- PLC實用技術速成才
- 韓雪濤主編
- 15字
- 2018-12-30 10:56:09
第2部分 PLC的工作原理和功能特點
2.1 PLC的工作原理和工作方式
PLC屬于精密的電子設備。其工作原理和工作方式都與以往繼電器—接觸器控制系統和計算機控制系統有所不同。
2.1.1 PLC的工作原理
PLC是一種以微處理器為核心的可編程控制裝置，是專門為大中型工業用戶現場的操作管理而設計的。它采用可編程序的存儲器，用于在其內部存儲執行邏輯運算、順序控制、定時/計數和算術運算等操作指令，并通過數字式或模擬式的輸入、輸出接口，控制各種類型的機械或生產過程。
PLC的整機工作原理示意圖如圖2-1所示。從圖中可以看到，CPU（中央處理器）是PLC的控制核心，主要由控制器、運算器和寄存器三部分構成，通過數據總線、控制總線和地址總線與其內部存儲器及I/O接口相連。
圖2-1 PLC的整機工作原理示意圖
PLC的硬件電路主要是由CPU模塊、存儲器、通信接口、基本I/O接口、電源模塊電路五部分組成的。
[1] CPU模塊是PLC的核心。CPU的性能決定了PLC的整體性能。不同的PLC配有不同的CPU。其主要作用是接收、存儲由編程器輸入的用戶程序和數據，對用戶程序進行檢查、校驗，并執行用戶程序。PLC中常用的微處理器（CPU）有通用微處理器、單片微處理器和位片式微處理器。
[2] 存儲器分為系統程序存儲器、用戶程序存儲器和工作數據存儲器。
● 系統程序存儲器為只讀存儲器（ROM），用于存儲系統程序。系統程序是由PLC制造廠商設計編寫的，用戶不能直接讀寫和更改。一般包括系統診斷程序、輸入處理程序、編譯程序、信息傳送程序及監控程序等。
● 用戶程序存儲器為隨機存儲器（RAM），用于存儲用戶程序。用戶程序是用戶根據控制要求，按系統程序允許的編程規則，用廠家提供的編程語言編寫的程序。
● 工作數據存儲器也為隨機存儲器（RAM），用來存儲工作過程中的指令信息和數據。
[3] 通信接口通過編程電纜與編程設備（計算機）連接，計算機通過編程電纜對PLC進行編程、調試、監視、試驗及記錄。
[4] 基本I/O接口是PLC與外部各設備聯系的橋梁，可以分為PLC輸入接口和PLC輸出接口兩種。輸入接口將所接各種控制及傳感器部件發出的信號作為輸入信號送入PLC輸入電路，經PLC內部CPU處理后，由PLC輸出接口輸出用以控制外接設備或功能部件的狀態。
[5] PLC內部配有一個專用開關式穩壓電源，始終為各部分電路提供工作所需的電壓，確保PLC工作的順利進行。
1. PLC用戶程序的輸入
PLC的程序是由工程技術人員通過編程設備（簡稱編程器）輸入的。目前，PLC的編程有兩種方式：一種是通過PLC手持式編程器編寫程序，然后傳送到PLC內；另一種是利用PLC通信接口（I/O接口）上的RS-232串口與計算機相連，然后通過計算機上專門的PLC編程軟件向PLC內部輸入程序。
例如，圖2-2為將計算機編程軟件編寫的程序輸入到PLC中的示意圖。不論是計算機還是編程器的輸入程序均輸入到PLC內部，存放在PLC的用戶存儲器中。
圖2-2 將計算機編程軟件編寫的程序輸入到PLC中的示意圖
2. PLC內部用戶程序的編譯處理
當用戶編寫的程序存入后，CPU會向存儲器發出控制指令，從系統程序存儲器中調用解釋程序將用戶編寫的程序進行進一步的編譯，使之成為PLC認可的編譯程序。
圖2-3為用戶程序在PLC內的編譯過程。一般采用一定的編程語言編寫的PLC程序不能直接被PLC所識別，還需要經過進一步的編譯處理。
圖2-3 用戶程序在PLC內的編譯過程
3. PLC用戶程序的執行過程
