电气控制PLC基本结构及工作原理

1.PLC的基本结构

PLC的基本组成结构如图4-2所示。可以看出，PLC采用了典型的计算机结构，主要包括CPU、RAM、ROM和I/O接口电路等。其内部采用总线结构进行数据和指令的传输。如果把PLC看做一个系统，该系统由“输入变量→PLC→输出变量”组成。外部的各种开关信号、模拟信号以及传感器检测的各种信号均可作为PLC的输入变量；它们经PLC外部输入端子输入到内部寄存器中，经PLC内部逻辑运算或其他各种运算处理后送到输出端子，它们是PLC的输出变量；由这些输出变量对外围设备进行各种控制。因此也可以把PLC看做一个中间处理器或变换器，它将工业现场的各种输入变量转换为控制工业现场设备的各种输出变量。

图4-2 PLC的典型组成结构示意图

（1）CPU

CPU是计算机中央处理器的英文缩写。CPU一般由控制电路、运算器和寄存器组成。它作为整个PLC的核心，起着总指挥和总调度的作用。它主要完成以下功能：

1）将输入信号送入PLC中存储起来。

2）按存放的先后顺序取出用户指令，进行编译。

3）完成用户指令规定的各种操作。

4）将结果送到输出端。

5）响应各种外围设备（如编程器、打印机等）的请求。

目前PLC中所用的CPU多为单片机，在高档机中现已采用16位甚至32位的CPU。

（2）存储器

存储器是具有记忆功能的半导体电路，用来存放系统程序、用户程序、逻辑变量和其他一些信息。PLC内部存储器有两类：一类是RAM（即随机存取存储器），可以随时由CPU对它进行读出、写入；另一类是ROM（即只读存储器），CPU只能从中读取而不能写入。RAM主要用来存放各种暂存的数据、中间结果及用户程序。ROM主要用来存放监控程序及系统内部数据，这些程序及数据在出厂时已固化在ROM芯片中。

在PLC中，为了读写修改方便，其用户程序通常是放在RAM中。为防止用户程序在PLC断电时丢失，采用锂电池保持，一般可保持5～10年时间。

（3）输入、输出接口电路

它起着PLC和外围设备之间传递信息的作用。PLC通过输入接口电路将开关、按钮、传感器等输入信号转换成CPU能接收和处理的信号。输出接口电路是将CPU送出的弱电流控制信号转换成现场需要的强电流信号输出，以驱动被控设备。为了保证PLC可靠地工作，设计者在PLC的接口电路上采取了不少措施。输入、输出接口电路是用户使用PLC唯一要进行的硬件连接，从使用的角度考虑，每个用户都必须清楚地了解PLC的I/O性能，才能使用自如。

1）开关量I/O模块

①直流输入模块如图4-3所示。

图4-3 直流输入模块

②交流/直流输入模块如图4-4所示。

图4-4 交流输入模块

③直流输出模块如图4-5所示。

图4-5 直流输出模块

④交流输出模块如图4-6所示。

图4-6 交流输出模块

⑤交/直流输出模块如图4-7所示。

图4-7 交/直流输出模块

2）开关量I/O模块的外部接线

①输入模块的外部接线

a.汇点式输入接线如图4-8所示。

b.独点（分隔）式输入接线如图4-9所示。

图4-8 汇点式输入接线

图4-9 独点（分隔）式输入接线

②输出模块的外部接线

a.汇点式输出接线如图4-10所示。

b.独点（分隔）式输出接线如图4-11所示。

图4-10 汇点式输出接线

图4-11 独点（分隔）式输出接线

③输入/输出模块的外接线如图4-12所示。

图4-12 输入/输出接线

3）模拟量I/O模块（如图4-13和图4-14所示）

图4-13 模拟量输入模块结构原理图

图4-14 模拟量输出模块结构原理图

4）模拟量I/O模块的外部接线

①模拟量输入模块端的接线方式如图4-15所示。

②模拟量输出模块端的接线方式如图4-16所示。

图4-15 模拟量输入模块接线方式

图4-16 模拟量输出模块接线方式

总之，这些接口电路有以下特点：

①输入端采用光耦合电路，它可以大大减少电磁干扰。(www.xing528.com)

②输出也采用光隔离电路，并分为三种类型：继电器输出型、晶闸管输出型和晶体管输出型，这使得PLC可以适合各种用户的不同要求。其中继电器输出型为有触点输出方式，可用于直流或低频交流负载回路；晶闸管输出型和晶体管输出型皆为无触点输出方式，前者可用于高频大功率交流负载回路，后者则用于小功率直流负载回路。而且有些输出电路被做成模块式，可以插拔，更换起来十分方便。

