PLC系统组成及工作原理解析

1.PLC的系统组成

PLC的硬件主要由中央处理器（CPU）、存储器、输入单元、输出单元、电源、编程设备、通信接口、扩展接口等部分组成。PLC的硬件结构框图如图4.1所示。

图4.1　PLC的硬件结构框图

（1）中央处理单元（CPU）。和计算机一样，CPU是PLC的核心。PLC中配置的CPU随机型不同而不同，常用的CPU有通用微处理器（如Z80、8086、80286等）、单片机（如8031、8096等）和位片式微处理器（如AMD29W等）3类。

（2）存储器。在PLC中，存储器主要用来存放系统程序、用户程序以及工作数据。常用的存储器主要有两种：①可读/写操作的随机存储器RAM；②只读存储器ROM、PROM、EPROM和EEPROM。

（3）输入/输出单元。输入/输出单元通常也称I/O单元或I/O模块，是PLC与工业生产现场之间的连接部件。PLC通过输入单元可以检测被控对象的各种数据，将这些数据作为PLC对控制对象进行控制的依据，同时PLC也可通过输出单元将处理结果送给被控制对象，以实现控制的目的。

（4）编程装置。编程装置的作用是供用户编辑、调试、输入用户程序，也可在线监控PLC内部状态和参数，与PLC进行人/机对话。

（5）电源。PLC配有开关电源，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，对电网稳定性要求不高。

（6）通信接口。为了实现人机交互，PLC配有各种通信接口。PLC通过这些通信接口可与监视器、打印机以及其他PLC或计算机等设备实现通信。

（7）智能接口模块。智能接口模块是一个独立的计算机系统，有自己的CPU、系统程序、存储器以及与PLC系统总线相连的接口。它作为PLC系统的一个模块通过总线与PLC相连进行数据交换，并在PLC的协调管理下独立地进行工作。(www.xing528.com)

（8）其他外部设备。除了上述的部件和设备外，PLC还有很多外部设备，如EPROM写入器、外存储器、人/机接口装置等。EPROM写入器是用来将用户程序固化到EPROM存储器中的一种PLC外部设备。外存储器主要用来存储用户程序，它一般通过编程器或其他智能模块接口与内存储器之间进行数据传送。人/机接口装置是用来实现人/机对话。

2.PLC的工作原理

PLC是一种工业控制计算机，它的工作原理建立在计算机工作原理之上，即通过执行反映控制要求的用户程序来完成。

（1）扫描工作原理。PLC运行时是通过执行反映控制要求的用户程序来完成控制任务的，需要执行很多操作，但CPU不可能同时执行多个操作，只能按分时操作（串行工作）方式每次执行一个操作，按顺序逐个执行。由于CPU的运算处理速度很快，所以从宏观来看，PLC外部出现的结果似乎是同时（并行）完成的。这种串行工作过程称为PLC的扫描工作方式。

（2）PLC的扫描工作过程。PLC在每次扫描工作过程中除了执行用户程序外，还要完成内部处理、通信服务等工作。整个扫描工作过程中心内容包括输入采样、程序执行、输出刷新3个阶段。整个过程扫描执行一遍所需的时间称为扫描周期，PLC的扫描周期如图4.2所示。

图4.2　PLC的扫描周期

1）输入采样阶段。PLC在该阶段首先扫描所有输入端子，并将各输入状态存入相对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，在以后的阶段输入映像寄存器与外界隔离，无论输入信号如何变化，其内容保持不变，直到下一个扫描周期的输入采样阶段才重新写入新的内容。所以，该阶段要注意输入信号的宽度要大于1个扫描周期。

2）程序执行阶段。在该阶段，一般情况下PLC是按从左到右、从上到下的顺序执行程序。当程序中涉及输入输出状态时，PLC就从输入映像寄存器和元件映像寄存器中“读入”对应的输入输出的当前状态，然后进行运算，最新的运算结果马上会被存入到相应的元件映像寄存器中。所以，该阶段要注意的是元件映像寄存器中的每一个元件的状态会随着程序执行过程而刷新。

3）输出刷新阶段。在该阶段，元件映像寄存器中所有输出继电器的状态在输出刷新阶段一起转存到输出锁存器中，通过一定的方式集中输出，最后经过输出端子驱动外部负载。在下一个输出刷新阶段开始之前，输出锁存器的状态不会改变，所以相应的输出端子的状态也不会改变。