項目1 PLC基礎

任務1 可編程控制器的構成及工作原理

知識鏈接1 可編程控制器的硬件組成

PLC硬件結構主要由中央處理器（CPU）、存儲器（RAM，ROM）、輸入/輸出接口（I/O接口）、電源及編程設備幾大部分組成。PLC的硬件結構框圖如圖1.1所示。

1.中央處理器（CPU）

中央處理器是可編程控制器的核心，它在系統程序的控制下，完成邏輯運算、數學運算、協調系統內部各部分工作等任務。可編程控制器中采用的CPU一般有三大類，一類為通用微處理器，如80286、80386等；一類為單片機芯片，如8031、8096等；另外還有位處理器，如AMD2900、AMD2903等。一般來說，可編程控制器的檔次越高，CPU的位數也越多，運算速度也越快，指令功能也越強。現在常見的可編程控制器多為8位或者16位機。

2.存儲器

存儲器是可編程控制器存放系統程序、用戶程序及運算數據的單元。和一般計算機一樣，可編程控制器的存儲器有只讀存儲器（ROM）和隨機讀寫存儲器（RAM）兩大類。

可編程控制器的存儲器區域按用途不同，可分為程序區和數據區。程序區為用來存放用戶程序的區域，一般有數千個字節。用來存放用戶數據的區域一般要小一些。在數據區中，各類數據存放的位置都有嚴格的劃分。由于可編程控制器是為熟悉繼電接觸器系統的工程技術人員使用的，可編程控制器的數據單元都叫做繼電器，如輸入繼電器、定時器、計數器等。不同用途的繼電器在存儲區中占有不同的區域。每個存儲單元都有不同的地址編號。

3.輸入/輸出接口

輸入/輸出接口是可編程控制器和工業控制現場各類信號連接的部分。輸入口用來接收生產過程的各種參數。輸出口用來送出可編程控制器運算后得出的控制信息，并通過機外的執行機構完成工業現場的各類控制。可編程控制器為不同的接口需求設計了不同的接口單元。主要有以下幾種。

（1）開關量輸入接口。它的作用是把現場的開關量信號變成可編程控制器內部處理的標準信號。開關量輸入接口按可接納的外信號電源的類型不同分為直流輸入單元、交/直流輸入單元及交流輸入單元幾種，參考電路如圖1.2、圖1.3、圖1.4所示。

從圖中可以看出，輸入接口中都有濾波電路及隔離耦合電路。濾波有抗干擾的作用，耦合有抗干擾及產生標準信號的作用。圖1.3中輸入口的電源部分畫在了輸入口外（虛線框外），這是分體式輸入口的畫法，在一般整體式可編程控制器中，直流輸入口都使用可編程本機的直流電源供電，不再需要外接電源。

（2）開關量輸出接口。它的作用是把可編程內部的標準信號轉換成現場執行機構所需的開關量信號。開關量輸出接口按可編程機內使用的器件可分為繼電器型、晶體管型及可控硅型。內部參考電路如圖1.5所示。

從圖中可以看出，各類輸出接口中也都具有隔離耦合電路。這里特別要指出的是，輸出接口本身都不帶電源，而且在考慮外驅動電源時，還需慮及輸出器件的類型。繼電器式的輸出接口可用于交流及直流兩種電源，但接通斷開的頻率低；晶體管式的輸出接口有較高的接通斷開頻率，但只適合用于直流驅動的場合；可控硅型的輸出接口僅適用于交流驅動場合。

（3）模擬量輸入接口。它的作用是把現場連續變化的模擬量標準信號轉換成適合可編程序控制器內部處理的由若干位二進制數字表示的信號。模擬量輸入接口接收標準模擬信號，可以是電壓信號或是電流信號。這里，標準信號是指符合國際標準的通用交互用電壓電流信號值，如4～20mA的直流電流信號，1～10V的直流電壓信號等。工業現場中模擬量信號的變化范圍一般是不標準的，在送入模擬量接口時一般都需經過變換處理才能使用。

模擬量信號輸入后一般經運算放大器放大后進行A/D轉換，再經光電隔離后為可編程控制器提供一定位數的數字量信號。

（4）模擬量輸出接口。它的作用是將可編程控制器運算處理后的數字量信號轉換為模擬量輸出，以滿足生產過程現場連續控制信號的需求。模擬量輸出接口一般由光電隔離、D/A轉換和信號驅動等環節組成。

（5）智能輸入/輸出接口。為了適應較復雜的控制工作的需要，可編程控制器還有一些智能控制單元，稱為功能模塊，如PID工作單元、高速計數器工作單元、溫度控制單元等。這類單元大多是獨立的工作單元。它們和普通輸入/輸出接口的區別在于具有單獨的CPU，有專門的處理能力。在具體的工作中，每個掃描周期智能單元和主機的CPU交換一次信息，共同完成控制任務。從近期的發展來看，不少新型的可編程控制器本身也具有PID運算、高速計數及脈沖輸出等功能，但一般比專用單元的功能弱。

4.電源

可編程控制器的電源包括為可編程控制器各工作單元供電的開關電源及為掉電保護電路供電的后備電源，后者一般為電池。

知識鏈接2 可編程控制器的軟件組成

1.軟件的分類

PLC的軟件包含系統軟件及應用軟件兩大部分。

（1）系統軟件。系統軟件含系統的管理程序、用戶指令的解釋程序，另外還包括一些供系統調用的專用標準程序塊等。系統管理程序用以完成機內運行相關時間分配、存儲空間分配管理、系統自檢等工作。用戶指令的解釋程序用以完成用戶指令變換為機器碼的工作。系統軟件在用戶使用可編程控制器之前就已裝入機內，并永久保存，在各種控制工作中也不需要做什么更改。

