PLC基本结构和工作原理详解

PLC基本结构和工作原理详解

PLC（可编程逻辑控制器）是工业自动化领域的重要设备，广泛应用于各种工业控制场景。本文将详细介绍PLC的基本结构和工作原理，帮助读者深入了解这一关键技术。

可编程序调节器的一般结构

PLC是以微处理器为核心的工业专用计算机系统，其组成框图如图所示。

PLC主要由以下部分组成：

1. 中央处理器（CPU）

• CPU是整个PLC的核心部件，负责调节全部部件的操作。它通过地址总线、数据总线、调节总线与储存单元、I/O单元连接。
• 主要任务包括：
• 诊断PLC电源和内部电路的工作状态及编制程序中的语法错误。
• 用扫描方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入输入映象寄存器或数据寄存器中。
• 在运转状态时，按用户程序寄存器中存放的先后顺序逐条读取指令，经编译解释后，按指令限定的任务完成各类运算和操作，按照运算结果存储相应数据，并更新有关标记符号的状态和输出映象寄存器的内容。
• 将存于数据寄存器中的数据处理结果和输出映象寄存器的内容送至输出电路。
• 接收并存储从编程器输入的用户程序和数据，响应各类外部设备的工作请求。

2. 存储器

• 存储器用来存放系统程序、用户程序、逻辑变量和一些其他信息。
• PLC内部的存储器分为两类：
• 系统程序存储器：存放系统程序（包含系统管理程序、监控程序、模块化应用功能子程序以及对用户程序做编译处理的编译解释程序等）。系统程序按照PLC功能的不同而不同，生产厂家在PLC出厂前已将其固化在只读存储器ROM或PROM中，用户不可以更改。
• 用户存储器：用于存储用户程序及工作数据等。用户程序指使用者按照工程现场的生产流程及工艺要求编写的程序。用户程序由使用者输入到PLC的RAM中，允许修改。

3. 输入/输出接口

• 输入/输出（I/O）接口是将PLC与现场各类输入、输出设备连接起来的部件。
• 输入接口通过PLC的输入端子接受现场输入设备（如限位开关、操作按钮、光电开关、温度开关等）的调节信号，并且把这些信号转换成CPU所能接受和处理的数字信号输入主机。输入接口大多数由光电耦合电路和微电脑输入接口电路组成。
• 输出接口用于把用户程序的逻辑运算结果输出到PLC外部，具有隔离PLC内部电路与外部执行元件的作用，同时兼有功率放大作用。PLC输出大多数有三种：继电器输出型、晶体管输出型、晶闸管输出型。
• 继电器输出型为有触点输出方式，可用于连通或切断开关频率较低的直流负载或交流负载回路，这种方式有继电器触点的电气寿命和机械寿命问题；晶闸管输出型则用于带直流电源负载，高速大功率负载；晶体管输出型用于高速小功率负载。
• 输入/输出接口电路使用了光电耦合或继电器隔离电路，使现场的输入、输出设备与PLC之间没有电的联系，进而大大降低了电磁干扰，这是提高PLC可靠性的关键措施之一。

4. 电源

• PLC的CPU、存储器、输入/输出接口等内部电子电路工作需要的直流电源电路或电源模块。
• 输入、输出接口电路的电源彼此相互独立，以防止或降低电源间干扰。
• 现在很多PLC的直流电源使用直流开关稳压电源，这种电源稳压性能好、抗干扰能力强，不但可供给多路独立的电压供内部电路使用，而且还可为输入设备或输入端的传感器供给标准电源。

5. 其他的接口和外设

• 编程器是人与PLC联络和对话的工具，是PLC最重要的外围设备。
• 用户可以借助于编程器来输入、读出、检测、修改和调试用户程序，也可用它监视PLC的工作状态、显示错误代码或修改系统接触器的设置主要参数等。
• 除使用手持编程器和监控外，还可通过PLC的RS232C外设通信口（或RS422口配以适配器）与计算机联机，并借助于PLC生产厂家供给的专用工具软件来对PLC实行编程和监控。
• 借助于计算机实行编程和监控比手持编程工具更加直观和方便，但一台手持编程器可以用于同系列的其他PLC，做到一机多用。

PLC一般工作原理

PLC使用循环扫描工作方式，这一工作流程主要包括五个环节：内部处理、与编程器等的通信处理、输入扫描、用户程序执行、输出处理，其工作流程如图所示。

当PLC方式开关置于RUN（运转）时，执行全部环节；当方式开关置于STOP（停止）时，不执行后三个环节，这个时候可实行通信处理，如对PLC联机或离线编程。

对不同型号的PLC，图中的扫描流程中各步的顺序可能不同，这是由PLC内部系统程序决定的。

1. 内部处理

• 在这一环节，CPU检查主机硬件，同时也检测全部的I/O模块的状态。在RUN模式下，还检查用户程序存储器。如果发现不正常，则停机并显示出错。若自诊断正常继续向下扫描。

2. 处理通信请求

• 在CPU扫描周期的信息处理环节，CPU自动检查并处理各通信端口接收到的任何信息。即检测有没有编程器、计算机等的通信请求，若有则实行相应处理，在这一环节完成数据通信任务。

3. 输入处理

• 在这一环节，对各数字量输入点的当前状态实行输入扫描，并且把各扫描结果分别写入对应的映像寄存器中。

4. 执行用户程序

• 在PLC中，用户程序按先后顺序存放。在这一环节，CPU从第一条指令开始顺序取指令并执行，直到最后一条指令结束。执行指令时从映像寄存器中读取各输入点的状态，每条指令的执行是对各数据实行自述或逻辑运算，然后才将运算结果送到输出映像寄存器中。执行用户程序的流程与计算机一般相似。

5. 输出处理

• 在这一环节，CPU用输出映像寄存器中的数据几乎同时集中对输出点实行刷新，通过输出部件转换成被控设备的所能接受的电压或电流信号，以驱动被控设备。