1.2 PLC的工作原理

1.2.1 PLC基本組成

PLC的基本組成可以歸納為4大部件：中央處理器單元（CPU）、存儲器、輸入/輸出部件（I/O部件）和電源部件。其中CPU板是控制器的核心，存儲器用于存放系統(tǒng)程序、用戶程序及工作數(shù)據(jù)，I/O部件是連接現(xiàn)場設(shè)備與CPU之間的接口電路，電源部件為PLC內(nèi)部電路提供能源。下面分別說明：

1.CPU

CPU主要包含運算器、控制器、寄存器，它是PLC的核心部分。PLC的CPU芯片其實就是微處理器或單片機。只是它是專用于PLC的，并且大部分是生產(chǎn)廠家為達到產(chǎn)品最佳性能配置而自行研制開發(fā)的。也有的PLC用的芯片就是通用的單片機，只是內(nèi)部裝有自己編寫的監(jiān)控程序，并靠這個監(jiān)控程序來實現(xiàn)PLC的功能。

CPU芯片的性能直接關(guān)系著PLC處理控制信號的能力和速度，CPU位數(shù)越高，運算速度就越快，單位時間內(nèi)系統(tǒng)處理的信息量也就越大。隨著CPU芯片技術(shù)的飛躍發(fā)展，PLC所用的CPU芯片也越來越高檔。在一些對可靠性要求特別高的大型工業(yè)應(yīng)用場合，還有些采用了雙CPU結(jié)構(gòu)，構(gòu)成冗余系統(tǒng)。這樣，即使某個CPU出現(xiàn)故障，整個系統(tǒng)仍然可以正常運行。

2.存儲器

存儲器按照存儲方式可以分為隨機存儲器（RAM）和只讀存儲器（ROM）。PLC內(nèi)部所使用的存儲器，按其用途一般可以分為系統(tǒng)程序存儲器、用戶程序存儲器、內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器。

（1）系統(tǒng)程序存儲器用來存放系統(tǒng)工作程序（監(jiān)控程序）、模塊化應(yīng)用功能子程序、命令解釋、功能子程序的調(diào)用管理程序和系統(tǒng)參數(shù)等。這是PLC正常工作的基本保證。系統(tǒng)工作程序是由PLC生產(chǎn)廠家編制、安裝并固化在芯片內(nèi)部的。

注意：系統(tǒng)程序存儲器直接關(guān)系到PLC的性能，不能由用戶直接存取。出于這種可靠性方面的考慮，PLC的系統(tǒng)程序存儲器都采用ROM、EPROM等不可以由用戶進行修改的存儲器。

（2）用戶程序存儲器是用來存放用戶程序的。用戶程序由用戶編制，通過編程器輸入。所謂“編程”就是編寫PLC用戶程序。用戶通過編制用戶程序，來實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的控制。

通常PLC產(chǎn)品資料中所指的存儲器容量就是指用戶程序存儲器。在部分PLC中，用戶程序存儲器的存儲容量以“步”為單位進行計算。PLC中的一步，指的是PLC一條最基本邏輯運算指令所占用的存儲器容量。不同的PLC每步對應(yīng)的實際存儲器字節(jié)數(shù)是有所不同的。

用戶程序一旦調(diào)試完成，除非設(shè)備的控制要求發(fā)生改變，才需要重新設(shè)計編寫PLC程序，否則使用者一般不需要對程序進行更改。

（3）內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器是用來存放PLC程序執(zhí)行的中間狀態(tài)與信息的。PLC程序的中間處理結(jié)果等信息均存儲在內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器中。內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器的存儲容量與PLC規(guī)模及指令系統(tǒng)有關(guān)。PLC的規(guī)模越大，指令系統(tǒng)越復(fù)雜，內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器的存儲容量也就越大。

內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器的狀態(tài)需要在PLC程序執(zhí)行過程中動態(tài)改變，所以必須采用動態(tài)RAM來進行存儲，它的內(nèi)容在關(guān)機時被自動清除。但由于設(shè)備連續(xù)工作或斷電恢復(fù)的需要，有部分內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器可以用電池供電保持。