用戶程序的執行過程為PLC工作的核心內容。通過控制及傳感部件發出的狀態信息和控制指令通過輸入接口（I/O接口）送入到存儲器的工作數據存儲器中。在CPU控制器的控制下，這些數據信息會從工作數據存儲器中調入CPU的寄存器，與PLC認可的編譯程序結合，由運算器進行數據分析、運算和處理，最終將運算結果或控制指令通過輸出接口傳送給接觸器、繼電器、電磁閥、指示燈及蜂鳴器等外部設備及功能部件。這些外部設備及功能部件即會執行相應的動作。
圖2-4為PLC用戶程序的執行過程示意圖。PLC進行工作的核心即為周而復始的執行用戶程序中的控制邏輯和讀/寫數據。其執行的過程便是將程序與物理輸入和輸出點聯系的過程。
圖2-4 PLC用戶程序的執行過程示意圖
為了更清晰地了解PLC工作原理，可將PLC內部等效為三個功能電路，即輸入電路、運算控制電路及輸出電路。
圖2-5為PLC系統等效功能電路示意圖。輸入電路和輸出電路為PLC信息輸入與輸出的通道，運算控制電路為介于輸入與輸出電路中間的電路，用于完成信息處理。
圖2-5 PLC系統等效功能電路示意圖
（1）PLC的輸入電路
輸入電路主要是輸入信號采集部分。其作用是將被控對象的各種控制信息及操作命令轉換成PLC輸入信號，然后送給運算控制電路部分。
PLC的輸入電路根據輸入端電源類型的不同主要有直流電源輸入電路和交流電源輸入電路兩種，如圖2-6所示。
圖2-6 PLC的輸入電路部分
從圖中可以看到，PLC外接的各種按鈕、操作開關等提供的開關信號作為輸入信號經輸入接線端子后送至PLC內部接口電路（主要由電阻器、電容器、發光二極管、光電耦合器等構成），在接口電路部分進行濾波、光電隔離、電平轉換等處理，將各種開關信號變為CPU能夠接收和處理的標準信號（圖中只畫出對應于一個輸入點的輸入電路，各個輸入點所對應的輸入電路均相同）。
① 直流電源輸入電路。
在如圖2-6（a）所示電路中，PLC輸入電路部分主要由電阻器R1、R2、電容器C、光電耦合器IC、發光二極管LED等構成。其中，R1為限流電阻，R2與C構成濾波電路，用于濾除輸入信號中的高頻干擾；光電耦合器起到光電隔離的作用，防止現場的強電干擾進入PLC中；發光二極管用于顯示輸入點的狀態。
PLC直流電源輸入電路的工作原理如圖2-7所示。可以看到，當按下PLC外接按鈕開關（按鈕SB1）時，PLC內光電耦合器導通，發光二極管LED點亮，指示開關部件SB1處于閉合狀態。此時，光電耦合器輸出端輸出高電平，該高電平信號送至內部電路中。CPU識別該信號后將用戶程序中對應的輸入繼電器觸點置1。
圖2-7 PLC直流電源輸入電路的工作原理
相反，當按鈕SB1斷開時，光電耦合器不導通，發光二極管不亮，CPU識別該信號后將用戶程序中對應的輸入繼電器觸點置0。
目前，一些PLC中的直流電源采用內置式，即由PLC內部提供24 V的直流電源，該類PLC在連接外部開關部件時，只需將各種開關部件接入PLC的輸入接線端子和公共端子之間即可，如圖2-8所示，采用該類型直流供電方式的PLC大大簡化了輸入端的接線。
圖2-8 PLC內置直流電源
② 交流電源輸入電路。
在如圖2-6（b）所示電路中，交流電源輸入電路與直流電源輸入電路基本相同，外接交流電源的大小根據不同CPU類型而有所不同（可參閱相應的使用手冊）。
如圖2-9所示，在交流電源輸入電路中，電容器C2用于隔離交流強電中的直流分量，防止強電干擾損壞PLC。另外，光電耦合器內部有兩個方向相反的發光二極管，任意一個發光二極管導通都可以使光電耦合器中光敏三極管導通并輸出相應的信號。狀態指示燈也采用了兩個反向并聯的發光二極管，光電耦合器中任意一只二極管導通都能使狀態指示燈點亮（直流電源輸入電路也可以采用該結構，外接直流電源時可不用考慮極性）。
