1.2 PLC的組成及工作原理

1.2.1 PLC的組成

可編程序控制器是專為工業環境下的應用而設計的工業計算機，其基本結構與一般計算機相似，為了便于操作、維護與擴充功能，提高系統的抗干擾能力，其結構組成又與一般計算機有所區別。

PLC系統通常由基本單元、擴展單元、擴展模塊及特殊功能擴展模塊等組成，如圖1-4所示。

基本單元內設中央處理器（CPU）、存儲器、I/O和電源等，是PLC的主要部分，可獨立工作。擴展單元內設電源，用于擴展I/O點數。擴展模塊用于增加I/O點數和I/O點數比例，內無電源，由基本單元和擴展單元供電。擴展單元、擴展模塊內無CPU，需要和基本單元一起才能工作。特殊功能單元是一些特殊用途的裝置。

1．PLC的硬件

可編程序控制器的品種和類型很多，但其基本組成相同，主要由中央處理器（CPU）、存儲器、輸入/輸出接口、電源及編程器等外圍設備組成，如圖1-5所示。

1）CPU。CPU一般由控制器、運算器和寄存器組成，這些電路集成在一塊芯片內。CPU通過數據總線、地址總線和控制總線與存儲單元、輸入/輸出接口電路相連。CPU是PLC的核心部件，整個PLC的工作過程都是在CPU的統一指揮和協調下進行的。它在生產廠家預先編制的系統程序控制下，通過輸入裝置讀入現場輸入信號并按照用戶程序進行處理。CPU的性能直接影響PLC的性能。

CPU的主要作用包括：接收并存儲用戶程序和數據；診斷電源、PLC工作狀態及編程的語法錯誤；接收輸入信號，將其送入數據寄存器并保存；運行時順序讀取、解釋和執行用戶程序，完成用戶程序的各種操作；將用戶程序的執行結果送至輸出端。

2）存儲器。PLC的存儲器是存放程序和數據的地方。可編程序控制器的存儲器按用途分為系統程序存儲器和用戶存儲器。系統程序存儲器用于存放系統工作程序、模塊化應用功能子程序、命令解釋、功能子程序調用和管理等程序及各種系統參數，一般采用只讀存儲器ROM（PROM）。用戶存儲器用于存放用戶編制的控制程序，分為隨機存儲器（CMOSRAM）、可擦寫可編程只讀存儲器（EPROM）以及電可擦寫可編程只讀存儲器（EEPROM）等。

3）輸入/輸出I/O接口。輸入/輸出接口是PLC與被控對象間傳遞輸入/輸出信號的接口部件。輸入部件包括開關、按鈕和傳感器等。輸出部件包括電磁閥、接觸器和繼電器。由于現場信號的類別不同，為適應控制的需要，輸入/輸出接口有開關量輸入/輸出接口和模擬量輸入/輸出接口。

4）外圍設備。PLC可配有編程器、外部存儲器、打印機、EPROM寫入器和高分辨率屏幕監控系統等外圍設備。

編程器用于用戶程序的編制、編輯、調試檢查和監視，以及調用和顯示PLC內部狀態和系統參數。編程器分為簡易型和智能型兩大類。簡易型只能聯機編程；智能型既能聯機編程，又能脫機編程。簡易型只能輸入指令語句表編程；智能型既可輸入指令語句表編程，又可輸入梯形圖編程。

外部存儲器是指磁帶和磁盤，工作時可將用戶程序和數據存儲在盒式錄音機的磁帶上或磁盤驅動器的磁盤中，作為程序備份。當PLC內存中的程序被破壞或丟失時，可將外部存儲器中的程序重新裝入。

打印機用來打印帶注釋的梯形圖程序、語句表程序，以及各種報表。系統實時運行過程中，打印機用來提供運行過程中發生事件的記錄。

5）電源。PLC內部配有一個專用開關式穩壓電源，可將PLC外部連接的電源電壓轉化為CPU、存儲器及輸入/輸出接口等電路工作所需的直流電源，并為外部輸入元件提供24V直流電源。需要注意的是，PLC負載的電源一般是由用戶另外提供的。

2．PLC的軟件

（1）軟件組成

PLC的軟件包括系統監控程序和用戶程序兩大部分。

系統監控程序是由PLC的生產廠家編制的，用于控制PLC的運行，包括管理程序、用戶指令解釋程序及標準程序模塊和系統調用三個部分。其中，管理程序主要實現的功能包括運行管理、生成用戶元件和系統內部自檢等。

用戶程序又稱用戶軟件和應用軟件等，是PLC的使用者編制的針對控制問題的程序，可用梯形圖、指令語句表、高級語言和匯編語言等編制，包括自動化系統控制程序及數據表格等。

（2）應用軟件常用的編程語言

目前，PLC常用的編程語言包括梯形圖、指令語句表、功能圖、功能塊圖和高級編程語言等。

1）梯形圖：梯形圖是用圖形符號在圖中的相互關系來表示控制邏輯的編程語言。梯形圖通過連線，可將許多功能強大的PLC指令的圖形符號連在一起，以表達所調用的PLC指令及其前后順序關系，是目前最為常用的可編程序控制器程序設計語言。

梯形圖的優點是簡單、直觀。它是從繼電器控制電氣原理圖變化過來的，因此，梯形圖在形式上與繼電器控制電氣原理圖相似，讀圖方法和習慣也相同。對從事電氣專業的人員來說，易學、易懂。

