1.2　PLC的組成和工作原理

1.2.1　PLC基本組成

PLC的基本組成包括硬件和軟件兩大部分。硬件部分包括CPU、存儲器、I/O接口、擴展接口、通信接口以及電源等；軟件部分包括系統(tǒng)軟件和用戶程序等。

（1）硬件組成

①CPU。PLC的核心部件，由大規(guī)模或超大規(guī)模的集成電路芯片構(gòu)成，有8位、16位和32位等處理器，是運算和控制中心。通常所采用的處理器性能越高，PLC的功能就越強。

②存儲器。存放系統(tǒng)軟件（程序）、用戶程序和運行數(shù)據(jù)的單元，包括只讀存儲器（ROM）和隨機讀寫存儲器（RAM）。大多數(shù)PLC都有擴展存儲器，如多媒體卡（MMC）、壓縮閃存卡（CF）和安全數(shù)字卡（SD）等。

③I/O接口。PLC與現(xiàn)場信號的連接部件。PLC通過輸入接口獲得現(xiàn)場各種參數(shù)的信號（電壓、電流等）等；而通過輸出接口，PLC把執(zhí)行程序后得到的結(jié)果送到現(xiàn)場的執(zhí)行機構(gòu)實現(xiàn)控制，如繼電器、電磁閥、控制閥等。

④擴展接口。用于PLC擴展I/O點數(shù)、信號類型和功能。擴展接口的形式有串行擴展、并行擴展和專用擴展等。

⑤通信接口。用于連接編程設(shè)備（如編程終端、筆記本電腦和組態(tài)站）、I/O模塊和其他智能設(shè)備等。通常分為通用接口和專用接口兩種。通用接口指標(biāo)準(zhǔn)通用的接口，如RS-232、RS-485、通用串行總線接口（USB）、以太網(wǎng)口等；專用接口指各PLC廠家專有的接口，如A-B PLC的缺省協(xié)議（DF1）[注]和增強型數(shù)據(jù)總線（DH+）[注]等。

⑥電源。把外部電源變成PLC內(nèi)部所需要的直流電源。很多小型PLC還可向外提供隔離的直流電源，如24V DC。

（2）軟件組成

PLC的軟件組成分為系統(tǒng)軟件（系統(tǒng)程序）和用戶程序兩部分。

①系統(tǒng)軟件。由制造廠家設(shè)計和提供，包括固化在控制器存儲器中的系統(tǒng)程序、各種智能模塊或接口的固件、編程終端軟件，以及在組態(tài)站上安裝使用的各種組態(tài)編程軟件等。系統(tǒng)軟件通常用于編程組態(tài)、系統(tǒng)診斷、輸入輸出處理、編譯、仿真、網(wǎng)絡(luò)及通信處理、內(nèi)部和外部監(jiān)控[注]等。如羅克韋爾自動化（RA）的ControlLogix系統(tǒng)中的各種固件軟件，組態(tài)站用的Studio5000、RSLogix Emulate5000、FactoryTalk View和西門子的WinCC、Step7等都是系統(tǒng)軟件。

②用戶程序。指用戶根據(jù)工程應(yīng)用的控制要求，按照使用的PLC所規(guī)定的編程語言（或指令系統(tǒng)）而編寫的應(yīng)用程序。用戶程序常采用梯形圖、結(jié)構(gòu)文本、功能塊等方式來編寫，然后用編程工具（如手持編程器、智能圖形終端、組態(tài)站或工程師站）進行編程并輸入到PLC的存儲器中去。用戶程序除PLC的控制邏輯外，對有人機界面的系統(tǒng)還包括界面（如觸屏、操作面板或工作站等）的應(yīng)用程序等，如5號壓縮機控制程序、C罐區(qū)可燃氣體檢測系統(tǒng)（GDS）組態(tài)文件等都屬于用戶程序。

1.2.2　PLC工作過程

PLC在運行狀態(tài)下，按照一定的順序循環(huán)執(zhí)行系統(tǒng)的各種任務(wù)，包括系統(tǒng)輸入采樣、執(zhí)行用戶程序、輸出刷新和內(nèi)部處理等。這個執(zhí)行的工作過程，稱為PLC的循環(huán)掃描過程。循環(huán)一次所需要的時間稱為PLC的一個掃描周期。PLC的I/O掃描運行方式如圖1-1所示。

①輸入采樣。將所有輸入信號的狀態(tài)讀入到PLC的存儲器（稱為輸入映像存儲器）中去。采樣結(jié)果將在PLC的程序執(zhí)行時被使用。

②用戶程序執(zhí)行。按由上到下的順序?qū)τ脩舫绦蜻M行掃描，從輸入映像存儲器獲得所需數(shù)據(jù)，再將梯形圖執(zhí)行結(jié)果寫到指定的輸出存儲器（稱為輸出映像存儲器）中保存。

③輸出刷新。用戶程序執(zhí)行結(jié)束后，輸出映像存儲器中所保存的輸出狀態(tài)轉(zhuǎn)到輸出鎖存電路、驅(qū)動用戶輸出設(shè)備。這時，PLC才真正輸出。

④系統(tǒng)內(nèi)部處理。指為了保證PLC正常、可靠運行的內(nèi)部管理工作，如運行超時狀態(tài)監(jiān)測、中斷處理和各種請求及隊列處理等。

從PLC的掃描運行方式可以知道：

①PLC在執(zhí)行程序時所用到的數(shù)值或狀態(tài)取自輸入映像存儲器，并在程序執(zhí)行階段保持不變，從而保證在同一個掃描周期內(nèi)，某一個輸入狀態(tài)對整個用戶程序是一致的，不會在程序執(zhí)行時產(chǎn)生混亂；

②輸出映像存儲器的狀態(tài)，取決于執(zhí)行程序輸出指令的最后結(jié)果。

這是理解傳統(tǒng)PLC循環(huán)掃描工作原理的關(guān)鍵。可以這樣認(rèn)為：PLC的輸入狀態(tài)是在同一時間采集到的，PLC根據(jù)這些輸入狀態(tài)信息，在一定的時間內(nèi)完成用戶程序的掃描處理，并將控制信息集中輸出。隨著多CPU、多任務(wù)控制器的出現(xiàn)，I/O數(shù)據(jù)的通信方式和程序掃描的過程變得復(fù)雜，各種任務(wù)（如連續(xù)任務(wù)或中斷任務(wù)）和規(guī)劃的程序（或設(shè)備階段、例程）會影響輸出數(shù)據(jù)的刷新，循環(huán)掃描的概念有了新的擴展。在應(yīng)用時要注意系統(tǒng)的高層管理和優(yōu)化。