1.PLC的基本结构

PLC是计算机技术和控制技术相结合的产物，是一种以微处理器为核心的用于控制的特殊计算机，因此PLC的基本组成与一般的计算机系统类似。

PLC的硬件主要由中央处理器（CPU）、存储器（EPROM、RAM）、输入单元、输出单元、通信接口、扩展接口和电源等部分组成。其中，CPU是PLC的核心，输入单元与输出单元是连接现场I/O设备与CPU之间的接口电路，通信接口用于与编程器和上位计算机等外设的连接。

整体式PLC的所有部件都装在同一机壳内，其组成框图如图3-1所示；模块式PLC的各部件独立封装成模块，各模块通过总线连接，安装在机架或导轨上，其组成框图如图3-2所示。无论是哪种结构类型的PLC，都可根据用户需要进行配置与组合。

尽管整体式与模块式PLC的结构不太一样，但各部分的功能是相同的，下面对PLC的主要组成部分进行简单介绍。

图3-1 整体式PLC组成框图

图3-2 模块式PLC组成框图

（1）中央处理单元（CPU）

CPU是可编程控制器的控制中枢。CPU一般由控制电路、运算器和寄存器组成。PLC的工作过程都是在CPU的统一指挥和协调下进行的。CPU的功能是在系统监控程序的控制下实现的，通过扫描方式，将外部输入信号的状态写入输入映像寄存器，PLC进入运行状态后，从存储器逐条读取用户指令，按指令规定的任务进行数据的传送、逻辑运算和算术运算等，然后将结果送到输出映像寄存器。简单地说，CPU的功能就是读输入、执行程序和写输出。

CPU常用的微处理器有通用型微处理器、单片机和位片式微处理器等。通用型微处理器常见的如Intel公司的8086、80186和Pentium系列芯片，单片机型的微处理器如Intel公司的MCS-96系列单片机，位片式微处理器如AMD2900系列的微处理器。小型PLC的CPU多采用单片机或专用CPU，中型PLC的CPU大多采用16位微处理器或单片机，大型PLC的CPU多采用高速位片式处理器，具有高速处理能力。

（2）存储器单元

PLC的存储器主要有两种：一种是可读/写操作的随机存储器（RAM），另一种是只读存储器（如ROM、PROM、EPROM和E²PROM）。在PLC中，存储器主要用于存放系统程序、用户程序及工作数据。

存放系统软件的存储器称为系统程序存储器，系统程序是由PLC的制造厂家编写的，与PLC的硬件组成有关，完成系统诊断、命令解释、功能子程序调用管理、逻辑运算、通信及各种参数设定等功能，提供PLC运行的平台。系统程序关系到PLC的性能，而且在PLC使用过程中不会变动，所以是由制造厂家直接固化在只读存储器（ROM、PROM或EPROM）中，用户不能访问和修改。

存放应用软件的存储器称为用户程序存储器，用户程序是随PLC的控制对象而定的，由用户根据控制对象的生产工艺的控制要求而编制的应用程序。为了便于读出、检查修改，用户程序一般存于CMOS静态RAM中，用锂电池作为后备电源，以保证掉电时不会丢失信息。为防止干扰对RAM中程序的破坏，如用户程序运行正常，不需要改变时，可将其固化在只读存储器EPROM中。现在有许多PLC直接采用E²PROM作为用户存储器。

（3）I/O单元

I/O单元通常也称I/O模块，是PLC与工业生产现场之间的连接部件。PLC通过输入接口可以检测被控制对象的各种数据，以这些数据作为PLC对被控制对象进行控制的依据；同时，PLC又通过输出接口将处理结果送给被控制对象，以实现控制目的。

由于外部输入设备和输出设备所需的信号电平是多种多样的，而PLC内部CPU处理的信息只能是标准电平，所以要靠I/O接口实现转换。I/O接口一般都有光隔离和滤波功能，以提高PLC的抗干扰能力。另外，I/O接口上通常还有状态指示，便于维护。

