PLC应用技术：可编程控制器的结构与工作原理

3．3．1　可编程控制器的基本结构

可编程控制器种类繁多，但其基本结构和工作原理基本相同，PLC的基本结构由中央处理器（CPU）、存储器、输入、输出接口、电源、扩展接口、通信接口、编程接口、智能I／O接口、智能单元等组成。其总体结构图如图3．1所示。

图3．1　可编程控制器的结构框图

（1）CPU（中央处理器）

CPU是整个PLC的运算和控制中心，它在系统程序的控制下，完成各种运算和协调系统内部各部分的工作，相当于大脑和心脏。不同型号的PLC其CPU芯片是不同的，有采用通用CPU的，也有采用厂家自行设计的专用的CPU芯片的。CPU芯片的性能关系到PLC处理控制信号的能力与速度，CPU位数越高，系统处理的信息量越大，运算速度也越快。PLC的功能是随着CPU芯片技术的发展而提高和增强的。

（2）存储器

PLC的存储器包括系统存储器和用户存储器两部分。系统程序存储器的类型是只读存储器（ROM），PLC的操作系统存放在这里，程序由制造商固化，通常不能修改。存储器中的程序负责解释和编译用户编写的程序，监控I／O口的状态，对PLC进行自诊断，扫描PLC中的程序等。

用户存储器包括用户程序存储器（程序区）和功能存储器（数据区）两部分。用户程序存储区存放用户根据实际控制要求或生产工艺流程编写的具体控制程序。不同类型的PLC，其存储容量各不相同。用户功能存储器是用来存放用户程序中使用各种器件的ON／OFF状态／数值数据等，如工作寄存器、内部继电器、定时器、计数器、数据寄存器、变址寄存器等。用户存储器容量的大小，关系到用户程序容量的大小，是反映PLC性能的重要指标之一。

（3）输入、输出接口

PLC的输入、输出信号类型可以是开关量、模拟量和数字量。输入、输出接口是PLC内部弱电信号和工业现场强电信号联系的桥梁。输入、输出接口主要有两个作用：一是利用内部的电隔离电路将工业现场和PLC内部进行隔离，起保护作用；二是调理信号，可以把不同的信号（强电，弱电信号）调理成CPU可以处理的信号。

1）输入接口电路

PLC以开关量顺序控制为特长，其输入电路基本相同，通常分为3种类型，即直流输入型、交流输入型和交直流输入型。外部输入元件可以是触点或传感器。输入电路包括光电隔离和RC滤波器，用于消除输入触点和外部噪声干扰。直流输入方式的电路图如图3．2所示。

图3．2　直流输入接口电路

2）输出接口电路

输出接口电路有三种形式，即继电器输出、晶体管输出和晶闸管输出。如图3．3所示，开关量输出端的负载电源一般由用户提供，输出电流一般不超过2 A。

图3．3　PLC的输出电路图

图3．3（a）为继电器输出，CPU控制继电器线圈的通电或失电，其接点相应闭合或断开，接点再控制外部负载电路的通断。显然，继电器输出型PLC是利用继电器线圈和触点之间的电气隔离，将内部电路与外部电路进行了隔离。图3．3（b）为晶体管输出型。晶体管输出型通过使晶体管截止或饱和导通来控制外部负载电路，它是在PLC内部电路与输出晶体管之间用光耦合器进行隔离。图3．3（c）为晶闸管输出型。晶闸管输出型通过使晶闸管导通或关断来控制外部负载电路，它是在PLC内部电路与输出元件之间用光电晶闸管进行隔离。

在3种输出形式中，以继电器输出型最为常用，但响应时间最长、输出频率较慢，其负载电源可以是直流电源或交流电源。

晶体管输出型的响应时间最短，输出频率较快，其负载电源只能是直流电源。晶闸管输出型的响应速度和输出频率介于两者之间，其负载电源只能是交流电源。

（4）电源

PLC的供电电源一般是市电，有的也用DC24 V电源供电。PLC对电源稳定性要求不高，一般允许电源电压在－15%～＋10%内波动。PLC内部含有一个稳压电源，用于对CPU和I／O单元供电。小型PLC的电源往往和CPU单元合为一体，大中型PLC都有专门的电源单元。有些PLC还有DC24 V输出，用于对外部传感器供电，但输出电流往往只是毫安级。

（5）通信接口

现代PLC一个显著的特点就是具有通信功能，目前主流的PLC一般都具有RS485（或RS232）通信接口，以便连接编程设备、监视器、打印机等外围设备，或连接诸如变频器、温控仪等简单控制设备进行简单的主从式通信，实现“人-机”或“机-机”之间的对话。一些先进的PLC上还具有工业网络通信接口，可以与其他的PLC或计算机相连，组成分布式工业控制系统，实现更大规模的控制，另外还可以与数据库软件相结合，实现控制与管理相结合的综合扩展控制。(www.xing528.com)

（6）扩展接口

扩展接口用于扩展I／O单元的，它使PLC的点数规模配置更为灵活。这种扩展接口实际上为总线形式，可以配接开关量单元，也可配置如模拟量、高速脉冲等单元以及通信适配器等。在大中型PLC中，扩展接口为插槽扩展基板的形式。

