1.1 PLC的组成和工作原理

PLC（可编程逻辑控制器）是以微处理器为核心的计算机控制系统，虽然各厂家产品类型繁多，功能和指令系统各不相同，但其组成和基本工作原理大同小异。

1.1.1 PLC的组成和基本工作原理

1.PLC的组成

PLC主要由CPU模块、输入模块、输出模块和编程器组成，如图1-1所示。

（1）CPU模块

CPU模块主要由微处理器（CPU）和存储器组成。在PLC控制系统中，CPU模块不断地采集输入信号，执行用户程序，刷新系统的输出；存储器用来储存程序和数据。PLC的存储器有两种，一种是可进行读/写操作的随机存储器（RAM）；另一种为只读存储器：ROM、PROM、EPROM、EEPROM。PLC中的RAM用来存放用户编制的程序或用户数据，存于RAM中的程序可随意修改。

PLC的系统程序是由PLC生产厂家设计提供的，出厂时已固化在各种只读存储器中，不能由用户直接修改。

（2）I/O模块

输入模块和输出模块简称为I/O模块，这是PLC与被控设备相连接的接口电路，是联系外部现场设备和CPU模块的桥梁。

① 输入模块。输入模块用来接收和采集输入信号。开关量输入模块用来接收从按钮、选择开关、数字拨码开关、接近开关、光电开关、限位开关、压力继电器等来的开关量输入信号。模拟量输入模块用来接收电位器、测速发电机和各种变送器提供的连续变化的模拟量电流电压信号。图1-2所示为某直流输入模块的内部电路和外部接线图。图中只画出了一路输入电路，输入电流为数毫安；1M是同一组各输入点内部输入电路的公共点。S7-200 PLC可以用CPU模块输出的DC 24 V电源作输入回路的电源，它还可以为接近开关、光电开关之类的传感器提供DC 24 V电源。

当图1-2中外部连接的触点接通时，光电耦合器中两个反并联的发光二极管亮，光敏三极管导通；外部连接触点断开时，光耦合器中的发光二极管熄灭，光敏三极管截止，信号经内部电路传送给CPU模块。

交流输入方式适于有油雾、粉尘的恶劣环境下使用，输入电压有110 V、220 V两种。直流输入电路的延时时间较短，可以直接与接近开关、光电开关等电子输入装置连接。

② 输出模块。输出模块用来控制接触器、电磁铁、指示灯、电磁阀、数字显示装置、报警装置等输出设备。模拟输出模块用来控制调节阀、变频器等执行装置。

S7-200 PLC的CPU模块的数字量输出电路的功率组件有驱动直流负载的场效应晶体管和小型继电器，后者既可以驱动交流负载又可以驱动直流负载，负载电源由外部提供。

输出电路的额定电流值与负载的性质有关，如S7-200 PLC的继电器输出电路可以驱动2 A的电阻负载，但是只能驱动200 W的白炽灯。输出电路一般分为若干组，对每一组的总电流也有限制。

图1-3所示为继电器输出模块电路，继电器同时起隔离和功率放大作用。每一路只给用户提供一对常开触点。与触点并联的RC电路和压敏电阻用来消除触点断开时产生的电弧。

图1-4所示为使用场效应晶体管的输出电路。输出信号送给内部电路中的输出锁存器，再经光电耦合器送给场效应晶体管，后者的饱和导通状态和截止状态相当于触点的接通和断开。图中稳压管用来抑制判断过电压和外部的浪涌电压，以保护场效应晶体管，场效应晶体管输出电路的工作频率可达20～100 kHz。

继电器输出模块的使用电压范围广，导通压降小，承受瞬时过电压和过电流的能力较强；但是动作速度较慢，寿命（动作次数）有一定的限制。如果系统输出量的变化不是很频繁，建议优先选用继电器型的输出模块。

场效应晶体管型输出模块用于直流负载，它的可靠性高、反应速度快、寿命长；但是过载能力稍差些。

③ 编程器。编程器用来生成用户程序，并用它进行编辑、检查、修改和监视用户程序的执行情况。手持式编程器不能直接输入和编辑梯形图，只能输入和编辑指令表程序，因此又叫做指令编程器。它的体积小，价格便宜，一般用来给小型PLC编程，或者用于现场调试和维护。

使用编程软件可以在计算机屏幕上直接生成和编辑梯形图或指令表程序，并且可以实现不同编程语言之间的相互转换。程序被编译后下载到PLC，也可以将PLC中的程序上传到计算机。程序可以存盘或打印，通过网络还可以实现远程编程和传送。