圖1-6所示為三菱FX_2N系列PLC的簡單梯形圖實例。梯形圖由左母線、右母線和邏輯行組成，邏輯行由各軟元件的觸點和線圈組成。右母線可省略不畫。

PLC梯形圖與繼電器控制電氣原理圖元器件符號有一定的對應關系，如圖1-7所示。圖1-8為繼電器控制電氣原理圖與相應的PLC梯形圖的比較示例。

2）指令語句表：指令語句用來規定可編程序控制器中CPU如何動作。每個控制功能由一個或多個語句組成的程序來執行，語句是指令語句表的基本單元。PLC的指令是一種與微型計算機的匯編語言指令類似的助記符表達式。基本指令語句的基本格式包括地址（或步序）、助記符和操作元件等部分，圖1-6所示的PLC梯形圖所對應的指令語句如圖1-9所示。其中，助記符常用2～4個英文字母組成，表示操作功能。操作元件為執行該指令所用的元件和設定值等。某些基本指令僅有助記符，無操作元件，而有些則有兩個或更多操作元件。

3）功能圖：功能圖又稱狀態流程圖，是用狀態來描述控制過程的流程圖，如圖1-10所示，它包含狀態、轉移條件和動作三要素。功能圖的特點是邏輯功能清晰，輸入與輸出關系明確，適用于順序控制系統的程序編制（詳見第4章）。

4）功能塊圖：功能塊圖是一種類似數字邏輯門電路的編程語言。該語言用類似“與門”和“或門”的方框表示邏輯運算關系，方框左側為邏輯運算的輸入變量，右側為邏輯運算的輸出變量，輸入、輸出端的小圓圈表示“非”運算。用“導線”把方框連接起來，信號從左向右流動，如圖1-11所示。

5）高級編程語言：隨著PLC技術的發展，大型、高檔的PLC具有很強的運算與數據處理等功能，為方便用戶編程，增加程序的可移植性，許多高檔PLC都配備了BASIC或C等高級編程語言。

1.2.2 PLC的工作原理

PLC程序執行時的工作原理如圖1-12所示。PLC通過循環掃描輸入端口的狀態，執行用戶程序，實現控制任務。CPU在每個掃描周期開始時掃描輸入模塊的信號狀態，并將其狀態送入輸入映像寄存器區域。然后，根據用戶程序中的程序指令來處理傳感器信號，并將處理結果送到輸出映像寄存器區域，在每個掃描周期結束時送入輸出模塊。

圖1-13所示為循環掃描的工作過程。每一次掃描所用的時間稱為一個掃描周期。在一個掃描周期內，可編程序控制器的工作過程分為如下3個階段。

1．輸入采樣

可編程序控制器把所有外部輸入電路的接通/斷開（ON/OFF）狀態讀入輸入映像寄存器。外接的輸入電路接通時，對應的輸入映像寄存器為“1”，梯形圖中對應的輸入繼電器的常開觸點接通，常閉觸點斷開。外接的輸入電路斷開時，對應的輸入映像寄存器為“0”，梯形圖中對應的輸入繼電器的常開觸點斷開，常閉觸點接通。需要注意的是，只有采樣時刻，輸入映像寄存器中的內容才與輸入信號一致，而其他時間范圍內輸入信號的變化是不會影響輸入映像寄存器中的內容的，輸入信號的變化狀態只能在下一個掃描周期的輸入處理階段被讀入。

2．程序執行

在沒有跳轉指令時，CPU從第一條指令開始，逐條順序地執行用戶程序，直到用戶程序結束之處，并根據指令的要求執行相應的邏輯運算，并將運算的結果寫入對應的元件映像寄存器中。因此，各編程元件的映像寄存器（輸入映像寄存器除外）的內容隨著程序的執行而變化。

3．輸出刷新

CPU將輸出映像寄存器的“0”或“1”狀態傳送到輸出鎖存器。梯形圖中某一輸出繼電器的線圈“通電”時，對應的輸出映像寄存器為“1”狀態。某一編程元件對應的映像寄存器為“1”狀態時，稱該編程元件為ON；映像寄存器為“0”狀態時，稱該編程元件為OFF。

1.2.3 可編程序控制器與繼電-接觸器控制的區別

1．在組成器件方面

繼電-接觸器控制電路是由各種真正的硬件繼電器和接觸器組成的，繼電器和接觸器觸點易磨損。而PLC梯形圖則由許多所謂的軟繼電器組成，這些軟繼電器實質上是存儲器中的某一位觸發器，可以置“0”或置“1”，軟繼電器無磨損現象。

2．在工作方式方面

繼電-接觸器控制電路工作時，電路中繼電器和接觸器都處于受控狀態，凡符合條件吸合的繼電器和接觸器都處于吸合狀態，受各種制約條件不應吸合的繼電器和接觸器都處于斷開狀態，屬于“并行”的工作方式。PLC梯形圖中各軟繼電器都處于周期循環掃描工作狀態，受同一條件制約的各個軟繼電器的線圈工作和它的觸點動作并不同時發生，屬于“串行”的工作方式。

3．在元件觸點數量方面

繼電-接觸器控制電路的硬件觸點數量是有限的，一般只有4～8對。而PLC梯形圖中軟繼電器的觸點數量無限，在編程時可無限次使用。

4．控制電路實施方式不同

繼電-接觸器控制電路是依靠硬件接線來實施控制功能的，其控制功能通常是不變的，當需要改變控制功能時必須重新接線。PLC控制電路是采用軟件編程來實現控制的，可進行在線修改，控制功能可根據實際要求靈活實施。