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。可編程控制器的功能結構區有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通過數據總線、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：系統程序存儲器和系統存儲器。

     系統程序存儲器用來存放由PLC生產廠家編寫好的系統程序，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、監控I/O口的狀態、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控制要求而編制的應用程序。目前大多數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，掉電時數據也不會丟失，系統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據、系統管理，主要包括I/O狀態存儲器和數據存儲器。

（3）輸入/輸出接口 PLC的輸入/輸出模塊是PLC與工業現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現場強電信號聯系的橋梁。接口主要起到隔離保護的作用（電隔離電路使工業現場和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和數據，并將它們存入I/O映象區中的相應得單元內。輸入采樣結束后，轉入用戶程序執行和輸出刷新階段。在這兩個階段中，即使輸入狀態和數據發生變化，I/O映象區中的相應單元的狀態和數據也不會改變。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） 用戶程序執行  在用戶程序執行階段，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，然后根據邏輯運算的結果，刷新該邏輯線圈在系統RAM存儲區中對應位的狀態；或者刷新該輸出線圈在I/O映象區中對應位的狀態；或者確定是否要執行該梯形圖所規定的特殊功能指令。
即，在用戶程序執行過程中，只有輸入點在I/O映象區內的狀態和數據不會發生變化，而其他輸出點和軟設備在I/O映象區或系統RAM存儲區內的狀態和數據都有可能發生變化，而且排在上面的梯形圖，其程序執行結果會對排在下面的凡是用到這些線圈或數據的梯形圖起作用；相反，排在下面的梯形圖，其被刷新的邏輯線圈的狀態或數據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映象區內對應的狀態和數據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；二是模塊的數量，模塊數量越少，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執行容量為1K的程序需要的掃描時間是1—10ms。