項目二 PLC的基本組成及工作原理

1．PLC的基本組成

PLC控制系統的硬件主要由中央處理（CPU）、存儲器（RAM、ROM）、輸入/輸出（I/O）接口、電源單元等幾部分組成，如圖1-2-1所示。

1）中央處理器（CPU）

中央處理器（CPU）一般都是由集成在一塊芯片上的控制電路、運算器和寄存器組成的。CPU通過地址總線、數據總線和控制總線與存儲器、輸入/輸出（I/O）接口電路連接。

由于CPU是計算機的核心，因此CPU也是PLC的核心，每臺PLC至少有一個CPU。CPU按照系統程序賦予的功能指揮PLC進行工作。其主要任務為：

（1）接收與存儲用戶由編程器輸入的用戶程序與數據。

（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，并輸入到輸入映像寄存器和數據存儲器中。

（4）在進入運行方式后，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，再經輸出部件實現輸出控制、打印制表或數據通信等功能。

2）存儲器

PLC中的存儲器主要用于存放系統程序、用戶程序和工作狀態數據。

（1）系統程序存儲區。該存儲區存放著相當于計算機操作系統的系統程序，包括監控程序、管理程序、命令解釋程序、功能子程序、系統診斷程序等。這些程序由制造廠商固化在EPROM中，用戶不能直接讀取，它決定了PLC的各項性能。

（2）用戶程序存儲器。用戶程序存儲器分為用戶程序存儲區和數據存儲區。程序存儲區用來存放由編程設備輸入的用戶針對具體控制任務自行編制的用戶程序，用編程器寫入EEPROM中。數據存儲區存放程序執行過程中所需或產生的中間數據，包括輸入/輸出過程映像，定時器、計數器的預置值和當前值。

3）輸入/輸出接口

輸入/輸出接口是PLC聯系外部現場和CPU模塊的橋梁。

（1）輸入接口。輸入接口接收和采集輸入信號（如限位開關、操作按鈕、選擇開關、行程開關以及其他一些傳感器輸出的開關量），并將這些信號轉換成CPU能夠接收和處理的數字信號。

輸入接口電路通常有兩種類型：直流輸入型（見圖1-2-2）和交流輸入型（見圖1-2-3）。從圖中可以看出，兩種類型都設有RC濾波電路和光電耦合器，光電耦合器一般由發光二極管和光敏晶體管組成，在電氣上使CPU內部和外界隔離，增強了抗干擾能力。

（2）輸出接口。輸出接口將經中央處理器（CPU）處理過的輸出數字信號（1或0）傳送給輸出端的電路元件，以控制其接通或斷開，從而驅動接觸器、電磁閥、指示燈、數字顯示裝置和報警裝置等。

為適應不同類型的輸出設備負載，PLC的輸出接口類型有繼電器輸出型、雙向晶閘管輸出型和晶體管輸出型三種，分別如圖1-2-4～圖1-2-6所示。其中繼電器輸出型為有觸點輸出方式，可用于接通或斷開開關頻率較低的直流負載或交流負載回路，這種方式存在繼電器觸點的電氣壽命和機械壽命問題；雙向晶閘管和晶體管輸出型皆為無觸點輸出方式，開關動作快，壽命長，可用于接通或斷開開關頻率較高的負載回路，其中雙向晶閘管輸出型只用于帶交流電源負載、晶閘管輸出型則只用于帶直流電源負載。

從三種類型的輸出電路可以看出，繼電器、雙向晶閘管和晶體管作為輸出的開關元件受PLC的輸出指令控制，完成接通或斷開與相應輸出端相連的負載回路的任務，它們并不向負載提供電源。

負載工作電源的類型、電壓等級和極性應該根據負載要求以及 PLC輸出接口電路的技術性能指標確定。

4）電源

PLC配有開關電源，以供內部電路使用。與普通電源相比，PLC電源的穩定性好、抗干擾能力強。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%范圍內波動。許多PLC還向外提供直流24V穩壓電源，用于對外部傳感器供電。