（7）编程器接口

PLC本体上通常是不带编程器的，为了能对PLC编程及监控，PLC上专门设置有编程器接口，通过这个接口可以连接各种形式的编程装置，还可以利用此接口做一些监控的工作。

3．3．2　可编程控制器的工作原理

（1）PLC的扫描工作方式

PLC本质上是一台微型计算机，其工作原理与普通计算机基本上是一致的，可以简单地表述为在系统程序的管理下，通过运行应用程序，对控制要求进行处理判断，并通过执行用户程序来实现控制任务。但计算机与PLC的工作方式有所不同，计算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。其具体过程如下：

PLC有运行（RUN）与停止（STOP）两种基本的工作模式。当处于停止工作模式时，PLC只进行内部处理和通信服务等内容。当处于运行工作模式时，PLC要进行内部处理、通信服务、输入处理、程序处理、输出处理，然后按上述过程循环扫描工作。在运行模式下，PLC通过反复执行反映控制要求的用户程序来实现控制功能，为了使PLC的输出及时地响应随时可能变化的输入信号，用户程序不是只执行一次，而是不断地重复执行，直至PLC停机或切换到STOP工作模式。除了执行用户程序之外，在每次循环过程中，PLC还要完成内部处理、通信服务等工作，一次循环可分为5个阶段，如图3．4所示。PLC的这种周而复始的循环工作方式称为扫描工作方式。由于PLC执行指令的速度极高，从外部输入／输出关系来看，处理过程似乎是同时完成的。

图3．4　PLC的基本工作模式

1）内部处理阶段

在内部处理阶段，PLC检查CPU内部的硬件是否正常，将监控定时器复位，以及完成一些其他内部工作。

2）通信服务阶段

在通信服务阶段，PLC与其他的智能装置通信，响应编程器键入的命令，更新编程器的显示内容。当PLC处于停止模式时，只执行以上两个操作；当PLC处于运行模式时，还要完成另外3个阶段的操作。

3）输入处理阶段

输入处理又叫输入采样。在PLC的存储器中，设置了一片区域用来存放输入信号和输出信号的状态，它们分别称为输入映像寄存器和输出映像寄存器。PLC梯形图中的其他软元件也有对应的映像存储区，它们统称为元件映像寄存器。外部输入电路接通时，对应的输入映像寄存器为1状态，梯形图中对应的输入继电器的常开触点接通，常闭触点断开。外部输入触点电路断开时，对应的输入映像寄存器为0状态，梯形图中对应的输入继电器的常开触点断开，常闭触点接通。某一软元件对应的映像寄存器为1状态时，称该软元件为ON；映像寄存器为0状态时，称该软元件为OFF。

在输入处理阶段，PLC顺序读入所有输入端子的通断状态，并将读入的信息存入内存中所对应的输入元件映像寄存器，此时，输入映像寄存器被刷新。接着进入程序执行阶段，在程序执行时，输入映像寄存器与外界隔离，即使输入信号发生变化，其映像寄存器的内容也不会发生变化，只有在下一个扫描周期的输入处理阶段才能被读入。

4）程序处理阶段

根据PLC梯形图程序扫描原则，按“先左后右、先上后下”的顺序，逐行逐句扫描，执行程序。但遇到程序跳转指令，则根据跳转条件是否满足来决定程序的跳转地址。当用户程序涉及输入／输出状态时，PLC从输入映像寄存器中读出取上一阶段输入处理时对应输入端子的状态，从输出映像寄存器读取对应映像寄存器的当前状态，根据用户程序进行逻辑运算，运算结果再存入有关元件寄存器中。因此，对每个元件而言，元件映像寄存器中所寄存（输入映像寄有器除外）的内容会随着程序执行过程而变化。

5）输出处理阶段

在输出处理阶段，CPU将输出映像寄存器的0／1状态传送到输出锁存器。梯形图中某一输出继电器的线圈“通电”时，对应的输出映像寄存器为1状态。信号经输出单元隔离和功率放大后，继电器型输出单元中对应的硬件继电器的线圈通电，其常开触点闭合，使外部负载通电工作。若梯形图中输出继电器的线圈“断电”，对应的输出映像寄存器为0状态，在输出处理阶段之后，继电器型输出单元中对应的硬件继电器的线圈断电，其常开触点断开，外部负载断电，停止工作。

PLC的输入处理、程序处理和输出处理的工作方式如图3．5所示。PLC的扫描既可按固定的顺序进行，也可按用户程序所指定的可变顺序进行。这不仅因为有的程序不需每个扫描周期都执行一次，而且也因为在一些大系统中需要处理的I／O点数较多，通过安排不同的组织模块，采用分时分批扫描的执行方法，可缩短循环扫描的周期和提高控制的实时响应性。

循环扫描的工作方式是PLC的一大特点，也可以说PLC是“串行”工作的，这和传统的继电器控制系统“并行”工作有质的区别。PLC的串行工作方式避免了继电器控制系统中触点竞争和时序失配的问题。

由于PLC是扫描工作的，在程序处理阶段，即使输入信号的状态发生了变化，输入映像寄存器的内容也不会变化，要等到下一周期的输入处理阶段才能改变。暂存在输出映像寄存器中的输出信号要等到一个循环周期结束，CPU集中将这些输出信号全部输送给输出锁存器。由此可以看出，全部输入输出状态的改变，需要一个扫描周期。换言之，输入／输出的状态保持一个扫描周期。