PLC的結(jié)構(gòu)和工作原理

可編程控制器種類繁多，但其基本結(jié)構(gòu)和工作原理相同。可編程控制器的功能結(jié)構(gòu)區(qū)有CPU（中央處理器）、存儲(chǔ)器、輸入、輸出接口三部分組成。

（1）CPU（中央處理器） CPU的功能是完成PLC內(nèi)所有的控制和監(jiān)視操作。中央處理器一般由控制器、運(yùn)算器和寄存器組成。CPU通過數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線與存儲(chǔ)器、輸入輸出接口電路連接。

（2）存儲(chǔ)器  在PLC中有兩種存儲(chǔ)器：系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器和系統(tǒng)存儲(chǔ)器。

     系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器用來存放由PLC生產(chǎn)廠家編寫好的系統(tǒng)程序，并固化在ROM（只讀存儲(chǔ)器）內(nèi)，用戶不能直接更改。存儲(chǔ)器中的程序負(fù)責(zé)解釋和編譯用戶編寫的程序、監(jiān)控I/O口的狀態(tài)、對(duì)PLC進(jìn)行自診斷、掃描PLC中的用戶程序等。用戶程序存儲(chǔ)器是用來存放用戶根據(jù)控制要求而編制的應(yīng)用程序。目前大多數(shù)PLC采用可隨時(shí)讀寫的快閃存儲(chǔ)器（Flash）作為用戶程序存儲(chǔ)器，它不需要后備電池，掉電時(shí)數(shù)據(jù)也不會(huì)丟失，系統(tǒng)存儲(chǔ)器屬于隨機(jī)存儲(chǔ)器（RAM），主要用于存儲(chǔ)中間計(jì)算結(jié)果和數(shù)據(jù)、系統(tǒng)管理，主要包括I/O狀態(tài)存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。

（3）輸入/輸出接口 PLC的輸入/輸出模塊是PLC與工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備相連接的端口。PLC的輸入和輸出信號(hào)可以是開關(guān)量或模擬量，其接口是PLC內(nèi)部弱電信號(hào)和工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)強(qiáng)電信號(hào)聯(lián)系的橋梁。接口主要起到隔離保護(hù)的作用（電隔離電路使工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)和PLC內(nèi)部進(jìn)行隔離）和信號(hào)調(diào)整作用（把不同的信號(hào)調(diào)整成CPU可以處理的信號(hào)）。

輸入接口 輸入接口是PLC從外部接受信號(hào)的窗口。輸入接口電路有接線端子、輸入調(diào)理電路、電平轉(zhuǎn)換電路、模塊狀態(tài)顯示、電隔離電路和多路選擇開關(guān)模塊組成。輸入信號(hào)可以是離散信號(hào)和模擬信號(hào)。當(dāng)輸入時(shí)離散信號(hào)時(shí)，輸入端的設(shè)備類型可以是按鈕、限位開關(guān)、接近開關(guān)、繼電器觸點(diǎn)、光電開光、以及選擇開關(guān)等。當(dāng)輸入為模擬輸入時(shí)，輸入設(shè)備的類型可以是壓力傳感器、溫度傳感器、流量傳感器、電流傳感器和重量傳感器等。

輸出接口  輸出接口是PLC是用來驅(qū)動(dòng)外部負(fù)載。輸出接口電路由多路選擇開關(guān)模塊、信號(hào)鎖存器、電隔離電路、模塊狀態(tài)顯示、輸出電平轉(zhuǎn)換電路和接線端子組成。PLC由三種輸出形式，即繼電器輸出、晶體管輸出和晶閘管輸出。繼電器輸出的PLC負(fù)載電源可以是直流電源也可以是交流電源，但其輸出響應(yīng)頻率慢。晶體管輸出的PLC負(fù)載是直流電源，其輸出頻率響應(yīng)快。晶閘管輸出的PLC的負(fù)載是交流電源，西門子1200PLC的CPU模塊暫時(shí)還沒有晶閘管輸出形式的產(chǎn)品出售。輸出信號(hào)可以是離散信號(hào)和模擬信號(hào)。當(dāng)輸出是離散信號(hào)時(shí)，輸出端的設(shè)備類型可以是指示燈、電磁閥線圈、繼電器線圈、蜂鳴器和報(bào)警器等。當(dāng)輸出為模擬量輸出時(shí)輸出設(shè)備的類型可以是流量閥、模擬量?jī)x表、溫度控制器、流量控制器等。

