接口電路用于接收開(kāi)關(guān)通斷信號(hào)（或1、0信號(hào)），模擬量輸入接口電路用于接收模擬量信號(hào)（連續(xù)變化的電壓或電流）。模擬量輸入接口電路采用A/D轉(zhuǎn)換電路，將模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。開(kāi)關(guān)量輸入接口電路如圖1-6所示。

圖1-6 開(kāi)關(guān)量輸入接口電路

1.3.4 輸出接口電路

輸出接口電路是PLC內(nèi)部電路與輸出設(shè)備之間的連接電路，用于將PLC內(nèi)部電路產(chǎn)生的信號(hào)傳送給輸出設(shè)備。PLC的輸出接口電路也分為開(kāi)關(guān)量（又稱數(shù)字量）輸出接口電路和模擬量輸出接口電路。模擬量輸出接口電路采用D/A轉(zhuǎn)換電路，將數(shù)字量信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬量信號(hào)。開(kāi)關(guān)量輸出接口電路主要有三種類型：繼電器輸出型接口電路、晶體管輸出型接口電路和晶閘管（也稱雙向可控硅）輸出型接口電路。

1.繼電器輸出型接口電路

圖1-7為繼電器輸出型接口電路。繼電器輸出型接口電路的特點(diǎn)是可驅(qū)動(dòng)交流或直流負(fù)載，允許通過(guò)的電流大，但其觸點(diǎn)通斷速度慢，不適合輸出頻率高的脈沖信號(hào)。

圖1-7 繼電器輸出型接口電路

2.晶體管輸出型接口電路

圖1-8為晶體管輸出型接口電路。晶體管輸出型接口電路的反應(yīng)速度快、通斷頻率高（可達(dá)20～200kHz），適合輸出脈沖信號(hào)，但只能用于驅(qū)動(dòng)直流負(fù)載，且過(guò)電流能力差。

圖1-8 晶體管輸出型接口電路

3.晶閘管輸出型接口電路

圖1-9為晶閘管輸出型接口電路。晶閘管輸出型接口電路的響應(yīng)速度快、動(dòng)作頻率高，一般用于驅(qū)動(dòng)交流負(fù)載。

圖1-9 晶閘管輸出型接口電路

1.3.5 通信接口、擴(kuò)展接口與電源

1.通信接口

PLC配有通信接口，可通過(guò)通信接口與監(jiān)視器、打印機(jī)、其他PLC和計(jì)算機(jī)等設(shè)備進(jìn)行通信。PLC與編程器或?qū)懭肫鬟B接，可以接收編程器或?qū)懭肫鬏斎氲某绦颍籔LC與打印機(jī)連接，可將過(guò)程信息、系統(tǒng)參數(shù)等打印出來(lái)；PLC與人機(jī)界面（如觸摸屏）連接，可以在人機(jī)界面直接操作PLC或監(jiān)視PLC工作狀態(tài)；PLC與其他PLC連接，可組成多機(jī)系統(tǒng)或連接成網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)更大規(guī)模的控制；與計(jì)算機(jī)連接，可組成多級(jí)分布式控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)控制與管理相結(jié)合。

2.擴(kuò)展接口

為了提升PLC的性能，增強(qiáng)PLC控制功能，可以通過(guò)擴(kuò)展接口給PLC加接一些專用功能模塊，如高速計(jì)數(shù)模塊、閉環(huán)控制模塊、運(yùn)動(dòng)控制模塊、中斷控制模塊等。

3.電源

PLC一般采用開(kāi)關(guān)電源供電，與普通電源相比，PLC電源的穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)。PLC的電源對(duì)電網(wǎng)提供的電源穩(wěn)定度要求不高，一般允許電源電壓在其額定值±15%的范圍內(nèi)波動(dòng)。有些PLC還可以通過(guò)端子向外提供24V直流電源。

1.3.6 PLC的工作方式

PLC是一種由程序控制運(yùn)行的設(shè)備，其工作方式與微型計(jì)算機(jī)不同，微型計(jì)算機(jī)運(yùn)行到結(jié)束指令END時(shí)，程序運(yùn)行結(jié)束。PLC運(yùn)行程序時(shí)，會(huì)按順序依次逐條執(zhí)行存儲(chǔ)器中的程序指令，當(dāng)執(zhí)行完最后的指令后，并不會(huì)馬上停止，而是又重新開(kāi)始再次執(zhí)行存儲(chǔ)器中的程序，如此周而復(fù)始。PLC的這種工作方式稱為循環(huán)掃描方式。PLC的工作過(guò)程如圖1-10所示。