（2）應用軟件。應用軟件也叫用戶軟件，是用戶為達到某種控制目的，采用專用編程語言自主編制的程序。一般采用兩種表達方式：梯形圖和指令表。應用程序是一定控制功能的表述，同一臺PLC用于不同的控制目的時就需要編制不同的應用軟件。用戶軟件存入PLC后如需改變控制目的可多次改寫。

2.應用軟件常用的編程語言

應用程序的編制需使用可編程控制器生產廠方提供的編程語言。可編程控制器的編程語言及編程工具大體差不多。一般常見的編程語言表達方式有如下幾種。

（1）梯形圖（Ladder Diagram）。梯形圖語言是一種以圖形符號及圖形符號在圖中的相互關系表示控制關系的編程語言，是從繼電器電路圖演變過來的。梯形圖中所繪的圖形符號和繼電器電路圖中的符號十分相似，而且梯形圖與繼電接觸器圖的結構也十分相似。這兩個圖相似的原因非常簡單，一是因為梯形圖是為熟悉繼電器電路圖的工程技術人員設計的，所以使用了類似的符號；二是兩種圖所表達的邏輯含義是一樣的。因而，繪制梯形圖的一種思想可以是這樣的：將可編程控制器中參與邏輯組合的元件看成和繼電器一樣，具有常開、常閉觸點及線圈，且線圈的得電、失電將導致觸點的相應動作；再用母線代替電源線，用能量流概念來代替繼電器電路中的電流概念；用繪制繼電器電路圖類似的思路繪出梯形圖。需要說明的是，PLC中的繼電器等編程元件不是實際物理元件，而只是計算機存儲器中一定的位，它的所謂接通不過是相應存儲單元置1而已。

（2）指令表（Instruction List）。指令表也叫做語句表。它和單片機程序中的匯編語言有點類似，由語句指令依一定的順序排列而成。一條指令一般可分為兩部分，一為助記符，二為操作數。也有只有助記符的，稱為無操作數指令。指令表語言和梯形圖有嚴格的對應關系。對指令表運用不熟悉的人可先畫出梯形圖，再轉換為語句表。另一方面，程序編制完畢裝入機內運行時，簡易編程設備都不具備直接讀取圖形的功能，梯形圖程序只有改寫為指令表才有可能送入可編程控制器運行。

（3）順序功能圖（Sequential Function Chart）。順序功能圖常用來編制順序控制類程序。它包含步、動作、轉換三個要素。順序功能編程法將一個復雜的順序控制過程分解為一些小的工作狀態，對這些小狀態的功能分別處理后再將它們依順序連接組合成整體的控制程序。順序功能圖體現了一種編程思想，在程序的編制中有很重要的意義。

知識鏈接3 可編程控制器的工作原理

可編程控制器的工作原理可以簡單地表述為在系統程序的管理下，通過運行應用程序完成用戶任務。PLC在確定了工作任務，裝入了專用程序后成為一種專用機，它采用循環掃描的工作方式，系統工作任務管理及應用程序執行都是循環掃描方式完成的。現敘述如下。

1.分時處理及掃描工作方式

PLC系統正常工作所要完成的任務如下。

（1）計算機內部各工作單元的調度和監控。

（2）計算機與外部設備間的通信。

（3）用戶程序所要完成的工作。

這些工作都是分時完成的。每項工作又都包含著許多具體的工作。以用戶程序的完成來說又可分為以下三個階段。

（1）輸入處理階段。輸入處理也叫輸入采樣，在這個階段中，可編程序控制器讀入輸入口的狀態，并將它們存放在輸入狀態暫存區中。

（2）程序執行階段。在這個階段中，可編程控制器根據本次讀入的輸入數據，依用戶程序的順序逐條執行用戶程序。執行的結果存儲在輸出狀態暫存區中。

（3）輸出處理階段。也叫輸出刷新階段。這是一個程序執行周期的最后階段。可編程序控制器將本次執行用戶程序的結果一次性地從輸出狀態暫存區送到各個輸出口，對輸出狀態進行刷新。

這三個階段也是分時完成的。為了連續地完成PLC所承擔的工作，系統必須周而復始地依一定的順序完成這一系列的工作，故把這種工作方式叫做循環掃描工作方式。PLC用戶程序執行階段掃描工作的過程如圖1.6所示。

2.掃描周期及PLC的兩種工作狀態

PLC有兩種基本的工作狀態，即運行（RUN）狀態與停止（STOP）狀態。運行狀態是執行應用程序的狀態。停止狀態一般用于程序的編制與修改。如圖1.7所示給出了運行和停止兩種狀態PLC不同的掃描過程。由圖可知，在這兩個不同的工作狀態中，掃描過程所要完成的任務是不盡相同的。

PLC在RUN工作狀態時，執行一次如圖1.7所示的掃描操作所需的時間稱為掃描周期，其典型值為1～100ms。PLC廠家一般給出每執行1K（1K=1024）條基本邏輯指令所需的時間（以ms為單位）。某些廠家在說明書中還給出了執行各種指令所需的時間。一般來說，一個掃描過程中，執行指令的時間占了絕大部分。