的基本结构及工作原理

5.2.1 PLC的基本结构

PLC是以微处理器为核心用作工业控制的专用计算机，不同类型的PLC结构和工作原理都大致相同，硬件结构与微机相似。其基本结构如图5-2所示。

图5-2 PLC的基本结构

由图5-2可以看出，PLC采用了典型的计算机结构，主要包括中央处理单元(CPU)、存储器(RAM和ROM)、输入/输出接口电路、编程器、电源、I/O扩展口、外部设备接口等。其内部采用总线结构进行数据和指令的传输。PLC系统由输入变量、PLC、输出变量组成。外部的各种开关信号、模拟信号以及传感器检测的各种信号均作为PLC的输入变量，它们经PLC外部输入端子输入到内部寄存器中，经PLC内部逻辑运算或其他各种运算处理后送到输出端子，作为PLC的输出变量对外围设备进行各种控制。另外PLC主机内各部分之间均通过总线连接。总线分为电源总线、控制总线、地址总线和数据总线。各部件的作用如下。

1. CPU

CPU是PLC的核心，主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，还包括外围芯片、总线接口及有关电路。CPU起着总指挥的作用，是PLC的运算和控制中心。它主要完成以下功能。

(1)在系统程序的控制下，①诊断电源、PLC内部电路工作状态;②接收、诊断并存储从编程器输入的用户程序和数据;③用扫描方式接收现场输入装置的状态或数据，并存入输入映像寄存器或数据寄存器。

(2)在PLC进入运行状态后，①从存储器中逐条读取用户程序;②按指令规定的任务，产生相应的控制信号，去启闭有关控制电路，分时分渠道地去执行数据的存取、传送、组合、比较和变换等动作;③完成用户程序中规定的逻辑或算术运算等任务。

(3)根据运算结果，①更新有关标志位的状态和输出映像寄存器的内容;②实现输出控制、制表、打印或数据通信等。

PLC常用的CPU主要采用通用微处理器、单片机或双极型位片式微处理器。其中单片机型比较常见，如8031、8096等。其发展趋势是芯片的工作速度越来越快，位数越来越多(有8位、16位、32位、48位等)，RAM的容量越来越大，集成度越来越高，为了进一步提高PLC的可靠性，对一些大型PLC还采用双CPU构成冗余系统或采用三CPU的表决式系统。这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。另外，CPU速度和内存容量是PLC的重要参数，它们决定着PLC的工作速度、I/O数量及软件容量等，因此影响着控制规模。

2.存储器

存储器(简称内存)，是具有记忆功能的半导体电路，用来存放系统程序、用户程序、逻辑变量和其他一些信息。

PLC配有系统程序存储器和用户程序存储器，分别用以存储系统程序和用户程序。系统程序存储器用来存储监控程序、模块化应用功能子程序和各种系统参数等，一般使用EPROM，包括数据表寄存器和高速暂存存储器;用户程序存储器用作存放用户编制的梯形图等程序，一般使用RAM，若程序不经常修改，也可写入到EPROM中;存储器的容量以字节为单位。系统程序存储器的内容不能由用户直接存取。因此一般在产品样本中所列的存储器型号和容量，均是指用户程序存储器。

3. I/O接口模块

PLC与电气回路的接口，是通过输入/输出部分(I/O)完成的。I/O接口是PLC与外围设备传递信息的窗口。PLC通过输入接口电路将各种主令电器、检测元件输出的开关量或模拟量通过滤波、光电隔离、电平转换等处理转换成CPU能接收和处理的信号。输出接口电路是将CPU送出的弱电控制信号通过光电隔离、功率放大等处理转换成现场需要的强电信号输出，以驱动被控设备(如继电器、接触器、指示灯等)。I/O模块可以制成各种标准模块，根据输入、输出点数来增减和组合，还配有各种发光二极管来指示各种运行状态，根据输入输出量不同可分为开关量输入(DI)、开关量输出(DO)、模拟量输入(AI)、模拟量输出(AO)等模块。

1)输入接口电路

输入接口电路是将现场输入设备的控制信号转换成CPU能够处理的标准数字信号。其输入端采用光电耦合电路，可以大大减少电磁干扰。

2)输出接口电路

输出接口电路采用光电耦合电路，将CPU处理过的信号转换成现场需要的强电信号输出，以驱动接触器、电磁阀等外部设备的通断电，有继电器输出型、晶闸管输出型、晶体管输出型3种类型。

3) I/O模块的外部接线方式

I/O模块的外部接线方式根据公共点使用情况不同分为汇点式、分组式和分隔式3种。一般常用分组式，其I/O点分为若干组，每组的I/O电路有一个公共点，它们共用一个电源。各组之间是分隔开的，可以分别使用不同的电源，如图5-3所示。

图中X0、X1、X2等是PLC内部与输入端子相连的输入继电器，每个输入继电器与一个输入端子(输入元件，如行程开关、转换开关、按钮开关、传感器等)相连，通过输入端子收集输入设备的信息或操作指令。图中输出部分的Y0、Y1、Y2等均为PLC内部与输出端子相连的输出继电器，用于驱动外部负载。PLC控制系统常用的外部执行元件有电磁阀、继电器线圈、接触器线圈、信号灯等。其驱动电源可由PLC的电源组件提供(如直流24V)，也有用独立的交流电源(如交流220V)供给的。

