任务三　认识PLC系统的组成及原理

【知识、能力目标】

掌握PLC的硬件系统组成及各部件的作用；

掌握PLC的软件系统组成；

掌握PLC的工作原理；

能分析、归纳PLC控制系统与继电接触器控制系统的区别。

一、PLC的系统组成

PLC其实质上是一台工业控制用的专用计算机，因此，它的组成与微型计算机基本相同，也是由硬件系统和软件系统两大部分组成。

1. PLC的硬件系统

图1-2 为一般小型PLC的硬件系统简化框图。PLC的基本单元主要由微处理器（CPU）、存储器、输入和输出模块、电源模块、I/O扩展接口、外设I/O接口，以及编程器等部分组成。

（1）微处理器（CPU）

CPU是整个PLC控制的核心，它指挥、协调整个PLC的工作。它主要由控制器、运算器、寄存器等组成，其中控制器控制CPU的工作，由它读取指令、解释指令及执行指令；运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作；寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器指挥下工作。CPU完成的主要功能如下。

① 接收并存储从编程器输入的用户程序和数据；

② 用循环扫描的方式采集由现场输入设备送来的状态信号或数据，并存入规定的寄存器中；

③ 诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等；

④ PLC进入运行后，从用户程序存储器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路。

⑤ 响应各种外围设备（如编程器、打印机等）的请求。

（2）存储器

存储器是PLC记忆或暂存数据的部件，用来存放系统程序、用户程序、逻辑变量及其他一些信息。常用的存储器类型有：CMOS RAM（随机读写存储器）、ROM（只读存储器）、PROM（用户可编程只读存储器）、EPROM（紫外线可擦除、可编程）、 EEPROM（电可擦除、可编程）。PLC的存储器分为系统存储器和用户存储器。

系统存储器用来存放系统程序，一般采用PROM或EPROM。系统程序由PLC生产厂家编写，并固化在只读存储器内，它使PLC具有基本的智能，它主要由系统管理（负责系统的运行管理、存储空间管理、系统自诊断管理等）、指令解释、标准程序及系统调用等程序组成。

用户存储器用来存放用户编制的控制程序和数据，采用RAM或EEPROM。为了使断电后RAM存放的用户程序和数据信息不丢失，可以用锂电池作为备用电源，用于断电时保持RAM中的内容。现在大部分的PLC已经不用锂电池，而改用大电容来完成临时的断电保护功能。对于重要的用户程序和数据，则存储到EEPROM中。

用户存储器又分为用户程序存储器（一般用于存放用户程序）和用户数据存储器（用于存放CPU采样的数据，以及执行程序时的中间结果和内部编程元件的状态）。

（3）输入/输出（I/O）模块

I/O模块（I/O接口）是PLC与现场用户输入、输出设备之间联系的桥梁。

PLC的输入模块用以接收和采集外部设备各类输入信号（如按钮、各种开关、继电器触点等送来的开关量；或电位器、测速发电机、传感器等送来的模拟量），并将其转换成PLC能接收和处理的数据。

PLC的输出模块则是将PLC内部的标准信号，转换成外部设备所需要的控制信号，用于驱动控制元件（如接触器、指示灯、电磁阀、调节阀、调速装置等）。

PLC提供多种用途和功能的I/O模块，供用户根据具体情况来选择。如开关量I/O、模拟量I/O、I/O电平转换、电气隔离、A/D或D/A变换、串/并行变换、数据传送、高速计数器、远程I/O控制等模块。其中开关量I/O模块是PLC中最基本、最常用的接口模块，在图1-2中绘出的就是这种I/O模块。

为了提高PLC的抗干扰能力，一般的I/O模块都有光电隔离装置。在数字量输入模块中，广泛采用滤波电路，以及由发光二极管和光电三极管组成的光电耦合器；在数字量输出模块中，广泛采用电气隔离技术；在模拟量I/O模块，通常采用隔离放大器。

（4）电源模块

电源是整机的能源供给中心。PLC系统的电源分为内部电源和外部电源。PLC内部配有开关式稳压电源模块，它为PLC的微处理器、存储器等电路提供5V、±12V、24V等直流电源。内部电源具有很高的抗干扰能力，性能稳定、安全可靠。小型PLC的内部电源往往和CPU单元合为一体，大中型PLC都有专用的电源模块。

