任务1.4 认识PLC的硬件结构及工作原理

任务引入

PLC是一种适用于工业级控制的专用电子计算机，因此，虽然PLC生产厂家众多，产品功能和指令系统存在差异，但其硬件结构和工作原理却非常相似，都采用了典型的计算机结构。那么，不同厂家各种机型的PLC的硬件结构是什么样的框架？其工作原理是什么？

任务分析

为了完成本节任务，需要了解PLC的硬件结构及其工作原理的相关知识。相关知识

1.4.1 PLC的硬件结构

从PLC的定义可知，PLC也是一种计算机，它有着与通用计算机相类似的结构，即PLC也是由中央处理器（CPU）、存储器（MEMORY）、输入/输出（I/O）接口及电源组成的。现以小型可编程序控制器为例，来说明PLC的硬件组成。

PLC的基本结构如图1-7所示。由图1-7可知，由PLC作为控制器的自动控制系统，就是工业计算机控制系统。PLC的中央处理器是由微型计算机处理器、单片机或位片式计算机组成的，且具有各种功能的I/O接口及存储器。下面结合图1-7说明PLC各组成部分的功能。

图1-7 PLC的基本结构示意图

1.CPU是整个PLC的核心

与微型计算机一样，CPU在整个PLC控制系统中的作用就好像人的大脑一样，是一个控制指挥的中心。由控制电路、寄存器和运算器组成，这些电路一般都集成在一块芯片上。CPU通过内部总线同存储器及输入/输出接口电路相连，它主要完成以下功能：

1）接收用户程序和数据并送入到存储器中存储起来；

2）检查编程过程中的语法错误，诊断电源及PLC内部的工作故障；

3）用扫描方式工作，接收来自现场的输入信号，并传送到输入映像寄存器和数据存储器中；

4）在进入程序执行后，从存储器中逐条读取并执行用户程序，完成用户程序所规定的逻辑运算、算术运算及数据处理等操作；

5）根据运算结果更新有关标志位的状态，刷新输出映像寄存器的内容，再送入输出锁存器，经输出部件实现输出控制、打印制表通信等功能。

随着大规模集成电路的发展，PLC采用单片机用作CPU的越来越多，PLC常用的CPU主要采用通用的微处理器（如Z80、8086、M6809等）、单片机（如8031、8051、8098等）和位处理器（如AM2900、AM2901等）。它以高集成度、高可靠性、高功能、高速度及低价格的优势正在占领小型PLC市场。

目前，小型PLC均为单CPU系统，而大、中型PLC通常是双CPU或多CPU系统。所谓双CPU，是在CPU模板上装有两个CPU芯片，一个作为字处理器，一个作为位处理器。字处理器是主处理器，它执行所有的编程器接口的功能，监视内部定时器及扫描时间，完成字节指令的处理，并对系统总线和微处理器进行控制。位处理器是从处理器，它主要完成对位指令的处理，以减轻字处理器的负担，提高位指令的处理速度，并将面向控制过程的编程语言（如梯形图、流程图）转换成机器语言。

2.存储器（Memory）

与普通微型计算机系统中的存储功能相似，PLC中的存储器分为两部分：一是系统程序存储器，另一是用户程序存储器。

系统程序存储器主要用来存储PLC内部的各种消息。一般系统程序是由PLC生产厂家编写的系统监控程序，不能由用户直接存取。系统监控程序主要由系统管理解释命令、标准程序及控制调用等程序组成。系统程序存储器一般用PROM或EPROM构成。

用户程序是由用户编写的程序，也称为应用程序。用户程序存放在用户程序存储器中，用户程序存储器的容量不大，主要存储PLC内部的输入与输出信息，以及内部继电器、位移寄存器、累加寄存器、数据寄存器、定时器和计数器的动作状态。小型PLC的存储容量一般只有几千字节的容量（不超过8KB）。一般讲PLC的内存大小，是指用户程序存储器的容量。用户程序存储器常用RAM构成。

用户程序存储器一般分为两个区，程序存储区和数据存储区。程序存储区用来存储由用户编写的、通过编程器输入的程序。而数据存储区用来存储通过输入端子读入数的输入信号的状态、准备通过输出端子输出信号的状态、PLC中各个内部器件的状态，以及特殊功能要求的有关数据。PLC存储器的存储结构如图1-8所示。

3.输入部件及接口（数字量）

来自现场的主令元件、检测元件的信号由输入接口进入到PLC。主令元件的信号多数是指控制按钮，这种信号的特点基本上都是人为操作的。检测元件的信号主要来自各种传感器、限位开关、继电器等的触点，也可以说是过程控制当中某些位置变化或参数值变化所产生的信号，这些信号有的是开关量（数字量），有的是模拟量（连续变化的量），有的是直流信号，有的是交流信号，要根据输入信号的类型选择合适的输入接口。

