PLC的工作原理及应用

图12-6为PLC的整机工作原理示意图，可以看到，PLC可以划分成CPU模块、存储器、通信接口、基本I/O接口、电源五部分。

控制及传感部件发出的状态信息和控制指令通过输入接口（I/O接口）送入到存储器的工作数据存储器中。在CPU控制器的控制下，这些数据信息会从工作数据存储器中调入CPU的寄存器，与PLC认可的编译程序结合，由运算器进行数据分析、运算和处理。最终，将运算结果或控制指令通过输出接口传送给继电器、电磁阀、指示灯、蜂鸣器、电磁线圈、电动机等外部设备及功能部件。这些外部设备及功能部件即会执行相应的工作。

图12-4 输入/输出接口电路板的结构

图12-5 电源电路板的结构

1.CPU

CPU（中央处理器）是PLC的控制核心，它主要由控制器、运算器和寄存器三部分构成。通过数据总线、控制总线和地址总线与其内部存储器及I/O接口相连。

图12-6 PLC的整机工作原理示意图

CPU的性能决定了PLC的整体性能。不同的PLC配有不同的CPU，其主要作用是接收、存储由编程器输入的用户程序和数据，对用户程序进行检查、校验、编译，并执行用户程序。

2.存储器

PLC的存储器一般分为系统程序存储器、用户程序存储器和工作数据存储器。其中，系统程序存储器为只读存储器（ROM），用于存储系统程序。系统程序是由PLC制造厂商设计编写的，用户不能直接读写和更改。一般包括系统诊断程序、输入处理程序、编译程序、信息传送程序、监控程序等。

用户程序存储器为随机存储器（RAM），用于存储用户程序。用户程序是用户根据控制要求，按系统程序允许的编程规则，用厂家提供的编程语言编写的程序。

当用户编写的程序存入后，CPU会向存储器发出控制指令，从系统程序存储器中调用解释程序将用户编写的程序进行进一步的编译，使之成为PLC认可的编译程序，如图12-7所示。

工作数据存储器也为随机存储器（RAM），用来存储工作过程中的指令信息和数据。

3.通信接口

通信接口通过编程电缆与编程设备（计算机）连接或PLC与PLC之间连接，如图12-8所示，计算机通过编程电缆对PLC进行编程、调试、监视、试验和记录。

4.基本I/O接口

基本I/O接口是PLC与外部各设备联系的桥梁，可以分为PLC输入接口和PLC输出接口两种。

（1）输入接口

输入接口主要为输入信号采集部分，其作用是将被控对象的各种控制信息及操作命令转换成PLC输入信号，然后送给CPU的运算控制电路部分。

PLC的输入接口根据输入端电源类型不同主要有直流输入接口和交流输入接口两种，如图12-9所示，可以看到，PLC外接的各种按钮、操作开关等提供的开关信号作为输入信号经输入接线端子后送至PLC内部接口电路（电阻器、电容器、发光二极管、光电耦合器等构成），在接口电路部分进行滤波、光电隔离、电平转换等处理，将各种开关信号变为CPU能够接收和处理的标准信号（图中只画出对应于一个输入点的输入电路，各个输入点所对应的输入电路均相同）。

图12-7 用户程序的写入、编译

图12-8 PLC通信接口的连接

图12-9 PLC的输入接口部分

在图12-10a中，PLC输入接口电路部分主要由电阻器R₁、R₂、电容器C、光耦合器IC、发光二极管LED等构成。其中R₁为限流电阻、R₂与C构成滤波电路，用于滤除输入信号中的高频干扰；光耦合器起到光电隔离的作用，防止现场的强电干扰进入PLC中；发光二极管用于显示输入点的状态。