③模拟量I/O属于扩展模块，需要另外选购使用。

（4）电源

PLC电源是指将外部交流电经整流、滤波、稳压转换成满足PLC中CPU、存储器、I/O接口等内部电路工作所需要的直流电源或电源模块。为避免电源干扰，接口电路的电源回路彼此相互独立。

（5）编程工具

编程工具是PLC最重要的外围设备，它实现了人与PLC的联系对话。用户利用编程工具不但可以输入、检查、修改和调试用户程序，还可以监视PLC的工作状态、修改内部系统寄存器的设置参数以及显示错误代码等。编程工具分为两种，一种是手持编程器，只需通过编程电缆与PLC相接即可使用；另一种是带有PLC专用工具软件的计算机，它通过RS-232通信口与PLC连接；若PLC用的是RS-422通信口，则需另加适配器。目前多使用后者。

（6）I/O扩展接口

若主机单元（带有CPU）的I/O点数不够用，可进行I/O扩展，即通过I/O扩展接口电缆与I/O扩展单元（不带有CPU）相接，以扩充I/O点数。A/D、D/A单元一般也通过接口与主机单元相接。

除了上面介绍的几个最常用的主要部分外，PLC上还通常配有连接各种外围设备的接口，并留有插座，可通过电缆方便地配接诸如串行通信模块、EPROM写入器、打印机、录音机等外围设备。

2.PLC的工作原理

（1）PLC控制系统的等效电路

图4-17是一个典型的机床继电器控制电路，KT是时间继电器；KM1、KM2是两个接触器，分别控制电动机M1、M2的运转；SB1为停止按钮，SB2为起动按钮。控制过程如下：

在控制电路中，当按下SB2时，KM1、KT的线圈同时通电，KM1的一个常开触点闭合并自锁，M1开始运转；KT线圈通电后开始计时，10s后KT的延时常开触点闭合，KM2线圈通电，M2开始运转。当按下SB1时，KM1、KT线圈同时断电，KM2线圈也断电，Ml、M2随之停转。

现改用西门子公司生产的S7-200系列小型PLC来实现上述的控制功能，图4-18为改用PLC控制的等效电路图。

图4-17 一个典型的继电器控制电路

图4-18 将图4-17改用PLC控制的等效电路图

在PLC的面板上有一排输入端子和一排输出端子，输入端子和输出端子各有自己的公共接线端子COM，输入端子的编号为I0.0、I0.1、…，输出端子的编号为Q0.0、Q0.1、…。停止按钮SB1、起动按钮SB2、热继电器FR1与FR2的一端按到输入端子上，另—端接到输入公共端子COM上；接触器KM1、KM2的线圈接到输出端子上，输出公共端子COM上接AC220V负载驱动电源。PLC控制的等效电路由三部分组成：

1）输入部分。接收操作指令（由起动按钮、停止按钮、开关等提供），或接收被控对象的各种状态信息（由行程开关、接近开关、各种传感器信号等提供）。PLC的每一个输入点对应一个内部输入继电器，当输入点与输入COM端接通时，输入继电器线圈通电，它的常开触点闭合、常闭触点断开；当输入点与输入COM端断开时，输入继电器线圈断电，它的常开触点断开、常闭触点接通。

2）控制部分。这部分是用户编制的控制程序，通常用梯形图的形式表示。用户控制程序放在PLC的用户程序存储器中。系统运行时，PLC依次读取用户程序存储器中的程序语句，对它们的内容进行解释并加以执行，有需要输出的结果则送到PLC的输出端子，以控制外部负载的工作。

3）输出部分。根据程序执行的结果直接驱动负载。PLC的每一个输出点对应一个内部输出继电器，每个输出继电器仅有一个硬触点与输出点相对应。当程序执行的结果使输出继电器线圈通电时，对应的硬输出触点闭合，控制外部负载动作。

PLC控制过程为：当按下SB2时，输入继电器I0.1的线圈通电，I0.1的常开触点闭合，使输出继电器Q0.0的线圈得电，Q0.0对应的硬输出触点闭合，KM1得电，M1开始运转；同时Q0.0的一个常开触点闭合并自锁；定时器T37的线圈通电开始计时，延时10s后KT的常开触点闭合，输出继电器Q0.1的线圈得电，Q0.1对应的硬输出触点闭合，KM2得电，M2开始运转。当按下SB1时，输入继电器I0.0的线圈通电，I0.0的常闭触点断开，Q0.0、T37的线圈均断电，Q0.1的线圈也断电，Q0.0、Q0.1对应的两个硬输出触点随之断开，KM1、KM2断电，M1、M2停转。

