PLC的组成和工作原理

PLC的组成

PLC的类型很多，但是结构相似. 典型的PLC控制系统的框图如图3-4所示. 设置PLC控制系统时，必须连接PLC的输入端子（例如按钮，触点，行程开关等）和输出端子（例如指示灯，螺线管，电磁阀等）. 另外，还需要通过通讯接口将编译后的程序输入到PLC的内部存储器中. 如果要增强PLC的功能，可以通过扩展接口将扩展单元连接到PLC.

图3-4典型的PLC控制系统组成框图

PLC的内部主要由CPU，内存，输入接口，输出接口，通讯接口，扩展接口等组成.

1. CPU

CPU也称为中央处理器. 它是PLC的控制中心. 它通过总线（包括数据总线，地址总线和控制总线）与内存和各种接口相连，以控制它们有序地工作. CPU的性能对PLC的工作速度和效率有较大的影响，因此大型PLC通常使用高性能的CPU.

CPU的主要功能如下.

①从通信接口接收程序和信息，并将它们存储在内存中；

②通过循环检测（即扫描检测）连续检测输入接口发送的状态信息，以确定输入设备的状态； <​​/ p>

③依次运行存储器中的程序并执行各种操作，然后存储操作结果，然后通过输出接口控制输出设备；

④监视并诊断每个内部电路的工作状态.

2. 记忆

存储器的功能是存储程序和数据. PLC通常配备ROM（只读存储器）和RAM（随机存储器）两种存储器，ROM用于存储系统程序，RAM用于存储用户程序和程序运行时生成的数据.

系统程序由制造商编写，并固化在ROM存储器中. 用户无法访问和修改系统程序. 系统程序主要包括系统管理程序和指令解释程序. 系统管理程序的功能是管理整个PLC，以便内部电路可以有序地工作. 指令解释程序的功能是将用户编写的程序转换为可由CPU识别并执行的程序.

用户程序是用户通过编程器输入内存的程序. 为了便于调试和修改，用户程序通常存储在RAM中. 由于断电后RAM中的程序将丢失，因此RAM特别配备了备用电池. 一些PLC使用EEPROM（电可擦只读存储器）来存储用户程序. 由于EEPROM存储器中的内部电信号可用于擦除和写入，并且断电后内容也不会丢失，因此使用该存储器后将无法使用备用电池.

3. 输入/输出接口

I / O接口，也称为I / O接口或I / O模块，是PLC与设备之间的连接部分. PLC通过输入接口检测输入设备的状态，作为控制输出设备的基础，同时，PLC通过输出接口控制输出设备.

PLC I / O接口可以接受的输入和输出信号的数量称为PLC I / O点的数量. I / O点是选择PLC的重要依据之一.

PLC设备提供或要求的信号电平多种多样，并且PLC的内部CPU仅能处理标准电平信号，因此I / O接口必须能够执行电平转换. 另外，为了提高PLC抗干扰能力，I / O接口一般采用光电隔离和滤波处理. 另外，为了便于理解I / O接口的工作状态，I / O接口还具有状态指示器.

（1）输入接口

PLC的输入接口分为数字输入接口和模拟输入接口. 数字输入接口用于接收开关的通断信号，而模拟输入接口用于接收模拟信号. 模拟输入接口通常使用A / D转换电路将模拟信号转换为数字信号. 数字输入接口采用多种电路形式. 根据电源的不同，它可以分为内部直流输入接口光电耦合器工作原理图，外部交流输入接口和外部交流/直流输入接口. 三种类型的数字输入接口的如图3-5所示.

图3-5三种类型的数字输入接口的原理图

图3-5（a）是内部DC输入接口的. 输入接口的电源由PLC的内部直流电源提供. 当输入开关闭合时，电流流过光电耦合器和指示灯，光电耦合器导通，并且输入开关状态发送到内部电路. 由于光电耦合器内部传输光，因此可以有效地隔离外部电路和内部电路，因此输入指示灯会亮起，表明在输入端子上有输入. R2和C是滤波电路，用于滤除输入端子的干扰信号，R1是限流电阻.

图3-5（b）是外部交流输入接口的. 输入接口的电源由外部交流电源提供. 为了适应交流电源的正负变化，接口电路使用了一个光电耦合器和与发光管的阳极和阴极并联的指示灯.

图3-5（c）是外部直接/交流输入接口的. 输入接口的电源由外部直流或交流电源提供.

（2）输出接口

PLC的输出接口也分为开关输出接口和模拟输出接口. 模拟输出接口通常使用D / A转换电路将数字信号转换为模拟信号. 数字输出接口使用多种电路形式. 根据使用的不同输出开关设备，它可以分为: 继电器输出接口，晶体管输出接口和双向晶闸管输出接口. 三种类型的数字输出接口的如图3-6所示.

图3-6（a）是继电器输出接口的. 当PLC内部电路产生的电流流过继电器KA线圈时，继电器的常开触点KA闭合，负载中有电流. 继电器输出接口可以驱动交流或直流负载，但响应时间长且工作频率低.

