专题1.2 PLC的组成与工作原理

1.2.1 PLC的组成

PLC系统的组成与微型计算机基本相同，也是由硬件系统和软件系统两大部分构成的。

1．PLC的硬件系统

PLC硬件系统是指构成它的各个结构部件，是有形实体。PLC硬件系统的组成框图如图1-1所示。

PLC硬件系统由主机、用户输入输出设备、扩展单元及外围设备组成。主机和扩展单元采用计算机的结构形式，其内部由运算器、控制器、存储器、输入单元、输出单元以及接口等部分组成。将运算器和控制器集成在一片或几片大规模集成电路中，称为微处理器（或微处理机、中央处理器），简称为CPU。存储器主要有系统程序存储器（EPROM）和用户程序存储器（RAM）。

主机内各部分之间均通过总线连接。总线有电源总线、控制总线、地址总线和数据总线。

输入/输出单元是PLC与外部输入信号、被控设备连接的转换电路，通过外部接线端子可直接与现场设备相连。如将按钮、行程开关、继电器触点和传感器等接至输入端子，通过输入单元把它们的输入信号转换成微处理器能接受和处理的数字信号。输出单元则接受经微处理器处理过的数字信号，并把这些信号转换成被控设备或显示设备能够接受的电压或电流信号，经过输出端子的输出驱动接触器线圈、电磁阀、信号灯和电动机等执行装置。

编程器是PLC重要的外围设备，一般PLC都配有专用的编程器。通过编程器可以输入程序，并可以对用户程序进行检查、修改、调试和监视，还可以调用和显示PLC的一些状态和系统参数。目前，在许多PLC控制系统中，可以用通用的计算机加上适当的接口和软件进行编程。

2．PLC的软件系统

PLC的软件系统是指PLC所使用的各种程序的集合，包括系统程序（或称为系统软件）和用户程序（或称为应用软件）。系统程序主要包括系统管理、监控程序以及对用户程序进行编译处理的程序，各种性能不同的PLC系统程序会有所不同。系统程序在出厂前已被固化在EPROM中，用户不能改变。用户程序是用户根据生产过程和工艺要求而编制的程序，通过编程器或计算机输入到PLC的RAM中，并可对其进行修改或删除。

1.2.2 PLC的工作原理

1．循环扫描工作方式

PLC用户程序的执行采用的是循环扫描工作方式，即PLC对用户程序逐条顺序执行，直至程序结束为止，然后再从头开始扫描，周而复始，直至停止执行用户程序为止。PLC的基本工作模式有两种，即运行（RUN）模式和停止（STOP）模式，如图1-2所示。

（1）运行模式

在运行模式下，PLC对用户程序的循环扫描过程分为3个阶段，即输入处理阶段、程序执行阶段和输出处理阶段。PLC的工作过程如图1-3所示。

1）输入处理阶段。输入处理阶段又称为输入采样阶段。PLC在此阶段，以扫描方式顺序读入所有输入端子的状态（接通或断开），并将其状态存入输入映像寄存器中。接着转入程序执行阶段，在程序执行期间，即使输入状态发生变化，输入映像寄存器的内容也不会变化，这些变化只能在一个工作周期的输入采样阶段才被读入刷新。

2）程序执行阶段。在程序执行阶段，PLC对程序按顺序进行扫描。如果程序用梯形图表示，则总是按先上后下、先左后右的顺序进行扫描。每扫描一条指令时，所需的输入状态或其他元素的状态分别从输入映像寄存器和元素映像寄存器中读出，然后进行逻辑运算，并将运算结果写入到元素映像寄存器中。也就是说，在程序执行过程中，元素映像寄存器内元素的状态会被后面将要执行到的程序所应用，它所寄存的内容也会随程序执行的进程而变化。

3）输出处理阶段。输出处理阶段又称为输出刷新阶段。在此阶段，PLC将元素映像寄存器中所有输出继电器的状态（接通或断开）转存到输出锁存电路，再驱动被控对象（负载），这就是PLC的实际输出。

PLC重复执行上述3个阶段，这3个阶段也是分时完成的。为了连续完成PLC所承担的工作，系统必须周而复始地按一定的顺序完成这一系列的具体工作。这种工作方式叫作循环扫描工作方式。PLC执行一次扫描操作所需的时间称为扫描周期，其典型值为1～100ms。一般来说，在一个扫描过程中，执行指令的时间占了绝大部分。

（2）停止模式

在停止模式下，PLC只进行内部处理和通信服务工作。在内部处理阶段，PLC检查CPU模块内部的硬件是否正常，进行监控定时器复位等工作。在通信服务阶段，PLC与其他带CPU的智能装置进行通信。

2．输入/输出滞后时间

由于PLC采用循环扫描工作方式，即对信息采用串行处理方式，这就必然带来了输入/输出的响应滞后问题。

输入/输出滞后时间又称为系统响应时间，是指从PLC外部输入信号发生变化的时刻起，至由它控制的有关外部输出信号发生变化的时刻止所需的时间。它由输入电路的滤波时间、输出模块的滞后时间和因扫描工作方式产生的滞后时间3部分组成。

1）输入模块的RC滤波电路用来滤除由输入端引入的干扰噪声，消除因外接输入触点动作时产生抖动引起的不良影响。滤波时间常数决定了输入滤波时间的长短，其典型值为10ms。

2）输出模块的滞后时间与模块开关器件的类型有关，继电器型约为10ms；晶体管型一般小于1ms；双向晶闸管型在负载通电时的滞后时间约为1ms；负载由通电到断电时的最大滞后时间约为10ms。

3）由扫描工作方式产生的最大滞后时间可超过两个扫描周期。

输入/输出滞后时间对于一般工业设备是完全允许的，但对于某些需要输出对输入做出快速响应的工业现场，可以采用快速响应模块、高速计数模块以及中断处理等措施来尽量减少响应时间。