1.3PLC的組成與工作原理

1.3.1PLC的組成框圖

PLC種類很多，但結構大同小異，典型的PLC控制系統組成框圖如圖1-5所示。在組建PLC控制系統時，需要給PLC的輸入端子連接有關的輸入設備（如按鈕、觸點和行程開關等），給輸出端子連接有關的輸出設備（如指示燈、電磁線圈和電磁閥等），如果需要PLC與其他設備通信，還可在PLC的通信接口連接其他設備，如果希望增強PLC的功能，可給PLC的擴展接口連接擴展單元。

圖1-5典型的PLC控制系統組成框圖

1.3.2CPU與存儲器

PLC內部主要由CPU、存儲器、輸入接口電路、輸出接口電路、通信接口和擴展接口與電源等組成。

1.CPU

CPU又稱中央處理器，是PLC的控制中心，它通過總線（包括數據總線、地址總線和控制總線）與存儲器和各種接口連接，以控制其他器件有條不紊地工作。CPU的性能對PLC工作速度和效率有較大的影響，故大型PLC通常采用高性能的CPU。

CPU的主要功能如下：

1）接收通信接口送來的程序和信息，并將它們存入存儲器。

2）采用循環檢測（即掃描檢測）方式不斷檢測輸入接口電路送來的狀態信息，以判斷輸入設備的狀態。

3）逐條運行存儲器中的程序，并進行各種運算，再將運算結果存儲下來，然后通過輸出接口電路對輸出設備進行相關的控制。

4）監測和診斷內部各電路的工作狀態。

2.存儲器

存儲器的功能是存儲程序和數據。PLC通常配有ROM（只讀存儲器）和RAM（隨機存儲器）兩種存儲器，ROM用來存儲系統程序，RAM用來存儲用戶程序和程序運行時產生的數據。

系統程序由廠商編寫并固化在ROM存儲器中，用戶無法訪問和修改系統程序。系統程序主要包括系統管理程序和指令解釋程序。系統管理程序的功能是管理整個PLC，讓內部各個電路能有條不紊地工作。指令解釋程序的功能是將用戶編寫的程序翻譯成CPU可以識別和執行的代碼。

用戶程序是用戶通過編程器輸入存儲器的程序，為了方便調試和修改，用戶程序通常存放在RAM中，由于斷電后RAM中的程序會丟失，所以RAM專門配有備用電池供電。有些PLC采用EEPROM（帶電可擦可編程只讀存儲器）來存儲用戶程序，由于EEPROM中的內容可用電信號擦寫，并且掉電后內容不會丟失，因此采用這種存儲器可不要備用電池供電。

1.3.3輸入接口電路

輸入接口電路是輸入設備與PLC內部電路之間的連接電路，用于將輸入設備的狀態或產生的信號傳送給PLC內部電路。

PLC的輸入接口電路分為開關量（又稱數字量）輸入接口電路和模擬量輸入接口電路，開關量輸入接口電路用于接收開關通斷信號，模擬量輸入接口電路用于接收模擬量信號。模擬量輸入接口電路采用A/D轉換電路，將模擬量信號轉換成數字信號。開關量輸入接口電路采用的電路形式較多，根據使用電源不同，可分為內部直流輸入接口電路、外部交流輸入接口電路和外部交/直流輸入接口電路。三種類型的開關量輸入接口電路如圖1-6所示。

掃一掃看視頻

1.3.4輸出接口電路

輸出接口電路是PLC內部電路與輸出設備之間的連接電路，用于將PLC內部電路產生的信號傳送給輸出設備。

PLC的輸出接口電路也分為開關量輸出接口電路和模擬量輸出接口電路。模擬量輸出接口電路采用D/A轉換電路，將數字量信號轉換成模擬量信號。開關量輸出接口電路主要有三種類型：繼電器輸出接口電路、晶體管輸出接口電路和雙向晶閘管（也稱雙向可控硅）輸出接口電路。三種類型開關量輸出接口電路如圖1-7所示。

圖1-6三種類型的開關量輸入接口電路

1.3.5通信接口、擴展接口與電源

1.通信接口

PLC配有通信接口，通過通信接口，PLC可與監視器、打印機、其他PLC和計算機等設備進行通信。PLC與編程器或寫入器連接，可以接收編程器或寫入器輸入的程序；PLC與打印機連接，可將過程信息、系統參數等打印出來；PLC與人機界面（如觸摸屏）連接，可以在人機界面直接操作PLC或監視PLC工作狀態；PLC與其他PLC連接，可組成多機系統或連成網絡，實現更大規模控制；與計算機連接，可組成多級分布式控制系統，實現控制與管理相結合。