3.I/O部件

I/O部件是CPU與現(xiàn)場儀表、執(zhí)行機構(gòu)和其他智能設(shè)備之間的連接部件。I/O部件包括輸入模塊和輸出模塊。

輸入模塊用來接收和采集輸入信號，實現(xiàn)外部信號到PLC內(nèi)部信號的轉(zhuǎn)換。數(shù)字量輸入模塊用來接收從生產(chǎn)設(shè)備或控制現(xiàn)場的各種開關(guān)、繼電器等傳來的數(shù)字量輸入信號，通過輸入接口電路，將開關(guān)量信號轉(zhuǎn)換成PLC內(nèi)部控制所需要的、CPU能夠直接處理的TTL電平；模擬量輸入模塊用來接收傳感器、變送器等提供的連續(xù)變化的模擬量電流、電壓信號，通過A/D轉(zhuǎn)換，變?yōu)镻LC內(nèi)部能處理的數(shù)字量。輸入電路中一般設(shè)有RC濾波電路、穩(wěn)壓電路等，以防止由于輸入觸點抖動或外部干擾脈沖引起錯誤的輸入信號。而且與內(nèi)部計算機電路通過光耦元件隔離，如圖1-1所示。

輸出模塊用來輸出各種控制信號，實現(xiàn)PLC內(nèi)部信號到外部信號的轉(zhuǎn)換。數(shù)字量輸出模塊用來控制接觸器、電磁閥、指示燈、數(shù)字顯示器等輸出設(shè)備；模擬量輸出模塊用來控制變頻器、調(diào)節(jié)閥等執(zhí)行裝置。輸出電路內(nèi)外也是電隔離的，靠光耦元件或輸出繼電器建立聯(lián)系。輸出電路還要進行功率放大，使其足以帶動一般的工業(yè)控制元器件。

總之，PLC通過輸入模塊可以檢測被控對象或被控生產(chǎn)過程的各種參數(shù)，通過輸出模塊將處理結(jié)果送給被控設(shè)備或工業(yè)生產(chǎn)過程，以實現(xiàn)控制。

I/O模塊可與CPU放在一起，也可遠程放置。通常，I/O模塊上還具有狀態(tài)顯示，各I/O點的通斷狀態(tài)均用發(fā)光二極管顯示。外部接線一般接在模塊的接線端子排。

4.電源

PLC使用交流220V電源（AC 220V）或直流24V電源（DC 24V）。PLC內(nèi)部電源主要向PLC內(nèi)部的TTL集成電路與運算放大器等組件提供工作電源，將外部輸入轉(zhuǎn)換為DC 5V、DC±12V、DC±15V、DC 24V等不同電壓。在部分機型中，還可以向外部提供DC 24V，供外部的開關(guān)信號、外部傳感器使用。但PLC輸出使用的電源，一般不可以由PLC提供（即使用DC 24V），必須另外準(zhǔn)備負載電源。

PLC基本結(jié)構(gòu)框圖如圖1-2所示。

整體結(jié)構(gòu)的PLC的4 個部分裝在同一機殼內(nèi)，也稱為箱體式PLC，由主箱體和擴展箱體構(gòu)成。主箱體由CPU單元、內(nèi)存單元、I/O單元、外設(shè)接口、電源、箱體間接口及其他附件等構(gòu)成。擴展箱體由I/O單元、電源、箱體間接口及其他附件等構(gòu)成。

模塊式結(jié)構(gòu)的PLC的各部件獨立封裝，稱為模塊，通過機架和總線連接而成。每個模塊又由不同單元組合而成。如CPU模塊則由CPU單元、內(nèi)存單元、接口單元等組合而成。又如輸入/輸出模塊（I/O模塊）則是由多個輸入/輸出電路、接線器及相應(yīng)接口組合而成。

1.2.2 PLC工作過程

1.工作過程

作為一種特殊的工業(yè)控制計算機，PLC的工作過程與通用的計算機有很大的不同。而且，雖然它源于繼電控制裝置，最初研制生產(chǎn)的PLC主要用于代替?zhèn)鹘y(tǒng)的由繼電器、接觸器構(gòu)成的控制裝置，但這兩者的運行方式又是不同的。

普通計算機一般采用事件驅(qū)動和消息機制，是一種等待命令的工作方式，如常見的鍵盤操作，當(dāng)按下按鍵后，計算機轉(zhuǎn)入相應(yīng)的子程序運行。傳統(tǒng)的繼電器控制裝置采用硬邏輯并行運行的方式，即如果一個繼電器的線圈通電或斷電，則該繼電器所有的觸點都會動作。而PLC的CPU則采用順序掃描用戶程序的運行方式，即如果一個邏輯線圈被接通或斷開，則該線圈的所有觸點不會立即動作，必須等掃描到這個觸點時才會動作。

