1.2 PLC的组成与工作原理

1.2.1 PLC的组成方框图

PLC的种类很多，但结构大同小异，典型的PLC控制系统组成方框图如图1-5所示。PLC内部主要由CPU、存储器、输入接口、输出接口、通信接口和扩展接口等组成。PLC通过输入接口接收输入设备送来的信号，PLC产生的控制信号通过输出接口送给输出设备；如果需要与其他设备通信，可在PLC的通信接口连接其他设备；如果希望增强PLC的功能，可在PLC的扩展接口连接扩展单元。

1.2.2 CPU与存储器

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，以控制它们有条不紊地工作。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。

系统程序由厂家编写并固化在ROM存储器中，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存储器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。

1.2.3 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，开关量输入接口电路用于接收开关通断信号，模拟量输入接口电路用于接收模拟量信号。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采用的电路形式较多，根据使用电源的不同，可分为内部直流输入接口电路、外部交流输入接口电路和外部交/直流输入接口电路。三种类型的开关量输入接口电路如图1-6所示。

该类型的输入接口电路的电源由PLC内部直流电源提供。当输入开关闭合时，有电流流过光电耦合器和输入指示灯（电流途径：DC 24V右正→光电耦合器的发光管→输入指示灯→R1→输入端子→输入开关→COM端子→DC 24V左负），光电耦合器的光敏管受光导通，将输入开关状态传送给内部电路。由于光电耦合器内部是通过光线传递信号的，故可以将外部电路与内部电路有效隔离，输入指示灯点亮用于指示输入端子有输入。输入端子有电流流过时称作输入为ON（或称输入为1）。

R2、C为滤波电路，用于滤除通过输入端子窜入的干扰信号，R1为限流电阻。

该类型的输入接口电路的电源由外部的交流电源提供。为了适应交流电源的正负变化，接口电路采用双向发光管型光电耦合器和双向发光二极管指示灯。

当输入开关闭合时，若交流电源AC极性为上正下负，则有电流流过光电耦合器和指示灯（电流途径：AC电源上正→输入开关→输入端子→C、R2元件→左正右负发光二极管指示灯→光电耦合器的上正下负发光管→COM端子→AC电源下负）；当交流电源AC极性变为上负下正时，也有电流流过光电耦合器和指示灯（电流途径：AC电源下正→COM端子→光电耦合器的下正上负发光管→右正左负发光二极管指示灯→R2、C元件→输入端子→输入开关→AC电源上负），光电耦合器导通，将输入开关的状态传送给内部电路。

该类型的输入接口电路的电源由外部的直流或交流电源提供。输入开关闭合后，不管外部是直流电源还是交流电源，均有电流流过光电耦合器。

1.2.4 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：继电器输出接口电路、晶体管输出接口电路和双向晶闸管（也称双向可控硅）输出接口电路。三种类型开关量输出接口电路如图1-7所示。

当PLC内部电路输出为ON（也称输出为1）时，内部电路会输出电流流过继电器KA线圈，继电器KA常开触点闭合，负载有电流流过（电流途径：电源一端→负载→输出端子→内部闭合的KA触点→COM端子→电源另一端）。

由于继电器触点无极性之分，故继电器输出接口电路可驱动交流或直流负载（即负载电路可采用直流电源或交流电源供电），但触点开闭速度慢，其响应时间长，动作频率低。

采用光电耦合器与晶体管配合使用，当PLC内部电路输出为ON时，内部电路会输出电流流过光电耦合器的发光管，光敏管受光导通，为晶体管基极提供电流，晶体管也导通，负载有电流流过（电流途径：DC电源上正→负载→输出端子→导通的晶体管→COM端子→电源下负）。

由于晶体管有极性之分，故晶体管输出接口电路只可驱动直流负载（即负载电路只能使用直流电源供电）。晶体管输出接口电路是依靠晶体管导通与截止实现开闭的，开闭速度快，动作频率高，适合输出脉冲信号。

采用双向晶闸管型光电耦合器，在受光照射时，光电耦合器内部的双向晶闸管可以双向导通。

双向晶闸管输出接口电路的响应速度快，动作频率高，用于驱动交流负载。

1.2.5 通信接口、扩展接口与电源

1.通信接口

PLC配有通信接口，PLC可通过通信接口与编程器、写入器、人机界面、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的工作状态；PLC与其他PLC连接，可组成多机系统或连成网络，实现更大规模的控制；PLC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的控制功能，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还可以通过端子往外提供24V直流电源。

1.2.6 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1-8所示。

PLC通电后，首先进行系统初始化，将内部电路恢复到起始状态，然后进行自我诊断，检测内部电路是否正常，以确保系统能正常运行，诊断结束后对通信接口进行扫描，若接有外设则与其通信。通信接口无外设或通信完成后，系统开始进行输入采样，检测输入设备（开关、按钮等）的状态，然后根据输入采样结果执行用户程序，程序运行结束后对输出进行刷新，即输出程序运行时产生的控制信号。

以上过程完成后，系统又返回，重新开始自我诊断，以后不断重复上述过程。

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工作在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。

1.2.7 用实例说明PLC程序驱动硬件的工作原理

PLC的用户程序执行过程很复杂，下面以PLC正转控制线路为例进行说明。图1-9所示是PLC正转控制线路与内部用户程序，为了便于说明，图中画出了PLC内部等效图。

PLC内部等效图中的X0（也可用X000表示）、X1、X2称为输入继电器，它们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；Y0（也可用Y000表示）称为输出继电器，它也包括线圈和触点。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。

工作过程如下。

当按下启动按钮SB1时，输入继电器X0线圈得电（电流途径：DC 24V正端→X0线圈→X0端子→SB1→COM端子→DC 24V负端），X0线圈得电会使用户程序中的X0常开触点（软件触点）闭合，输出继电器Y0线圈得电（电流途径：左等效电源线→已闭合的X0常开触点→X1常闭触点→Y0线圈→右等效电源线），Y0线圈得电一方面使用户程序中的Y0常开自锁触点闭合，对Y0线圈供电进行锁定，另一方面使输出端的Y0硬件常开触点闭合（Y0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：AC 220V一端→KM线圈→Y0端子→内部Y0硬件触点→COM端子→AC 220V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X1线圈得电，它使用户程序中的X1常闭触点断开，输出继电器Y0线圈失电。一方面使用户程序中的Y0常开自锁触点断开，解除自锁；另一方面使输出端的Y0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X2端子外接的FR触点闭合，输入继电器X2线圈得电，使用户程序中的X2常闭触点断开，输出继电器Y0线圈马上失电，输出端的Y0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流运行。