图8-26 PLC的硬件组成
可编程序控制器，简称PLC或PC，其硬件组成如图8-26所示。大量用于大中型袋式除尘器的控制系统中。可编程序控制是20世纪70年代以来，在集成电路、计算机技术基础上发展起来的一种新型工业控制设备。PLC不仅具有逻辑控制功能，而且还增加了数据计算、传送与处理功能，成为具备计算机功能的一种通用工业控制装置，进一步扩大了其应用领域。它的出现使自动化控制进入了一个新时代。它可以取代常规的由继电器、时间继电器等元器件组成的逻辑控制电路，实现生产的自动控制。由于可编程序控制器的灵活性和可扩展性，它很快就被各行业采用。随着微电子技术和计算机技术的发展，微处理器被应用到PLC中，使它更多地具有计算机的功能。现在，PLC已作为通用的自动控制设备，可以应用于单一机电设备的控制，也可以用于工艺过程的控制，而且控制的精度和可行性相当高。传统的顺序控制器和硬件接线的数字逻辑等，正在被可编程序控制器所代替。
1.PLC的分类
通常各类PLC产品可按结构型式、I/O点数以及具备的功能3方面进行分类：
1）按结构型式分类可分为整体式和模块式两类：
①整体式PLC又称单元式或箱体式PLC。将电源、CPU存储器及I/O等各个功能部分集中在一个机壳内，通常将它称为PLC主机或基本单元。其特点是结构紧凑、体积小和价格低，小型PLC多采用这种结构。
整体式PLC一般还配备有扩展单元、各种特殊功能模块，使其功能得到扩大。
②模块式PLC又称积木式PLC。它是将构成PLC的各个部分按功能做成独立模块，如电源模块、CPU模块、I/O模块、各个功能模块，然后安装同一底板或框架上。其特点是配置灵活、装配维护方便，一般大、中型PLC多采用这种结构型式。
此外也有将整体式结合起来称为叠装式PLC，其配置更为灵活。
2）按I/O点数和存储容量分类一般处理I/O点数比较多时，控制关系相对就比较复杂，用户程序存储器容量设置相应也较大，要求PLC的指令及其他功能比较多，指令执行速度相应较快，按此要求通常PLC可分为小、中、大3个等级。
①小型PLC I/O点数在256点以下，存储器容量2K步，可用于逻辑控制、定时、计算、顺序控制等场合。部分小型PLC还带有模拟处理、数据通信处理和算术运算功能，其应用范围更广。
②中型PLC I/O点数在256～2048点之间，存储容量达2～8K步，具有逻辑运算、算术运算、数据传送、中断、数据通信、模拟量处理等功能。用于开关量、数字量与模拟量混合控制的较复杂控制系统。
③大型PLC I/O点数在2048点以上，存储容量达8K步以上。具有数据运算、模拟调节、连网通信、监视记录、打印等功能，能进行中断、智能控制、远程控制。可用于大规模过程控制，也可构成分布式或控制网络以及整个烟气处理系统自动化网络控制。
3）按功能划分PLC的应用范围很广，其功能、价格、程度差异很大。按此可分为低档机、中档机和高档机3大类：
①低档机具备微型、小型PLC功能，主要用于逻辑控制、顺序控制或少量模拟量控制的单机控制系统。
②中档机除具有低档机功能外，还有较强的模拟量处理、数据运算、远程I/O及连网通信等功能。有些还增设中断控制、PLC控制等功能，适用于复杂控制系统。
③高档机除具有中档机功能外，还增设有带符号算术运算、矩阵运算、位逻辑运算、二次方根运算以及其他特殊功能运算和制表、表格传送等功能。高档机具有更强的通信连网能力，可用于大规模过程控制或构成分布式网络控制系统。
2.PLC的硬件组成
PLC大都采用模块式结构，它由微处理器模块（CPU）、电源模块、输入/输出模块及其他用途的特殊模块组成，它们通常被安装在一个机架中。PLC的外形结构如图8-27所示。
图8-27 PLC的基本构成框图
图8-28 扫描工作过程
3.可编程控制器工作原理(www.xing528.com)
（1）扫描工作方式 所谓扫描工作方式，即中央处理器（CPU）从程序段的第一句开始，顺序读取顺序执行，直到最后一句。PLC采用循环扫描工作方式连续执行用户程序、完成控制功能。
PLC的CPU执行有5个阶段。内部处理、与编程器等的通信处理、输入采样、程序执行、输出处理，其工作过程如图8-28所示。我们称其为一个扫描周期，PLC完成一个周期后，又重新执行上述过程，扫描过程周而复始地进行。
对于不同型号的PLC，图中的扫描过程中各步的顺序可能有所不同，这是由PLC内部的系统程序决定的。当PLC方式开关置于运行（RUN）时，执行所有阶段；当方式开关置于停止（STOP）时，不执行后3个阶段，此时可进行通信处理，如对PLC连机或离线编程。
（2）可编程序控制器工作过程（见图8-29）
1）内部处理：在这一阶段，CPU检测主机硬件，同时也检查所有I/O模块的状态。在RUN模式下，还检测用户程序存储器。如果发现异常，则停机并显示出错，若自诊断正常，继续向下扫描。