④ 电源。PLC一般使用AC 220 V电源或DC 24 V电源。内部的开关电源为各模块提供不同电压等级的直流电源。小型PLC可以为输入电路和外部的电子传感器提供DC 24 V电源，驱动PLC负载的直流电源一般由用户提供。

2.PLC的基本工作原理

PLC是按照集中采样、集中扫描的工作方式工作的。整个工作过程可分为5个阶段：自诊断，通信处理，读取输入，执行程序，改写输出，其工作过程如图1-5所示。这种周而复始的循环工作模式称为扫描工作模式。

（1）自诊断

每次扫描用户程序之前，都先执行自诊断测试。自诊断测试包括定期检查CPU模块的操作和扩展模块的状态是否正常，将监控定时器复位，以及完成一些其他的内部工作。若发现异常停机，则显示出错；若自诊断正常，则继续向下扫描。

（2）通信处理

在通信处理阶段，CPU处理从通信接口和智能模块接收到的信息，如读取智能的信息，并存放在缓冲区中，在适当的时候将信息传送给通信请求方。

（3）读取输入

在 PLC 的存储器中，设置了一片区域来存放输入信号和输出信号的状态，它们分别称为输入映像寄存器和输出映像寄存器。CPU以字节（8位）为单位来读写输入/输出映像寄存器。在读取输入阶段，PLC把所有外部数字量输入电路的ON/OFF状态，读入输入映像寄存器。外部的输入电路闭合时，对应的输入映像寄存器为1状态，梯形图中对应的输入点的常开触点接通，常闭触点断开。外接的输入电路断开时，对应的输入映像寄存器为0状态，梯形图中对应的输入点的常开触点断开，常闭触点闭合。

（4）执行程序

PLC 的用户程序由若干条指令组成，指令在存储器中顺序排列。在 RUN 工作模式的程序执行阶段，在没有跳转指令时，CPU从第1条指令开始，逐条顺序地执行用户程序。

在执行指令时，从I/O映像寄存器读出其I/O状态，并根据指令的要求执行相应的逻辑运算，运算的结果写入到相应映像寄存器中，因此，各映像寄存器（只读的输入映像寄存器除外）的内容随着程序的执行而变化。

在程序执行阶段，即使外部输入信号的状态发生了变化，输入映像寄存器的状态也不会随之改变，输入信号变化了的状态只能在下一个扫描周期的读取输入阶段被读入。执行程序时，对输入/输出的存取通常是通过映像寄存器，而不是实际的I/O点，这样做有以下好处。

① 程序执行阶段的输入值是固定的，程序执行完后再用输出映像寄存器的值更新输出点，使系统的运行稳定。

② 用户程序读写I/O映像寄存器比读写I/O点快得多，这样可以提高程序的执行速度。

（5）改写输出

CPU执行完用户程序后，将输出映像寄存器的二进制数0/1状态，传送到输出模块并锁存起来。梯形图中某一输出位的线圈通电时，对应的映像寄存器的二进制数为1状态。信号经输出模块隔离和功率放大后，继电器型输出模块中对应的硬件继电器的线圈通电，其常开触点闭合，使外部负载通电工作。若梯形图中输出点的线圈断电，对应的输出映像寄存器中存放的二进制数为0状态，将它送到继电器型输出模块，对应的硬件继电器的线圈断电，其常开触点断开，外部负载断电，停止工作。

PLC经过这5个阶段的工作过程，称为1个扫描周期，完成1个扫描周期后，又重新执行上述过程，扫描周而复始地进行。在不考虑通信处理时，扫描周期T的大小为

T = （输入/点时间 × 输入点数） + （运算速度 × 程序步数） +（输出/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。响应时间的长短对工业设备通常没有什么影响。但对控制时间要求较严格、响应速度要求较快的系统，就应该精确计算响应时间，细心编制程序，合理安排指令的顺序，以尽可能减少扫描周期造成的响应延时等不良因素。

1.1.2 PLC的性能、分类及特点

1.PLC的性能指标

（1）I/O总点数

I/O总点数是衡量PLC输入信号和输出信号的总数量。PLC输入/输出有开关量和模拟量两种。其中开关量用最大I/O点数表示，模拟量用最大I/O通道数表示。

（2）存储器容量

存储器容量是衡量PLC可存储用户应用程序多少的指标，通常以字或千字为单位，约定16位二进制数为1个字（即两个8位的字节），每1 024个字为1千字。PLC通常以字为单位来存储指令和数据，一般的逻辑操作指令每条占1个字，定时器、计数器、移位操作等指令占2个字，而数据操作指令占2～4个字。有些PLC的用户程序存储器容量用编程的步数来表示，每一条语句占一步长。

