可编程序控制器（PLC）的工作机制解析

1.PLC的硬件组成及内部结构

PLC系统硬件组成如图11-12所示，内部结构如图11-13所示。PLC的基本组成与一般的微机系统类似，是一种以微处理器为核心的、用于控制的特殊计算机。PLC的基本组成包括硬件与软件两部分。

图11-12 PLC系统硬件组成

1）PLC的硬件：中央处理器（CPU）、存储器、输入接口、输出接口、通信接口、电源等。

2）PLC的软件：系统程序和用户程序。

2.PLC工作过程概述

可编程序控制器是在其硬件的支持下，通过执行反映控制要求的用户程序来完成控制任务的。这与计算机的工作原理是一致的。但如果单纯像计算机那样工作，从头到尾顺序的执行用户程序是不能完全体现控制要求的。主要原因是原来电气控制系统工作时，各被控电气是并行关系，当使用程序进行控制时，各被控电气的动作是串行关系。

图11-13 PLC系统内部结构

由于可编程序控制器不能只顺序的执行程序就可达到控制要求，因此，采用对整个程序循环执行的工作方式，即循环扫描，也就是用户程序执行完一次后，又返回去执行第二次、第三次等直至停机。图11-14所示为PLC系统周期循环扫描的工作原理。

可通过编程器或其他输入设备将用户程序输入并储存在PLC的用户存储器中。当PLC开始运行时，CPU根据系统监控程序的规定顺序扫描，完成各输入点的状态或输入数据的采集、用户程序的执行、各输出点的更新、编程器键入响应及显示更新等功能。

图11-14 PLC系统周期循环扫描的工作原理

3.可编程序控制器扫描工作过程

PLC的扫描工作过程分为三个阶段，即输入采样阶段、程序执行阶段和输出刷新阶段。由这三个阶段构成PLC的一个扫描周期。在每一个循环扫描周期内，定时将现场全部有关信息采集到控制器中，储存在系统准备好的一定区域——随机存储器的某一地址区，称为输入映像区。执行用户程序所需的现场信息都从输入映像区中调用，而不直接到外设调取。同样，对被控对象的控制信息，也不采用形成一个就去输出改变一个的控制方法，而是先把它们储存在随机存储器的某一个特定区域，称为输出映像区。当扫描结束后，将所存被控对象的控制信息集中输出，改变被控对象状态。那些在一个扫描周期内没有发生变化的变量状态，就输出一个与前一个周期同样的信息，不引起外设的变化。输入映像区和输出映像区统称I/O映像区。

（1）输入采样阶段 在输入采样阶段，PLC以扫描方式顺序读入所有输入端的状态，并存入内存中各对应输入映像区相应的寄存器，接着进入程序执行阶段。在非输入采样阶段，无论输入状态如何变化，输入映像寄存器的内容保持不变，直到进入下一个扫描周期的输入采样阶段，才会重新读入输入端的新内容。(www.xing528.com)

（2）程序执行阶段 在程序执行阶段，根据PLC梯形图程序扫描原则，PLC按梯形图控制逻辑先左后右、先上后下的顺序扫描并执行。若遇到跳转指令，则根据跳转条件是否满足来决定程序的走向。若指令中的元件为输出元件号，则用当时输出映像寄存器的状态值进行计算。若程序的结果为输出元件，则将运算结果写入输出映像寄存器。对于元件映像寄存器来说，每一个元件会随着程序执行的进程而变化。

（1）输出刷新阶段 在所有程序执行完毕后，输出映像寄存器中所有输出继电器的状态在输出刷新阶段均被转存到输出锁存器中，并通过一定方式输出，从而驱动相应外设。

只要PLC处在RUN状态，它就反复的循环工作。PLC的扫描周期也就是PLC完成一个完整的工作周期，即从读入输入状态到发出输出信号所用的时间。它与程序的步数、时钟频率以及所用指令的执行时间有关。一般输入采样阶段和输出刷新阶段只需要1～2ms，所以扫描时间主要由用户程序的执行时间决定。

4.PLC对输入/输出的处理

根据PLC的工作特点，PLC在输入/输出方面应遵守：

1）输入映像寄存器的数据取决于输入端子板上各输入点在上一个刷新期间的接通/断开的状态。

2）程序的执行取决于用户所编程序和输入/输出映像寄存器的内容及其他各元件映像寄存器的内容。

3）输出映像寄存器的数据取决于输出指令的执行结果。

4）输出锁存器中的数据由上一次输出刷新期间输出映像寄存器中的数据决定。

5）输出端子的接通/断开状态由输出锁存器决定。

5.PLC编程语言

可编程序控制器（PLC）的控制既要有硬件，又要有软件，目前常用的PLC编程语言有以下四种：梯形图编程语言、指令语句表编程语言、功能图编程语言和高级编程功能语言，梯形图语言是目前常用的基本程序设计语言。

图11-15所示是常见电动机起停自保持控制回路。其中SB1为起动按钮，SB2为停止按钮，KH为热继电器。

图11-15 电动机起停自保控制回路

可以形象地认为，在PLC内部有一个软继电器区，梯形图中的常开点（用来表示）及常闭点（用来表示）分别受控与外部输入接点的闭合和断开，且和输出线圈（用表示）组成内部逻辑控制回路。外部信号通过输入接口（Input）传递至PLC内部，PLC通过周期性扫描和运算，控制内部回路输出指令性电信号，并通过输出接口（Output）输出，进而控制输出继电器接通或断开，在此例中即电动机起动或停止。实际各种控制回路的梯形图较此例复杂，由于篇幅所限，此处就不再详细说明了。