（2）PLC的工作原理

PLC采用循环扫描工作方式，其工作过程如图4-19所示。PLC通电后，有两种基本的工作状态，即运行（RUN）状态与停止（STOP）状态。在运行状态，PLC的工作过程分为内部处理、通信服务、输入处理、程序执行和输出处理5个阶段。在停止状态，PLC只进行内部处理和通信服务。

图4-19 PLC采用循环扫描工作

1）内部处理阶段。在内部处理阶段，PLC复位监控定时器，运行自诊断程序（进行硬件检查、用户内存检查等）。检查正常后，方可进行下面的操作。如果有异常情况，则根据错误的严重程度报警或停止PLC运行。

2）通信服务阶段。通信服务阶段又叫通信处理阶段、通信操作阶段或外设通信阶段。在此阶段，PLC与带微处理器的外部智能装置进行通信，响应编程工具键入的命令，更新编程工具的显示内容。

当PLC处于停止状态时，只执行以上两个阶段的操作；当PLC处于运行状态时，还要完成以下3个阶段的操作。

3）输入处理阶段。输入处理阶段又叫输入采样阶段、输入刷新阶段或输入更新阶段。在此阶段，PLC中的CPU把所有外部输入电路的接通/断开（ON/OFF）状态通过输入接口电路读入输入映像寄存器（此时输入映像寄存器的状态被刷新），接着进入程序执行阶段。在输入处理阶段，如果外接的输入触点电路接通，对应的输入映像寄存器为“1”状态，梯形图中对应的输入继电器的常开触点接通，常闭触点断开；如果外接的输入触点电路断开，对应的输入映像寄存器为“0”状态，梯形图中对应的输入继电器的常开触点断开，常闭触点接通。在输入处理阶段完成后，输入映像寄存器与外界隔离，即使外部输入信号的状态发生了变化，输入映像寄存器的状态也不会随之而变。输入信号变化了的状态只有等到下一个扫描周期的输入处理阶段到来时才能通过CPU送入输入映像寄存器中，这种输入工作方式称为集中输入工作方式。

4）程序执行阶段。PLC的用户程序由若干条指令组成，指令在存储器中按步序号顺序排列。在没有跳转指令时，则从第一条指令开始，逐条顺序地执行用户程序，直到用户程序结束之处；然后，进入输出处理阶段。在程序执行阶段，CPU按从左到右、先上后下的顺序对每条指令进行解释、执行，从输入映像寄存器、输出映像寄存器和元件映像寄存器中将有关编程元件的“0”/“1”（“OFF”/“ON”）状态读出来，并根据用户程序给出的逻辑关系进行相应的逻辑运算，运算的结果再写入到对应的输出映像寄存器和元件映像寄存器中。因此，各编程元件的映像寄存器（输入映像寄存器除外）的内容随着程序的执行而变化。

5）输出处理阶段。输出处理阶段又叫输出刷新阶段或输出更新阶段。在此阶段，则将输出映像寄存器的“0”/“1”状态传送到输出锁存器，然后经输出接口电路和输出端子再传送到外部负载。在梯形图中，如果某一输出继电器的线圈“通电”，对应的输出映像寄存器为“1”状态，相应的输出锁存器也为“1”状态。信号经输出接口电路的隔离和功率放大后（继电器型输出接口电路中对应的硬件继电器的线圈通电，其常开触点闭合），驱动外部负载通电工作；反之，外部负载断电，停止工作。在输出处理阶段完成后，输出锁存器的状态不变，即使输出映像寄存器的状态发生了变化，输出锁存器的状态也不会随之改变。输出映像寄存器变化了的状态只有等到下一个扫描周期的输出处理阶段到来时才能通过CPU送入输出锁存器中，这种输出工作方式称为集中输出工作方式。

根据PLC的上述循环扫描工作过程，可以得出从输入端子到输出端子的信号传递过程，如图4-20所示。

图4-20 PLC从输入到输出的信号传递过程示意图

在输入处理阶段，CPU将SB1、SB2、FR1、FR2触点的状态读入相应的输入映像寄存器，外部触点接通时存入输入映像寄存器的是二进制数“1”，反之存入“0”。

在程序执行阶段，当执行第一条指令时，从输入映像寄存器I0.0、I0.1、I0.2、I0.3和输出映像寄存器Q0.0中读出二进制数进行逻辑运算（触点串联对应“与”运算，触点并联对应“或”运算），其运算结果写入输出映像寄存器Q0.1和元件映像寄存器T37中。当执行第二条指令时，从元件映像寄存器T37中读出二进制数，然后写入输出映像寄存器Q0.1中。

