1、7.2 可编程控制器的基本结构和工作原理7.2.1 可编程控制器的基本结构PLC 种类繁多，但其组成结构和工作原理基本相同。用可编程序控制器实施控制，其实质是按一定算法进行输入输出变换，并将这个变换予以物理实现，应用于工业现场。PLC 专为工业现场应用而设计，采用了典型的计算机结构，它主要是由 CPU、电源、存储器和专门设计的输入输出接口电路等组成。PLC 的结构框图如图 7.2所示。 图 7.2 PLC 的结构框图 1 中央处理器 中央处理单元(CPU)一般由控制器、运算器和寄存器组成，这些电路都集成在一个芯片内。CPU 通过数据总线、地址总线和控制总线与存储单元、输入输出接口电路相连接。与
2、一般计算机一样，CPU 是 PLC 的核心，它按PLC 中系统程序赋予的功能指挥 PLC 有条不紊地进行工作。用户程序和数据事先存入存储器中，当 PLC 处于运行方式时，CPU 按循环扫描方式执行用户程序。 CPU 的主要任务有：控制用户程序和数据的接收与存储；用扫描的方式通过 I/O 部件接收现场的状态或数据。并存人输入映像寄存器或数据存储器中；诊断 PLC 内部电路的工作故障和编程中的语法错误等； PLC 进入运行状态后，从存储器逐条读取用户指令，经过命令解释后按指令规定的任务进行数据传送、逻辑或算术运算等；根据运算结果，更新有关标志位的状态和输出映像寄存器的内容，再经输出部件实现输出控制
3、、制表打印或数据通讯等功能。 不同型号的 PLC 其 CPU 芯片是不同的，有采用通用 CPU 芯片的，有采用厂家自行设计的专用 CPU 芯片的。CPU 芯片的性能关系到 PLC 处理控制信号的能力与速度，CPU 位数越高，系统处理的信息量越大，运算速度也越快。PLC 的功能是随着 CPU 芯片技术的发展而提高和增强的。 2 存储器PLC 的存储器包括系统存储器和用户存储器两部分。 系统存储器用来存放由 PLC 生产厂家编写的系统程序，系统程序固化在 ROM 内，用户不能直接更改，它使PLC 具有基本的功能，能够完成 PLC 设计者规定的各项工作。系统程序质量的好坏，很大程度上决定了 PLC的
4、性能，其内容主要包括三部分。第一部分为系统管理程序，它主要控制 PLC 的运行，使整个 PLC 按部就班地工作。第二部分为用户指令解释程序，通过用户指令解释程序，将 PLC 的编程语言变为机器语言指令，再由 CPU 执行这些指令。第三部分为标准程序模块与系统调用，它包括许多不同功能的子程序及其调用管理程序，如完成输入、输出及特殊运算等的子程序。PLC 的具体工作都是由这部分程序来完成的，这部分程序的多少也决定了 PLC 性能的高低。 用户存储器包括用户程序存储器(程序区) 和功能存储器(数据区) 两部分。用户程序存储器用来存放用户针对具体控制任务用规定的 PLC 编程语言编写的各种用户程序，以
5、及用户的系统配置。用户程序存储器根据所选用的存储器单元类型的不同，可以是 RAM(有掉电保护)、EPROM 或 EEPROM 存储器，其内容可以由用户任意修改或增删。用户功能存储器是用来存放(记忆) 用户程序中使用器件的 ON/OFF 状态数值数据等。用户存储器容量的大小，关系到用户程序容量的大小，是反映 PLC 性能的重要指标之一。 3 输入单元可编程序控制器的输入信号类型可以是开关量、模拟量和数字量。输入单元从广义上分包含两部分：一是与被控设备相连接的接口电路，另一部分是输入映像寄存器。 输入单元接收来自用户设备的各种控制信号，如限位开关、操作按钮、选择开关、行程开关以及其他一些传感器的信
