1.2 PLC的基本结构和工作原理
1.2.1 PLC的基本结构
PLC采用了典型的计算机结构，主要由中央处理器CPU，存储器ROM、RAM和专门设计的输入/输出接口电路，以及电源部分等组成。
1．中央处理器CPU
CPU是可编程序控制器的核心部件，它由大规模或超大规模集成电路微处理器构成。早期低档的PLC一般采用Z80A芯片，现在绝大多数的PLC一般采用MCS51/96系列芯片，也有一些公司的PLC将位片式微处理器作为CPU。
以三菱电机公司为例，F系列PLC的CPU采用Intel8039，F1、F2系列PLC的CPU采用Intel8031，FX系列PLC的CPU由16位微处理器和一片专用逻辑处理器构成。有的PLC采用多个CPU芯片，例如，三菱高性能Q系列PLC可支持多达4个CPU，一个系统中可集成顺序控制CPU、过程控制CPU、运动控制CPU（最大96轴）、PC CPU，如图1-2-1和表1-2-1所示。
什么是多PLC系统？多PLC系统在主基板上有多个（最多4个）CPU模块来控制相应的I/O和智能功能模块。通过配置带有PLC CPU、运动CPU和PC CPU模块的多PLC系统实现顺序控制、运动控制和格式化处理的无缝集成。应选择符合用户系统规模和应用需求的最佳CPU模块来配置系统。
图1-2-1 一个PLC系统中集成多个CPU
表1-2-1 三菱Q系列可使用的CPU模块
PLC的内部结构和逻辑结构如图1-2-2、图1-2-3所示，CPU通过地址总线、数据总线和控制总线与存储单元、输入/输出（I/O）接口电路相连接，发挥大脑指挥的作用，其主要功能如下：
（1）读入现场状态。
（2）控制存储和解读用户逻辑。
（3）执行各种运算程序。
（4）输出运算结果。
（5）执行系统诊断程序。
（6）与外部设备或计算机通信。
图1-2-2 PLC内部结构图
图1-2-3 PLC逻辑结构示意图
2．存储器ROM、RAM
存储器具有存储记忆功能，主要用于存储系统程序、应用程序、逻辑变量和其他一些信息，它一般有ROM和RAM两种类型。
1）只读存储器ROM
ROM具有一旦写入便不可修改的特点，这种特点使得厂家常用ROM来存放非常重要的PLC系统程序，系统程序一般包含检查程序、翻译程序、监控程序3个部分。
（1）检查程序。PLC加电后，首先由程序检查PLC各部件是否正常，并将检查结果显示给操作人员。
（2）翻译程序。将用户键入的控制程序变换成由微计算机指令组成的程序，然后再执行，还可以对用户程序进行语法检查。
（3）监控程序。相当于总控程序。根据用户的需要调用相应的内部程序，如用编程器选择PROGRAM程序工作方式，则总控程序就调用“键盘输入处理程序”，将用户键入的程序送到RAM中。若用编程器选择RUN运行工作方式，则总控程序将启动。
2）随机存储器RAM
RAM的特点是读出时其中的内容不会被破坏，写入时原先保存的信息会被冲掉。一般用户的程序保存在RAM中，当用户将计算机中已编制好的PLC程序下载到PLC中时，原有的程序就会被新下载的程序替代，所以用户应注意保存。而如果不再写入，则下载到PLC中的程序可以随意读出而不被破坏。表1-2-2 列出了ROM和RAM的作用比较。
表1-2-2 ROM和RAM的作用比较
3．输入/输出接口电路
输入/输出接口电路是PLC与控制设备联系的交通要道，用户设备需输入PLC的各种控制信号，如操作按钮、限位开关、选择开关、传感器输出的模拟量或开关量等，通过输入接口电路将这些信号转换成PLC的CPU能够接收和处理的信号。输出接口电路将PLC中的CPU送出的弱电控制信号转换成现场需要的强电信号输出，以驱动电磁阀、接触器、电动机等被控设备的执行元件。
1）输入接口电路
（1）光电耦合电路。光电耦合电路的关键器件是光耦合器，一般由发光二极管和光电三极管组成。采用耦合电路与现场输入信号相连是为了防止现场的强电干扰进入PLC。当在光耦合电路的输入端加上变化的电信号时，发光二极管就产生与输入信号变化规律相同的光信号，光电三极管在光信号的照射下导通，导通程度与光信号的强弱有关。
