全面講解PLC的基本結(jié)構(gòu)和工作原理

?PLC的定義

可編程序控制器是一種數(shù)字運算操作電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計。它采用了可編程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作指令，并通過數(shù)字的、模擬的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程?？删幊绦蚩刂破骷捌溆嘘P(guān)的外圍設(shè)備，都應(yīng)按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體、易于擴充其功能的原則設(shè)計。 ?

PLC的分類

PLC產(chǎn)品種類繁多，其規(guī)格和性能也各不相同。對于PLC，通常根據(jù)其結(jié)構(gòu)形式的不同、功能的差異和I/O點數(shù)的多少等進行大致分類。 1.按結(jié)構(gòu)形式分類 根據(jù)PLC的結(jié)構(gòu)形式，可將PLC分為整體式和模塊式兩類。 （1）整體式PLC 整體式PLC是將電源、CPU、I/O接口等部件都集中裝在一個機箱內(nèi)，如圖所示。具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、價格低的特點。小型PLC一般采用這種整體式結(jié)構(gòu)。整體式PLC由不同I/O點數(shù)的基本單元（又稱主機）和擴展單元組成，基本單元內(nèi)有CPU、I/O接口、與I/O擴展單元相連的擴展口以及與編程器或EPROM寫入器相連的接口等；擴展單元內(nèi)只有I/O和電源等，而沒有CPU?；締卧蛿U展單元之間一般用扁平電纜連接。整體式PLC一般還可配備特殊功能單元，如模擬量單元、位置控制單元等，使其功能得以擴展。

（2）模塊式PLC 模塊式PLC將PLC的各組成部分分別做成若干個單獨的模塊，如CPU模塊、I/O模塊、電源模塊（有的含在CPU模塊中）以及各種功能模塊。模塊式PLC由框架或基板和各種模塊組成，模塊裝在框架或基板的插座上，如圖所示。這種模塊式PLC的特點是配置靈活，可根據(jù)需要選配不同規(guī)模的系統(tǒng)，而且裝配方便，便于擴展和維修。大、中型PLC一般采用模塊式結(jié)構(gòu)。

還有一些PLC將整體式和模塊式的特點結(jié)合起來，構(gòu)成所謂的疊裝式PLC。疊裝式PLC的CPU、電源、I/O接口等也是各自獨立的模塊，但它們之間是靠電纜進行連接的，并且各模塊可以一層層地疊裝。這樣，不但系統(tǒng)可以靈活配置，還可做得體積小巧。
2.按功能分類

根據(jù)PLC的功能不同，可將PLC分為低檔、中檔、高檔三類。

（1）低檔PLC 低檔PLC具有邏輯運算、定時、計數(shù)、移位以及自診斷、監(jiān)控等基本功能，還可有少量模擬量輸入/輸出、算術(shù)運算、數(shù)據(jù)傳送和比較及通信等功能，主要用于邏輯控制、順序控制或少量模擬量控制的單機控制系統(tǒng)。

（2）中檔PLC 中檔PLC除具有低檔PLC的功能外，還具有較強的模擬量輸入/輸出、算術(shù)運算、數(shù)據(jù)傳送和比較、數(shù)制轉(zhuǎn)換、遠程I/O、子程序及通信聯(lián)網(wǎng)等功能；有些還可增設(shè)中斷控制、PID控制等功能，適用于復(fù)雜的控制系統(tǒng)。

（3）高檔PLC 高檔PLC除具有中檔PLC的功能外，還增加了帶符號算術(shù)運算、矩陣運算、位邏輯運算、平方根運算及其他特殊功能函數(shù)的運算、制表及表格傳送功能等。高檔PLC具有更強的通信聯(lián)網(wǎng)功能，可用于大規(guī)模過程控制或構(gòu)成分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，進而實現(xiàn)工廠自動化。

