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1.2 PLC的组成与原理 |
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PLC种类很多，但结构大同小异，典型的PLC控制系统组成如图1-5所示。在组建PLC控制系统时，需要给PLC的输入端子连接有关的输入设备（如按钮、触点和行程开关等），给输出端子连接有关的输出设备（如指示灯、电磁线圈和电磁阀等），如果需要PLC与其他设备通信，可在PLC的通信接口连接其他设备，如果希望增强PLC的功能，可给PLC的扩展接口接上扩展单元。
图1-5 典型的PLC控制系统组成
从图1-5中可以看出，PLC内部主要由CPU、存储器、输入接口、输出接口、通信接口和扩展接口等组成。
CPU又称中央处理器，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）与存储器和各种接口连接，以控制它们有条不紊地工作。CPU的性能对PLC工作效率有很大的影响，故大型PLC通常采用高性能的CPU。
CPU的主要功能如下。
① 接收通信接口送来的程序和信息，并将它们存入存储器。
② 采用循环检测（即扫描检测）方式不断检测输入接口送来的状态信息，以判断输入设备的输入状态。
③ 逐条运行存储器中的程序，并进行各种运算，再将运算结果存储下来，然后通过输出接口输出，以对输出设备进行相关的控制。
④ 监测和诊断内部各电路的工作状态。
存储器的功能是存储程序和数据。PLC通常配有ROM（只读存储器）和RAM（随机存储器）两种存储器，ROM用来存储系统程序，RAM用来存储用户程序和程序运行时产生的数据。
系统程序由厂家编写并固化在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，让内部各个电路能有条不紊地工作。指令解释程序的功能是将用户编写的程序翻译成CPU可以识别和执行的程序。
用户程序是由用户编写并输入存储器的程序，为了方便调试和修改，用户程序通常存放在RAM中，由于断电后RAM中的程序会丢失，所以RAM专门配有后备电池供电。有些PLC采用EEPROM（电可擦写只读存储器）来存储用户程序，由于EEPROM存储器中的信息可使用电信号擦写，并且掉电后内容不会丢失，因此采用这种存储器后可不用备用电池。
输入/输出接口又称I/O接口或I/O模块，是PLC与外围设备之间的连接部件。PLC通过输入接口检测输入设备的状态，以此作为对输出设备控制的依据，同时PLC又通过输出接口对输出设备进行控制。
PLC的I/O接口能接收输入/输出信号的个数称为PLC的I/O点数。I/O点数是选择PLC的重要依据之一。
PLC外围设备提供或需要的信号电平是多种多样的，而PLC内部CPU只能处理标准电平信号，所以I/O接口要能进行电平转换；另外，为了提高PLC的抗干扰能力，I/O接口一般采用光电隔离和滤波功能；此外，为了便于了解I/O接口的工作状态，I/O接口还带有状态指示灯。
① 输入接口
PLC的输入接口分为数字量输入接口和模拟量输入接口，数字量输入接口用于接收“1、0”数字信号或开关通断信号，又称开关量输入接口；模拟量输入接口用于接收模拟量信号。模拟量输入接口通常采用A/D转换电路，将模拟量信号转换成数字信号。数字量输入接口如图1-6所示。
图1-6 数字量输入接口
当闭合按钮SB后，24V直流电源产生的电流通过指示灯VD1和光电耦合器中的一个发光二极管，光电耦合器的光敏管导通，将按钮的状态送给内部电路，由于光电耦合器内部是通过光线传递信号，故可以将外部电路与内部电路有效隔离开来。
输入指示灯VD1、VD2用于指示输入端子是否有输入。R2、C为滤波电路，用于滤除输入端子窜入的干扰信号，R1为限流电阻。1M端为同一组数字量（如I0.0～I0.7）的公共端。从图1-6中不难看出，DC 24V电源的极性可以改变。
② 输出接口
PLC的输出接口也分为数字量输出接口和模拟量输出接口。模拟量输出接口通常采用D/A转换电路，将数字量信号转换成模拟量信号；数字量输出接口采用的电路形式较多，根据使用的输出开关器件不同可分为继电器输出接口、场效应管输出接口和双向晶闸管输出接口。三种类型的数字量输出接口电路如图1-7所示。
图1-7（a）为继电器输出接口电路。当PLC内部电路产生的电流通过继电器KA线圈时，继电器常开触点KA闭合，负载有电流通过。R2、C和压敏电阻RV用来吸收继电器触点断开时负载线圈产生的瞬间反峰电压。继电器输出接口的特点是可驱动交流或直流负载，允许通过的电流大，但其响应时间长，通断变化频率低。