   【關(guān)鍵點(diǎn)】PLC的繼電器輸出雖然響應(yīng)速度慢，但其驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，一般為2A，這是繼電器型輸出PLC的一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)。一些特殊型號(hào)的PLC，如西門子LOGO的某些型號(hào)驅(qū)動(dòng)能力可達(dá)5A和10A，能直接驅(qū)動(dòng)接觸器。繼電器輸出的PLC對(duì)于一般的誤接線，通常不會(huì)引起PLC內(nèi)部器件的燒毀（高于交流220V電壓是不允許的）。晶體管輸出的PLC輸出電流0.5A（西門子有的型號(hào)的PLC輸出電流為0.75A），可見晶體管輸出的驅(qū)動(dòng)能力小。此外，晶體管輸出形式的PLC對(duì)于一般的誤接線，可能會(huì)引起PLC內(nèi)部器件的燒毀，所以要特別注意。 

 PLC的工作原理

工作原理當(dāng)PLC投入運(yùn)行后，其工作過程一般分為三個(gè)階段，即輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新三個(gè)階段。完成上述三個(gè)階段稱作一個(gè)掃描周期。在整個(gè)運(yùn)行期間，PLC的CPU以一定的掃描速度重復(fù)執(zhí)行上述三個(gè)階段。
     （1）輸入采樣  在輸入采樣階段，PLC以掃描方式依次地讀入所有輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并將它們存入I/O映象區(qū)中的相應(yīng)得單元內(nèi)。輸入采樣結(jié)束后，轉(zhuǎn)入用戶程序執(zhí)行和輸出刷新階段。在這兩個(gè)階段中，即使輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)發(fā)生變化，I/O映象區(qū)中的相應(yīng)單元的狀態(tài)和數(shù)據(jù)也不會(huì)改變。因此，如果輸入是脈沖信號(hào)，則該脈沖信號(hào)的寬度必須大于一個(gè)掃描周期，才能保證在任何情況下，該輸入均能被讀入。
    （2） 用戶程序執(zhí)行  在用戶程序執(zhí)行階段，PLC總是按由上而下的順序依次地掃描用戶程序(梯形圖)。在掃描每一條梯形圖時(shí)，又總是先掃描梯形圖左邊的由各觸點(diǎn)構(gòu)成的控制線路，并按先左后右、先上后下的順序?qū)τ捎|點(diǎn)構(gòu)成的控制線路進(jìn)行邏輯運(yùn)算，然后根據(jù)邏輯運(yùn)算的結(jié)果，刷新該邏輯線圈在系統(tǒng)RAM存儲(chǔ)區(qū)中對(duì)應(yīng)位的狀態(tài)；或者刷新該輸出線圈在I/O映象區(qū)中對(duì)應(yīng)位的狀態(tài)；或者確定是否要執(zhí)行該梯形圖所規(guī)定的特殊功能指令。
即，在用戶程序執(zhí)行過程中，只有輸入點(diǎn)在I/O映象區(qū)內(nèi)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)不會(huì)發(fā)生變化，而其他輸出點(diǎn)和軟設(shè)備在I/O映象區(qū)或系統(tǒng)RAM存儲(chǔ)區(qū)內(nèi)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)都有可能發(fā)生變化，而且排在上面的梯形圖，其程序執(zhí)行結(jié)果會(huì)對(duì)排在下面的凡是用到這些線圈或數(shù)據(jù)的梯形圖起作用；相反，排在下面的梯形圖，其被刷新的邏輯線圈的狀態(tài)或數(shù)據(jù)只能到下一個(gè)掃描周期才能對(duì)排在其上面的程序起作用。
     （3）輸出刷新  當(dāng)掃描用戶程序結(jié)束后，PLC就進(jìn)入輸出刷新階段。在此期間，CPU按照I/O映象區(qū)內(nèi)對(duì)應(yīng)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)刷新所有的輸出鎖存電路，再經(jīng)輸出電路驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的外設(shè)。這時(shí)，才是PLC的真正輸出。

上述三個(gè)步驟是PLC的軟件處理過程，可以認(rèn)為就是程序掃描時(shí)間。掃描時(shí)間通常由三個(gè)因素決定：一是CPU的時(shí)鐘速度，越高檔的CPU，時(shí)鐘速度越高，掃描時(shí)間越短；二是模塊的數(shù)量，模塊數(shù)量越少，掃描時(shí)間越短；三是程序長(zhǎng)度，程序長(zhǎng)度越短，掃描時(shí)間越短。一般的PLC執(zhí)行容量為1K的程序需要的掃描時(shí)間是1—10ms。