6、号。通过接口电路将这些信号转换成中央处理器能够识别和处理的信号，并存到输入映像寄存器。运行时 CPU 从输入映像寄存器读取输入信息并进行处理，将处理结果存放到输出映像寄存器。 为防止各种干扰信号和高电压信号进入 PLC，影响其可靠性或造成设备损坏，现场输入接口电路一般由光电耦合电路进行隔离。光电耦合电路的关键器件是光耦合器，一般由发光二极管和光电三极管组成。 通常 PLC 的输入类型可以是直流（DC24V）、交流和交直流。输入电路的电源可由外部供给。有的也可由PLC 内部提供。 对于直流输入，根据现场输入接口电路形式的不同，分为源型输入和漏型输入两种形式。极大部分的欧美品牌的 PLC 采用漏型
7、输入，而极大部分的亚洲品牌的 PLC 采用源型输入。 PLC 通过输入/输出端子与控制对象取得联系的，PLC 的输入/输出端子的组织形式通常有三种，即汇点式、分组式和分隔式。极大部分的 PLC 的输入端子采用汇点式，也有的 PLC 为了增加使用的灵活性采用分组式。图7.3 和图 7.4 所示分别为采用汇点式的源型和漏型直流输入电路图。 图 7.3 PLC 源型输入电路图 图 7.4 PLC 漏型输入电路图 3 输出单元可编程序控制器的输出信号类型可以是开关量、模拟量和数字量。输出单元从广义上分包含两部分：一是与被控设备相连接的接口电路，另一部分是输出的映像寄存器。 PLC 运行时 CPU 从输
8、入映像寄存器读取输入信息并进行处理，将处理结果放到输出映像寄存器。输出映像寄存器由输出点相对应的触发器组成，输出接口电路将其由弱电控制信号转换成现场需要的强电信号输出，以驱动电磁阀、接触器、指示灯等被控设备的执行元件。 输出接口电路通常有三种类型：继电器输出型、晶体管输出型和晶闸管输出则。每种输出电路都采用电气隔离技术，电源由外部提供，输出电流一般为 1.52A，输出电流的额定值与负载的性质有关。 为使 PLC 避免受瞬间大电流的作用而损坏，输出端外部接线必须采用保护措施：一是输出公共端接熔断器；二是采用保护电路，对交流感件负载，一般用阻容吸收回路；对直流感性负载用续流二极管。 极大部分的 P
9、LC 的输出端子采用分组式和分隔式。对于晶体管输出型还有源型输出和漏型输出两种形式。极大部分的欧美品牌的 PLC 采用源型输出，而极大部分的亚洲品牌的 PLC 采用漏型输出。图 7.5 所示为采用分组式的 PLC 继电器输出电路图，图 7.6 和图 7.7 所示分别为采用分组式的 PLC 源型和漏型晶体管直流输出电路图。 图 7.5 PLC 继电器输出电路图 图 7.6 PLC 漏型晶体管直流输出电路图 图 7.7 PLC 源型晶体管直流输出电路图4 通讯接口现代 PLC 一个显著的特点就是具有通讯功能，目前主流的 PLC 一般都具有 RS485（或 RS232）通讯接口，以便连接编程设备、监
10、视器、打印机等外围设备，或连接诸如变频器、温控仪等简单控制设备进行简单的主从式通讯，实现“人一机 ”或“机机 之间的对话。一些先进的 PLC 上还具有工业网络通讯接口，可以与其他的PLC 或计算机相连，组成分布式工业控制系统，实现更大规模的控制，另外还可以与数据库软件相结合，实现控制与管理相结合的综合控制。 5 编程设备编程器的作用是供用户进行程序的编制、编辑、调试和监视。 编程器有简易型和智能型两类。简易型的编程器只能联机编程，且往往需要将梯形图转化为机器语言助记符(指令表)后，才能输入。它般由简易键盘和发光二极管或其他显示器件组成。智能型的编程器又称图形编程器，它可以联机编程，也可以脱机编程，具有 LCD 或 CRT 图形显示功能，可以直接输入梯形图和通过屏幕对话。 还可以利用微机(如 IBMPC)作为编程器，PLC 生产厂家配有相应的软件包，使用微机编程是 PLC 发展的趋势。现在已有些 PLC 不再提供编程器，而只提供微机编程软件了，并且配有相应的通讯连接电缆。
