详解PLC的组成及原理

典型的可编程控制器组成框图如图6-17所示。

图6-17 典型的可编程控制器组成框图

电路构成

可编程控制器通常由输入单元、输出单元、中央处理器、输入/输出(I/O)接口、外设接口以及电源等组成。

输入单元

输入单元的作用是将输入信号处理成中央处理器所能接收的信号。PLC常用开关量作为输入单元的信号要素。输入单元有直流输入型和交流输入型之分。每台 PLC 都有若干个电路结构相同的输入单元，它们有一个公共端子 COM。PLC 直流输入单元的典型电路如图 6-18 (a)所示。

 

图6-18

直流输入单元由控制电源(如24V)、电平转换电路(R1、R2分压)、滤波电路(R2、C)、开关状态指示灯LED、光电耦合器PEB、定向二极管VD以及内部电路等构成。输入单元的电源有PLC内部供给的，也有PLC外部配置的。

每个直流输入单元都可以等效成如图6-18(b)所示的输入继电器。输入继电器是PLC内部的一个存储单元，以存储单元的状态“0”和“1”(分别表示继电器线圈的“断”和“通”)。这个输入继电器可以提供任意多个常开接点和常闭接点，供PLC内部控制电路编程使用。由于输入继电器只能由外部信号驱动，不能用程序内部的指令来驱动，因此，在使用梯形图编制的PLC控制原理图中，输入继电器只有接点，而没有线圈。输入继电器接点的通断状态保存在PLC内部寄存器中，当开关S闭合时，输入继电器接通，其常开接点闭合，常闭接点断开。由于输入继电器的线圈与电路以及接点与电路之间没有导线的连接，因此称其为“软继电器”。

输出单元

输出单元的作用是将PLC输出的信号转换为外部负载所需要的输出信号。PLC有继电器输出、晶体管输出和双向晶闸管输出等多种输出方式。PLC继电器输出单元的典型电路如图6-19(a)所示。

图6-19

电路中的电阻 R 和发光二极管 LED 构成输出状态显示电路。当内部电路输出一个信号时，LED被点亮，输出继电器的线圈得电，其常闭接点打开，常开接点闭合。继电器作为开关器件，完成负载与负载电源的连接;继电器又作为隔离器件，使负载回路与 PLC 内部电路隔离。

每个输出单元都可以等效成如图6-19(b)所示的输出继电器，输出继电器由PLC内部程序来驱动。输出继电器的接点有两类：一类是软件构成的内部接点，即软接点;另一类是由输出模块构成的外部接点，即硬接点。输出继电器可以提供任意多个常开软接点和常闭软接点，供PLC内部控制电路编程使用。输出继电器软接点的通断状态保存在PLC内部寄存器中。输出模块构成的外部硬接点具有一定的带载能力，只能用于驱动外部元件。

中央处理器

中央处理器包括微处理器(CPU)和存储器等。

微处理器是PLC的核心部件，协调控制系统内部各部分的工作。CPU按照系统程序所赋予的功能接收并存储由编程器输入的用户程序和数据，监视和接收现场输入信号，从存储器中逐条读取并执行用户程序，然后根据运行结果实现输出控制，同时诊断电源状态、PLC内部工作状态和编程语法状态等。

存储器是PLC存放系统程序、用户程序和运行数据的单元。存储器包括只读存储器ROM和随机存储器RAM。ROM用于存储系统程序，其内容是由PLC生产厂家在制造器件的过程中定制的，是不能改变的。RAM 用于存储用户程序，其内容可根据用户对设备控制过程的要求编制，并通过调试、修改达到用户要求。

输入/输出接口

输入/输出接口是PLC进行工业控制时输入信号与输出控制信号的转换接口。PLC的CPU内部信号采用微型计算机标准电平，而 PLC 控制对象的电信号千差万别。不同的信号传感元件(如按钮、开关、传感器等)和不同的执行机构(如电磁阀、继电器、接触器、电动机、电灯等)，它们的电平各不相同，信号质量也有差别。因此，需要将控制对象的状态信号通过输入接口转换成CPU的标准电平，将CPU处理结果输入的标准电平通过输出接口转换成执行机构所需的信号形式。

当用户所需要的输入、输出点数超过PLC的输入、输出点数时，可通过I/O扩展口来扩展输入、输出的点数。

电源

PLC的电源分为四种，即输入端电源1、输出端电源3、PLC内部工作电源2和后备电源(图6-17中没画出)。输入端电源1为PLC现场输入信号的电源;输出端电源3用于驱动PLC输出端的负载;电源2主要用于中央处理机;后备电源(锂电池)用于停机或突然失电时，防止RAM中的信息丢失。锂电源的使用寿命为3～5年。

