1.2 PLC的工作原理

1.2.1 PLC基本組成

PLC的基本組成可以歸納為4大部件：中央處理器單元（CPU）、存儲器、輸入/輸出部件（I/O部件）和電源部件。其中CPU板是控制器的核心，存儲器用于存放系統程序、用戶程序及工作數據，I/O部件是連接現場設備與CPU之間的接口電路，電源部件為PLC內部電路提供能源。下面分別說明：

1.CPU

CPU主要包含運算器、控制器、寄存器，它是PLC的核心部分。PLC的CPU芯片其實就是微處理器或單片機。只是它是專用于PLC的，并且大部分是生產廠家為達到產品最佳性能配置而自行研制開發的。也有的PLC用的芯片就是通用的單片機，只是內部裝有自己編寫的監控程序，并靠這個監控程序來實現PLC的功能。

CPU芯片的性能直接關系著PLC處理控制信號的能力和速度，CPU位數越高，運算速度就越快，單位時間內系統處理的信息量也就越大。隨著CPU芯片技術的飛躍發展，PLC所用的CPU芯片也越來越高檔。在一些對可靠性要求特別高的大型工業應用場合，還有些采用了雙CPU結構，構成冗余系統。這樣，即使某個CPU出現故障，整個系統仍然可以正常運行。

2.存儲器

存儲器按照存儲方式可以分為隨機存儲器（RAM）和只讀存儲器（ROM）。PLC內部所使用的存儲器，按其用途一般可以分為系統程序存儲器、用戶程序存儲器、內部數據存儲器。

（1）系統程序存儲器用來存放系統工作程序（監控程序）、模塊化應用功能子程序、命令解釋、功能子程序的調用管理程序和系統參數等。這是PLC正常工作的基本保證。系統工作程序是由PLC生產廠家編制、安裝并固化在芯片內部的。

注意：系統程序存儲器直接關系到PLC的性能，不能由用戶直接存取。出于這種可靠性方面的考慮，PLC的系統程序存儲器都采用ROM、EPROM等不可以由用戶進行修改的存儲器。

（2）用戶程序存儲器是用來存放用戶程序的。用戶程序由用戶編制，通過編程器輸入。所謂“編程”就是編寫PLC用戶程序。用戶通過編制用戶程序，來實現對生產過程的控制。

通常PLC產品資料中所指的存儲器容量就是指用戶程序存儲器。在部分PLC中，用戶程序存儲器的存儲容量以“步”為單位進行計算。PLC中的一步，指的是PLC一條最基本邏輯運算指令所占用的存儲器容量。不同的PLC每步對應的實際存儲器字節數是有所不同的。

用戶程序一旦調試完成，除非設備的控制要求發生改變，才需要重新設計編寫PLC程序，否則使用者一般不需要對程序進行更改。

（3）內部數據存儲器是用來存放PLC程序執行的中間狀態與信息的。PLC程序的中間處理結果等信息均存儲在內部數據存儲器中。內部數據存儲器的存儲容量與PLC規模及指令系統有關。PLC的規模越大，指令系統越復雜，內部數據存儲器的存儲容量也就越大。

內部數據存儲器的狀態需要在PLC程序執行過程中動態改變，所以必須采用動態RAM來進行存儲，它的內容在關機時被自動清除。但由于設備連續工作或斷電恢復的需要，有部分內部數據存儲器可以用電池供電保持。

3.I/O部件

I/O部件是CPU與現場儀表、執行機構和其他智能設備之間的連接部件。I/O部件包括輸入模塊和輸出模塊。

輸入模塊用來接收和采集輸入信號，實現外部信號到PLC內部信號的轉換。數字量輸入模塊用來接收從生產設備或控制現場的各種開關、繼電器等傳來的數字量輸入信號，通過輸入接口電路，將開關量信號轉換成PLC內部控制所需要的、CPU能夠直接處理的TTL電平；模擬量輸入模塊用來接收傳感器、變送器等提供的連續變化的模擬量電流、電壓信號，通過A/D轉換，變為PLC內部能處理的數字量。輸入電路中一般設有RC濾波電路、穩壓電路等，以防止由于輸入觸點抖動或外部干擾脈沖引起錯誤的輸入信號。而且與內部計算機電路通過光耦元件隔離，如圖1-1所示。

輸出模塊用來輸出各種控制信號，實現PLC內部信號到外部信號的轉換。數字量輸出模塊用來控制接觸器、電磁閥、指示燈、數字顯示器等輸出設備；模擬量輸出模塊用來控制變頻器、調節閥等執行裝置。輸出電路內外也是電隔離的，靠光耦元件或輸出繼電器建立聯系。輸出電路還要進行功率放大，使其足以帶動一般的工業控制元器件。