2.擴展接口

為了提升PLC的性能，增強PLC控制功能，可以通過擴展接口給PLC加接一些專用功能模塊，如高速計數模塊、閉環控制模塊、運動控制模塊、中斷控制模塊等。

3.電源

PLC一般采用開關電源供電，與普通電源相比，PLC電源的穩定性好、抗干擾能力強。PLC的電源對電網提供的電源穩定度要求不高，一般允許電源電壓在其額定值±15%的范圍內波動。有些PLC還可以通過端子往外提供24V直流電源。

圖1-7三種類型開關量輸出接口電路

1.3.6PLC的工作方式

PLC是一種由程序控制運行的設備，其工作方式與微型計算機不同，微型計算機運行到結束指令END時，程序運行結束。PLC運行程序時，會按順序依次逐條執行存儲器中的程序指令，當執行完最后的指令后，并不會馬上停止，而是又重新開始再次執行存儲器中的程序，如此周而復始，PLC的這種工作方式稱為循環掃描方式。PLC的工作過程如圖1-8所示。

PLC有兩個工作模式：RUN（運行）模式和STOP（停止）模式。當PLC處于RUN模式時，系統會執行用戶程序；當PLC處于STOP模式時，系統不執行用戶程序。PLC正常工作時應處于RUN模式，而在下載和修改程序時，應讓PLC處于STOP模式。PLC兩種工作模式可通過面板上的開關進行切換。

圖1-8PLC的工作過程

PLC工作在RUN模式時，執行輸入采樣、處理用戶程序和輸出刷新所需的時間稱為掃描周期，一般為1～100ms。掃描周期與用戶程序的長短、指令的種類和CPU執行指令的速度有很大的關系。

1.3.7用實例講解PLC控制電路的軟、硬件工作過程

PLC的用戶程序執行過程很復雜，下面以PLC正轉控制電路為例進行說明。圖1-9是PLC正轉控制電路與內部用戶程序，為了便于說明，圖中畫出了PLC內部等效圖。

圖1-9 PLC內部等效圖中的X0（也可用X000表示）、X1、X2稱為輸入繼電器，它由線圈和觸點兩部分組成，由于線圈與觸點都是等效而來，故又稱為軟件線圈和軟件觸點，Y0（也可用Y000表示）稱為輸出繼電器，它也包括線圈和觸點。PLC內部中間部分為用戶程序（梯形圖程序），程序形式與繼電器控制電路相似，兩端相當于電源線，中間為觸點和線圈。

圖1-9PLC正轉控制電路與內部用戶程序

PLC正轉控制電路與內部用戶程序工作過程如下：

當按下起動按鈕SB1時，輸入繼電器X0線圈得電（電流途徑：DC24V正端→X0線圈→X0端子→SB1→COM端子→24V負端），X0線圈得電會使用戶程序中的X0常開觸點（軟件觸點）閉合，輸出繼電器Y0線圈得電（電流途徑：左等效電源線→已閉合的X0常開觸點→X1常閉觸點→Y0線圈→右等效電源線），Y0線圈得電一方面使用戶程序中的Y0常開自鎖觸點閉合，對Y0線圈供電進行鎖定，另一方面使輸出端的Y0硬件常開觸點閉合（Y0硬件觸點又稱物理觸點，實際是繼電器的觸點或晶體管），接觸器KM線圈得電（電流途徑：AC220V一端→KM線圈→Y0端子→內部Y0硬件觸點→COM端子→AC220V另一端），主電路中的接觸器KM主觸點閉合，電動機得電運轉。

當按下停止按鈕SB2時，輸入繼電器X1線圈得電，它使用戶程序中的X1常閉觸點斷開，輸出繼電器Y0線圈失電，一方面使用戶程序中的Y0常開自鎖觸點斷開，解除自鎖，另一方面使輸出端的Y0硬件常開觸點斷開，接觸器KM線圈失電，KM主觸點斷開，電動機失電停轉。

若電動機在運行過程中長時間電流過大，則熱繼電器FR動作，使PLC的X2端子外接的FR觸點閉合，輸入繼電器X2線圈得電，使用戶程序中的X2常閉觸點斷開，輸出繼電器Y0線圈馬上失電，輸出端的Y0硬件常開觸點斷開，接觸器KM線圈失電，KM主觸點閉合，電動機失電停轉，從而避免電動機長時間過電流運行。