PLC采用不斷循環(huán)的順序掃描工作方式。每一次掃描所用的時間稱為掃描周期或工作周期。PLC的工作過程如圖1-3所示。

簡單講，PLC上電時執(zhí)行啟動塊（OB100），然后進入CPU循環(huán)（稱為PLC掃描過程）。從用戶的角度來說，PLC掃描過程就是從輸入模塊讀取狀態(tài)信號放入過程映像區(qū)，然后調(diào)用OB1塊。如果有事件產(chǎn)生中斷，則調(diào)用相應(yīng)的塊（功能）進行處理。最后把過程映像輸出表送輸出模塊。

進一步講，PLC整個掃描過程可以分為內(nèi)部處理、通信服務(wù)、輸入采樣、用戶程序執(zhí)行、輸出刷新5個階段。

（1）內(nèi)部處理階段

內(nèi)部處理過程運行的是PLC內(nèi)部系統(tǒng)的管理程序，在這個階段，PLC完成硬件自檢工作和將監(jiān)控定時器復(fù)位等內(nèi)部工作。該程序是生產(chǎn)廠家在PLC出廠時就已經(jīng)固化的，一般比較固定，與用戶的控制程序無直接關(guān)聯(lián)，其運行時間與用戶程序運行時間相比，要短得多。

（2）通信服務(wù)階段

在通信服務(wù)階段，PLC處理與計算機、編程器以及各種智能裝置的通信。

（3）輸入采樣階段

PLC以掃描的方式工作，輸入電路時刻監(jiān)視著輸入信號，并按順序?qū)⑿盘栕x入到寄存輸入狀態(tài)的輸入映像寄存器中存儲，每一輸入點都有一個對應(yīng)的存儲其信息的寄存器。輸入寄存器與計算機內(nèi)存交換信息通過計算機總線，并主要由運行系統(tǒng)程序來實現(xiàn)。PLC內(nèi)存有專門開辟的存放輸入信息的映像區(qū)。這個區(qū)的每一對應(yīng)位（bit）稱之為輸入繼電器，或稱軟接點。這些位為1，表示接點通，為0 表示接點斷。由于它的狀態(tài)是由輸入刷新得到的，所以，它反映的就是輸入狀態(tài)。這個過程稱為輸入采樣。這個采樣結(jié)果將在PLC執(zhí)行程序時被使用。

（4）用戶程序執(zhí)行階段

PLC的用戶程序由若干條指令組成，PLC從第一條指令開始，按順序逐條對用戶程序進行掃描。用戶程序一般從輸入映像寄存器、內(nèi)部寄存器和輸出映像寄存器中讀取所需的數(shù)據(jù)進行運算、處理，再將程序執(zhí)行的結(jié)果寫入輸出映像寄存器中暫存。

（5）輸出刷新階段

在執(zhí)行完所有用戶程序后，PLC將輸出映像寄存器中的內(nèi)容送到輸出寄存器中，并通過輸出電路產(chǎn)生相應(yīng)的輸出，再去驅(qū)動用戶設(shè)備。

為了便于理解PLC程序的執(zhí)行過程，通常也可近似地認為PLC的掃描工作過程為3個基本階段：輸入采樣、用戶程序執(zhí)行、輸出刷新。PLC在運行模式時，掃描工作是不斷重復(fù)進行的，也就是說，以上3 個階段是不斷重復(fù)進行著的，其輸入和輸出存儲器不斷地被刷新。由于這個過程是永不停止、循環(huán)反復(fù)地進行著的，所以，輸出總是反映輸入的變化的。只是響應(yīng)的時間上略有滯后。當(dāng)然，這個滯后不宜太大，否則，所實現(xiàn)的控制不那么及時，也就失去控制的意義。為此，PLC的工作速度要快。速度快、執(zhí)行指令時間短，是PLC實現(xiàn)控制的基礎(chǔ)。事實上，PLC的速度是很快的，執(zhí)行一條指令，多的幾微秒、幾十微秒，少的才零點幾或零點零幾微秒，而且這個速度還在不斷提高之中。

2.PLC掃描工作方式優(yōu)點

PLC掃描工作方式的優(yōu)點如下：

（1）在執(zhí)行程序時，讀寫的是輸入/輸出映像寄存器的值，而不是直接對實際的I/O點進行操作。

（2）整個程序執(zhí)行階段各輸入繼電器的狀態(tài)是固定的，程序執(zhí)行后再用輸出映像寄存器的值更新所有的輸出點，使得系統(tǒng)運行穩(wěn)定。

（3）用戶程序讀寫I/O映像寄存器比直接讀寫I/O點快的多，這樣可以提高用戶程序的運行速度。

（4）掃描工作方式具有較好的抗干擾能力，在一個掃描周期內(nèi)，輸入處理僅占用極少部分時間。在大部分時間內(nèi)，干擾信號不會被采集到PLC系統(tǒng)。