可编程控制器的工作原理

PLC的工作方式

PLC以扫描方式工作，其工作过程分为五个阶段：本机诊断阶段、通信请求检测阶段、输入采样阶段、程序执行阶段和输出刷新阶段，如图6-20所示。

(1)本机诊断阶段

每次扫描时首先执行自诊断程序，其诊断内容为检查 I/O 部分、CPU 处理器以及外设接口等。如果发现异常，将停机显示出错。

(2)通信请求检测阶段

这一阶段主要是检测编程器或计算机是否有通信请求。若有通信请求，就进行相应处理，如接收编程器的程序、命令和各种数据，并把状态、数据、出错信息等送给编程器或计算机显示。

(3)输入采样阶段

图6-20 PLC工作方式框图

PLC一旦运行，不论输入端是否接线，都以扫描方式按顺序读取所有输入端的状态，并将其保存在存储器的输入状态寄存区中，然后进入程序执行阶段。

(4)程序执行阶段

PLC根据输入状态及其相关参数执行程序，并将执行结果传递到下一步，同时将执行结果写入存储器的输出状态表寄存区中保存。

(5)输出刷新阶段

程序执行完毕后，将输出状态表寄存区中的所有输出状态信号送到输出锁存电路中，以便输出单元将数字信号转换成现场信号并输送给执行机构。

PLC就这样不断重复执行上述五个步骤，直至系统下达停机命令。

梯形图工作原理

PLC使用输入和输出信号之间逻辑关系的假想继电器(软继电器)来实现电路的控制要求。软继电器有输入继电器、输出继电器、辅助继电器、暂存继电器、保持继电器、辅助记忆继电器、链接继电器、定时器和计数器等。

辅助继电器是一种程序用继电器，不能读取外部输入信号，也不能直接驱动外部负载，只起到中间继电器的作用。

由软继电器的接点符号、线圈符号以及这些符号上的代号(或操作数)所构成的 PLC控制关系图，称为梯形图。梯形图与电磁继电器控制电路相似，电磁继电器控制电路中输入与输出之间的控制是由各种继电器实际的开关触点、线圈及其连线来实现的，PLC中输入与输出信号间的控制是由存储在 PLC 内的用户程序及部分外接线路来实现的。表述梯形图中控制关系的语言列表称为指令表。将指令表中的指令和数据录入PLC就是应用程序。

图6-21是一种PLC控制电动机直接启动的接线图，其中包括梯形图和指令表。

图6-21 PLC控制电动机直接启动的接线图

在图6-21(b)中，0001、0002是输入继电器(在以下各节中用省略形式X加序号表示);0500是输出继电器(在以下各节中用省略形式Y加序号表示)。PLC外部所接的SB1是启动按钮，它的对应软接点是梯形图中的0001;停止按钮是SB2，它不同于继电器控制电路中的常规接法，它的对应软接点是梯形图中的0002。在梯形图中输出继电器的自锁接点是0500，它相当于继电器控制电路中与启动按钮并联的交流接触器的辅助接点。只有当 0500 输出继电器“接通”时，接触器KM的线圈才能工作。

控制过程分析如下：按下SB1按钮开关，发送启动命令，梯形图中的0001接点闭合，“能流”通过0002常闭接点，使输出继电器线圈0500“得能”，输出继电器的常开接点0500闭合，实现自锁。同时，交流接触器KM的线圈得电动作，其主触头闭合，电动机开始运行。

按下SB2按钮开关，发送停止命令，梯形图中输入继电器0002的常闭接点断开，输出继电器线圈0500“失能”，其接点0500复位，交流接触器KM的线圈失电复位，电动机停止转动。

PLC与继电器控制电路的区别

PLC与继电器控制电路的区别主要有以下几点，即组成器件不同、接点结构不同、工作电流不同、接线方式不同、工作方式不同以及组成模式不同。

① 组成器件不同。继电器控制电路中的继电器是由电磁铁、线圈以及有形接点等硬件构成的，而PLC中的继电器是由虚拟的软线圈、软接点等构成的。

② 接点结构不同。继电器控制电路中的常开、常闭接点是由实际的有形接点构成的，而PLC中的常开、常闭接点则由软件决定的。每只继电器的接点数量是有限的，而PLC中每只软继电器的接点数量是无限的。继电器的接点寿命是有限的，而 PLC 中软继电器的接点寿命是无限的。

③ 工作电流不同。继电器控制电路中有实际电流存在，可以用电流表直接测量;而PLC中的工作电流是一种信息流，称为“软电流”，简称“能流”。能流只能从左到右流动。

④ 接线方式不同。继电器控制电路图中的所有接线都必须逐根连接，缺一不可;而在PLC中，除输入、输出端需要实际接线外，内部的所有软接线都是通过软件完成的。内部软接线的改变通过修改控制程序来完成。

⑤ 工作方式不同。继电器控制电路中的电源接通时，各继电器都处于受约束状态，该吸合的会吸合，不该吸合的因受某种条件限制而不吸合;而 PLC 则采用扫描循环执行的方式，即从前到后周而复始，因此，从激励到响应有一个时间的滞后。一般来说，最大滞后时间为2～3个扫描周期。

⑥ 组合模式不同。一只电磁继电器能直接完成某一项控制任务;而PLC要完成某一项控制任务时，必须有输入继电器、输出继电器和应用程序共同参与。