1.3　PLC的基本结构及工作原理

1.3.1　PLC的基本结构

PLC主要由主机和外部设备构成。主机由微处理器（CPU）、存储器（RAM/ROM）、输入/输出（I/O）接口和内部电源构成；外部设备一般由编程器、打印机、显示器、特殊模块、上位计算机及其他PLC等构成。PLC的基本结构如图1-5所示。

①CPU（Central Processing Unit）　中央处理单元，是PLC的运算控制中心，它在系统程序的控制下，完成逻辑运算、数学运算、协调系统内部各部分的工作，其具体作用是：

a.接收、存储用户程序；

b.按扫描工作方式接收来自输入单元的数据和信息，并存入相应的数据存储区；

c.执行监控程序和用户程序，完成数据和信息的逻辑处理，产生相应的内部控制信号，完成用户指令规定的各种操作；

d.响应外部设备的请求。

②RAM（Random Access Memory）　随机存取存储器，用于用户程序和运行中的数据。RAM可读可写，没有断电保持功能。用户存储器一般采用低功耗的CMOS RAM，由锂电池实现断电保护，可保持用户程序5～10年。

③ROM（Read Only Memory）　只读存储器，CPU只能读不能写入，用于存储厂家编写的系统程序，系统程序是控制和完成PLC各种功能的程序，系统程序存储器一般为EPROM和EEPROM，由编程器写入。

④I（Input）/O（Output）　输入/输出，连接现场设备与CPU之间的接口电路。输入接口用来接收生产过程的各种参数（输入信号）；输出接口用来送出可编程控制器运算后得出的控制信息（输出信号），并通过机外的执行机构完成工业现场的各类控制。为了适应工业生产现场的复杂环境，输入输出接口有良好的抗干扰能力和满足各类信号的匹配要求。

⑤外部设备　可编程控制器一般可配备的外部设备有编程器、打印机（打印程序或制表）、EPROM写入器（将程序写入用户EPROM中）、彩色图形监控系统（显示或监视有关部分的运行状态）。

1.3.2　PLC的工作原理

最初生产的PLC主要用于代替传统的由继电器、接触器构成的控制装置，但这两者的运行方式是不相同的。继电器控制装置采用硬逻辑并行运行的方式，即如果这个继电器的线圈通电或断电，该继电器所有的触点（包括其常开或常闭触点）在继电器控制线路的哪个位置上都会立即同时动作。而PLC的CPU采用顺序逻辑扫描用户程序的运行方式，即如果一个输出线圈或逻辑线圈被接通或断开，该线圈的所有触点（包括其常开或常闭触点）不会立即动作，必须等扫描到该触点时才会动作。

为了消除二者之间由于运行方式不同而造成的差异，考虑到继电器控制装置各类触点的动作时间一般在100ms以上，而PLC扫描用户程序的时间一般均小于100ms，因此，PLC采用了一种不同于一般微型计算机的运行方式——扫描技术。这样在对于I/O响应要求不高的场合，PLC与继电器控制装置的处理结果上就没有什么区别了。

PLC的一个扫描过程包含以下五个阶段。如图1-6所示。

①内部处理　检查CPU等内部硬件是否正常，对监视定时器复位，其他内部处理。

②通信服务　与编程器、计算机进行通信。如响应编程器键入的命令，更新编程器的显示内容；用一台计算机与多台PLC组成分布式控制系统。

③输入采样　在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入输入映像寄存器中的相应单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，输入映像寄存器中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。

④用户程序执行　在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序（梯形图）。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态，或者刷新该输出线圈在输入/输出映像寄存器中对应位的状态，或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。

⑤输出刷新　当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照输出映像寄存器中对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外部设备。这时才是PLC的真正输出。