? 3.按I/O點數(shù)分類

根據(jù)PLC的I/O點數(shù)多少，可將PLC分為小型、中型和大型三類。

（1）小型PLC 小型PLC的I/O點數(shù)小于256，具有單CPU及8位或16位處理器，用戶存儲器容量為4KB以下。例如：三菱FX0S系列。

（2）中型PLC 中型PLC的I/O點數(shù)在256～2048，具有雙CPU，用戶存儲器容量為2～8KB。

（3）大型PLC 大型PLC的I/O點數(shù)大于2048，具有多CPU及16位或32位處理器，用戶存儲器容量為8～16KB。 世界上，PLC產(chǎn)品可按地域分成三大流派，一個流派是美國產(chǎn)品，一個流派是歐洲產(chǎn)品，一個流派是日本產(chǎn)品。美國和歐洲的PLC技術(shù)是在相互隔離情況下獨立研究開發(fā)的，因此美國和歐洲的PLC產(chǎn)品有明顯的差異性。而日本的PLC技術(shù)是由美國引進的，對美國的PLC產(chǎn)品有一定的繼承性，但日本的主推產(chǎn)品定位在小型PLC上。美國和歐洲以大中型PLC而聞名，而日本則以小型PLC著稱。 常見的PLC如表所示。

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PLC的功能及應(yīng)用領(lǐng)域

　　PLC是綜合繼電器接觸器控制的優(yōu)點及計算機靈活、方便的優(yōu)點而設(shè)計制造和發(fā)展的，這就使PLC具有許多其他控制器所無法相比的特點。 1.PLC的功能 PLC是以微處理器為核心，綜合了計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)和通信技術(shù)發(fā)展起來的一種通用的工業(yè)自動控制裝置，具有可靠性高、體積小、功能強、程序設(shè)計簡單、靈活通用及維護方便等一系列的優(yōu)點，因而在冶金、能源、化工、交通、電力等領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用，成為現(xiàn)代工業(yè)控制的三大支柱（PLC、機器人和CAD/CAM）之一。根據(jù)PLC的特點，可以將其功能形式歸納為以下幾種類型。

　?。?）開關(guān)量邏輯控制 PLC具有強大的邏輯運算能力，可以實現(xiàn)各種簡單和復(fù)雜的邏輯控制。這是PLC的最基本也最廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，它取代了傳統(tǒng)的繼電器接觸器的控制。

　?。?）模擬量控制 PLC中配置有A/D和D/A轉(zhuǎn)換模塊。A/D模塊能將現(xiàn)場的溫度、壓力、流量、速度等模擬量轉(zhuǎn)換變?yōu)閿?shù)字量，再經(jīng)PLC中的微處理器進行處理（微處理器處理的只能是是數(shù)字量），然后進行控制；或者經(jīng)D/A模塊轉(zhuǎn)換后變成模擬量，然后控制被控對象，這樣就可實現(xiàn)PLC對模擬量的控制。

　?。?）過程控制 現(xiàn)代大中型的PLC一般都配備了PID控制模塊，可進行閉環(huán)過程控制。當控制過程中某一個變量出現(xiàn)偏差時，PLC能按照PID算法計算出正確的輸出，進而控制調(diào)整生產(chǎn)過程，把變量保持在整定值上。目前，許多小型PLC也具有PID控制功能。

　?。?）定時和計數(shù)控制 PLC具有很強的定時和計數(shù)功能，它可以為用戶提供幾十甚至上百、上千個定時器和計數(shù)器。其計時的時間和計數(shù)值可以由用戶在編寫用戶程序時任意設(shè)定，也可以由操作人員在工業(yè)現(xiàn)場通過編程器進行設(shè)定，進而實現(xiàn)定時和計數(shù)的控制。如果用戶需要對頻率較高的信號進行計數(shù)，可以選擇高速計數(shù)模塊。

　?。?）順序控制 在工業(yè)控制中，可采用PLC步進指令編程或用移位寄存器編程來實現(xiàn)順序控制。

　?。?）數(shù)據(jù)處理 現(xiàn)代的PLC不僅能進行算術(shù)運算、數(shù)據(jù)傳送、排序及查表等操作，而且還能進行數(shù)據(jù)比較、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)顯示和打印等，它具有很強的數(shù)據(jù)處理能力。

　?。?）通信和聯(lián)網(wǎng)

