1.3 PLC的组成与工作原理

1.3.1 PLC的组成框图

PLC种类很多，但结构大同小异，典型的PLC控制系统组成框图如图1-5所示。在组建PLC控制系统时，需要给PLC的输入端子连接有关的输入设备（如按钮、触点和行程开关等），给输出端子连接有关的输出设备（如指示灯、电磁线圈和电磁阀等）；如果需要PLC与其他设备通信，可在PLC的通信接口连接其他设备；如果希望增强PLC的功能，可给PLC的扩展接口连接扩展单元。

图1-5 典型的PLC控制系统组成框图

1.3.2 CPU与存储器

PLC内部主要由CPU、存储器、输入接口电路、输出接口电路、通信接口和扩展接口等组成。

1.CPU

CPU又称中央处理器，是PLC的控制中心，它通过总线（包括数据总线、地址总线和控制总线）与存储器和各种接口连接，以控制其他器件有条不紊地工作。CPU的性能对PLC工作速度和效率有较大的影响，故大型PLC通常采用高性能的CPU。

CPU的主要功能如下：

1）接收通信接口送来的程序和信息，并将它们存入存储器。

2）采用循环检测（即扫描检测）方式不断检测输入接口电路送来的状态信息，以判断输入设备的状态。

3）逐条运行存储器中的程序，并进行各种运算，再将运算结果存储下来，然后通过输出接口电路对输出设备进行有关的控制。

4）监测和诊断内部各电路的工作状态。

2.存储器

存储器的功能是存储程序和数据。PLC通常配有ROM（只读存储器）和RAM（随机存储器）两种存储器，ROM用来存储系统程序，RAM用来存储用户程序和程序运行时产生的数据。

系统程序由厂商编写并固化在ROM中，用户无法访问和修改系统程序。系统程序主要包括系统管理程序和指令解释程序。系统管理程序的功能是管理整个PLC，让内部各个电路能有条不紊地工作。指令解释程序的功能是将用户编写的程序翻译成CPU可以识别和执行的代码。

用户程序是用户通过编程器输入存储器的程序，为了方便调试和修改，用户程序通常存放在RAM中，由于断电后RAM中的程序会丢失，所以RAM专门配有后备电池供电。有些PLC采用EEPROM（电可擦写只读存储器）来存储用户程序，由于EEPROM中的内容可用电信号擦写，并且掉电后内容不会丢失，因此采用这种存储器可不要备用电池供电。

1.3.3 输入接口电路

输入接口电路是输入设备与PLC内部电路之间的连接电路，用于将输入设备的状态或产生的信号传送给PLC内部电路。

PLC的输入接口电路分为开关量（又称数字量）输入接口电路和模拟量输入接口电路。数字量输入接口电路用于接收开关通断信号（或1、0信号），模拟量输入接口电路用于接收模拟量信号（连续变化的电压或电流）。模拟量输入接口电路采用A/D转换电路，将模拟量信号转换成数字信号。开关量输入接口电路如图1-6所示。

图1-6 开关量输入接口电路

1.3.4 输出接口电路

输出接口电路是PLC内部电路与输出设备之间的连接电路，用于将PLC内部电路产生的信号传送给输出设备。PLC的输出接口电路也分为开关量（又称数字量）输出接口电路和模拟量输出接口电路。模拟量输出接口电路采用D/A转换电路，将数字量信号转换成模拟量信号。开关量输出接口电路主要有三种类型：继电器输出型接口电路、晶体管输出型接口电路和晶闸管（也称双向可控硅）输出型接口电路。

1.继电器输出型接口电路

图1-7为继电器输出型接口电路。继电器输出型接口电路的特点是可驱动交流或直流负载，允许通过的电流大，但其触点通断速度慢，不适合输出频率高的脉冲信号。

图1-7 继电器输出型接口电路

2.晶体管输出型接口电路

图1-8为晶体管输出型接口电路。晶体管输出型接口电路的反应速度快、通断频率高（可达20～200kHz），适合输出脉冲信号，但只能用于驱动直流负载，且过电流能力差。

图1-8 晶体管输出型接口电路

3.晶闸管输出型接口电路

图1-9为晶闸管输出型接口电路。晶闸管输出型接口电路的响应速度快、动作频率高，一般用于驱动交流负载。

图1-9 晶闸管输出型接口电路

1.3.5 通信接口、扩展接口与电源

1.通信接口

PLC配有通信接口，可通过通信接口与监视器、打印机、其他PLC和计算机等设备进行通信。PLC与编程器或写入器连接，可以接收编程器或写入器输入的程序；PLC与打印机连接，可将过程信息、系统参数等打印出来；PLC与人机界面（如触摸屏）连接，可以在人机界面直接操作PLC或监视PLC工作状态；PLC与其他PLC连接，可组成多机系统或连接成网络，实现更大规模的控制；与计算机连接，可组成多级分布式控制系统，实现控制与管理相结合。

