1.2　PLC的結(jié)構(gòu)和工作原理

1.2.1　PLC的硬件組成

可編程序控制器種類繁多，但其基本結(jié)構(gòu)和工作原理相同?？删幊绦蚩刂破鞯墓δ芙Y(jié)構(gòu)區(qū)由CPU（中央處理器）、存儲器和輸入接口/輸出接口三部分組成，如圖1-1所示。

1.2.1.1　CPU（中央處理器）

CPU的功能是完成PLC內(nèi)所有的控制和監(jiān)視操作。中央處理器一般由控制器、運算器和寄存器組成。CPU通過數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線與存儲器、輸入輸出接口電路連接。

1.2.1.2　存儲器

在PLC中使用兩種類型的存儲器：一種是只讀類型的存儲器，如EPROM和EEPROM，另一種是可讀/寫的隨機(jī)存儲器RAM。PLC的存儲器分為5個區(qū)域，如圖1-2所示。

程序存儲器的類型是只讀存儲器（ROM），PLC的操作系統(tǒng)存放在這里，程序由制造商固化，通常不能修改。存儲器中的程序負(fù)責(zé)解釋和編譯用戶編寫的程序、監(jiān)控I/O口的狀態(tài)、對PLC進(jìn)行自診斷以及掃描PLC中的程序等。系統(tǒng)存儲器屬于隨機(jī)存儲器（RAM），主要用于存儲中間計算結(jié)果和數(shù)據(jù)、系統(tǒng)管理，有的PLC廠家用系統(tǒng)存儲器存儲一些系統(tǒng)信息如錯誤代碼等，系統(tǒng)存儲器不對用戶開放。I/O狀態(tài)存儲器屬于隨機(jī)存儲器，用于存儲I/O裝置的狀態(tài)信息，每個輸入接口和輸出接口都在I/O映像表中分配一個地址，而且這個地址是唯一的。數(shù)據(jù)存儲器屬于隨機(jī)存儲器，主要用于數(shù)據(jù)處理功能，為計數(shù)器、定時器、算術(shù)計算和過程參數(shù)提供數(shù)據(jù)存儲。有的廠家將數(shù)據(jù)存儲器細(xì)分為固定數(shù)據(jù)存儲器和可變數(shù)據(jù)存儲器。用戶編程存儲器，其類型可以是隨機(jī)存儲器、可擦除存儲器（EPROM）和電擦除存儲器（EEPROM），高檔的PLC還可以用FLASH。用戶編程存儲器主要用于存放用戶編寫的程序。存儲器的關(guān)系如圖1-3所示。

只讀存儲器可以用來存放系統(tǒng)程序，PLC斷電后再上電，系統(tǒng)內(nèi)容不變且重新執(zhí)行。只讀存儲器也可用來固化用戶程序和一些重要參數(shù)，以免因偶然操作失誤而造成程序和數(shù)據(jù)的破壞或丟失。隨機(jī)存儲器中一般存放用戶程序和系統(tǒng)參數(shù)。當(dāng)PLC處于編程工作時，CPU從RAM中取指令并執(zhí)行。用戶程序執(zhí)行過程中產(chǎn)生的中間結(jié)果也在RAM中暫時存放。RAM通常由CMOS型集成電路組成，功耗小，但斷電時內(nèi)容消失，所以一般使用大電容或后備鋰電池保證掉電后PLC的內(nèi)容在一定時間內(nèi)不丟失。

1.2.1.3　輸入/輸出接口

PLC的輸入和輸出信號可以是開關(guān)量或模擬量。輸入/輸出接口是PLC內(nèi)部弱電（low power）信號和工業(yè)現(xiàn)場強電（high power）信號聯(lián)系的橋梁。輸入/輸出接口主要有兩個作用：一是利用內(nèi)部的電隔離電路將工業(yè)現(xiàn)場和PLC內(nèi)部進(jìn)行隔離，起保護(hù)作用；二是調(diào)理信號，可以把不同的信號（如強電、弱電信號）調(diào)理成CPU可以處理的信號（5V、3.3V或2.7V等），如圖1-4所示。

輸入/輸出接口模塊是PLC系統(tǒng)中最大的部分，輸入/輸出接口模塊通常需要電源，輸入電路的電源可以由外部提供，對于模塊化的PLC還需要背板（安裝機(jī)架）。