　　現(xiàn)代PLC大多數(shù)都采用了通信、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，有RS-232或RS-485接口，可進行遠程I/O控制。多臺PLC彼此間可以聯(lián)網(wǎng)、通信，外部器件與一臺或多臺可編程控制器的信號處理單元之間可以實現(xiàn)程序和數(shù)據(jù)交換，如程序轉(zhuǎn)移、數(shù)據(jù)文檔轉(zhuǎn)移、監(jiān)視和診斷。通信接口或通信處理器按標準的硬件接口或?qū)Ｓ械耐ㄐ艆f(xié)議完成程序和數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)移。 2.PLC的應(yīng)用領(lǐng)域 目前，PLC在國內(nèi)外已廣泛應(yīng)用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機械制造、汽車、輕紡、交通運輸、環(huán)保及文化娛樂等各個行業(yè)，使用情況大致可歸納為如下幾類。 （1）開關(guān)量的邏輯控制 這是PLC最基本，也是最廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，它取代了傳統(tǒng)的繼電器電路，實現(xiàn)邏輯控制、順序控制；既可用于單臺設(shè)備的控制，也可用于多機群控及自動化流水線，如注塑機、印刷機、訂書機械、組合機床、磨床、包裝生產(chǎn)線及電鍍流水線等。

　?。?）模擬量控制 在工業(yè)生產(chǎn)過程當中，有許多連續(xù)變化的量，如溫度、壓力、流量、液位和速度等都是模擬量。為了使PLC處理模擬量，必須實現(xiàn)模擬量和數(shù)字量之間的A/D轉(zhuǎn)換及D/A轉(zhuǎn)換。PLC廠家都生產(chǎn)配套的A/D和D/A轉(zhuǎn)換模塊，使PLC用于模擬量控制。

　　（3）運動控制 PLC可以用于圓周運動或直線運動的控制。從控制機構(gòu)配置來說，早期直接用于開關(guān)量I/O模塊連接位置傳感器和執(zhí)行機構(gòu)，現(xiàn)在一般使用專用的運動控制模塊，可驅(qū)動步進電機或伺服電機的單軸或多軸位置控制模塊。世界上各主要PLC生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品幾乎都具有運動控制功能，廣泛用于各種機械、機床、機器人、電梯等場合。

　　（4）過程控制 過程控制是指對溫度、壓力、流量等模擬量的閉環(huán)控制，在冶金、化工、熱處理、鍋爐控制等場合有非常廣泛的應(yīng)用。作為工業(yè)控制計算機，PLC能編制各種各樣的控制算法程序，完成閉環(huán)控制。PID調(diào)節(jié)是一般閉環(huán)控制系統(tǒng)中用得較多的調(diào)節(jié)方法，大中型PLC都有PID模塊，目前許多小型PLC也具有此功能模塊。PID處理一般是運行專用的PID子程序。

　?。?）數(shù)據(jù)處理 現(xiàn)代PLC具有數(shù)學(xué)運算（含矩陣運算、函數(shù)運算、邏輯運算）、數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、排序、查表及位操作等功能，可以完成數(shù)據(jù)的采集、分析及處理。這些數(shù)據(jù)可以與存儲在存儲器中的參考值比較，進而完成一定的控制操作；也可以利用通信功能傳送到別的智能裝置，或?qū)⑺鼈兇蛴≈票怼?shù)據(jù)處理一般用于大型控制系統(tǒng)，如無人控制的柔性制造系統(tǒng)；也可用于過程控制系統(tǒng)，如造紙、冶金、食品工業(yè)中的一些大型控制系統(tǒng)。

　?。?）通信及聯(lián)網(wǎng) PLC通信含PLC間的通信及PLC與其他智能設(shè)備間的通信。隨著計算機控制的發(fā)展，工廠自動化網(wǎng)絡(luò)發(fā)展得很快，各PLC生產(chǎn)廠商都十分重視PLC的通信功能，紛紛推出各自的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。新近生產(chǎn)的PLC都具有通信接口，通信非常方便。紛紛推出各自的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。新近生產(chǎn)的PLC都具有通信接口，通信非常方便。