圖2-9 PLC交流輸入電路的工作原理
（2）PLC的運算控制電路
運算控制電路以內部的CPU為核心，按照用戶設定的程序對輸入信息進行處理，然后將處理結果送至輸出電路，再由輸出電路輸出控制信號，這個過程可實現算術運算和邏輯運算等多種處理功能。
（3）PLC的輸出電路
輸出電路即開關量的輸出單元，由PLC輸出接口電路、連接端子和外部設備及功能部件構成，CPU完成的運算結果由該電路提供給被控負載，用于完成PLC主機與工業設備或生產機械之間的信息交換。
PLC的輸出電路根據輸出電路所用開關器件不同，主要有晶體三極管輸出電路、晶閘管輸出電路和繼電器輸出電路三種，如圖2-10所示。
圖2-10 PLC的輸出電路部分
從圖中可以看到，PLC內部電路輸出的控制信號，經輸出接口電路（主要由光電耦合器、晶體管或晶閘管或繼電器、電阻器等構成）、PLC輸出接線端子后，送至外接的執行部件，用于輸出開關量信號，執行相應的動作（圖中只畫出對應于一個輸出點的輸出電路，各個輸出點所對應的輸出電路均相同）。
① 晶體三極管輸出電路。
在如圖2-10（a）所示電路中，PLC輸出電路主要是由光電耦合器IC、狀態指示燈LED、輸出晶體三極管VT、保護二極管VD及熔斷器FU等構成的。其中，熔斷器FU用于防止PLC外接設備或功能部件短路時損壞PLC。
PLC晶體三極管輸出電路的工作原理如圖2-11所示。從圖中可以看到，PLC內部電路接收到輸入電路的開關量信號，使對應于晶體三極管VT的內部繼電器為1，其相應的輸出繼電器得電，使所對應輸出電路的光電耦合器導通，從而使晶體三極管VT導通，PLC外部設備或功能部件得電，同時狀態指示燈LED點亮，表示當前該輸出點狀態為1。
圖2-11 PLC晶體三極管輸出電路的工作原理
② 晶閘管輸出電路。
在如圖2-10（b）所示電路中，PLC輸出電路主要是由光電耦合器IC、狀態指示燈LED、雙向晶閘管VS、保護二極管VD、熔斷器FU等構成的。
PLC晶閘管輸出電路的工作原理如圖2-12所示。從圖中可以看到，PLC內部電路接收到輸入電路的開關量信號，使對應于雙向晶閘管VS的內部繼電器為1，其相應的輸出繼電器得電，使所對應輸出電路的光電耦合器導通，從而使雙向晶閘管VS導通，PLC外部設備或功能部件得電，同時狀態指示燈LED點亮，表示當前該輸出點狀態為1。
圖2-12 PLC雙向晶閘管輸出電路的工作原理
③ 繼電器輸出電路。
在如圖2-10（c）所示電路中，PLC輸出電路主要是由繼電器K、狀態指示燈LED等構成的。
PLC繼電器輸出電路的工作原理如圖2-13所示。從圖中可以看到，PLC內部電路接收到輸入電路的開關量信號，使對應于繼電器K的內部繼電器為1，其相應的輸出繼電器得電，繼電器K線圈得電，其常開觸點閉合，PLC外部設備或功能部件得電，同時狀態指示燈LED點亮，表示當前該輸出點狀態為1。
圖2-13 PLC繼電器輸出電路的工作原理
上述三種PLC輸出電路都有其各自的特點，也可將其作為選用PLC時的重要參考因素，以使PLC控制系統達到最佳控制狀態。表2-1為三種PLC輸出電路的特點。
表2-1 三種PLC輸出電路的特點
根據輸入電路或輸出電路公共端子接線方式可以分為共點式輸入或輸出、分組式輸入或輸出、隔離式輸入或輸出電路。
● 共點式輸入或輸出電路是指輸入或輸出電路中所有I/O點共用一個公共端子。
● 分組式輸入或輸出電路是指將輸入或輸出電路中所有I/O點分為若干組，每組各共用一個公共端子。
● 隔離式輸入或輸出電路是指具有公共端子的各組輸入或輸出點之間互相隔離，可各自使用獨立的電源。
4. PLC電源電路的供電過程
在整個工作過程中，PLC中的電源始終為各部分電路提供工作所需的電壓，以確保PLC工作的順利進行。