在输出处理阶段，CPU将各输出映像寄存器中的二进制数写入输出锁存器并锁存起来，再经输出电路传递到输出端子，从而控制外部负载动作。如果输出映像寄存器Q0.0和Q0.1中存放的是二进制数“1”，外接的KM1和KM2线圈将通电，反之将断电。

PLC的循环扫描工作方式为PLC提供了一条死循环自诊断功能。PLC内部设置了一个监控定时器WDT，其定时时间可由用户设置为大于用户程序的扫描周期，PLC在每个扫描周期的内部处理阶段将监控定时器复位。正常情况下，监控定时器不会动作，如果由于CPU内部故障使程序执行进入死循环，那么，扫描周期将超过监控定时器的定时时间，这时监视定时器动作，运行停止，以示用户。

综上所述，PLC虽具有微机的许多特点，但它的工作方式却与微机有很大不同。微机一般采用等待命令的工作方式，而PLC则采用循环扫描的工作方式。在PLC中用户程序按先后顺序存放，如图4-21所示。

图4-21 PLC循环扫描方式图

对每个程序，CPU从第一条指令开始执行，直至遇到结束符END后又返回第一条，如此周而复始不断循环，每一个循环称为一个扫描周期。扫描周期的长短主要取决于以下几个因素：一是CPU执行指令的速度；二是执行每条指令占用的时间；三是程序中指令条数的多少。一个扫描周期大致可分为I/O刷新和执行指令两个阶段，即：

I/O刷新是指PLC先将上一次扫描的执行结果送到输出端，再读取当前输入的状态，也就是将存放输入、输出状态的寄存器内容进行一次更新，故称为“I（输入）/O（输出）刷新”。由于每一个扫描周期只进行一次I/O刷新，即每一个扫描周期PLC只对输入、输出状态寄存器更新一次，故使系统存在输入、输出滞后现象，这在一定程度上降低了系统的响应速度。由此可见，若输入变量在I/O刷新期间状态发生变化，则本次扫描期间输出会相应地发生变化。反之，若在本次刷新之后输入变量才发生变化，则本次扫描输出不变，而要到下一次扫描的I/O刷新期间输出才会发生变化。由于PLC采用循环扫描的工作方式，所以它的输出对输入的响应速度要受扫描周期的影响。PLC的这一特点，一方面使它的响应速度变慢，但另一方面也使它的抗干扰能力增强，对一些短时的瞬间干扰，可能会因响应滞后而躲避开。这对一些慢速控制系统是有利的，但对一些快速响应系统则不利，在使用中应特别注意这一点。

总之，采用循环扫描的工作方式，是PLC区别于微机和其他控制设备的最大特点，使用者对此应给予足够的重视。再如继电器控制系统中最基本的“起（动）—保（持）—停（止）”控制，若改用PLC控制，其简单、形象化的系统PLC控制示意和扫描工作过程如图4-22所示。

图4-22 PLC的系统控制示意和扫描工作过程

a）系统控制示意 b）扫描工作过程

（3）PLC的扫描周期

PLC在运行状态时，执行一次图4-22所示的扫描操作所用的时间称为扫描周期（工作周期），其典型值为几十毫秒。扫描周期T的计算公式为：

T=T1+T2+T3+T4+T5

式中，T1为内部处理时间；T2为通信服务时间；T3为输入处理时间；T4为程序执行时间；T5为输出处理时间。

如西门子公司的CPU226CN型PLC，配置数字量输入24点，数字量输出16点，用户程序为1000步，不包含功能指令，PLC运行时不连接编程器等外设。CPU226CN型PLC的I/O扫描速度为0.03ms/8点，用户程序的扫描速度为0.37μs/步，内部处理所需要的时间为0.96ms。则：

内部处理所需要的时间T1=0.96ms

通信服务所需要的时间T2=0ms

输入处理所需要的时间T3=0.03ms/8点×24点=0.09ms

程序执行所需要的时间T4=0.74μs/步×1000步=0.74ms

输出处理所需要的时间T5=0.03ms/8点×24点=0.06ms

一个扫描周期T为：

T=T1+T2+T3+T4+T5=0.96 ms+0ms+0.09ms+0.74ms+0.06ms=1.85ms

该例中假设用户程序中没有功能指令，而在实际的控制程序设计中，稍微复杂一点的程序都包含有功能指令。对于功能指令，逻辑条件满足与否，执行时间不同甚至差异较大，计算出的扫描周期也不一样。