1.3 PLC组成与工作原理

1.3.1 PLC的组成方框图

PLC种类很多，但结构大同小异，典型的PLC控制系统组成方框图如图1-5所示。在组建PLC控制系统时，需要给PLC的输入端子连接有关的输入设备（如按钮、触点和行程开关等），给输出端子连接有关的输出设备（如指示灯、电磁线圈和电磁阀等）。如果需要PLC与其他设备通信，可在PLC的通信接口连接其他设备；如果希望增强PLC的功能，可给PLC的扩展接口连接上扩展单元。

1.3.2 PLC各组成部分说明

从图1-5可以看出，PLC内部主要由CPU、存储器、输入接口电路、输出接口电路、通信接口和扩展接口等组成。

1. CPU

CPU又称中央处理器，它是PLC的控制中心，它通过总线（包括数据总线、地址总线和控制总线）与存储器和各种接口连接，以控制它们有条不紊地工作。CPU的性能对PLC工作速度和效率有较大的影响，故大型PLC通常采用高性能的CPU。

CPU的主要功能有：

①接收通信接口送来的程序和信息，并将它们存入存储器；

②采用循环检测（即扫描检测）方式不断检测输入接口电路送来的状态信息，以判断输入设备的状态；

③逐条运行存储器中的程序，并进行各种运算，再将运算结果存储下来，然后经输出接口电路对输出设备进行有关的控制；

④监测和诊断内部各电路的工作状态。

2．存储器

存储器的功能是存储程序和数据。PLC通常配有ROM（只读存储器）和RAM（随机存储器）两种存储器，ROM用来存储系统程序，RAM用来存储用户程序和程序运行时产生的数据。

系统程序由厂家编写并固化在ROM存储器中，用户无法访问和修改系统程序。系统程序主要包括系统管理程序和指令解释程序。系统管理程序的功能是管理整个PLC，让内部各个电路能有条不紊地工作。指令解释程序的功能是将用户编写的程序翻译成CPU可以识别和执行的程序。

用户程序是用户通过编程器输入存储器的程序，为了方便调试和修改，用户程序通常存放在RAM中，由于断电后RAM中的程序会丢失，所以RAM专门配有后备电池供电。有些PLC采用EEPROM（电可擦写只读存储器）来存储用户程序，由于EEPROM存储器中的内部可用电信号进行擦写，并且掉电后内容不会丢失，因此采用这种存储器后可不要备用电池。

3．输入/输出接口电路

输入/输出接口电路又称I/O接口电路或I/O模块，是PLC与外围设备之间的连接部件。PLC通过输入接口电路检测输入设备的状态，以此作为对输出设备控制的依据，同时PLC又通过输出接口电路对输出设备进行控制。

PLC的I/O接口电路能接受的输入和输出信号个数称为PLC的I/O点数。I/O点数是选择PLC的重要依据之一。

PLC外围设备提供或需要的信号电平是多种多样的，而PLC内部CPU只能处理标准电平信号，所以I/O接口电路要能进行电平转换，另外，为了提高PLC的抗干扰能力，I/O接口电路一般采用光电隔离和滤波功能，此外，为了便于了解I/O接口电路的工作状态，I/O接口电路还带有状态指示灯。

（1）输入接口电路

PLC的输入接口电路分为开关量输入接口电路和模拟量输入接口电路，开关量输入接口电路用于接受开关通断信号，模拟量输入接口电路用于接受模拟量信号。模拟量输入接口电路通常采用A/D转换电路，将模拟量信号转换成数字量信号。开关量输入接口电路采用的电路形式较多，根据使用电源不同，可分为内部直流输入接口电路、外部交流输入接口电路和外部直/交流输入接口电路。三种类型开关量输入接口电路如图1-6所示。

图1-6（a）为内部直流输入接口电路，输入接口电路的电源由PLC内部直流电源提供。当闭合输入开关后，有电流流过光电耦合器和指示灯，光电耦合器导通，将输入开关状态送给内部电路，由于光电耦合器内部是通过光线传递，故可以将外部电路与内部电路有效隔离开来，输入指示灯点亮用于指示输入端子有输入。R2、C为滤波电路，用于滤除输入端子窜入的干扰信号，R1为限流电阻。

图1-6（b）为外部交流输入接口电路，输入接口电路的电源由外部的交流电源提供。为了适应交流电源的正负变化，接口电路采用了发光管正负极并联的光电耦合器和指示灯。

图1-6（c）为外部直/交流输入接口电路，输入接口电路的电源由外部的直流或交流电源提供。

（2）输出接口电路

PLC的输出接口电路也分为开关量输出接口电路和模拟量输出接口电路。模拟量输出接口电路通常采用D/A转换电路，将数字量信号转换成模拟量信号，开关量输出接口电路采用的电路形式较多，根据使用的输出开关器件不同可分为：继电器输出接口电路、晶体管输出接口电路和双向晶闸管输出接口电路。三种类型开关量输出接口电路如图1-7所示。

图1-7（a）为继电器输出接口电路，当PLC内部电路产生电流流经继电器KA线圈时，继电器常开触点KA闭合，负载有电流通过。继电器输出接口电路可驱动交流或直流负载，但其响应时间长，动作频率低。