为提高系统的抗干扰能力，各种输入接口均采取了抗干扰措施，如在输入接口内带有光耦合电路，使PLC与外部输入信号进行隔离，图1-9为光耦合输入电路图。为消除信号噪声在输入接口内还设置了许多滤波电路。为便于PLC的信号处理，输入接口内有电平转换及信号锁存电路。通常，为便于现场信号的连接在输入接口的外部设有接线端子排。

图1-8 PLC存储器构成

4.输出部件及接口（数字量）

PLC产生的各种输出控制信号经输出接口去控制和驱动负载。因为PLC的直接输出带负载能力有限，最高电压为交流220V，电流最高2A，所以PLC输出接口所带的负载，通常就是接触器和继电器线圈、电磁阀、指示灯、警告器等，一般PLC的输出形式有3种：继电器输出、晶体管输出、双向晶闸管输出。同输入接口一样，输出接口的负载有交流的，要根据不同的负载性质选择PLC输出电路的形式。具体输出电路如图1-10所示。

输出接口的输出方式为继电器输出型，既可用于直流负载，又可用于交流负载。使用时，只要外接一个与负载相符的电源即可。因而采用继电器输出型，对用户方便和灵活，但由于它是有触点输出，所以工作频率不能很高，工作寿命不如无触点的半导体器件长。

图1-9 PLC光耦合输入电路图

图1-10 PLC输出电路

a）晶体管输出电路 b）继电器输出电路 c）晶闸管输出电路

继电器输出型每个输出点的最大带负载能力约为2A，作为数字量输出选择继电器型更为自由和方便，且使用场所普遍。因此，在对动作时间和动作频率要求不高的情况下，常常采用此方式。

输出接口的输出方式为晶体管型，适用直流负载或TTL电路，晶体管输出型每个输出点的最大负载能力约为0.75A，其接口响应速度较快，特别适合控制步进电动机之类的直流高频脉冲型负载。

输出接口的输出方式为双向晶闸管型，适用交流负载。双向晶闸管输出型每个点最大负载能力约为0.5～1A，其接口响应速度较快，适合控制要求频繁动作的交流高频负载。

PLC的控制信号经输出接口送出来，接口与外部用户设备的接线方式可分为汇点式输出接线和隔离式输出接线两种。

汇点式输出接线方式，把所有的输出点分成几个组，一组一个公共端（COM）。这样做的目的就是为了适应用户设备不同电压等级的要求，同级别电压的设备可放在同一组，通过本组的公共端（COM）形成电压回路，如图1-11a所示。还可以将全部输出点作为一组，所有输出点共用一个COM点，如图1-11b所示。可以明显地看出图1-11b接线方式就不如图1-11a的接线方式灵活方便，图1-11a可以当作图1-11b使用，而图1-11b是不能当作图1-11a来使用的。

隔离式输出接线方式，隔离式输出接线方式如图1-12所示。在这种方式中，每个输出点都有自己的COM点，更加灵活方便，适合多等级电压的控制系统。每个COM点都是相对独立的，相互隔离的，如用户设备电压等级并不多，可以给它们任意组合，做起来也很方便，只要把它们的COM点相应接在一起就可以组成同一电压等级回路。

5.扩展接口

扩展接口现有两个含义，一个是CPU的扩充，它是在原系统中只有一块CPU而无法满足系统工作要求时使用的，这个接口的功能是实现扩充CPU，以及扩充CPU模块之间的相互控制和信息交换。另一个含义是单纯的I/O（数字量I/O或模拟量I/O）扩展接口，它是为了弥补主机上I/O点数有限而设置的，用于扩展输入/输出点数，当用户的PLC控制系统所需的I/O点数超过主机本身的I/O点数时，就要通过I/O扩展接口将主机与I/O扩展单元连接起来以满足用户的需求。

图1-11 汇点式输出接线方式

图1-12 隔离式输出接线方式

6.外部设备接口

1）通信接口。专用于数据通信的，通信接口有串行接口和并行接口两种。主要实现“人-机”对话或“机-人”的对话。PLC通过通信接口可与打印机监视器相连，也可与其他的PLC或上位计算机相连，构成多机局部网络系统或多级分布式控制系统，还有可实现管理与控制相结合的综合系统。用户应根据不同的设备要求遵循已规范好的通信协议，选择相应的通信方式并配置适合的通信接口。

2）编程器。是人们以往最常用的编程设备，它又分为简易编程器和智能编程器。它使用PLC上专用接口与CPU联系，完成人机对话。编程器可以进行用户程序的输入、编辑、调试和监视，还可以通过其键盘去调用和显示PLC的一些内部继电器状态和系统参数。通过简易编程器输入程序还必须把编好的梯形图程序转变成编程器认可的助记符号，用手逐条将程序敲进去，需要很长时间。编程器一般由PLC生产厂家提供，同一厂家的不同规格的PLC所使用的编程器是不一样的。