PLC提供了具有多种操作电平和驱动能力的I/O接口，有各种功能的I/O接口供用户选用。PLC接口的类型主要有；数字量（开关量）输入、数字量（开关量）输出、模拟量输入和模拟量输出等。

1）常用的开关量输入接口，按其所使用电源的不同可分为三种类型：直流输入接口、交流输入接口和交/直流输入接口。直流输入接口的电路图如图3-3所示，输入接口采用光耦合电路，它可以大大减少强电和电磁干扰。

2）常用的开关量输出接口，按输出开关器件不同可分为三种类型：继电器输出、晶体管输出和双向晶闸管输出。如图3-4所示。继电器输出接口最常用，可驱动交流或直流负载，其特点是带负载能力强，但其响应时间长，动作频率低；晶体管输出接口只能用于驱动直流负载，其特点是响应速度快，动作频率高，但带负载能力弱；双向晶闸管输出接口只能用于交流负载，响应速度快，动作频率高，但带负载能力不强。

PLC的I/O接口所能接收的输入信号个数和输出信号个数称为PLC的I/O点数。I/O点数是选择PLC的重要依据之一，当系统的I/O点数不够时，可通过PLC的I/O扩展接口对系统进行扩展。

3）模拟量输入单元：PLC的模拟量输入单元将连续变化的模拟量转换成数字量后，送到CPU对其进行处理。模拟量输入单元的核心部件是A-D转换器，对于多路输入的模块，由多路开关加以切换。常见的输入范围有DC±10V，0～10V，±20mA和4～20mA等，转换精度有8位、10位、12位和16位等。

4）模拟量输出单元：模拟量输出过程与输入相反，将PLC处理过的数字量转换成相应的电量（如0～10V，4～20mA等），输出至现场的执行机构。其核心部件是D-A转换器。

模拟量输出单元的主要指标有：输出信号形式（电压或电流）、输出信号范围（如0～10V，4～20mA等）及接线形式等。

图3-3 输入接口电路

图3-4 输出接口电路

a）继电器输出 b）晶体管输出 c）晶闸管输出(www.daowen.com)

（4）通信接口单元

PLC配有各种通信接口，这些通信接口一般带有通信处理器。PLC通过这些通信接口可与打印机、监视器、其他PLC和计算机等设备实现通信。PLC与打印机连接，可将过程信息和系统参数等输出打印；与监视器连接，可将控制过程图像显示；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；与计算机连接，可组成多级分布式控制系统，实现控制与管理的结合。

远程I/O系统也必须配备相应的通信接口模块。

（5）I/O扩展接口单元

I/O扩展接口用于扩展输入/输出点数，当主机的I/O数量不能满足系统要求时，需要增加扩展单元，这时需要用到I/O扩展接口将扩展单元与主机连接起来。

（6）电源单元

PLC配有专用的开关电源，以供内部电路使用。与普通电源相比，PLC电源的稳定性好、抗干扰能力强，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的±15%的范围内波动。许多PLC还向外提供直流24V稳压电源，用于对外部传感器供电。

为了保护和防止掉电后RAM中的用户程序或数据丢失，PLC还配有备用电源。一般备用电源采用锂电池，其使用寿命为3～5年。

2.PLC的工作原理

PLC通电后，首先对硬件和软件做一些初始化操作，这一过程包括对工作内存的初始化，复位所有的定时器，将输入/输出继电器清零，检查I/O单元配置、系统通信参数配置等，如有异常则发出报警信号。初始化完成之后，PLC反复不停地分步处理各种不同的任务，这种周而复始的循环工作方式称为扫描工作方式。

（1）扫描工作方式

PLC运行时，以扫描工作方式执行用户程序，扫描是从第一条程序开始，在无中断或跳转控制的情况下，按程序存储顺序的先后，逐条执行用户程序，直到程序结束。然后再从头开始扫描执行，这种周而复始的循环工作方式，称为周期性顺序扫描工作方式，也称串行工作方式。