（2）微计算机的输入接口电路。微计算机的输入接口电路一般由数据输入寄存器、选通电路、中断请求逻辑电路构成，这些电路集成在一个芯片上，现场的输入信号通过光电耦合电路送到输入数据寄存器，然后通过数据总线送给CPU。
2）输出接口电路
一般采用光电耦合电路，将CPU处理过的信号转换成现场需要的强电信号输出，以驱动接触器、电磁阀等外部设备的通断电。有以下3种常见类型：
（1）继电器输出型：有触点输出方式，用于接通或断开开关频率较低的直流负载或交流负载回路，如图1-2-4（a）所示。
（2）晶闸管输出型：无触点输出方式，用于接通或断开开关频率较高的交流电源负载，如图1-2-4（b）所示。
（3）晶体管输出型：无触点输出方式，用于接通或断开开关频率较高的直流电源负载。这其中又分为PNP集电极电路和NPN集电极电路两种类型，如图1-2-4（c）、（d）所示。
图1-2-4 PLC的输出接口电路
4．电源部分
电源是PLC的能源供给中心，电源的好坏直接影响PLC的功能和可靠性，电源部件通常将交流电转换成PLC需要的直流电，目前大部分PLC采用开关式稳压电源供电，PLC的供电可分为220V或110V交流电，部分机型也采用24V直流电源。
1.2.2 PLC的工作原理
PLC的工作原理与微机不同，微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，当有键按下或有I/O变化时，转去执行相应的子程序，若无，则继续扫描等待。而PLC则采用“循环扫描”的工作方式，从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直至遇到结束符后又返回第一条指令，如此周而复始不断循环，每一个循环称为一个扫描周期，如图1-2-5所示，左边是PLC的梯形图程序，右边是指令表执行语言，中间是其步序执行示意图。
图1-2-5 PLC的循环扫描
一个循环扫描周期可分为如下五个阶段：
（1）自诊断阶段：每次执行用户程序前，都要执行故障自诊断程序，自诊断内容为I/O部分、存储器、CPU等，若诊断发现异常，则停机显示出错，若正常，则转入下一阶段。这一阶段的工作类似于计算机开机时的“自检”。
（2）通信请求阶段：自诊断结束后，PLC检查是否有编程器、计算机等的通信请求；若有，则接收来自编程器、计算机的各种命令、程序和数据等，并将要显示的状态、数据、出错信息等发送给编程器或计算机显示；若无，则直接进入第三阶段。
（3）输入采样阶段：此阶段PLC将对各个输入端进行扫描，并将结果送到输入状态寄存器中。
（4）程序执行阶段：输入采样结束后，PLC将按图1-2-5所示格式逐条执行用户程序。
（5）输出刷新阶段：当执行完用户程序后，PLC将存储在输出状态寄存器中的结果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的扫描工作过程如图1-2-6所示。
图1-2-6 PLC扫描工作过程
如用户程序事先写入，一般通信请求阶段可忽略，则一个扫描周期通常为：
T=读入一个点的时间×输入点数+运算速度×程序步数+
输出一个点的时间×输出点数+故障诊断时间
扫描周期T是PLC的重要指标之一，从上式可见，影响PLC扫描周期的主要因素是程序的长短。
PLC控制系统与继电器控制系统的主要区别也在于工作方式不同，继电器是“并行工作”的，也就是按照同时执行的方式工作的，只要形成电流通路，就可能有几个继电器同时动作。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，在任一时刻它只能执行一条指令，也就是说，PLC是“串行工作”的，这种串行工作方式可以避免继电器控制的触点竞争和时序失配问题。
总之，PLC的基本工作原理可以概括成“循环扫描，串行工作”，这是PLC区别于单片机、继电器控制系统的最大特点之一，在使用中需要特别注意。