图1-7（b）为场效应管输出接口电路，它采用光电耦合器与场效应管配合使用。当PLC内部电路输出的电流通过光电耦合器的发光管使其发光时，光敏管受光导通，场效应管VT的G极电压下降，由于VT为耗尽型P沟道场效应管，当G极为高电压时截止，为低电压时导通，因此光电耦合器导通时VT也导通，相当于1L+、Q0.2端子内部接通。场效应管输出接口反应速度快，通断频率高（可达20～100kHz），但只能用于驱动直流负载，且过流能力差。
图1-7（c）为双向晶闸管输出接口电路，它采用双向晶闸管型光电耦合器。当光电耦合器内部的发光管发光时，内部的双向晶闸管可以双向导通。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。
PLC配有通信接口，PLC可通过通信接口与编程器、打印机、其他PLC、计算机等设备实现通信。PLC与编程器或写入器连接，可以接收编程器或写入器输入的程序；PLC 与打印机连接，可将过程信息、系统参数等打印出来；PLC与人机界面（如触摸屏）连接，可以在人机界面直接操作PLC或监视PLC工作状态；PLC与其他PLC连接，可组成多机系统或连成网络，实现更大规模控制；PLC与计算机连接，可组成多级分布式控制系统，实现控制与管理相结合。
图1-7 三种类型的数字量输出接口电路
为了提升PLC的性能，增强PLC的控制功能，可以通过扩展接口给PLC增接一些专用功能模块，如高速计数模块、闭环控制模块、运动控制模块、中断控制模块等。
PLC一般采用开关电源供电，与普通电源相比，PLC电源的稳定性好、抗干扰能力强。PLC的电源对电网提供的电源稳定度要求不高，一般允许电源电压在其额定值±15%的范围内波动。有些PLC还可以通过端子向外提供直流24v稳压电源。
PLC是一种由程序控制运行的设备，其工作方式与微型计算机不同，微型计算机运行到结束指令时，程序运行结束。PLC运行程序时，会按顺序依次逐条执行存储器中的程序指令，当执行完最后的指令后，并不会马上停止，而是又从头开始再次执行存储器中的程序，如此周而复始，PLC的这种工作方式称为循环扫描方式。
PLC的工作过程如图1-8所示。
图1-8 PLC的工作过程
PLC通电后，首先进行系统初始化，将内部电路恢复到初始状态，然后进行自我诊断，检测内部电路是否正常，以确保系统能正常运行，诊断结束后对通信接口进行扫描，若接有外部设备则与之通信。通信接口无外设或通信完成后，系统开始进行输入采样，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，程序运行结束后对输出进行刷新，即输出程序运行时产生的控制信号。以上过程完成后，系统又返回，重新开始自我诊断，以后不断重复上述过程。
PLC有两个工作状态：RUN（运行）状态和STOP（停止）状态。当PLC工作在RUN状态时，系统会完整执行图1-8所示的过程，当PLC工作在STOP状态时，系统不执行用户程序。PLC正常工作时应处于RUN状态，而在编制和修改程序时，应让PLC处于STOP状态。PLC的两种工作状态可通过面板上的开关切换。
PLC工作在RUN状态时，完整执行图1-8所示的过程所需的时间称为扫描周期，一般为1～100ms。扫描周期与用户程序的长短、指令的种类和CPU执行指令的速度有很大的关系。
PLC的用户程序执行过程很复杂，下面以PLC正转控制电路为例进行说明。图1-9是PLC正转控制电路，为了便于说明，图1-9中画出了PLC内部等效图。
图1-9所示的PLC内部等效图中的I0.0、I0.1、I0.2称为输入继电器，它由线圈和触点两部分组成，由于线圈与触点都是等效而来，故又称为软线圈和软触点，Q0.0称为输出继电器，它也包括线圈和触点，与输出端子Q0.0连接的常开触点实际为继电器触点、场效应管或晶闸管，称为硬触点。PLC内部中间部分为用户程序（梯形图程序），程序形式与继电器控制电路相似，两端相当于电源线，中间为触点和线圈。
图1-9 PLC执行用户程序的过程说明图
PLC执行用户程序的过程说明如下。
当按下启动按钮SB1时，输入继电器I0.0线圈得电，它使用户程序中的I0.0常开触点闭合，由于I0.1、I0.2均为常闭触点，故输出继电器Q0.0线圈得电，该线圈得电一方面使用户程序中的Q0.0常开自锁触点闭合，锁定Q0.0线圈的供电，另一方面让与输出端子Q0.0连接的常开触点闭合，接触器KM线圈得电，主电路中的KM主触点闭合，电动机得电运转。
当按下停止按钮SB2时，输入继电器I0.1线圈得电，它使用户程序中的I0.1常闭触点断开，输出继电器Q0.0线圈失电，用户程序中的Q0.0常开自锁触点断开，解除自锁，另外与输出端子Q0.0连接的常开触点也断开，接触器KM线圈失电，KM主触点断开，电动机失电停转。
若电动机在运行过程中电流过大，热继电器FR动作，FR触点闭合，输入继电器I0.2线圈得电，它使用户程序中的I0.2常闭触点断开，输出继电器Q0.0线圈失电，与输出端子Q0.0连接的常开触点断开，接触器KM线圈失电，KM主触点闭合，电动机失电停转，从而避免电动机长时间过流运行。