（1）輸入接口電路

①輸入接口電路的組成和作用　輸入接口電路由接線端子、輸入調(diào)理和電平轉(zhuǎn)換電路、模塊狀態(tài)顯示、電隔離電路和多路選擇開關(guān)模塊組成，如圖1-5所示?，F(xiàn)場的信號必須連接在輸入端子才可能將信號輸入到CPU中，它提供了外部信號輸入的物理接口；調(diào)理和電平轉(zhuǎn)換電路十分重要，可以將工業(yè)現(xiàn)場的信號（如強電AC 220V信號）轉(zhuǎn)化成電信號（CPU可以識別的弱電信號）；電隔離電路主要是利用電隔離器件將工業(yè)現(xiàn)場的機(jī)械或者電輸入信號和PLC的CPU的信號隔開，它能確保過高的電干擾信號和浪涌不串入PLC的微處理器，起保護(hù)作用有三種隔離方式，用得最多的是光電隔離，其次是變壓器隔離和干簧繼電器隔離；當(dāng)外部有信號輸入時，輸入模塊上有指示燈顯示，這個電路比較簡單，當(dāng)線路中有故障時，它幫助用戶查找故障，由于氖燈或LED燈的壽命比較長，所以這個燈通常是氖燈或LED燈；多路選擇開關(guān)接受調(diào)理完成的輸入信號，并存儲在多路開關(guān)模塊中，當(dāng)輸入循環(huán)掃描時，多路開關(guān)模塊中信號輸送到I/O狀態(tài)寄存器中。

②輸入信號的設(shè)備種類　輸入信號可以是離散信號和模擬信號。當(dāng)輸入端是離散信號時，輸入端的設(shè)備類型可以是限位開關(guān)、按鈕、壓力繼電器、繼電器觸點、接近開關(guān)、選擇開關(guān)以及光電開關(guān)等，如圖1-6所示。當(dāng)輸入為模擬量輸入時，輸入設(shè)備的類型可以是壓力傳感器、溫度傳感器、流量傳感器、電壓傳感器、電流傳感器以及力傳感器等。

（2）輸出接口電路

①輸出接口電路的組成和作用　輸出接口電路由多路選擇開關(guān)模塊、信號鎖存器、電隔離電路、模塊狀態(tài)顯示、輸出電平轉(zhuǎn)換電路和接線端子組成，如圖1-7所示。在輸出掃描期間，多路選擇開關(guān)模塊接受來自映像表中的輸出信號，并對這個信號的狀態(tài)和目標(biāo)地址進(jìn)行譯碼，最后將信息送給鎖存器；信號鎖存器是將多路選擇開關(guān)模塊的信號保存起來，直到下一次更新；輸出接口的電隔離電路作用和輸入模塊的一樣，但是由于輸出模塊輸出的信號比輸入信號要強得多，因此要求隔離電磁干擾和浪涌的能力更高；輸出電平轉(zhuǎn)換電路將隔離電路送來的信號放大成可以足夠驅(qū)動現(xiàn)場設(shè)備的信號，放大器件可以是雙向晶閘管、三極管和干簧繼電器等；輸出的接線端子用于將輸出模塊與現(xiàn)場設(shè)備相連接。

PLC有三種輸出接口形式，即繼電器輸出、晶體管輸出和晶閘管輸出形式。繼電器輸出形式的PLC的負(fù)載電源可以是直流電源或交流電源，但其輸出頻率響應(yīng)較慢，其內(nèi)部電路如圖1-8所示。晶體管輸出的PLC負(fù)載電源是直流電源，其輸出頻率響應(yīng)較快，其內(nèi)部電路如圖1-9所示。晶閘管輸出形式的PLC的負(fù)載電源是交流電源，西門子S7-200系列PLC的CPU模塊暫時還沒有晶閘管輸出形式的產(chǎn)品出售，但三菱FX系列有這種產(chǎn)品。選型時要特別注意PLC的輸出形式。

②輸出信號的設(shè)備種類　輸出信號可以是離散信號和模擬信號。當(dāng)輸出端是離散信號時，輸出端的設(shè)備類型可以是電磁閥的線圈、電動機(jī)啟動器、控制柜的指示器、接觸器線圈、LED燈、指示燈、繼電器線圈、報警器和蜂鳴器等。當(dāng)輸出為模擬量輸出時，輸出設(shè)備的類型可以是流量閥、AC驅(qū)動器（如交流伺服驅(qū)動器）、DC驅(qū)動器、模擬量儀表、溫度控制器和流量控制器等。

1.2.2　PLC的工作原理

PLC是一種存儲程序的控制器。用戶根據(jù)某一對象的具體控制要求，編制好控制程序后，用編程器將程序輸入到PLC（或用計算機(jī)下載到PLC）的用戶程序存儲器中寄存。PLC的控制功能就是通過運行用戶程序來實現(xiàn)的。