图8-29 PLC运行流程
2）通信处理：在CPU扫描周期的信息处理阶段，CPU自动检测并处理各通信端口接收到的任何信息。即检查是否有编程器、计算机等的通信请求，若有则进行相应处理，在这一阶段完成数据通信任务。
3）输入采样：在这一阶段，对各数字量输入点的当前状态进行输入扫描，并将各扫描结果分别写入对应的映像寄存器中。
4）用户程序：在PLC中，用户程序按先后顺序存放。在这一阶段，CPU从第一条指令开始顺序取指令并执行，直到最后一条指令结束。执行指令时从映像寄存器中读取各输入点的状态，每条指令的执行是对各数据进行算术或逻辑运算，然后将运算结果送到输出映像寄存器中。执行用户程序的过程与计算机基本相同。
5）输出处理：在本阶段，CPU输出映像寄存器中的数据，并几乎同时集中对输出点进行刷新，通过输出部件，转换成被控设备所能接受的电压或电流信号，以驱动被控设备。
扫描周期长短主要取决于程序的长短，它对于一般工业设备通常没有什么影响。但对控制时间要求较严格、响应速度要求快的系统，为减少扫描周期造成的响应延时等不良影响，一般在编程时对扫描周期精确计算，并尽量缩短和优化程序代码。
（3）循环扫描工作过程特点 扫描工作方式PLC工作的主要特点是输入信号集中批处理，执行过程集中批处理，输出控制也集中批处理。PLC的这种“串行”工作方式，可以避免继电器、接触器控制系统中触点竞争和时序失配的问题。这是PLC可靠性高的原因之一，但是又导致输出对输入在时间上的滞后，是PLC的缺点。
PLC在执行程序时所用到的状态值不是直接从实际输入口获得的，而是来源于输入映像寄存器和输出映像寄存器。输入映像寄存器的状态值，取决于上一扫描周期从输入端子中采样取得的数据，并在程序执行阶段保持不变。输出映像寄存器中的状态值，取决于执行程序输出指令的结果。输出锁存器中的状态值是上一个扫描周期的刷新阶段从输出映像寄存器转入的。
此外在PLC中，常采用一种被称为“看门狗”（Watchdog）的定时监视器来监视PLC的实际工作周期是否超出预定的时间，以避免PLC在执行程序过程中进入死循环，或PLC执行非预定的程序而造成系统的瘫痪。
4.可编程序控制器软件
可编程序控制器的软件分为两大部分：系统软件与用户程序。系统软件由PLC制造商固化在机内，用以控制可编程序控制器本身的运作。用户程序由可编程序控制器的使用者编制并输入，用于控制外部对象的运行。
（1）系统软件 系统软件又可分为系统管理程序、用户指令解释程序及标准程序模块和系统调用。
1）系统管理程序：系统管理程序是系统软件中最重要的部分，主管控制可编程序控制器的运作，其作用包括如下3个方面。一是运行管理，对控制可编程序控制器何时输入、何时输出、何时计算、何时自检、何时通信等做时间上的分配管理。二是存储空间管理，即生成用户环境，由它规定各种参数、程序的存放地址，将用户使用的数据参数、存储地址转化为实际的数据格式及物理存放地址，将有限的资源变为用户可以很方便地直接使用的元件。例如，它可将有限个数的CTC扩展为上百个用户时钟和计数器。通过这部分程序，用户看到的就不是实际机器存储地址和CTC的地址了，而是按照用户数据结构排列的元件空间和程序存储空间。三是系统自检程序，它包括各种系统出错检验、用户程序语法检验、句法检验、警戒时钟运行等。
可编程序控制器正是在系统管理程序的控制下，按部就班地工作的。
2）用户指令解释程序：众所周知，任何计算机最终都是执行机器语言指令。但用机器语言编程却是非常复杂的事情。可编程序控制器可用梯形图语言编程，把使用者直观易懂的梯形图变成机器懂得的机器语言，这就是解释程序的任务。解释程序将梯形图逐条解释，翻译成相应的机器语言指令，由CPU执行这些指令。
3）标准程序模块和系统调用：这部分由许多独立的程序块组成，各程序块完成不同的功能，有些完成输入、输出处理，有些完成特殊运算等。可编程序控制器的各种具体工作都是由这部分程序来完成的。这部分程序的多少决定了可编程序控制器性能的强弱。
整个系统软件是一个整体，其质量的好坏很大程度上影响可编程序控制器的性能。很多情况下，通过改进系统软件就可在不增加任何设备的条件下大大改善可编程序控制器的性能，因此，可编程序控制器的生产厂家对可编程序控制器的系统软件都非常重视，例如，S7-200系列PLC在推出后，西门子公司不断地将其系统软件进行改进完善，使其功能越来越强。
（2）用户程序 用户程序是可编程序控制器的使用者针对具体控制对象编制的程序。在小型可编程序控制器中，用户程序有3种形式；语句表（STL）、梯形图（LAD）和顺序功能流程图（SFC）。
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