1.2 PLC的组成及工作原理

PLC采用了典型的计算机结构，主要是由CPU、RAM、ROM和专门设计的输入/输出接口电路及电源部分等组成。

1.2.1 PLC的组成

1.中央处理器（CPU）

CPU是PLC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MCS5L/96系列芯片，也有一些公司的PLC采用位片式微处理器作CPU。

PLC的内部结构如图1-1所示，逻辑结构如图1-2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，发挥其大脑指挥的作用。

图1-1 PLC内部结构图

CPU的主要功能如下：

1）进入现场状态。

2）控制存储和解读用户逻辑。

3）执行各种运算程度。

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等。

2.存储器

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。

图1-2 PLC逻辑结构图

（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各部件操作是否正常，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型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。用于总控程序。根据用户的需要调用相应的内部程序，例如用编程器选择程序工作方式，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，则总控程序将启动程序。

（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，当用户在将计算机中已编好的PLC程序下载到PLC中时，原有的程序就会被现在下载的程序所替代，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1-1列出了ROM和RAM的作用区别。

表1-1 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）光耦合电路。光耦合电路的关键器件是光耦合器，一般由发光二极管和光敏晶体管组成。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，发光二极管会产生与输入信号变化规律相同的光信号，光敏晶体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）微型计算机的输入接口电路。微型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。常见有以下3种类型。

1）继电器输出型：为有触点输出方式，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，见图1-3a。

图1-3 PLC的输出接口电路

a）继电器输出型 b）晶闸管输出型 c）晶体管输出型（PNP集电极开路） d）晶体管输出型（NPN集电极开路）

2）晶闸管输出型：为无触点输出方式，用于接通或断开开关频率较高的交流电源负载，见图1-3b。

3）晶体管输出型：为无触点输出方式，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型集电极开路和NPN型集电极开路两种类型，见图1-3c和图1-3d。

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供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24V交流电，部分机型也提供24V直流电源。

1.2.2 PLC的基本工作原理

PLC的工作过程

在PLC中，用户程序按先后顺序存放，在没有中断或跳转指令时，PLC从第一条指令开始顺序执行，直到程序结束符后又返回到第一条指令，如此周而复始地不断循环执行程序。PLC在工作时采用循环扫描的工作方式。循环扫描的工作方式简单直观，不仅简化了程序设计，并为PLC的可靠运行提供保障。有些情况下也插入中断方式，允许中断正在扫描运行的程序，以便处理一些紧急任务。

PLC扫描工作的第一步是采样阶段，通过输入接口把所有输入端的信号状态读入缓冲区，即刷新输入信号的原有状态。第二步扫描用户程序，根据本周期输入信号的状态和上周期输出信号的状态，对用户程序逐条进行运算处理，并将结果送到输出缓冲区。第三步进行输出刷新，将输出缓冲区各输出点的状态通过输出接口电路全部送到PLC的输出端。PLC周期性地循环执行上述三个步骤，这种工作方式称为循环扫描的工作方式。每一个循环称为一个扫描周期。一个扫描周期中除了执行指令外，还有I/O刷新、故障诊断和通信等操作，如图1-4所示。扫描周期是PLC的重要参数之一，它反映PLC对输入信号的灵敏度或滞后程度。通常工业控制要求PLC的扫描周期在6～30ms。

图1-4 PLC的工作流程图

在进入扫描之前，PLC首先执行自检操作，以检查自身是否存在问题。自检过程的主要任务是消除各继电器和寄存器状态的随机性，进行复位和初始化处理，检查I/O模块的端子连接是否正常，再对内存单元进行测试。如正常则可认为PLC自身完好，否则出错指示灯（ERROR）亮报警，并停止所有任务的执行。最后复位系统的监视定时器，允许PLC进入循环扫描周期。在每次扫描期间，PLC也做系统诊断，以便及时发现故障。

（1）PLC控制系统与微机控制系统的区别

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，则转去执行相应的子程序，若无则继续扫描等待。而PLC则是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如图1-5所示，每一个循环称为一个扫描周期。

图1-5 PLC的循环扫描

（2）PLC控制系统与继电器控制系统的区别

继电器是并行工作的，也就是说按同时执行的方式工作，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，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是串行工作的，这种串行工作方式可以避免继电器控制系统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区别于微机、继电器控制系统的最大特点之一，在使用时应引起特别的注意。

1.2.3 PLC的技能指标

虽然市场上各厂家PLC产品的技术性能不同，而且各有特色，但其主要性能通常是由以下几种指标进行综合描述的。

1.输入/输出点数（I/O点数）

输入/输出点数指PLC外部输入、输出端子数，这是PLC最重要的一项技术指标。选用PLC作为工控设备时，要考虑的一个因素就是I/O点数，一般点数越多，价钱越贵，但同时也要考虑到可扩展性。

2.扫描速度

PLC的扫描速度一般以执行1000步指令所需的时间来衡量，单位为ms/千步，如以执行一步指令的时间计，则为μs/步，扫描速度越快，扫描周期越短。

3.内存容量

在PLC中，程序指令是按步而论，一步占一个地址单元，一个地址单元占用2B，一个1000步的程序，占内存为200B（本书中，表示程序容量的“步”即为2B）。以松下的FPLC24来说，最短的指令只有1步，最长的指令则有15步。

4.指令条数

这是衡量PLC软件功能强弱的主要指标，PLC具有的指令种类及条数越多，则其软件功能越强，编程越灵活，越方便。如FP1的指令有192条，除能进行一般的逻辑运算、算术运算、计时、计数外，还可进行8位、16位、32位数据的传输和变换。控制指令包括：中断控制指令、子程序调用指令、跳转指令等等，此外还有许多特殊功能指令，如脉冲输出、高速计数、输入延时滤波、脉冲捕获、凸轮控制、步进控制等指令。FP0，FP-M机型的指令更丰富，丰富的指令可以为用户提供极大的方便。

5.内部寄存器

PLC中有许多通用寄存器、专用寄存器、索引寄存器、辅助寄存器等内部寄存器，用以存放变量状态、中间结果、定时计数、索引等数据，它可给用户提供许多特殊功能，并简化整个系统的程序设计，因此，内部寄存器的多少也是衡量PLC的指标。

6.高级模块

除主控模块外，PLC还可以配接各种高级模块，主控模块主要实现基本控制功能，而高级模块则主要实现一些特殊的专门功能，如A-D和D-A转换模块、高速计数模块、位置控制模块、PID控制模块、远程通信模块等。高级模块的配置反映了PLC功能的强弱，是衡量PLC产品档次高低的一个重要标志。