PLC運行程序的方式與微型計算機(jī)相比有較大的不同。微型計算機(jī)運行程序時，一旦執(zhí)行到END指令，程序運行便結(jié)束；而PLC從0號存儲地址所存放的第一條用戶程序開始，在無中斷或跳轉(zhuǎn)的情況下，按存儲地址號遞增的方向順序逐條執(zhí)行用戶程序，直到END指令結(jié)束。然后再從頭開始執(zhí)行，并周而復(fù)始地重復(fù)，直到停機(jī)或從運行（RUN）切換到停止（STOP）工作狀態(tài)。把PLC這種執(zhí)行程序的方式稱為掃描工作方式。每掃描完一次程序就構(gòu)成一個掃描周期。另外，PLC對輸入、輸出信號的處理與微型計算機(jī)不同。微型計算機(jī)對輸入、輸出信號實時處理，而PLC對輸入、輸出信號是集中批處理。下面具體介紹PLC的掃描工作過程。其運行和信號處理示意如圖1-10所示。

PLC掃描工作方式主要分為三個階段：輸入掃描、程序執(zhí)行和輸出刷新。

（1）輸入掃描

PLC在開始執(zhí)行程序之前，首先掃描輸入端子，按順序?qū)⑺休斎胄盘?，讀入到寄存器-輸入狀態(tài)的輸入映像寄存器中，這個過程稱為輸入掃描。PLC在運行程序時，所需的輸入信號不是現(xiàn)時取輸入端子上的信息，而是取輸入映像寄存器中的信息。在本工作周期內(nèi)這個采樣結(jié)果的內(nèi)容不會改變，只有到下一個掃描周期輸入掃描階段才被刷新。PLC的掃描速度很快，取決于CPU的時鐘速度。

（2）程序執(zhí)行

PLC完成了輸入掃描工作后，按順序從0號地址開始的程序進(jìn)行逐條掃描執(zhí)行，并分別從輸入映像寄存器、輸出映像寄存器以及輔助繼電器中獲得所需的數(shù)據(jù)進(jìn)行運算處理。再將程序執(zhí)行的結(jié)果寫入輸出映像寄存器中保存。但這個結(jié)果在全部程序未被執(zhí)行完畢之前不會送到輸出端子上，也就是物理輸出是不會改變的。掃描時間取決于程序的長度、復(fù)雜程度和CPU的功能。

（3）輸出刷新

在執(zhí)行到END指令，即執(zhí)行完用戶所有程序后，PLC上將輸出映像寄存器中的內(nèi)容送到輸出鎖存器中進(jìn)行輸出，驅(qū)動用戶設(shè)備。掃描時間取決于輸出模塊的數(shù)量。

從以上的介紹可以知道，PLC程序掃描特性決定了PLC的輸入和輸出狀態(tài)并不能在掃描的同時改變，例如一個按鈕開關(guān)的輸入信號的輸入剛好在輸入掃描之后，那么這個信號只有在下一個掃描周期才能被讀入。

上述三個步驟是PLC的軟件處理過程，可以認(rèn)為就是程序掃描時間。掃描時間通常由三個因素決定，一是CPU的時鐘速度，越高檔的CPU，時鐘速度越高，掃描時間越短；二是I/O模塊的數(shù)量，模塊數(shù)量越少，掃描時間越短；三是程序的長度，程序長度越短，掃描時間越短。一般的PLC執(zhí)行容量為1K的程序需要的掃描時間是1～10ms。

圖1-11所示表達(dá)了PLC循環(huán)掃描工作過程。

1.2.3　PLC的立即輸入、輸出功能

比較高檔的PLC都有立即輸入、輸出功能。

（1）立即輸出功能

所謂立即輸出功能就是輸出模塊在處理用戶程序時，能立即被刷新。PLC臨時掛起（中斷）正常運行的程序，將輸出映像表中的信息輸送到輸出模塊，立即進(jìn)行輸出刷新，然后再回到程序中繼續(xù)運行，立即輸出的示意圖如圖1-12所示。注意，立即輸出功能并不能立即刷新所有的輸出模塊。

（2）立即輸入功能

立即輸入適用于要求對反應(yīng)速度很嚴(yán)格的場合，例如幾毫秒的時間對于控制來說十分關(guān)鍵的情況下。立即輸入時，PLC立即掛起正在執(zhí)行的程序，掃描輸入模塊，然后更新特定的輸入狀態(tài)到輸入映像表，最后繼續(xù)執(zhí)行剩余的程序，立即輸入的示意圖如圖1-13所示。