（3）编程语言

编程语言是PLC厂家为用户设计的用于实现各种控制功能的编程工具，常用的编程语言有：梯形图、语句表、顺序功能图、功能块图、结构文本等。一般指令的种类和数量越多，其功能就越强。

（4）扫描时间

扫描时间是执行1 000条指令所需要的时间，一般为10 ms左右，小型PLC可能大于40 ms。

（5）内部寄存器的种类和数量

内部寄存器的种类和数量是衡量PLC硬件功能的一个指标。它主要用于存放变量的状态、中间结果、数据等，还提供大量的辅助寄存器、定时器、计数器、移位寄存器和状态寄存器等，供用户编程使用。

（6）通信能力

通信能力是指PLC与PLC、PLC与计算机之间的数据传送及交换能力，它是工厂自动化的必备基础。目前生产的PLC不论是小型的还是中型的，都配有1～2个，甚至多个通信端口。

2.PLC的分类

根据硬件结构的不同，可将PLC分为整体式、模块式和混合式。

整体式PLC又叫基本单元或箱体式。它的体积小、价格低。小型PLC一般采用整体式结构。整体式的PLC是将CPU模块、输入/输出模块和电源装在一个箱型塑料壳内。可以在基本单元PLC上加装扩展模块以扩大其使用范围。

中、大型 PLC 一般采用模块式结构。模块式结构是把 CPU、电源、输入接口、输出接口等做成独立的单元模块，具有配置灵活、组装方便、便于扩展等优点，适合输入/输出点数差异较大或有特殊功能要求的控制系统。

按I/O点数不同，PLC可分为小型、中型和大型3类。

（1）小型PLC

这类PLC的规模较小，它的输入/输出点数一般在20～128点。其中I/O点数小于64点的PLC又称超小型PLC。

（2）中型PLC

中型PLC的I/O点数通常在128～512点之间，用户程序存储器的容量为2～8 KB。除具有小型机的功能外，还具有较强的模拟量I/O、数字计算、过程参数调节、数据传送与比较、数制转换、中断控制、远程I/O及通信连网功能。

（3）大型PLC

大型PLC又称高档PLC,I/O点数在512点以上，其中I/O点数大于8192点的又称为超大型PLC，用户程序存储器容量在8 KB以上，除具有中型机的功能外，还具有较强的数据处理、模拟调节、特殊功能函数运算、监视、记录、打印等功能以及强大的通信连网、中断控制、智能控制、远程控制等功能。一般用于大规模过程控制、分布式控制系统和工厂自动化网络等场合。

3.PLC的主要特点

（1）操作方便

PLC提供了多种编程语言，可针对不同的应用场合，供不同的开发和应用人员选择使用。PLC最大的一个特点之一就是采用了易学易懂的梯形图语言，它是以计算机软件技术构成人们惯用的继电器模型，直观、易懂，易于被广大电气工程技术人员掌握。

（2）可靠性高

可靠性是指PLC平均无故障运行的时间。PLC在设计、制作、元器件的选择上，采取了精选、高度集成化、冗余量大等一系列措施，从而延长了元器件的使用寿命，提高了系统的可靠性。在抗干扰性上，采取了软、硬件多重抗干扰措施，使其能安全工作在恶劣的环境中。

目前，各生产厂家的PLC平均无故障安全运行时间都远大于国际电工委员会（IEC）规定的10万小时的标准。

（3）控制功能强

PLC 不但具有对开关量和模拟量的控制能力，还具有位置控制、数据采集及监控、多 PLC 分布式控制等功能。PLC还具有功能的可组合性，如运动控制模块可以对伺服电机和步进电机速度与位置进行控制，实现对数控机床和工业机器人的控制。

（4）系统的设计、安装、调试工作量少

PLC用软件功能取代了继电器—接触器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等元器件，使控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少。

PLC的梯形图程序一般采用顺序设计法来设计，这种编程方法有规律，很容易掌握。对于复杂的控制系统，设计梯形图的时间比设计相同功能的继电器控制系统电路图的时间要少。

在梯形图程序调试中，可通过 PLC 上的发光二极管观察输入、输出信号的状态。在现场调试过程中发现问题一般通过修改程序来解决，所以系统调试的时间比继电器系统调试的时间少。

（5）体积小，能耗低

PLC结构紧凑、体积小、重量轻、能耗低、便于安装，特别是具有模块式结构的特点，便于维护，并且使功能扩充很方便。