项目二 PLC的基本组成及工作原理

1．PLC的基本组成

PLC控制系统的硬件主要由中央处理（CPU）、存储器（RAM、ROM）、输入/输出（I/O）接口、电源单元等几部分组成，如图1-2-1所示。

1）中央处理器（CPU）

中央处理器（CPU）一般都是由集成在一块芯片上的控制电路、运算器和寄存器组成的。CPU通过地址总线、数据总线和控制总线与存储器、输入/输出（I/O）接口电路连接。

由于CPU是计算机的核心，因此CPU也是PLC的核心，每台PLC至少有一个CPU。CPU按照系统程序赋予的功能指挥PLC进行工作。其主要任务为：

（1）接收与存储用户由编程器输入的用户程序与数据。

（2）检查编程过程中的语法错误，诊断电源及PLC内部的工作故障。

（3）用扫描方式工作，接收来自现场的输入信号，并输入到输入映像寄存器和数据存储器中。

（4）在进入运行方式后，从存储器中逐条读取并执行用户程序，完成用户程序所规定的逻辑运算、算术运算及数据处理等操作。

（5）根据运算结果，更新有关标志位的状态，刷新输出映像寄存器的内容，再经输出部件实现输出控制、打印制表或数据通信等功能。

2）存储器

PLC中的存储器主要用于存放系统程序、用户程序和工作状态数据。

（1）系统程序存储区。该存储区存放着相当于计算机操作系统的系统程序，包括监控程序、管理程序、命令解释程序、功能子程序、系统诊断程序等。这些程序由制造厂商固化在EPROM中，用户不能直接读取，它决定了PLC的各项性能。

（2）用户程序存储器。用户程序存储器分为用户程序存储区和数据存储区。程序存储区用来存放由编程设备输入的用户针对具体控制任务自行编制的用户程序，用编程器写入EEPROM中。数据存储区存放程序执行过程中所需或产生的中间数据，包括输入/输出过程映像，定时器、计数器的预置值和当前值。

3）输入/输出接口

输入/输出接口是PLC联系外部现场和CPU模块的桥梁。

（1）输入接口。输入接口接收和采集输入信号（如限位开关、操作按钮、选择开关、行程开关以及其他一些传感器输出的开关量），并将这些信号转换成CPU能够接收和处理的数字信号。

输入接口电路通常有两种类型：直流输入型（见图1-2-2）和交流输入型（见图1-2-3）。从图中可以看出，两种类型都设有RC滤波电路和光电耦合器，光电耦合器一般由发光二极管和光敏晶体管组成，在电气上使CPU内部和外界隔离，增强了抗干扰能力。

（2）输出接口。输出接口将经中央处理器（CPU）处理过的输出数字信号（1或0）传送给输出端的电路元件，以控制其接通或断开，从而驱动接触器、电磁阀、指示灯、数字显示装置和报警装置等。

为适应不同类型的输出设备负载，PLC的输出接口类型有继电器输出型、双向晶闸管输出型和晶体管输出型三种，分别如图1-2-4～图1-2-6所示。其中继电器输出型为有触点输出方式，可用于接通或断开开关频率较低的直流负载或交流负载回路，这种方式存在继电器触点的电气寿命和机械寿命问题；双向晶闸管和晶体管输出型皆为无触点输出方式，开关动作快，寿命长，可用于接通或断开开关频率较高的负载回路，其中双向晶闸管输出型只用于带交流电源负载、晶闸管输出型则只用于带直流电源负载。

从三种类型的输出电路可以看出，继电器、双向晶闸管和晶体管作为输出的开关元件受PLC的输出指令控制，完成接通或断开与相应输出端相连的负载回路的任务，它们并不向负载提供电源。

负载工作电源的类型、电压等级和极性应该根据负载要求以及 PLC输出接口电路的技术性能指标确定。

4）电源

PLC配有开关电源，以供内部电路使用。与普通电源相比，PLC电源的稳定性好、抗干扰能力强。对电网提供的电源稳定度要求不高，一般允许电源电压在其额定值15%范围内波动。许多PLC还向外提供直流24V稳压电源，用于对外部传感器供电。

5）编程器

编程器的作用是将用户编写的程序下载至PLC的用户程序存储器，并利用编程器检查、修改和调试用户程序，监视用户程序的执行过程，显示PLC状态、内部器件及系统的参数等。

编程器有简易编程器和图形编程器两种。简易编程器体积小，携带方便，但只能用语句形式进行联机编程，适合小型PLC的编程及现场调试。图形编程器既可用语句形式编程，又可用梯形图编程，同时还能进行脱机编程。

目前PLC制造厂家大都开发了计算机辅助PLC编程支持软件，当个人计算机安装了PLC编程支持软件后，可用作图形编程器，进行用户程序的编辑、修改，并通过个人计算机和PLC之间的通信接口实现用户程序的双向传送、监控PLC运行状态等。

6）其他接口

其他接口有I/O扩展接口、通信接口、编程器接口、存储器接口等。

（1）I/O扩展接口。小型的PLC输入/输出接口都是与中央处理单元CPU制造在一起的，为了满足被控设备输入/输出点数较多的要求，常需要扩展数字量输入/输出模块；为了满足模拟量控制的要求，常需要扩展模拟量输入/输出模块，如A/D、D/A转换模块；I/O扩展接口就是为连接各种扩展模块而设计的。

（2）通信接口。通信接口用于PLC与计算机、PLC、变频器和文本显示器（触摸屏）等智能设备之间的连接，以实现PLC与智能设备之间的数据传送。

2．PLC工作原理

1）PLC的工作过程

PLC是采用“顺序扫描、不断循环”的工作方式。这个工作过程一般包括五个阶段：内部处理、通信处理、输入扫描、执行用户程序和输出刷新。整个过程扫描并执行一次所需时间称为扫描周期。PLC的扫描工作过程如图1-2-7所示。