圖1-10 PLC的工作過(guò)程

PLC有兩個(gè)工作模式：RUN（運(yùn)行）模式和STOP（停止）模式。當(dāng)PLC處于RUN模式時(shí)，系統(tǒng)會(huì)執(zhí)行用戶程序；當(dāng)PLC處于STOP模式時(shí)，系統(tǒng)不執(zhí)行用戶程序。PLC正常工作時(shí)應(yīng)處于RUN模式，而在下載和修改程序時(shí)，應(yīng)讓PLC處于STOP模式。PLC兩種工作模式可通過(guò)面板上的開(kāi)關(guān)進(jìn)行切換。

PLC處于RUN模式時(shí)，執(zhí)行輸入采樣、處理用戶程序和輸出刷新所需的時(shí)間稱為掃描周期，一般為1～100ms。掃描周期與用戶程序的長(zhǎng)短、指令的種類和CPU執(zhí)行指令的速度有很大的關(guān)系。

1.3.7 例說(shuō)PLC控制電路的軟、硬件工作過(guò)程

PLC的用戶程序執(zhí)行過(guò)程很復(fù)雜，下面以PLC正轉(zhuǎn)控制電路為例進(jìn)行說(shuō)明。圖1-11是PLC正轉(zhuǎn)控制電路與內(nèi)部用戶程序，為了便于說(shuō)明，圖中畫出了PLC內(nèi)部等效圖。

圖1-11 PLC正轉(zhuǎn)控制電路與內(nèi)部用戶程序

圖1-11所示PLC內(nèi)部等效圖中的I0.0、I0.1、I0.2稱為輸入繼電器，它由線圈和觸點(diǎn)兩部分組成，由于線圈與觸點(diǎn)都是等效而來(lái)，故又稱為軟件線圈和軟件觸點(diǎn)。Q0.0稱為輸出繼電器。PLC內(nèi)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(dāng)于電源線，中間為觸點(diǎn)和線圈。

PLC正轉(zhuǎn)控制電路與內(nèi)部用戶程序工作過(guò)程如下：

當(dāng)按下起動(dòng)按鈕SB1時(shí)，輸入繼電器I0.0線圈得電（電流途徑：DC24V正端→SB1→I0.0端子→I0.0線圈→1M端子→24V負(fù)端），I0.0線圈得電會(huì)使用戶程序中的I0.0常開(kāi)觸點(diǎn)（軟件觸點(diǎn)）閉合，輸出繼電器Q0.0線圈得電（得電途徑：左等效電源線→已閉合的I0.0常開(kāi)觸點(diǎn)→I0.1、I0.2常閉觸點(diǎn)→Q0.0線圈→右等效電源線），Q0.0線圈得電一方面使用戶程序中的Q0.0常開(kāi)自鎖觸點(diǎn)閉合，對(duì)Q0.0線圈供電進(jìn)行鎖定，另一方面使輸出端的Q0.0硬件常開(kāi)觸點(diǎn)閉合（Q0.0硬件觸點(diǎn)又稱物理觸點(diǎn)，實(shí)際是繼電器的觸點(diǎn)或晶體管），接觸器KM線圈得電（電流途徑：AC220V一端→KM線圈→Q0.0端子→內(nèi)部Q0.0硬件觸點(diǎn)→1L端子→AC220V另一端），主電路中的接觸器KM主觸點(diǎn)閉合，電動(dòng)機(jī)得電運(yùn)轉(zhuǎn)。

當(dāng)按下停止按鈕SB2時(shí)，輸入繼電器I0.1線圈得電，使用戶程序中的I0.1常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)，輸出繼電器Q0.0線圈失電，一方面使用戶程序中的Q0.0常開(kāi)自鎖觸點(diǎn)斷開(kāi)，解除自鎖，另一方面使輸出端的Q0.0硬件常開(kāi)觸點(diǎn)斷開(kāi)，接觸器KM線圈失電，KM主觸點(diǎn)斷開(kāi)，電動(dòng)機(jī)失電停轉(zhuǎn)。

若電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中長(zhǎng)時(shí)間電流過(guò)大，熱繼電器FR動(dòng)作，使PLC的I0.2端子外接的FR觸點(diǎn)閉合，輸入繼電器I0.2線圈得電，使用戶程序中的I0.2常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)，輸出繼電器Q0.0線圈失電，輸出端的Q0.0硬件常開(kāi)觸點(diǎn)斷開(kāi)，接觸器KM線圈失電，KM主觸點(diǎn)閉合，電動(dòng)機(jī)失電停轉(zhuǎn)，從而避免電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間過(guò)電流運(yùn)行。