图5-3 I/O模块的外部接线示意图

4.电源

PLC电源是指将外部的交流电经过整流、滤波、稳压转换成满足PLC中CPU、存储器、输入/输出接口等内部电路工作所需要的直流电源或电源模块。许多PLC的直流电源采用直流开关稳压电源，不仅可以提供多路独立的电压供内部电路使用，而且还可为输入设备提供标准电源。为避免电源干扰，输入、输出接口电路的电源回路彼此相互独立。电源输入类型有:交流电源(220V或110V)、直流电源(常用的为24V)。

5.编程工具

编程器用作用户程序的编制、编辑、调试和监视，还可以通过其键盘去调用和显示PLC的一些内部状态和系统参数，它经过接口与CPU联系，完成人机对话。编程工具分两种:一种是手持编程器，只需通过编程电缆与PLC相接即可使用;另一种是带有PLC专用工具软件的计算机，它通过RS－232通信口与PLC连接，若PLC用的是RS－422通信口，则需另加适配器。

5.2.2 PLC的工作原理

1.PLC工作方式

PLC虽然以CPU为核心，结构类似微机，但它的工作方式却与微机有很大不同。微机一般采用等待命令的工作方式，而PLC则采用循环扫描的工作方式。所谓循环扫描工作方式，是指在PLC上电后，在系统程序的监控下，周而复始地按固定顺序对系统内部的各种任务进行查询、判断和执行。实际上是一个不断循环的顺序扫描过程，一个循环扫描过程称为一个扫描周期，大约几十到几百毫秒。一个完整的工作过程主要分为3个阶段(如图5-4所示)。

1)输入采样阶段

CPU扫描所有的输入端口，读取其状态并写入输入状态寄存器。完成输入端采样后，关闭输入端口，转入程序执行阶段。在程序执行期间无论输入端状态如何变化，输入状态寄存器的内容不会改变，直到下一个扫描周期。

2)执行用户程序阶段

在执行用户程序阶段，根据用户输入的程序，从第一条开始逐条执行，并将相应的逻辑运算结果存入对应的内部辅助寄存器和输出状态寄存器。当最后一条控制程序执行完毕后，即转入输出刷新阶段。

3)输出刷新阶段

在所有指令执行完毕后，将输出状态寄存器中的内容依次送到输出锁存电路，通过一定方式输出，驱动外部负载，形成PLC的实际输出。

输入采样、执行用户程序和输出刷新3个阶段构成PLC一个循环工作周期。

图5-4 PLC的扫描工作过程

2.PLC工作原理

下面结合图5-5简要说明PLC工作原理。PLC内部没有传统的实体继电器，仅是一个逻辑概念，因此被称为“软继电器”。这些“软继电器”实质上是由程序的软件功能实现的存储器，它有“1”和“0”两种状态，对应于实体继电器线圈的“ON”(接通)和“OFF”(断开)状态。在编程时，“软继电器”可向PLC提供无数常开(动合)触点和常闭(动断)触点。

图5-5 PLC的工作原理示意图

PLC进入工作状态后，首先通过其输入端子，将外部输入设备的状态收集并存入对应的输入继电器，如图中的X0就是对应于按钮SB的输入继电器，当按钮被按下时，X0被写入“1”，当按钮被松开时，X0被写入“0”，并由此时写入的值来决定程序中X0触点的状态。输入信号采集后，CPU会结合输入的状态，根据语句排序逐步进行逻辑运算，产生确定的输出信息，再将其送到输出部分，从而控制执行元件动作。

在图5-5中，若SB按下，SQ未被压动，则X0被写入“1”，X1被写入“0”，则程序中出现的X0的常开触点合上，而X1的常开触点仍然是断开状态。由此在进行程序运算时，输出继电器Y0运算得“1”，而Y1运算得“0”。最终，外部执行元件中，接触器线圈KM1得电，而指示灯HL不亮。关于PLC的工作机制，需要注意以下两点。

(1)扫描周期的长短主要取决于以下几个因素:一是CPU执行指令的速度;二是执行每条指令占用的时间;三是程序中指令条数的多少。显然，程序越长，扫描周期越长，响应速度越慢。

(2)PLC输入端子的状态改变要到下一个循环周期才能反映出来，被称为输入/输出滞后现象。这在一定程度上降低了系统的响应速度，但对于一般的开关量控制系统来说是允许的，这不但不会造成不利影响，反而可以增强系统的抗干扰能力。因为输入采样只在输入刷新阶段进行，PLC在一个工作周期的大部分时间是与外设隔离的。而工业现场的干扰常常是脉冲式的、短时的，由于系统响应慢，要几个扫描周期才响应一次，因瞬时干扰而引起的误动作就会减少，从而提高了它的抗干扰能力。但是对一些快速响应系统则不利，这就要求精心编制程序，必要时采用一些特殊功能，以减少因扫描周期造成的响应滞后。