PLC的外部工作电源一般使用220V交流电源或24V直流电源。另外，用于传送现场信号或驱动现场负载的电源通常由用户另备，叫用户电源。

（5）编程器

编程器是对用户程序进行编辑、输入、调试，通过其键盘去调用和显示PLC内部的一些状态和系统参数，从而实现监控功能的设备。它是PLC最重要的外围设备，是PLC不可缺少的一部分。它通过接口与CPU联系，完成人机对话。一般只是在要输入用户程序和检修时使用编程器，所以一台编程器可供多台PLC共同享用。

编程器一般分为简易型和智能型两类，简易型编程器需要联机工作，且只能输入和编辑语句表程序，但它由PLC提供电源，体积小，价格低。智能型编程器，既可联机，又可脱机编程；既可用语句表编程，又可用梯形图编程，使用起来方便直观，但价格较高。

目前，许多PLC都用微型计算机作为编程工具，只要配上相应的硬件接口和软件包，就可以使用梯形图、语句表等多种编程语言进行编程。由于计算机功能强、显示屏幕大，使程序输入和调试，以及系统状态的监控更加方便和直观。

（6）外部设备I/O接口

PLC的外部设备主要有编程器、EPROM写入器（用于将用户程序写入到EPROM中）、打印机、外存储器（磁带或磁盘）等。外部设备I/O接口的作用就是将这些外部设备与PLC相连。某些PLC可以通过通信接口与其他PLC或上位计算机连接，以实现通信网络功能。

（7）I/O扩展接口

当用户的输入、输出设备所需的I/O点数超过了主机（基本单元）的I/O点数，或者PLC控制系统需要进行特殊功能控制时，就需要用I/O扩展接口进行扩展。I/O扩展接口就是用于将I/O点扩展单元，以及特殊功能模块与基本单元之间相连，它使得PLC的配置更加灵活，以满足不同控制系统的需求。

2. PLC的软件系统

PLC的软件是指PLC工作所使用的各种程序的集合，它包括系统软件和应用软件两大部分。系统软件决定了PLC的基本智能，应用软件则规定了PLC的具体工作。

（1）系统软件

系统软件又叫系统程序，是由PLC生产厂家编制的用来管理、协调PLC的各部分工作，充分发挥PLC的硬件功能，方便用户使用的通用程序。系统软件通常被固化在EPROM中与机器的其他硬件一起提供给用户。有了系统程序才给PLC赋予了各种各样的功能，包括PLC的自身管理及执行用户程序，完成各种工作任务。通常系统程序有以下功能。

① 系统配置登记和初始化：不同的控制对象、不同的控制过程，其PLC控制系统的配置各不相同。系统程序在PLC通电或复位时，首先对各模块进行登记、分配地址，做初始化，为系统管理及运行工作做好准备。

② 系统自诊断：对CPU、存储器、电源、输入、输出模块进行故障诊断测试，若发现异常，则停止执行用户程序，显示故障代码，等待处理。

③ 命令识别与处理：操作人员通过键盘操作，对PLC发出各种工作指令，系统程序不断地监视、接收每一个操作指令并加以解释，然后按指令去完成相应操作，并显示结果。

④ 编译程序：用户编写的工作程序送入PLC后，首先要由系统编译程序对其进行翻译，变成CPU可以识别执行的指令码程序后，才被存入用户程序存储器。同时还要对用户输入的程序进行语法检查，发现错误及时提示。

⑤ 标准程序模块及系统调用：厂家为方便用户，经常提供一些各自能完成不同功能的独立程序模块，如输入、输出、运算等，PLC的各种具体工作都是由这部分程序来完成的，这部分程序的多少，决定了PLC性能的强弱。用户需要时只需按调用条件进行调用即可。

（2）应用软件

应用软件又叫用户程序，是用户根据实际系统控制需要用PLC的编程语言编写的。同一厂家生产的同一型号PLC，其系统软件是相同的，但不同用户，用于不同的控制对象，解决不同的问题所编写的用户程序则是不同的。

硬件系统和软件系统组成了一个完整的PLC系统，它们相辅相成，缺一不可。没有软件支持的PLC只是一台裸机，不起任何作用，反之，没有硬件支持，软件也就无立足之地，程序根本无法执行。

二、PLC 的工作原理

1. PLC的工作方式

PLC是靠执行用户程序来实现控制要求的。PLC对用户程序的执行采用循环扫描的工作方式。用户根据控制要求，编制好输入程序，并存于PLC的用户程序存储器中。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。PLC开始运行时，CPU对用户程序作周期性循环扫描，在无跳转指令或中断的情况下，CPU从第一条指令开始顺序逐条地执行用户程序，直到用户程序结束，然后又返回第一条指令开始新的一轮扫描，并周而复始地重复。在每次扫描过程中，还要完成对输入信号的采集和对输出状态的刷新等工作。