由PLC生产厂家生产的专用编程器适用范围有限，价格一般也较高。在个人计算机不断更新换代的今天，出现了使用个人计算机为基础的编程系统，由生产厂家向用户提供编程软件，而编程软件装载哪台计算机则由用户自己选择，只要能支持此软件运行就可以了。用户在计算机上直接编写梯形图，然后下载到PLC中进行调试，还可以通过计算机监视程序运行。这种方法的主要优点就是利用个人计算机，用几秒钟的时间就可以将程序输入到PLC当中去，能节省很多劳动和时间，监视运行方便、快捷、直观。对于不同厂家和型号的PLC，只要更换编程软件就可以了。

3）人-机接口装置（HMI）。人-机接口装置又叫作操作员接口，用于实现操作人员与PLC控制系统的对话和相互作用。人-机接口最简单最基本和最普遍的形式是安装在控制台上的按钮、转换开关、拨动开关、指示灯、LED数字显示器和声光报警等元器件。它们用来指示PLC的I/O系统状态及各种信息，通过合理的程序设计，PLC控制系统可以接收并执行操作员的一些指令，小型PLC一般采用这种人-机接口。

4）外存储器。PLC的CPU内的半导体存储器称为内存，可用来存放系统程序和用户程序。而外存储器是可将用户程序存储在盒式磁带机的磁带或磁盘驱动器的磁盘中，作为程序备份或改变生产工艺流程时调用。如果PLC内存中的用户程序丢失或被破坏可在此将存储在外存中的程序重新装入。

5）打印机。打印机在用户程序编制阶段用来打印带注解的梯形图程序或语句表程序，这些程序对用户的维修及系统的改造或扩展是非常有价值的。在系统的实时运行过程中，打印机用来提供运行过程中发生事件的记录，例如用于记录系统运行过程中的报警时间和类型，这对于分析事故原因和系统改进是非常重要的。在日常管理中，打印机可以定时或非定时打印各种生产报表。

7.电源

PLC电源部件将交流电转换成供PLC内部使用的直流电源，要求其性能十分可靠、稳定，是PLC内部电路的能源中心。根据这一设计特点，一般在工业现场PLC就使用工业电源或机电一体化电源即可。

1.4.2 PLC的工作原理

众所周知，继电器控制系统是一种“硬件逻辑系统”，它所采用的是并行工作方式，也就是条件一旦形成，多条支路可以同时动作。PLC是在继电器控制系统逻辑关系基础上发展演变的，是一种专用的工业控制计算机，其工作原理是建立在计算机工作原理基础上的。为了可靠地应用在工业环境下，便于现场电气技术人员的使用和维护，PLC有着大量的接口器件、特定的监控软件、专用的编程器件。这样一来，PLC不但外观不像计算机，它的操作使用方法、编程语言及工作过程与计算机控制系统也是有区别的。

PLC的CPU是以分时操作方式来处理各项任务的。在每一瞬间只能做一件事，所以程序的执行是按程序顺序依次完成相应位置元器件的动作，所以PLC属于串行工作方式。

1.PLC控制系统框图

PLC控制系统的等效工作电路可以分为3部分，即输入部分、内部控制电路和输出部分。输入部分就是采集输入信号，输出部分就是系统的执行部件，这两部分与接触器-继电器控制电路相同。内部控制电路就是用户所编写的程序，可以实现控制逻辑，用软件编程代替继电器电路的功能。其等效控制框图如图1-13所示。

图1-13 PLC等效控制框图

（1）输入部分

输入部分由外部输入电路、PLC输入接线端子和输入寄存器组成。外部输入信号经PLC输入接线端子去驱动输入继电器线圈。每个输入端子与其相同编号的输入继电器有着唯一确定的对应关系。当外部的输入元器件处于接通状态时，对应的输入继电器线圈“得电”，这个输入继电器是PLC内部的软件继电器，这样称呼也是便于用户接受，实际上这里不存在真正的物理上的继电器，只是存储器中的某一位，它可以提供任意多个动合触点或动断触点。这里所说的“触点”是实际上也是不存在的，还是为了向早期的继电器电路图靠拢，便于用户接受，“触点”实际上就是这个存储器位的状态，这样一来就可以任意取用了。

为使输入继电器的线圈“得电”，即让外部输入元器件的接通状态写入到对应的存储单元中去，输入回路要有电流，这个电源可以用PLC自己提供的24V直流电源，也可以由PLC外部的独立的交流或直流电源供电。