　　PLC的基本結(jié)構(gòu)和工作原理

　　作為一種工業(yè)控制的計算機，PLC和普通計算機有著相似的結(jié)構(gòu)；但是由于使用場合、目的不同，在結(jié)構(gòu)上又有一些差別。 1.PLC的硬件組成 PLC硬件系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如下 PLC的主機由CPU、存儲器（EPROM、RAM）、輸入/輸出單元、外設(shè)I/O接口、通信接口及電源組成。對于整體式PLC，這些部件都在同一個機殼內(nèi)。而對于模塊式PLC，各部件獨立封裝，稱為模塊，各模塊通過機架和電纜連接在一起。主機內(nèi)的各個部分均通過電源總線、控制總線、地址總線和數(shù)據(jù)總線連接，根據(jù)實際控制對象的需要配備一定的外部設(shè)備，構(gòu)成不同的PLC控制系統(tǒng)。常用的外部設(shè)備有編程器、打印機、EPROM寫入器等。PLC可以配置通信模塊與上位機及其他的PLC進行通信，構(gòu)成PLC的分布式控制系統(tǒng)。 下面分別介紹PLC的各組成部分及其作用，以便用戶進一步了解PLC的控制原理和工作過程。

　　（1）CPU CPU是PLC的控制中樞，PLC在CPU的控制下有條不紊地協(xié)調(diào)工作，從而實現(xiàn)對現(xiàn)場的各個設(shè)備進行控制。CPU由微處理器和控制器組成，它可以實現(xiàn)邏輯運算和數(shù)學(xué)運算，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)內(nèi)部各部分的工作。 控制器的作用是控制整個微處理器的各個部件有條不紊的進行工作，它的基本功能就是從內(nèi)存中讀取指令和執(zhí)行指令。

　　（2）存儲器 PLC配有兩種存儲器，即系統(tǒng)存儲器和用戶存儲器。系統(tǒng)存儲器用來存放系統(tǒng)管理程序，用戶不能訪問和修改這部分存儲器的內(nèi)容。用戶存儲器用來存放編制的應(yīng)用程序和工作數(shù)據(jù)狀態(tài)。存放工作數(shù)據(jù)狀態(tài)的用戶存儲器部分也稱為數(shù)據(jù)存儲區(qū)，它包括輸入/輸出數(shù)據(jù)映像區(qū)、定時器/計數(shù)器預(yù)置數(shù)和當前值的數(shù)據(jù)區(qū)及存放中間結(jié)果的緩沖區(qū)。 PLC的存儲器主要包括以下幾種。

　?。?）只讀存儲器

　　（2）可編程只讀存儲器

　?。?）可擦除可編程只讀存儲器

　　（4）電可擦除可編程只讀存儲器

　?。?）隨機存取存儲器

　?。?）輸入/輸出（I/O）模塊 ①開關(guān)量輸入模塊 開關(guān)量輸入設(shè)備是各種開關(guān)、按鈕、傳感器等，PLC的輸入類型通?？梢允侵绷?、交流和交直流。輸入電路的電源可由外部供給，有的也可由PLC內(nèi)部提供。 ②開關(guān)量輸出模塊 輸出模塊的作用是將CPU執(zhí)行用戶程序所輸出的TTL電平的控制信號轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)現(xiàn)場所需的，能驅(qū)動特定設(shè)備的信號，以驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)的動作。

　?。?）編程器 編程器是PLC重要的外部設(shè)備，利用編程器可將用戶程序送入PLC的用戶程序存儲器，調(diào)試程序、監(jiān)控程序的執(zhí)行過程。編程器從結(jié)構(gòu)上可分為以下三種類型。

　?。?）簡易編程器 （2）圖形編程器 （3）通用計算機編程器

　　（5）電源 電源單元的作用是把外部電源（220V的交流電源）轉(zhuǎn)換成內(nèi)部工作電壓。外部連接的電源，通過PLC內(nèi)部配有的一個專用開關(guān)式穩(wěn)壓電源，將交流/直流供電電源轉(zhuǎn)化為PLC內(nèi)部電路需要的工作電源（直流5V、±12V、24V），并為外部輸入元件（如接近開關(guān)）提供24V直流電源（僅供輸入端點使用）。驅(qū)動PLC負載的電源由用戶提供。 （6）外設(shè)接口 外設(shè)接口電路用于連接手持編程器或其他圖形編程器、文本顯示器，并能通過外設(shè)接口組成PLC的控制網(wǎng)絡(luò)。PLC使用PC/PPI電纜或者MPI卡通過RS-485接口與計算機連接，可以實現(xiàn)編程、監(jiān)控、聯(lián)網(wǎng)等功能。