5）編程器

編程器的作用是將用戶編寫的程序下載至PLC的用戶程序存儲器，并利用編程器檢查、修改和調試用戶程序，監視用戶程序的執行過程，顯示PLC狀態、內部器件及系統的參數等。

編程器有簡易編程器和圖形編程器兩種。簡易編程器體積小，攜帶方便，但只能用語句形式進行聯機編程，適合小型PLC的編程及現場調試。圖形編程器既可用語句形式編程，又可用梯形圖編程，同時還能進行脫機編程。

目前PLC制造廠家大都開發了計算機輔助PLC編程支持軟件，當個人計算機安裝了PLC編程支持軟件后，可用作圖形編程器，進行用戶程序的編輯、修改，并通過個人計算機和PLC之間的通信接口實現用戶程序的雙向傳送、監控PLC運行狀態等。

6）其他接口

其他接口有I/O擴展接口、通信接口、編程器接口、存儲器接口等。

（1）I/O擴展接口。小型的PLC輸入/輸出接口都是與中央處理單元CPU制造在一起的，為了滿足被控設備輸入/輸出點數較多的要求，常需要擴展數字量輸入/輸出模塊；為了滿足模擬量控制的要求，常需要擴展模擬量輸入/輸出模塊，如A/D、D/A轉換模塊；I/O擴展接口就是為連接各種擴展模塊而設計的。

（2）通信接口。通信接口用于PLC與計算機、PLC、變頻器和文本顯示器（觸摸屏）等智能設備之間的連接，以實現PLC與智能設備之間的數據傳送。

2．PLC工作原理

1）PLC的工作過程

PLC是采用“順序掃描、不斷循環”的工作方式。這個工作過程一般包括五個階段：內部處理、通信處理、輸入掃描、執行用戶程序和輸出刷新。整個過程掃描并執行一次所需時間稱為掃描周期。PLC的掃描工作過程如圖1-2-7所示。

當PLC方式開關置于RUN方式時，執行所有階段；當PLC方式開關置于STOP方式時，不執行后3個階段，此時可進行通信處理，例如對PLC聯機或離線編程。

（1）內部處理。PLC在內部處理階段，CPU會檢測主機硬件，同時也會檢測所有I/O模塊；在RUN模式下，還會檢測用戶程序存儲器。如果發現異常，則停機并顯示出錯信息。如果自診斷正常，則繼續向下掃描。

（2）通信處理。CPU在處理周期的通信處理階段，會自動監測并處理各通信端口接收到的信息，即檢查是否有編程器、計算機等的通信要求，若有則進行相應處理，在這一階段完成數據通信任務。

（3）輸入掃描。PLC在輸入掃描階段，以掃描方式順序讀入所有輸入端的通/斷狀態和輸入數據，并將此狀態或數據存入輸入映像寄存器，即輸入刷新；接著轉入程序執行階段。在程序執行期間，即使輸入狀態發生變化，輸入映像寄存器的內容也不會改變，只有在下一個掃描周期的輸入處理階段才能讀入發生變化的輸入狀態。

（4）執行用戶程序。PLC在執行用戶程序階段，按先上后下、先左后右的順序，執行程序指令。其過程為：從輸入狀態寄存器和其他編程元件的狀態寄存器中讀出有關編程元件的通/斷狀態，并根據用戶程序進行算術或邏輯運算，運算結果存入有關的寄存器中。

（5）輸出刷新。在所有指令執行完畢后，PLC將各物理繼電器對應的輸出狀態寄存器的通/斷狀態，在輸出刷新階段轉存到輸出寄存器，去控制各物理繼電器的通/斷狀態，這才是PLC的實際輸出。

2）可編程序控制器的等效電路

為了便于說明PLC的工作原理，對于開關量順序控制（邏輯運算）的PLC，可以利用圖1-2-8所示的等效工作電路進行描述。

在等效工作電路圖中，PLC可以分為輸入電路、內部控制電路與輸出電路三部分。其中輸入電路代表實際PLC的輸入接口電路、輸入采樣、輸入緩沖等部分；內部控制電路代表實際PLC的控制程序執行過程；輸出電路代表實際PLC的輸出接口電路、輸出刷新、輸出緩沖等部分。