2.扩展接口

为了提升PLC的性能，增强PLC控制功能，可以通过扩展接口给PLC加接一些专用功能模块，如高速计数模块、闭环控制模块、运动控制模块、中断控制模块等。

3.电源

PLC一般采用开关电源供电，与普通电源相比，PLC电源的稳定性好、抗干扰能力强。PLC的电源对电网提供的电源稳定度要求不高，一般允许电源电压在其额定值±15%的范围内波动。有些PLC还可以通过端子向外提供24V直流电源。

1.3.6 PLC的工作方式

PLC是一种由程序控制运行的设备，其工作方式与微型计算机不同，微型计算机运行到结束指令END时，程序运行结束。PLC运行程序时，会按顺序依次逐条执行存储器中的程序指令，当执行完最后的指令后，并不会马上停止，而是又重新开始再次执行存储器中的程序，如此周而复始。PLC的这种工作方式称为循环扫描方式。PLC的工作过程如图1-10所示。

图1-10 PLC的工作过程

PLC有两个工作模式：RUN（运行）模式和STOP（停止）模式。当PLC处于RUN模式时，系统会执行用户程序；当PLC处于STOP模式时，系统不执行用户程序。PLC正常工作时应处于RUN模式，而在下载和修改程序时，应让PLC处于STOP模式。PLC两种工作模式可通过面板上的开关进行切换。

PLC处于RUN模式时，执行输入采样、处理用户程序和输出刷新所需的时间称为扫描周期，一般为1～100ms。扫描周期与用户程序的长短、指令的种类和CPU执行指令的速度有很大的关系。

1.3.7 例说PLC控制电路的软、硬件工作过程

PLC的用户程序执行过程很复杂，下面以PLC正转控制电路为例进行说明。图1-11是PLC正转控制电路与内部用户程序，为了便于说明，图中画出了PLC内部等效图。

图1-11 PLC正转控制电路与内部用户程序

图1-11所示PLC内部等效图中的I0.0、I0.1、I0.2称为输入继电器，它由线圈和触点两部分组成，由于线圈与触点都是等效而来，故又称为软件线圈和软件触点。Q0.0称为输出继电器。PLC内部中间部分为用户程序（梯形图程序），程序形式与继电器控制电路相似，两端相当于电源线，中间为触点和线圈。

PLC正转控制电路与内部用户程序工作过程如下：

当按下起动按钮SB1时，输入继电器I0.0线圈得电（电流途径：DC24V正端→SB1→I0.0端子→I0.0线圈→1M端子→24V负端），I0.0线圈得电会使用户程序中的I0.0常开触点（软件触点）闭合，输出继电器Q0.0线圈得电（得电途径：左等效电源线→已闭合的I0.0常开触点→I0.1、I0.2常闭触点→Q0.0线圈→右等效电源线），Q0.0线圈得电一方面使用户程序中的Q0.0常开自锁触点闭合，对Q0.0线圈供电进行锁定，另一方面使输出端的Q0.0硬件常开触点闭合（Q0.0硬件触点又称物理触点，实际是继电器的触点或晶体管），接触器KM线圈得电（电流途径：AC220V一端→KM线圈→Q0.0端子→内部Q0.0硬件触点→1L端子→AC220V另一端），主电路中的接触器KM主触点闭合，电动机得电运转。

当按下停止按钮SB2时，输入继电器I0.1线圈得电，使用户程序中的I0.1常闭触点断开，输出继电器Q0.0线圈失电，一方面使用户程序中的Q0.0常开自锁触点断开，解除自锁，另一方面使输出端的Q0.0硬件常开触点断开，接触器KM线圈失电，KM主触点断开，电动机失电停转。

若电动机在运行过程中长时间电流过大，热继电器FR动作，使PLC的I0.2端子外接的FR触点闭合，输入继电器I0.2线圈得电，使用户程序中的I0.2常闭触点断开，输出继电器Q0.0线圈失电，输出端的Q0.0硬件常开触点断开，接触器KM线圈失电，KM主触点闭合，电动机失电停转，从而避免电动机长时间过电流运行。