總之，PLC通過輸入模塊可以檢測被控對象或被控生產過程的各種參數，通過輸出模塊將處理結果送給被控設備或工業生產過程，以實現控制。

I/O模塊可與CPU放在一起，也可遠程放置。通常，I/O模塊上還具有狀態顯示，各I/O點的通斷狀態均用發光二極管顯示。外部接線一般接在模塊的接線端子排。

4.電源

PLC使用交流220V電源（AC 220V）或直流24V電源（DC 24V）。PLC內部電源主要向PLC內部的TTL集成電路與運算放大器等組件提供工作電源，將外部輸入轉換為DC 5V、DC±12V、DC±15V、DC 24V等不同電壓。在部分機型中，還可以向外部提供DC 24V，供外部的開關信號、外部傳感器使用。但PLC輸出使用的電源，一般不可以由PLC提供（即使用DC 24V），必須另外準備負載電源。

PLC基本結構框圖如圖1-2所示。

整體結構的PLC的4 個部分裝在同一機殼內，也稱為箱體式PLC，由主箱體和擴展箱體構成。主箱體由CPU單元、內存單元、I/O單元、外設接口、電源、箱體間接口及其他附件等構成。擴展箱體由I/O單元、電源、箱體間接口及其他附件等構成。

模塊式結構的PLC的各部件獨立封裝，稱為模塊，通過機架和總線連接而成。每個模塊又由不同單元組合而成。如CPU模塊則由CPU單元、內存單元、接口單元等組合而成。又如輸入/輸出模塊（I/O模塊）則是由多個輸入/輸出電路、接線器及相應接口組合而成。

1.2.2 PLC工作過程

1.工作過程

作為一種特殊的工業控制計算機，PLC的工作過程與通用的計算機有很大的不同。而且，雖然它源于繼電控制裝置，最初研制生產的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又是不同的。

普通計算機一般采用事件驅動和消息機制，是一種等待命令的工作方式，如常見的鍵盤操作，當按下按鍵后，計算機轉入相應的子程序運行。傳統的繼電器控制裝置采用硬邏輯并行運行的方式，即如果一個繼電器的線圈通電或斷電，則該繼電器所有的觸點都會動作。而PLC的CPU則采用順序掃描用戶程序的運行方式，即如果一個邏輯線圈被接通或斷開，則該線圈的所有觸點不會立即動作，必須等掃描到這個觸點時才會動作。

PLC采用不斷循環的順序掃描工作方式。每一次掃描所用的時間稱為掃描周期或工作周期。PLC的工作過程如圖1-3所示。

簡單講，PLC上電時執行啟動塊（OB100），然后進入CPU循環（稱為PLC掃描過程）。從用戶的角度來說，PLC掃描過程就是從輸入模塊讀取狀態信號放入過程映像區，然后調用OB1塊。如果有事件產生中斷，則調用相應的塊（功能）進行處理。最后把過程映像輸出表送輸出模塊。

進一步講，PLC整個掃描過程可以分為內部處理、通信服務、輸入采樣、用戶程序執行、輸出刷新5個階段。

（1）內部處理階段

內部處理過程運行的是PLC內部系統的管理程序，在這個階段，PLC完成硬件自檢工作和將監控定時器復位等內部工作。該程序是生產廠家在PLC出廠時就已經固化的，一般比較固定，與用戶的控制程序無直接關聯，其運行時間與用戶程序運行時間相比，要短得多。

（2）通信服務階段

在通信服務階段，PLC處理與計算機、編程器以及各種智能裝置的通信。

（3）輸入采樣階段

PLC以掃描的方式工作，輸入電路時刻監視著輸入信號，并按順序將信號讀入到寄存輸入狀態的輸入映像寄存器中存儲，每一輸入點都有一個對應的存儲其信息的寄存器。輸入寄存器與計算機內存交換信息通過計算機總線，并主要由運行系統程序來實現。PLC內存有專門開辟的存放輸入信息的映像區。這個區的每一對應位（bit）稱之為輸入繼電器，或稱軟接點。這些位為1，表示接點通，為0 表示接點斷。由于它的狀態是由輸入刷新得到的，所以，它反映的就是輸入狀態。這個過程稱為輸入采樣。這個采樣結果將在PLC執行程序時被使用。

（4）用戶程序執行階段

PLC的用戶程序由若干條指令組成，PLC從第一條指令開始，按順序逐條對用戶程序進行掃描。用戶程序一般從輸入映像寄存器、內部寄存器和輸出映像寄存器中讀取所需的數據進行運算、處理，再將程序執行的結果寫入輸出映像寄存器中暫存。