PLC電源電路主要是將外加的交流電壓或直流電壓轉換成微處理器、存儲器、I/O電路等部分所需要的工作電壓。圖2-14為其工作過程示意圖。
圖2-14 PLC電源電路的工作過程示意圖
不同型號或品牌PLC的供電方式有所不同，有些采用直流電源供電（5 V、12 V、24 V），有些采用交流電源供電（220 V/110 V）。目前，采用交流電源（220 V/110 V）供電的PLC較多。該類PLC內置開關式穩壓電源，將交流電壓進行整流、濾波、穩壓處理后，轉換為滿足PLC內部微處理器、存儲器、I/O電路等所需的工作電壓。另外，有些PLC可向外部輸出24 V的直流電壓，可用于為輸入電路外接的開關部件或傳感部件供電。
根據原理不難看出，PLC作為全新型的工業控制裝置，有效地將傳感控制技術、計算機控制技術和通信技術融合在一起，用軟件編程邏輯代替硬件布線邏輯，拓展了功能、提升了效率、增強了系統的控制能力和抗干擾能力，并有效地降低了故障發生的概率，目前已成為工業自動化發展不可缺少的實用技術核心。
2.1.2 PLC的工作方式
PLC的工作方式采用不斷循環的順序掃描工作方式（串行工作方式）。CPU從第一條指令開始執行程序，按順序逐條地執行用戶程序直到用戶程序結束，然后返回第一條指令開始新一輪的掃描。如此周而復始不斷循環。當然，整個過程是在系統軟件控制下進行的，順次掃描各輸入點的狀態，按用戶程序進行運算處理（用戶程序按先后順序存放），然后順序向輸出點發出相應的控制信號。
圖2-15為PLC的工作方式示意圖。從圖中可以看到，PLC周而復始的執行一系列任務。任務循環執行一次被稱為一個掃描周期。每個掃描周期執行的操作有自診斷處理、通信處理、輸入信息處理、用戶程序執行及輸出信號處理等。
圖2-15 PLC的工作方式示意圖
PLC接通電源后，市電電壓經內部電路處理后為PLC整機供電。系統首先執行自身的初始化操作，包括硬件、軟件的初始化和其他設置的初始化處理。整個過程可以大體分為以下多個階段。
（1）自診斷處理
自診斷處理的檢查對象包括CPU、電池電壓、程序存儲器、I/O和通信等。若發現異常，則馬上傳遞出錯代碼，特別是出現致命錯誤時，CPU立刻進入“STOP”（停止）方式，所有的掃描停止。PLC每掃描一次，執行一次自診斷檢查。
（2）通信處理
PLC自診斷處理完成后，先檢查有無通信任務，如有，則調用相應進程，完成PLC之間或PLC與其他設備的通信處理，并對通信數據做相應處理。例如，PLC與外部編程器、顯示器、打印機等是否有通信信息需要傳遞。PLC每掃描一次，執行一次通信處理。
（3）輸入信息處理
將輸入端子導入的外部輸入信息存入映像寄存器中。PLC每掃描一次，執行一次輸入信息處理。
（4）用戶程序執行
用戶程序由若干條指令組成，指令在存儲器中按照序號順序排列。從首地址開始按自上而下、從左到右的順序逐條掃描執行，并從輸入映像寄存器中“寫入”輸入端子狀態，從元件映像寄存器“寫入”對應元件（軟繼電器）的當前狀態，然后根據指令要求執行相應的運算，運算結果再存入元件映像寄存器中。
（5）輸出信息處理
所有指令執行完畢后，進入輸出信息處理階段，將運算處理完畢的結果信息存入輸出映像寄存器中，并進一步傳輸至外部被控設備。PLC每掃描一次，執行一次輸出信息處理。
至此，一個掃描過程完畢，整個工作周期被稱為掃描周期。為了確保控制能正確實時地進行，每個掃描周期的作業時間必須被控制在一定范圍內。通常用PLC執行l KB指令所需時間來說明其掃描速度，一般為零點幾毫秒到上百毫秒。PLC運行正常時，程序掃描周期的長短與CPU的運算速度、I/O點的情況、用戶應用程序的長短及編程情況等有關。