值得注意的是，圖1-2-8所示的電路僅是為了說明PLC工作原理而“虛擬”的等效工作電路，實際PLC的內部組成電路、輸入/輸出連接方式、輸入/輸出接口等硬件均與此不同，如實際PLC中并不存在圖中的I0.0～I0.7等“輸入繼電器”。

（1）輸入電路

輸入電路由外部輸入信號、PLC輸入接線端子、等效輸入繼電器三部分組成。外部輸入信號包括各類按鈕、轉換開關、行程開關、接近開關、光電開關等。外部輸入信號經PLC的輸入接線端與輸入繼電器連接（事實上PLC內部無這些輸入繼電器，它們相當于實際PLC中的“輸入映像”）。每個輸入繼電器與輸入信號一一對應，當外部輸入為“1”時，輸入繼電器“線圈”得電，內部控制電路中對應的輸入觸點“吸合”。

任何一個等效線圈所對應的觸點有無數多個可供使用。此外，等效電路中的輸入繼電器只受外部輸入信號的控制，在內部控制電路中只能使用它們的“觸點”。

（2）輸出電路

輸出電路由內部輸出觸點、PLC輸出接線端子、輸出執行元件三部分組成。輸出執行元件包括各種電磁閥線圈、接觸器、信號指示燈等。內部輸出觸點經PLC的輸出接線端子與輸出執行元件連接，每個輸出觸點與內部控制電路中的輸出線圈一一對應，當輸出線圈為“1”時，輸出觸點接通（即相當于繼電器控制線路中的“常開”觸點閉合），且每一輸出線圈只能有一個用于驅動外部執行元件的觸點。

在實際PLC中，輸出觸點的輸出形式與連接方式取決于PLC輸出的類型，它們可以是繼電器的觸點，也可以是晶體管、雙向晶閘管等。同時，輸出繼電器不僅可以作為輸出線圈驅動實際輸出，而且在程序中可以作為“觸點”無限次使用。因此，應假設等效輸出電路中的輸出觸點，對于外部只能連接一個執行元件，但在內部控制電路中卻可無限次使用。

（3）內部控制電路

內部控制電路并不是硬件連接，也就是說并沒有實際的導線、觸點與線圈連接，而是由用戶根據控制要求編寫的程序所組成，在這些程序控制下，PLC對輸入端輸入的信息進行運算處理，判斷哪些信息需要輸出，將其經過輸出端輸送給負載。

此外，在PLC程序中還大量使用了PLC標志寄存器，在等效電路里，它們除不可以用來驅動外部執行元件外，其余與輸出繼電器完全相同。

3）PLC執行程序的過程的特點

（1）PLC在一個掃描周期內，對輸入狀態的采樣只在輸入采樣階段進行。當進入到程序執行階段后輸入端將被封鎖，直到下一個掃描周期的輸入采樣階段才對輸入狀態進行重新采樣。上述過程稱為集中采樣，即在一個掃描周期內，集中一段時間對輸入狀態進行采樣。

（2）在用戶程序中，如果對輸出結果多次賦值，則只有最后一次有效。在一個掃描周期內，只在輸出刷新階段才將輸出狀態從輸出映像寄存器中輸出，對輸出接口刷新。在其他階段輸出狀態一直保存在輸出映像寄存器中。上述過程稱為集中輸出。

（3）輸出鎖存器中的數據，取決于上一個掃描周期輸出刷新階段存入的內容，而在輸入采樣和程序執行階段，輸出鎖存器內容不會發生變化。

（4）直接與外部負載連接的輸出端子的狀態，取決于輸出鎖存器中的數據。

（5）從PLC輸入端的輸入信號發生變化到其輸出端對該輸入變化做出反應，需要一定時間，這種現象稱為I/O響應滯后。對一般工業控制，這種滯后是完全允許的。