（5）輸出刷新階段

在執行完所有用戶程序后，PLC將輸出映像寄存器中的內容送到輸出寄存器中，并通過輸出電路產生相應的輸出，再去驅動用戶設備。

為了便于理解PLC程序的執行過程，通常也可近似地認為PLC的掃描工作過程為3個基本階段：輸入采樣、用戶程序執行、輸出刷新。PLC在運行模式時，掃描工作是不斷重復進行的，也就是說，以上3 個階段是不斷重復進行著的，其輸入和輸出存儲器不斷地被刷新。由于這個過程是永不停止、循環反復地進行著的，所以，輸出總是反映輸入的變化的。只是響應的時間上略有滯后。當然，這個滯后不宜太大，否則，所實現的控制不那么及時，也就失去控制的意義。為此，PLC的工作速度要快。速度快、執行指令時間短，是PLC實現控制的基礎。事實上，PLC的速度是很快的，執行一條指令，多的幾微秒、幾十微秒，少的才零點幾或零點零幾微秒，而且這個速度還在不斷提高之中。

2.PLC掃描工作方式優點

PLC掃描工作方式的優點如下：

（1）在執行程序時，讀寫的是輸入/輸出映像寄存器的值，而不是直接對實際的I/O點進行操作。

（2）整個程序執行階段各輸入繼電器的狀態是固定的，程序執行后再用輸出映像寄存器的值更新所有的輸出點，使得系統運行穩定。

（3）用戶程序讀寫I/O映像寄存器比直接讀寫I/O點快的多，這樣可以提高用戶程序的運行速度。

（4）掃描工作方式具有較好的抗干擾能力，在一個掃描周期內，輸入處理僅占用極少部分時間。在大部分時間內，干擾信號不會被采集到PLC系統。

3.PLC中斷處理

PLC采用中斷工作方式來應對緊急任務。一般的計算機系統中，CPU在每一條指令執行結束時都要詢問有無中斷申請。而PLC對中斷的響應則是在相關程序塊結束后查詢有無中斷申請，如果有中斷申請，則轉入執行相應的中斷服務程序。待處理完中斷，又返回運行原來程序。

在PLC中，中斷源是通過輸入點進入系統的，PLC掃描輸入點是按照輸入點編號的先后順序進行的。系統接到中斷申請后，順序掃描中斷源，可能只有一個中斷源申請中斷，也可能同時有多個中斷源申請中斷。系統在掃描中斷源的過程中，會在存儲器的特定區建立“中斷處理表”，按順序存放中斷信息，中斷源被掃描后，中斷處理表也已建立完畢，系統就按照這個表的先后順序調入相應的中斷處理子程序。

與一般計算機系統的中斷一樣，PLC的中斷也是分優先級的。當同時出現兩個或多個中斷申請時，則優先級別高的先處理，繼而處理低級別的。直到中斷申請全部處理完畢，再轉而執行掃描程序。

需要指出的是，多個中斷源可以有優先順序，但無嵌套關系。即在中斷程序執行中，如果有新的中斷發生，不論新中斷的優先順序如何，都要等執行中的中斷處理程序結束后，再進行新的中斷處理。

4.PLC集中處理方式

PLC在工作過程中，對輸入信號、執行過程、輸出控制均采取集中批處理。PLC的這種集中批處理的工作方式，不僅避免了繼電器、接觸器控制系統中觸點競爭和時序失配的問題，而且增強了系統的抗干擾能力，提高了工作穩定性。由于干擾一般是脈沖式的、短時的。只要PLC不是正好工作在輸出刷新階段，就不會受到干擾的影響。因此，瞬間干擾所造成的影響將會大大降低，從而增強了系統的抗干擾能力，這是PLC可靠性高的原因之一。

5.PLC時間滯后現象

PLC對輸入和輸出信號的響應是有延時的，這就是滯后現象。PLC輸入/輸出滯后時間又稱為系統響應時間，是指從PLC的外部輸入信號發生變化至其控制的外部輸出信號發生變化的時刻之間的時間間隔。它由輸入電路的濾波時間、輸出電路的滯后時間、掃描工作方式產生的滯后時間組成。

PLC在執行用戶程序時，使用的是在輸入處理階段讀入并存放在輸入映像寄存器中的數據，而不是當時可能已經發生變化的外部電路的最新狀態的數據，所以造成了信號的滯后。

為了確保PLC在任何情況下都能正常無誤地工作，一般情況下，輸入信號的脈沖寬度必須大于一個掃描周期。

還應該注意的一個問題是輸出信號的狀態是在輸出刷新時才送出的。因此，在一個程序中若給一個輸出端多次賦值時，中間狀態只改變輸出映像區。只有最后一次賦的值才能被送到輸出端。

造成PLC時間滯后現象是因為一個掃描周期內對所有的輸出只刷新一次。而且還與電路特性有關（濾波電路的時間常數和輸出繼電器觸點的機械滯后）。經分析，由掃描工作方式引起的滯后時間最長可達兩三個掃描周期。

PLC總的響應延遲時間一般只有幾毫秒至幾十毫秒，對于一般的系統是無所謂的。

為了減少PLC的響應延遲時間，可以采用如下措施：

（1）選用掃描速度高的PLC；

（2）選用延遲時間短的輸入/輸出模塊；

（3）可以使用立即輸入指令和立即輸出指令，或者使用輸入中斷功能。