当PLC方式开关置于RUN方式时，执行所有阶段；当PLC方式开关置于STOP方式时，不执行后3个阶段，此时可进行通信处理，例如对PLC联机或离线编程。

（1）内部处理。PLC在内部处理阶段，CPU会检测主机硬件，同时也会检测所有I/O模块；在RUN模式下，还会检测用户程序存储器。如果发现异常，则停机并显示出错信息。如果自诊断正常，则继续向下扫描。

（2）通信处理。CPU在处理周期的通信处理阶段，会自动监测并处理各通信端口接收到的信息，即检查是否有编程器、计算机等的通信要求，若有则进行相应处理，在这一阶段完成数据通信任务。

（3）输入扫描。PLC在输入扫描阶段，以扫描方式顺序读入所有输入端的通/断状态和输入数据，并将此状态或数据存入输入映像寄存器，即输入刷新；接着转入程序执行阶段。在程序执行期间，即使输入状态发生变化，输入映像寄存器的内容也不会改变，只有在下一个扫描周期的输入处理阶段才能读入发生变化的输入状态。

（4）执行用户程序。PLC在执行用户程序阶段，按先上后下、先左后右的顺序，执行程序指令。其过程为：从输入状态寄存器和其他编程元件的状态寄存器中读出有关编程元件的通/断状态，并根据用户程序进行算术或逻辑运算，运算结果存入有关的寄存器中。

（5）输出刷新。在所有指令执行完毕后，PLC将各物理继电器对应的输出状态寄存器的通/断状态，在输出刷新阶段转存到输出寄存器，去控制各物理继电器的通/断状态，这才是PLC的实际输出。

2）可编程序控制器的等效电路

为了便于说明PLC的工作原理，对于开关量顺序控制（逻辑运算）的PLC，可以利用图1-2-8所示的等效工作电路进行描述。

在等效工作电路图中，PLC可以分为输入电路、内部控制电路与输出电路三部分。其中输入电路代表实际PLC的输入接口电路、输入采样、输入缓冲等部分；内部控制电路代表实际PLC的控制程序执行过程；输出电路代表实际PLC的输出接口电路、输出刷新、输出缓冲等部分。

值得注意的是，图1-2-8所示的电路仅是为了说明PLC工作原理而“虚拟”的等效工作电路，实际PLC的内部组成电路、输入/输出连接方式、输入/输出接口等硬件均与此不同，如实际PLC中并不存在图中的I0.0～I0.7等“输入继电器”。

（1）输入电路

输入电路由外部输入信号、PLC输入接线端子、等效输入继电器三部分组成。外部输入信号包括各类按钮、转换开关、行程开关、接近开关、光电开关等。外部输入信号经PLC的输入接线端与输入继电器连接（事实上PLC内部无这些输入继电器，它们相当于实际PLC中的“输入映像”）。每个输入继电器与输入信号一一对应，当外部输入为“1”时，输入继电器“线圈”得电，内部控制电路中对应的输入触点“吸合”。

任何一个等效线圈所对应的触点有无数多个可供使用。此外，等效电路中的输入继电器只受外部输入信号的控制，在内部控制电路中只能使用它们的“触点”。

（2）输出电路

输出电路由内部输出触点、PLC输出接线端子、输出执行元件三部分组成。输出执行元件包括各种电磁阀线圈、接触器、信号指示灯等。内部输出触点经PLC的输出接线端子与输出执行元件连接，每个输出触点与内部控制电路中的输出线圈一一对应，当输出线圈为“1”时，输出触点接通（即相当于继电器控制线路中的“常开”触点闭合），且每一输出线圈只能有一个用于驱动外部执行元件的触点。

在实际PLC中，输出触点的输出形式与连接方式取决于PLC输出的类型，它们可以是继电器的触点，也可以是晶体管、双向晶闸管等。同时，输出继电器不仅可以作为输出线圈驱动实际输出，而且在程序中可以作为“触点”无限次使用。因此，应假设等效输出电路中的输出触点，对于外部只能连接一个执行元件，但在内部控制电路中却可无限次使用。

（3）内部控制电路

内部控制电路并不是硬件连接，也就是说并没有实际的导线、触点与线圈连接，而是由用户根据控制要求编写的程序所组成，在这些程序控制下，PLC对输入端输入的信息进行运算处理，判断哪些信息需要输出，将其经过输出端输送给负载。

此外，在PLC程序中还大量使用了PLC标志寄存器，在等效电路里，它们除不可以用来驱动外部执行元件外，其余与输出继电器完全相同。

3）PLC执行程序的过程的特点

（1）PLC在一个扫描周期内，对输入状态的采样只在输入采样阶段进行。当进入到程序执行阶段后输入端将被封锁，直到下一个扫描周期的输入采样阶段才对输入状态进行重新采样。上述过程称为集中采样，即在一个扫描周期内，集中一段时间对输入状态进行采样。

（2）在用户程序中，如果对输出结果多次赋值，则只有最后一次有效。在一个扫描周期内，只在输出刷新阶段才将输出状态从输出映像寄存器中输出，对输出接口刷新。在其他阶段输出状态一直保存在输出映像寄存器中。上述过程称为集中输出。

（3）输出锁存器中的数据，取决于上一个扫描周期输出刷新阶段存入的内容，而在输入采样和程序执行阶段，输出锁存器内容不会发生变化。

（4）直接与外部负载连接的输出端子的状态，取决于输出锁存器中的数据。

（5）从PLC输入端的输入信号发生变化到其输出端对该输入变化做出反应，需要一定时间，这种现象称为I/O响应滞后。对一般工业控制，这种滞后是完全允许的。