3.PLC中斷處理

PLC采用中斷工作方式來應(yīng)對緊急任務(wù)。一般的計算機系統(tǒng)中，CPU在每一條指令執(zhí)行結(jié)束時都要詢問有無中斷申請。而PLC對中斷的響應(yīng)則是在相關(guān)程序塊結(jié)束后查詢有無中斷申請，如果有中斷申請，則轉(zhuǎn)入執(zhí)行相應(yīng)的中斷服務(wù)程序。待處理完中斷，又返回運行原來程序。

在PLC中，中斷源是通過輸入點進入系統(tǒng)的，PLC掃描輸入點是按照輸入點編號的先后順序進行的。系統(tǒng)接到中斷申請后，順序掃描中斷源，可能只有一個中斷源申請中斷，也可能同時有多個中斷源申請中斷。系統(tǒng)在掃描中斷源的過程中，會在存儲器的特定區(qū)建立“中斷處理表”，按順序存放中斷信息，中斷源被掃描后，中斷處理表也已建立完畢，系統(tǒng)就按照這個表的先后順序調(diào)入相應(yīng)的中斷處理子程序。

與一般計算機系統(tǒng)的中斷一樣，PLC的中斷也是分優(yōu)先級的。當(dāng)同時出現(xiàn)兩個或多個中斷申請時，則優(yōu)先級別高的先處理，繼而處理低級別的。直到中斷申請全部處理完畢，再轉(zhuǎn)而執(zhí)行掃描程序。

需要指出的是，多個中斷源可以有優(yōu)先順序，但無嵌套關(guān)系。即在中斷程序執(zhí)行中，如果有新的中斷發(fā)生，不論新中斷的優(yōu)先順序如何，都要等執(zhí)行中的中斷處理程序結(jié)束后，再進行新的中斷處理。

4.PLC集中處理方式

PLC在工作過程中，對輸入信號、執(zhí)行過程、輸出控制均采取集中批處理。PLC的這種集中批處理的工作方式，不僅避免了繼電器、接觸器控制系統(tǒng)中觸點競爭和時序失配的問題，而且增強了系統(tǒng)的抗干擾能力，提高了工作穩(wěn)定性。由于干擾一般是脈沖式的、短時的。只要PLC不是正好工作在輸出刷新階段，就不會受到干擾的影響。因此，瞬間干擾所造成的影響將會大大降低，從而增強了系統(tǒng)的抗干擾能力，這是PLC可靠性高的原因之一。

5.PLC時間滯后現(xiàn)象

PLC對輸入和輸出信號的響應(yīng)是有延時的，這就是滯后現(xiàn)象。PLC輸入/輸出滯后時間又稱為系統(tǒng)響應(yīng)時間，是指從PLC的外部輸入信號發(fā)生變化至其控制的外部輸出信號發(fā)生變化的時刻之間的時間間隔。它由輸入電路的濾波時間、輸出電路的滯后時間、掃描工作方式產(chǎn)生的滯后時間組成。

PLC在執(zhí)行用戶程序時，使用的是在輸入處理階段讀入并存放在輸入映像寄存器中的數(shù)據(jù)，而不是當(dāng)時可能已經(jīng)發(fā)生變化的外部電路的最新狀態(tài)的數(shù)據(jù)，所以造成了信號的滯后。

為了確保PLC在任何情況下都能正常無誤地工作，一般情況下，輸入信號的脈沖寬度必須大于一個掃描周期。

還應(yīng)該注意的一個問題是輸出信號的狀態(tài)是在輸出刷新時才送出的。因此，在一個程序中若給一個輸出端多次賦值時，中間狀態(tài)只改變輸出映像區(qū)。只有最后一次賦的值才能被送到輸出端。

造成PLC時間滯后現(xiàn)象是因為一個掃描周期內(nèi)對所有的輸出只刷新一次。而且還與電路特性有關(guān)（濾波電路的時間常數(shù)和輸出繼電器觸點的機械滯后）。經(jīng)分析，由掃描工作方式引起的滯后時間最長可達兩三個掃描周期。

PLC總的響應(yīng)延遲時間一般只有幾毫秒至幾十毫秒，對于一般的系統(tǒng)是無所謂的。

為了減少PLC的響應(yīng)延遲時間，可以采用如下措施：

（1）選用掃描速度高的PLC；

（2）選用延遲時間短的輸入/輸出模塊；

（3）可以使用立即輸入指令和立即輸出指令，或者使用輸入中斷功能。