在图12-10b中，交流输入电路中，电容器C₂用于隔离交流强电中的直流分量，防止强电干扰损坏PLC。另外，光耦合器内部为两个方向相反的发光二极管，任意一个发光二极管导通都可以使光耦合器中光敏三极管导通并输出相应信号。状态指示灯也采用了两个反向并联的发光二极管，光耦合器中任意一只二极管导通都能使状态指示灯点亮（直流输入电路也可以采用该结构，外接直流电源时可不用考虑极性）。

【资料】(www.xing528.com)

PLC输入接口及相关电路的工作过程如图12-10所示。以图12-10a为例，可以看到，当按下PLC外接开关部件（按钮SB1）时，PLC内光耦合器导通，发光二极管LED点亮，用以指示开关部件SB1处于闭合状态。此时，光耦合器输出端输出高电平，该高电平信号送至内部电路中。CPU识别该信号时将用户程序中对应的输入断电器触点置1。

相反，当按钮SB1断开时，光耦合器不导通，发光二极管不亮，CPU识别该信号时将用户程序中对应的输入断电器触点置0。

图12-10 PLC输入接口及相关电路的工作过程

（2）输出接口

输出接口即开关量的输出单元，由PLC输出接口电路、连接端子和外部设备及功能部件构成，CPU完成的运算结果由该电路提供给被控负载，用以完成PLC主机与工业设备或生产机械之间的信息交换。

当PLC内部电路输出的控制信号，经输出接口电路（光耦合器、三极管或晶闸管或继电器、电阻器等构成）、PLC输出接线端子后，送至外接的执行部件，用以输出开关量信号，控制外接设备或功能部件的状态。

PLC的输出电路根据输出接口所用开关器件不同，主要有三极管输出接口、晶闸管输出接口和继电器输出接口三种。

①三极管输出接口。图12-11所示为三极管输出接口，它主要是由光耦合器IC、状态指示灯LED、输出三极管VT、保护二极管VD、熔断器FU等构成的。其中，熔断器FU用于防止PLC外接设备或功能部件短路时损坏PLC（图中只画出对应于一个输出点的输出接口，各个输出点所对应的输出接口均相同）。

图12-11 三极管输出接口

【资料】

PLC三极管输出接口及相关电路的工作过程如图12-12所示，可以看到，PLC内部接收到输入接口的开关量信号，使对应于三极管VT的内部继电器为1，相应输出继电器得电，所对应输出电路的光耦合器导通，从而使三极管VT导通，PLC外部设备或功能部件得电，同时状态指示灯LED点亮，表示当前该输出点状态为1。

图12-12 PLC三极管输出接口及相关电路的工作过程

②晶闸管输出接口。图12-13所示为晶闸管输出接口，它主要是由光耦合器IC、状态指示灯LED、双向晶闸管VS、保护二极管VD、熔断器FU等构成的。

③继电器输出接口。图12-14所示为继电器输出接口，它主要是由继电器K、状态指示灯LED等构成的。

图12-13 晶闸管输出接口

图12-14 继电器输出接口

【注意】

采用双向晶闸管和继电器的PLC输出接口电路中，具体的工作过程与图12-12基本相同，可参考分析和介绍，这里不再重复。

5.电源

PLC内部配有一个专用开关式稳压电源，始终为各部分电路提供工作所需的电压，确保PLC工作的顺利进行。

PLC电源部分主要是将外加的交流电压或直流电压转换成微处理器、存储器、I/O电路等部分所需要的工作电压。图12-15为PLC电源电路工作过程示意图。

图12-15 PLC电源电路的工作过程示意图

【资料】

不同型号或品牌的PLC供电方式也有所不同，有些采用直流电源（5V、12V、24V），有些采用交流电源供电（220V/110V）。目前，采用交流电源（220V/110V）供电的PLC较多，该类PLC内置开关式稳压电源，将交流电压进行整流、滤波、稳压处理后，转换为满足PLC内部微处理器、存储器、I/O电路等所需的工作电压。另外，有些PLC可向外部输出24V的直流电压，可为输入电路外接的开关部件或传感部件供电。