图1-7（b）为晶体管输出接口电路，它采用光电耦合器与晶体管配合使用。晶体管输出接口电路反应速度快，动作频率高，但只能用于驱动直流负载。

图1-7（c）为双向晶闸管输出接口电路，它采用双向晶闸管型光电耦合器，在受光照射时，光电耦合器内部的双向晶闸管可以双向导通。双向晶闸管输出接口电路的响应速度快，动作频率高，用于驱动交流负载。

4．通信接口

PLC配有通信接口，PLC可通过通信接口与监视器、打印机、其他PLC、计算机等设备实现通信。PLC与编程器或写入器连接，可以接收编程器或写入器输入的程序；PLC与打印机连接，可将过程信息、系统参数等打印出来；PLC与人机界面（如触摸屏）连接，可以在人机界面直接操作PLC或监视PLC工作状态；PLC与其他PLC连接，可组成多机系统或连成网络，实现更大规模控制；PLC与计算机连接，可组成多级分布式控制系统，实现控制与管理相结合。

5．扩展接口

为了提升PLC的性能，增强PLC控制功能，可以通过扩展接口给PLC增接一些专用功能模块，如高速计数模块、闭环控制模块、运动控制模块、中断控制模块等。

6．电源

PLC一般采用开关电源供电，与普通电源相比，PLC电源的稳定性好、抗干扰能力强。PLC的电源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%的范围内波动。有些PLC还可以通过端子往外提供直流24V稳压电源。

1.3.3 PLC的工作方式

PLC是一种由程序控制运行的设备，其工作方式与微型计算机不同，微型计算机运行到结束指令END时，程序运行结束。PLC运行程序时，会按顺序依次逐条执行存储器中的程序指令，当执行完最后的指令后，并不会马上停止，而是又重新开始再次执行存储器中的程序，如此周而复始，PLC的这种工作方式称为循环扫描方式。

PLC的工作过程如图1-8所示。

PLC通电后，首先进行系统初始化，将内部电路恢复到起始状态，然后进行自我诊断，检测内部电路是否正常，以确保系统能正常运行，诊断结束后对通信接口进行扫描，若接有外设则与其通信。通信接口无外设或通信完成后，系统开始进行输入采样，检测输入设备（开关、按钮等）的状态，然后根据输入采样结果依次执行用户程序，程序运行结束后对输出进行刷新，即输出程序运行时产生的控制信号。以上过程完成后，系统又返回，重新开始自我诊断，以后不断重复上述过程。

PLC有两个工作状态：RUN（运行）状态和STOP（停止）状态。当PLC工作RUN状态时，系统会完整执行图1-8过程，当PLC工作在STOP状态时，系统不执行用户程序。PLC正常工作时应处于RUN状态，而在编制和修改程序时，应让PLC处于STOP状态。PLC的两种工作状态可通过开关进行切换。

PLC工作在RUN状态时，完整执行图1-8过程所需的时间称为扫描周期，一般为1～100ms。扫描周期与用户程序的长短、指令的种类和CPU执行指令的速度有很大的关系。

1.3.4 用实例说明PLC程序的执行控制过程

PLC的用户程序执行过程很复杂，下面以PLC正转控制线路为例进行说明。图1-9是PLC正转控制线路，为了便于说明，图中画出了PLC内部等效图。

图1-9中PLC内部等效图中的X000、X001、X002称为输入继电器，它由线圈和触点两部分组成，由于线圈与触点都是等效而来，故又称为软线圈和软触点，Y000称为输出继电器，它也包括线圈和触点。PLC内部中间部分为用户程序（梯形图程序），程序形式与继电器控制电路相似，两端相当于电源线，中间为触点和线圈。

用户程序执行过程说明如下：

当按下启动按钮SB1时，输入继电器X000线圈得电（电流途径：24V+→X000线圈→X0接线端子→SB1→COM接线端子→24V-）, X000线圈得电会使用户程序中的X000常开触点闭合，输出继电器Y000线圈得电（左等效电源线→已闭合的X000常开触点→X001常闭触点→Y000线圈→右等效电源线）, Y000线圈得电一方面使用户程序中的Y000常开触点闭合，对Y000线圈供电进行锁定，另一方面使输出端的Y000常开硬触点（实际为继电器的常开触点或晶体管）闭合，接触器KM线圈得电，主电路中的KM主触点闭合，电动机得电运转。

当按下停止按钮SB2时，输入继电器X001线圈得电，它使用户程序中的X001常闭触点断开，输出继电器Y000线圈失电，用户程序中的Y000常开触点断开，解除自锁，另外输出端的Y000常开硬触点断开，接触器KM线圈失电，KM主触点断开，电动机失电停转。

若电动机在运行过程中电流过大，热继电器FR动作，FR触点闭合，输入继电器X002线圈得电，它使用户程序中的X002常闭触点断开，输出继电器Y000线圈失电，输出端的Y000常开硬触点断开，接触器KM线圈失电，KM主触点闭合，电动机失电停转，从而避免电动机长时间过流运行。