PLC的結構和工作原理

可編程控制器種類繁多，但其基本結構和工作原理相同?？删幊?/span>控制器的功能結構區(qū)有CPU（中央處理器）、存儲器、輸入、輸出接口三部分組成。

（1）CPU（中央處理器） CPU的功能是完成PLC內所有的控制和監(jiān)視操作。中央處理器一般由控制器、運算器和寄存器組成。CPU通過數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線與存儲器、輸入輸出接口電路連接。

（2）存儲器  在PLC中有兩種存儲器：系統(tǒng)程序存儲器和系統(tǒng)存儲器。

     系統(tǒng)程序存儲器用來存放由PLC生產廠家編寫好的系統(tǒng)程序，并固化在ROM（只讀存儲器）內，用戶不能直接更改。存儲器中的程序負責解釋和編譯用戶編寫的程序、監(jiān)控I/O口的狀態(tài)、對PLC進行自診斷、掃描PLC中的用戶程序等。用戶程序存儲器是用來存放用戶根據(jù)控制要求而編制的應用程序。目前大多數(shù)PLC采用可隨時讀寫的快閃存儲器（Flash）作為用戶程序存儲器，它不需要后備電池，掉電時數(shù)據(jù)也不會丟失，系統(tǒng)存儲器屬于隨機存儲器（RAM），主要用于存儲中間計算結果和數(shù)據(jù)、系統(tǒng)管理，主要包括I/O狀態(tài)存儲器和數(shù)據(jù)存儲器。

（3）輸入/輸出接口 PLC的輸入/輸出模塊是PLC與工業(yè)現(xiàn)場設備相連接的端口。PLC的輸入和輸出信號可以是開關量或模擬量，其接口是PLC內部弱電信號和工業(yè)現(xiàn)場強電信號聯(lián)系的橋梁。接口主要起到隔離保護的作用（電隔離電路使工業(yè)現(xiàn)場和PLC內部進行隔離）和信號調整作用（把不同的信號調整成CPU可以處理的信號）。

輸入接口 輸入接口是PLC從外部接受信號的窗口。輸入接口電路有接線端子、輸入調理電路、電平轉換電路、模塊狀態(tài)顯示、電隔離電路和多路選擇開關模塊組成。輸入信號可以是離散信號和模擬信號。當輸入時離散信號時，輸入端的設備類型可以是按鈕、限位開關、接近開關、繼電器觸點、光電開光、以及選擇開關等。當輸入為模擬輸入時，輸入設備的類型可以是壓力傳感器、溫度傳感器、流量傳感器、電流傳感器和重量傳感器等。

輸出接口  輸出接口是PLC是用來驅動外部負載。輸出接口電路由多路選擇開關模塊、信號鎖存器、電隔離電路、模塊狀態(tài)顯示、輸出電平轉換電路和接線端子組成。PLC由三種輸出形式，即繼電器輸出、晶體管輸出和晶閘管輸出。繼電器輸出的PLC負載電源可以是直流電源也可以是交流電源，但其輸出響應頻率慢。晶體管輸出的PLC負載是直流電源，其輸出頻率響應快。晶閘管輸出的PLC的負載是交流電源，西門子1200PLC的CPU模塊暫時還沒有晶閘管輸出形式的產品出售。輸出信號可以是離散信號和模擬信號。當輸出是離散信號時，輸出端的設備類型可以是指示燈、電磁閥線圈、繼電器線圈、蜂鳴器和報警器等。當輸出為模擬量輸出時輸出設備的類型可以是流量閥、模擬量儀表、溫度控制器、流量控制器等。

   【關鍵點】PLC的繼電器輸出雖然響應速度慢，但其驅動能力強，一般為2A，這是繼電器型輸出PLC的一個重要優(yōu)點。一些特殊型號的PLC，如西門子LOGO的某些型號驅動能力可達5A和10A，能直接驅動接觸器。繼電器輸出的PLC對于一般的誤接線，通常不會引起PLC內部器件的燒毀（高于交流220V電壓是不允許的）。晶體管輸出的PLC輸出電流0.5A（西門子有的型號的PLC輸出電流為0.75A），可見晶體管輸出的驅動能力小。此外，晶體管輸出形式的PLC對于一般的誤接線，可能會引起PLC內部器件的燒毀，所以要特別注意。 

 PLC的工作原理

工作原理當PLC投入運行后，其工作過程一般分為三個階段，即輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新三個階段。完成上述三個階段稱作一個掃描周期。在整個運行期間，PLC的CPU以一定的掃描速度重復執(zhí)行上述三個階段。
     （1）輸入采樣  在輸入采樣階段，PLC以掃描方式依次地讀入所有輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并將它們存入I/O映象區(qū)中的相應得單元內。輸入采樣結束后，轉入用戶程序執(zhí)行和輸出刷新階段。在這兩個階段中，即使輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)發(fā)生變化，I/O映象區(qū)中的相應單元的狀態(tài)和數(shù)據(jù)也不會改變。因此，如果輸入是脈沖信號，則該脈沖信號的寬度必須大于一個掃描周期，才能保證在任何情況下，該輸入均能被讀入。
    （2） 用戶程序執(zhí)行  在用戶程序執(zhí)行階段，PLC總是按由上而下的順序依次地掃描用戶程序(梯形圖)。在掃描每一條梯形圖時，又總是先掃描梯形圖左邊的由各觸點構成的控制線路，并按先左后右、先上后下的順序對由觸點構成的控制線路進行邏輯運算，然后根據(jù)邏輯運算的結果，刷新該邏輯線圈在系統(tǒng)RAM存儲區(qū)中對應位的狀態(tài)；或者刷新該輸出線圈在I/O映象區(qū)中對應位的狀態(tài)；或者確定是否要執(zhí)行該梯形圖所規(guī)定的特殊功能指令。
即，在用戶程序執(zhí)行過程中，只有輸入點在I/O映象區(qū)內的狀態(tài)和數(shù)據(jù)不會發(fā)生變化，而其他輸出點和軟設備在I/O映象區(qū)或系統(tǒng)RAM存儲區(qū)內的狀態(tài)和數(shù)據(jù)都有可能發(fā)生變化，而且排在上面的梯形圖，其程序執(zhí)行結果會對排在下面的凡是用到這些線圈或數(shù)據(jù)的梯形圖起作用；相反，排在下面的梯形圖，其被刷新的邏輯線圈的狀態(tài)或數(shù)據(jù)只能到下一個掃描周期才能對排在其上面的程序起作用。
     （3）輸出刷新  當掃描用戶程序結束后，PLC就進入輸出刷新階段。在此期間，CPU按照I/O映象區(qū)內對應的狀態(tài)和數(shù)據(jù)刷新所有的輸出鎖存電路，再經輸出電路驅動相應的外設。這時，才是PLC的真正輸出。

上述三個步驟是PLC的軟件處理過程，可以認為就是程序掃描時間。掃描時間通常由三個因素決定：一是CPU的時鐘速度，越高檔的CPU，時鐘速度越高，掃描時間越短；二是模塊的數(shù)量，模塊數(shù)量越少，掃描時間越短；三是程序長度，程序長度越短，掃描時間越短。一般的PLC執(zhí)行容量為1K的程序需要的掃描時間是1—10ms。