PLC的扫描工作方式与继电器控制的工作原理明显不同。继电器控制装置采用硬逻辑的并行工作方式，如果某个继电器的线圈通电或断电，那么该继电器的所有常开和常闭触点不论处在控制电路的哪个位置上，都会立即动作。PLC采用的扫描工作方式是串行工作方式，如果某个软继电器的线圈被接通或断开，其所有的触点不会立即动作，必须等扫描到该触点时才会动作。但由于PLC的扫描速度很快，通常PLC与继电器控制装置在I/O的处理结果上并没有什么差别。

（2）扫描工作过程

PLC完成初始化过程后，开始扫描工作程序。PLC执行程序的过程分为三个阶段，即输入采样阶段、程序执行阶段和输出刷新阶段，如图3-5所示。

图3-5 PLC执行程序过程示意图

1）输入采样阶段。

在输入采样阶段，PLC首先按顺序扫描所有的输入端子，并将输入状态采样，存入相应的输入映像寄存器中，此时输入映像寄存器被刷新。接着进入程序执行阶段，在程序执行阶段或其他阶段，即使输入状态发生变化，输入映像寄存器的内容也不会改变。输入状态的变化只有在下一个扫描周期的输入采样阶段才能被读取。

2）程序执行阶段。

在程序执行阶段，PLC对程序按顺序进行扫描执行。若程序用梯形图来表示，则总是按先上后下，先左后右的顺序进行。当遇到程序跳转指令时，则根据跳转条件是否满足来决定程序是否跳转。当指令中涉及输入、输出状态时，PLC从输入映像寄存器和元件映像寄存器中读出，根据用户程序进行运算，运算的结果再存入元件映像寄存器中。对于元件映像寄存器来说，其内容会随程序执行的过程而变化。

3）输出刷新阶段。

当所有程序执行完毕后，进入输出处理阶段。在这一阶段，PLC将输出映像寄存器与输出有关的状态（输出继电器状态）转存到输出锁存器中。并通过一定的方式输出，驱动外部负载。

到此，PLC完成了从输入采样到输出刷新的一个扫描周期，CPU自动进入下一个扫描周期。

PLC运行过程中，执行一个扫描周期所用的时间称为扫描时间，又称为工作周期。其典型值为1～100ms。扫描周期的长短与CPU执行指令的速度，执行每条指令占用的时间和程序指令的多少有关。用户程序较长时，指令执行时间在扫描周期中占相当大的比例。

PLC在一个扫描周期内，对输入状态的采样只在输入采样阶段进行。当PLC进入程序执行阶段后，输入端将被封锁，直到下一个扫描周期的输入采样阶段才对输入状态进行重新采样。这种方式称为集中采样，即在一个扫描周期内，集中一段时间对输入状态进行采样。

在用户程序中如果对输出结果多次赋值，则最后一次有效。在一个扫描周期内，只在输出刷新阶段才将输出状态从输出映像寄存器中输出，对输出接口进行刷新。在其他阶段里输出状态一直保存在输出映像寄存器中。这种方式称为集中输出。

对于小型PLC，其I/O点数较少，用户程序较短，—般采用集中采样、集中输出的工作方式，虽然在一定程度上降低了系统的响应速度，但使PLC工作时大多数时间与外部I/O设备隔离，从根本上提高了系统的抗干扰能力，增强了系统的可靠性。

对于大中型PLC，其I/O点数较多，控制功能强，用户程序较长，为提高系统响应速度，可以采用定期采样、定期输出方式，或中断输入、输出方式以及采用智能I/O接口等多种方式。

从上述分析可知，当PLC的输入端输入信号发生变化到PLC输出端对该输入变化做出反应，需要一段时间，这种现象称为PLC的I/O响应滞后。对一般的工业控制，这种滞后是完全允许的。应该注意的是，这种响应滞后不仅是由于PLC的扫描工作方式造成的，更主要的是PLC输入接口的滤波环节带来的输入延迟，以及输出接口驱动器件的动作时间带来的输出延迟，同时还与程序设计有关。滞后时间是设计PLC应用系统时应合理把握的一个参数。