　　2.PLC的軟件組成

　　PLC的軟件由系統(tǒng)程序和用戶程序組成。

　　系統(tǒng)程序由PLC制造廠商設(shè)計編寫，并存入PLC的系統(tǒng)存儲器中，用戶不能直接讀寫與更改。系統(tǒng)程序一般包括系統(tǒng)診斷程序、輸入處理程序、編譯程序、信息傳送程序及監(jiān)控程序等。 PLC的用戶程序是用戶利用PLC的編程語言，根據(jù)控制要求編制的程序。在PLC的應(yīng)用中，最重要的是用PLC的編程語言來編寫用戶程序，以實現(xiàn)控制目的。由于PLC是專門為工業(yè)控制而開發(fā)的裝置，其主要使用者是廣大電氣技術(shù)人員，為了滿足他們的傳統(tǒng)習慣和掌握能力，PLC的主要編程語言采用比計算機語言相對簡單、易懂、形象的專用語言。 1.圖形式指令結(jié)構(gòu) 2.明確的變量常數(shù) 3.簡化的程序結(jié)構(gòu) 4.簡化應(yīng)用軟件生成過程 5.強化調(diào)試手段

　　PLC的基本工作原理

　　PLC掃描的工作方式主要分三個階段，即輸入采樣階段、用戶程序執(zhí)行階段和輸出刷新階段。如圖所示。

　　1.輸入采樣階段 在輸入采樣階段，PLC以掃描方式依次讀入所有輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并將它們存入I/O映象區(qū)中的相應(yīng)單元內(nèi)。輸入采樣結(jié)束后，轉(zhuǎn)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)中相應(yīng)單元的狀態(tài)和數(shù)據(jù)也不會改變。因此，如果輸入的是脈沖信號，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)行階段 在用戶程序執(zhí)行階段，PLC總是按由上而下的順序依次掃描用戶程序（梯形圖）。在掃描每一條梯形圖時，又總是先掃描梯形圖左邊由各觸點構(gòu)成的控制線路，并按先左后右、先上后下的順序?qū)τ捎|點構(gòu)成的控制線路進行邏輯運算；然后根據(jù)邏輯運算的結(jié)果，刷新該邏輯線圈在系統(tǒng)RAM存儲區(qū)中對應(yīng)位的狀態(tài)，或者刷新該輸出線圈在I/O映象區(qū)中對應(yīng)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(nèi)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(shè)備在I/O映象區(qū)或系統(tǒng)RAM存儲區(qū)內(nèi)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(jié)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梯形圖起作用。

　　3.輸出刷新階段 當用戶程序掃描結(jié)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(nèi)對應(yīng)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)刷新所有的輸出鎖存電路，再經(jīng)輸出電路驅(qū)動相應(yīng)的外設(shè)。這時，才是PLC的真正輸出。

　　輸入/輸出滯后現(xiàn)象

　　從PLC的工作過程，可以總結(jié)如下幾個結(jié)論。 ·以掃描的方式執(zhí)行程序，其輸入/輸出信號間的邏輯關(guān)系存在著原理上的滯后。掃描周期越長，滯后就越嚴重。 ·掃描周期除了包括輸入采樣階段、用戶程序執(zhí)行階段、輸出刷新階段三個主要工作階段所占的時間外，還包括系統(tǒng)管理操作占用的時間。其中，程序執(zhí)行的時間與程序的長短及指令操作的復(fù)雜程度有關(guān)，其他基本不變。掃描周期一般為毫微秒級。 ·第n次掃描執(zhí)行程序時，所依據(jù)的輸入數(shù)據(jù)是該次掃描周期中采樣階段的掃描值X依據(jù)的輸出數(shù)據(jù)有上一次掃描的輸出值Y（n-1），也有本次的輸出值Yn；所n送往輸出端子的信號，即是本次執(zhí)行全部運算后的最終結(jié)果Yn。 ·輸入/輸出響應(yīng)滯后不僅與掃描方式有關(guān)，還與程序設(shè)計安排有關(guān)。

編輯：黃飛