PLC采用循环扫描的工作方式，这是有别于微型计算机、继电接触器控制的重要特点。微机一般采用等待命令的工作方式。如常见的键盘扫描方式或I/O扫描方式，若有键按下或I/O动作，则转入相应的子程序，无键按下则继续扫描。继电接触器控制系统将继电器、接触器、按钮等分立电器用导线连接在一起，形成满足控制对象动作要求的控制程序，它采用硬逻辑“并行”运行的方式，在执行过程中，如果一个继电器的线圈得电，那么该继电器的所有常开和常闭的触点，无论接在控制线路的什么位置，都会立即动作：常闭触点断开，常开触点闭合；如果某些继电器的线圈得电，那么这些继电器所对应的触点都会立即动作。而PLC采用循环扫描的工作方式，在工作过程中，如果某个软继电器的线圈接通，该线圈的所有常开和常闭触点并不一定会立即动作，只有CPU扫描到该接点时才会动作：其常闭触点断开，常开触点闭合。也就是说，PLC在任一时刻只能执行一条指令，是以“串行”方式工作，这样便避免了继电接触器控制的触点竞争和时序失配问题。

2. PLC的工作过程及I/O处理规则

（1）PLC的工作过程

PLC的循环扫描工作方式是在系统软件控制下，顺序扫描各输入点的状态，按用户程序进行运算处理，然后向输出点顺序发出相应的控制信号。整个工作过程包含五个阶段：自诊断、通信处理、输入采样、执行用户程序、输出结果，如图1-3 所示。

PLC刚通电时会对系统进行一次初始化，包括对硬件初始化、I/O模块配置检查、停电保护范围设定、系统通信参数配置及其他初始化处理。通电处理完成后即进入循环扫描阶段。

对于不同的PLC产品，其扫描过程中五个阶段的顺序可能不同，这取决于PLC内部的系统程序。

① 自诊断：执行故障自诊断程序，自检CPU、存储器、I/O组件等，发现异常便停机显示出错。若自诊断正常，则继续向下扫描。

② 通信处理：这个阶段，CPU处理从通信端口接受到的任何信息。

③ 读入现场信号：PLC中的CPU对各个输入端进行扫描，将所有输入端的输入信号状态读入到输入映像寄存器区。这个阶段叫输入采样，或称输入刷新。在输入采样结束后，即使输入信号状态发生了改变，输入映像寄存器区中的状态也不会发生改变。输入信号变化了的状态只能在下一个扫描周期的输入采样阶段被读入。所以说，为了避免输入信号的丢失，要求输入信号的宽度要大于一个扫描周期。

④ 执行用户程序：CPU按先左后右、自上而下的顺序对用户程序顺序扫描并执行。在扫描每一条指令时，对所需的输入状态可从输入映像寄存器中读入，从输出映像寄存器读入当前的输出状态，然后按程序进行相应的运算，运算结果再存入输出寄存映像器中。随着程序的执行，输出映像寄存器的内容会不断变化。

如果在程序中使用了中断，与中断事件相关的中断程序就作为程序的一部分存储下来。中断程序并不作为正常扫描周期的一部分来执行，而是当中断事件发生时才执行（中断事件可能发生在扫描周期的任意点上）。

⑤ 输出结果：当所有指令执行完毕，输出映像寄存器的状态转存到输出锁存器中，并通过PLC的输出模块转成被控设备所能接收的信号，驱动外部负载，这是PLC的实际输出。这个阶段叫输出刷新。

（2）PLC对I/O的处理规则

① 输入映像寄存器的状态取决于各输入端子在上一个刷新期间的状态；

② 程序执行阶段所需的输入、输出状态，由输入映像寄存器和输出映像寄存器读出；

③ 输出映像寄存器的内容由程序中输出指令的执行结果决定；

④ 输出锁存器中的内容由上一次输出刷新时输出映像寄存器的状态决定；

⑤ 各输出端子的通断状态由输出锁存器的内容来决定。

三、习题与训练

1.3.1　PLC的硬件系统主要由哪几部分构成？ 其功能是什么？

1.3.2　简述PLC的系统软件的功能。

1.3.3　PLC采用什么工作方式？ 该工作方式与继电接触器控制系统有什么不同？

1.3.4　PLC的工作过程分为几个阶段？ 各阶段的作用是什么？