图3-6（b）是晶体管输出接口的，该接口使用光电耦合器与晶体管配合. 晶体管输出接口具有较快的响应速度和较高的工作频率，但只能用于驱动直流负载.

图3-6（c）是双向晶闸管输出接口的. 它使用双向晶闸管型光电耦合器. 当暴露在光下时，光电耦合器内部的双向晶闸管可以双向连接. 双向晶闸管输出接口的响应速度快，动作频率高. 通常用于驱动交流负载.

图3-6三种类型的数字输出接口的原理图

4. 通讯界面

PLC配有通讯接口. PLC可以通过通信接口与显示器，打印机，其他PLC，计算机和其他设备进行通信. PLC连接到编程器或写入器，可以接收由编程器或写入器输入的程序； PLC与打印机连接，可以打印过程信息和系统参数； PLC已连接到人机界面（如触摸屏），可以在人机界面中直接操作PLC或监视PLC的工作状态； PLC可以连接到其他PLC以形成多机系统，也可以连接到网络中以实现控制；连接到计算机，形成多级分布式控制系统，实现控制与管理相结合.

5. 扩展界面

为了提高PLC的性能并增强PLC的控制功能，可以在其中添加一些特殊功能模块，例如高速计数模块，闭环控制模块，运动控制模块和中断控制模块. 通过扩展接口的PLC.

6. 电源

PLC通常由开关电源供电. 与普通电源相比，PLC电源具有良好的稳定性和较强的抗干扰能力. PLC的电源对电网提供的电源的稳定性没有很高的要求，并且通常允许电源电压在其额定值的±15％范围内波动. 一些PLC还可以通过终端提供DC 24V稳压电源.

PLC的工作方式

PLC是由程序控制的设备. 它的工作模式不同于微型计算机. 当微计算机运行到结束指令END时，程序操作结束. PLC运行程序时，将按顺序依次执行存储器中的程序指令. 当执行最后一条指令时，它不会立即停止，但是会再次重新启动内存中程序的执行. 该工作模式称为循环扫描模式.

PLC的工作过程如图3-7所示.

图3-7 PLC的工作过程

PLC上电后，首先初始化系统，将内部电路恢复到初始状态光电耦合器工作原理图，然后执行自诊断以检查内部电路是否正常，以确保系统可以正常运行. 诊断完成后，扫描通讯接口. 如果有设备，则与其通信. 通信接口没有设备或通信完成后，系统开始输入采样，检测输入设备（开关，按钮等）的状态，然后根据输入采样结果依次执行用户程序. 程序运行后，将刷新输出，即操作过程中生成的输出程序控制信号. 上述过程完成后，系统将返回并重新启动自诊断，并在以后继续重复上述过程.

PLC具有两个工作状态: RUN（运行）状态和STOP（停止）状态. 当PLC在RUN状态下工作时，系统将完全执行图3-7的过程. 当PLC在STOP状态下工作时，系统不执行用户程序. 在正常操作期间，PLC应该处于RUN状态，而在编程和修改程序时，PLC应该处于STOP状态. PLC的两种工作状态可以通过开关进行切换.

当PLC在RUN状态下工作时，完全执行图3-7中的过程所需的时间称为扫描周期，通常为1到100 ms. 扫描周期与用户程序的长度，指令的类型以及CPU执行指令的速度密切相关.

PLC用户程序的执行过程

PLC用户程序的执行过程非常复杂. 下面以PLC正向控制电路为例. 图3-8是PLC正向控制电路. 为了便于说明，在图中绘制了PLC的内部等效图.

图3-8 PLC正向控制电路

图3-8中的PLC内部等效图中的

X0，X1，X2被称为输入继电器，它由线圈和触点组成. 因为线圈和触点都是等效的，所以它们也被称为. 对于软线圈和软触点，Y0被称为输出继电器，它也包括线圈和触点. PLC的内部是用户程序（梯形图程序）. 程序形式类似于继电器控制电路. 两端相当于电源线，中间是触点和线圈.

用户程序执行过程如下所述.

按下启动按钮SB1时，输入继电器X0线圈通电，这使X0在用户程序中常开触点闭合，而输出继电器Y0线圈通电，这一方面使Y0正常用户程序中的打开触点当该点闭合时，Y0线圈电源被锁定. 另一方面，输出端子的Y0常开触点闭合，接触器KM线圈通电，主电路中的KM主触点闭合，电动机通电.

当按下停止按钮SB2时，输入继电器X1线圈通电，这将断开用户程序中的X1常闭触点，输出继电器Y0线圈断电，而用户手中的Y0常开触点程序断开，释放自锁，此外输出端的Y0常开触点断开，接触器KM线圈断电，KM主触点断开，电动机断电并停止.

如果在电动机运行期间电流过大，则会激活热继电器FR，FR触点闭合，输入继电器X2线圈通电，在用户程序中将X2常闭触点断开，并且输出继电器Y0线圈断电输出端的Y0常开触点断开，接触器的KM线圈断电，KM主触点闭合，电机断电停止，从而避免了电机长时间不运行过电流.

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