（2）内部控制电路

内部控制电路是由用户程序形成的用“软继电器”来替代硬继电器的控制逻辑。它的作用是按照用户编写的程序所规定的逻辑关系，处理输入信号和输出信号。一般用户程序是用梯形图语言编制的，它看上去很像继电器控制电路图，这也是PLC设计者追求的。在前面已经提到过，即使PLC的梯形图与继电器控制电路完全相同，最后的输出结果不一定相同，这就因为它们处理信号的过程是完全不一样的。继电器控制电路图中的继电器线圈都是并联关系，机会相等，只要条件允许可以同时动作，而PLC的梯形图程序的工作特点是周期逐行扫描的，这样一来最后的输出结果就可能不一样了。

除了输入信号和输出信号，在PLC中还提供了计时器、计数器、辅助继电器（相当于继电器控制电路中的中间继电器）及某些特殊功能的继电器。为了实现控制要求，在编程是可根据需要选用的，但这些器件只能在PLC的内部控制电路中使用，在PLC的I/O点处是看不到它们的。

（3）输出部分（以数字量继电器输出型PLC为例）

输出部分是由在PLC内部且内部控制电路隔离的输出继电器的动合触点、输出接线端子和外部驱动电路组成，用来驱动外部负载。

每个输出继电器除了有为内部控制程序提供编写用任意多个动合、动断触点外，还为外部输出电路提供了一个实际的动合触点与输出接线端子相连。需要特别指出的是输出继电器是PLC中唯一存在的实际物理器件，打开PLC会发现在输出侧放置的那些微型继电器。

2.PLC的工作原理

PLC虽具有计算机的许多特点，但它的工作方式却与计算机有很大的不同。计算机一般采用等待命令的工作方式。如常见的键盘扫描方式或I/O扫描方式，有键按下或I/O动作则转入相应的子程序，无键按下则继续扫描。PLC则采用循环扫描的工作方式，在PLC中，用户程序按先后顺序存放，如CPU从第一条指令开始执行程序，直至遇到结束符后又返回第一条，如此周而复始地不断循环。这种工作方式是在系统软件控制下，顺次扫描各输入点的状态，按用户程序进行运算处理，然后顺序向输出点发出相应的控制信号。整个工作过程可分为5个阶段：自诊断、通信处理、扫描输入、执行程序、刷新输出，其工作过程示意图如图1-14所示。

1）每次扫描用户程序之前，都先执行故障自诊断程序。自诊断内容为I/O部分、存储器、CPU等，如发现异常则停机并显示出错。若自诊断正常，则继续向下扫描。

2）PLC检查是否有与编程器、计算机等的通信请求，若有则进行相应处理，如接收由编程器送来的程序、命令和各种数据，并把要显示的状态、数据、出错信息等发送给编程器进行显示。如果有与计算机等的通信请求，也在这段时间完成数据的接收和发送任务。

图1-14 PLC工作示意图

3）PLC的中央处理器对各个输入端进行扫描，并将所有输入端的状态送到输入映像寄存器中。

4）中央处理器CPU将逐条执行用户指令程序，即按程序的要求对数据进行逻辑、算术运算，再将正确的结果送到输出状态寄存器中。

5）当所有的指令执行完毕时，集中把输出映像寄存器的状态通过输出部件转换成被控设备所能接收的电压或电流信号，以驱动被控设备。

PLC经过这5个阶段的工作过程，则称为一个扫描周期，完成一个扫描周期后，又重新执行上述过程，即扫描周而复始地进行。在不考虑第二个因素（通信处理）时，扫描周期T的大小为

T=（读入一点时间×输入点数）+（运算速度×程序步数）+（输出一点时间×输出点数）+故障诊断时间

显然扫描周期主要取决于程序的长短，一般每秒钟可扫描数十次以上，这对于工业设备通常没有什么影响。但对控制时间要求较严格、响应速度要求快的系统，就应该精确地计算响应时间，细心地编排程序，合理安排指令的顺序，以尽可能地减少因扫描周期造成的响应延时等不良影响。

PLC与继电器-接触器控制的重要区别之一就是工作方式的不同。继电器-接触器是按“并行”方式工作的，也就是说是按同时执行的方式工作的，只要形成电流通路，就可能有几个电器同时动作。而PLC是以反复扫描的方式工作的，它是循环地连续逐条执行程序，任一时刻它只能执行一条指令，这就是说PLC是以“串行”方式工作的。这种串行工作方式可以避免继电器-接触器控制的触点竞争和时序失配问题。

总之，采用循环扫描的工作方式也是PLC区别于计算机的最大特点，使用者应特别注意。PLC的扫描工作过程如图1-15所示。

图1-15 PLC扫描工作过程

任务实施

读者自行设计完成该任务的步骤。

任务总结

通过完成可编程序控制器的物理硬件构成及其功能统计和可编程序控制器的工作原理分析两任务，就能够明确各种机型PLC的物理硬件构成及其工作原理。