PLC基本组成及原理学习.docx

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PLC基本组成及原理学习

可编程序控制器（Programmable Controller）原本应简称PC，为了与个人计算机专称PC相区别，所以可编程序控制器简称定为PLC（Programmable Logic Controller），但并非说PLC只能控制逻辑信号。

PLC是专门针对工业环境应用设计的，自带直观、简单并易于掌握编程语言环境的工业现场控制装置。

一、PLC基本组成

　　PLC基本组成包括中央处理器（CPU）、存储器、输入/输出接口（缩写为I/O，包括输入接口、输出接口、外部设备接口、扩展接口等）、外部设备编程器及电源模块组成，见图1。

PLC内部各组成单元之间通过电源总线、控制总线、地址总线和数据总线连接，外部则根据实际控制对象配置相应设备与控制装置构成PLC控制系统。

图1 PLC的基本组成

1. 中央处理器

　　中央处理器（CPU）由控制器、运算器和寄存器组成并集成在一个芯片内。

CPU通过数据总线总线、地址总线、控制总线和电源总线与存储器、输入输出接口、编程器和电源相连接。

　　小型PLC的CPU采用8位或16位微处理器或单片机，如8031、M68000等，这类芯片价格很低；中型PLC的CPU采用16位或32位微处理器或单片机，如8086、96系列单片机等，这类芯片主要特点是集成度高、运算速度快且可靠性高；而大型PLC则需采用高速位片式微处理器。

　　CPU按照PLC内系统程序赋予的功能指挥PLC控制系统完成各项工作任务。

2. 存储器

　　PLC内的存储器主要用于存放系统程序、用户程序和数据等。

　　1）系统程序存储器

　　PLC系统程序决定了PLC的基本功能，该部分程序由PLC制造厂家编写并固化在系统程序存储器中，主要有系统管理程序、用户指令解释程序和功能程序与系统程序调用等部分。

　　系统管理程序主要控制PLC的运行，使PLC按正确的次序工作；用户指令解释程序将PLC的用户指令转换为机器语言指令，传输到CPU内执行；功能程序与系统程序调用则负责调用不同的功能子程序及其管理程序。

　　系统程序属于需长期保存的重要数据，所以其存储器采用ROM或EPROM。

ROM是只读存储器，该存储器只能读出内容，不能写入内容，ROM具有非易失性，即电源断开后仍能保存已存储的内容。

EPEROM为可电擦除只读存储器，须用紫外线照射芯片上的透镜窗口才能擦除已写入内容，可电擦除可编程只读存储器还有E2PROM、FLASH等。

　　2）用户程序存储器

　　用户程序存储器用于存放用户载入的PLC应用程序，载入初期的用户程序因需修改与调试，所以称为用户调试程序，存放在可以随机读写操作的随机存取存储器RAM内以方便用户修改与调试。

　　通过修改与调试后的程序称为用户执行程序，由于不需要再作修改与调试，所以用户执行程序就被固化到EPROM内长期使用。

　　3）数据存储器

　　PLC运行过程中需生成或调用中间结果数据（如输入/输出元件的状态数据、定时器、计数器的预置值和当前值等）和组态数据（如输入输出组态、设置输入滤波、脉冲捕捉、输出表配置、定义存储区保持范围、模拟电位器设置、高速计数器配置、高速脉冲输出配置、通信组态等），这类数据存放在工作数据存储器中，由于工作数据与组态数据不断变化，且不需要长期保存，所以采用随机存取存储器RAM。

　　RAM是一种高密度、低功耗的半导体存储器，可用锂电池作为备用电源，一旦断电就可通过锂电池供电，保持RAM中的内容。

3. 接口

　　输入输出接口是PLC与工业现场控制或检测元件和执行元件连接的接口电路。

PLC的输入接口有直流输入、交流输入、交直流输入等类型；输出接口有晶体管输出、晶闸管输出和继电器输出等类型。

晶体管和晶闸管输出为无触点输出型电路，晶体管输出型用于高频小功率负载、晶闸管输出型用于高频大功率负载；继电器输出为有触点输出型电路，用于低频负载。

　　现场控制或检测元件输入给PLC各种控制信号，如限位开关、操作按钮、选择开关以及其他一些传感器输出的开关量或模拟量等，通过输入接口电路将这些信号转换成CPU能够接收和处理的信号。

输出接口电路将CPU送出的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、接触器等被控设备的执行元件。

　　1）输入接口

　　输入接口用于接收和采集两种类型的输入信号，一类是由按钮、转换开关、行程开关、继电器触头等开关量输入信号；另一类是由电位器、测速发电机和各种变换器提供的连续变化的模拟量输入信号。

以图2所示的直流输入接口电路为例，R1是限流与分压电阻，R2与C构成滤波电路，滤波后的输入信号经光耦合器T与内部电路耦合。

当输入端的按钮SB接通时，光耦合器T导通，直流输入信号被转换成PLC能处理的5V标准信号电平（简称TTL），同时LED输入指示灯亮，表示信号接通。

微电脑输入接口电路一般由寄存器、选通电路和中断请求逻辑电路组成，这些电路集成在一个芯片上。

交流输入与交直流输入接口电路与直流输入接口电路类似。

图2 直流输入接口电路

 　　滤波电路用以消除输入触头的抖动，光电耦合电路可防止现场的强电干扰进入PLC。

由于输入电信号与PLC内部电路之间采用光信号耦合，所以两者在电气上完全隔离，使输入接口具有抗干扰能力。

现场的输入信号通过光电耦合后转换为5V的TTL送入输入数据寄存器，再经数据总线传送给CPU。

　　2）输出接口

　　输出接口电路向被控对象的各种执行元件输出控制信号。

常用执行元件有接触器、电磁阀、调节阀（模拟量）、调速装置（模拟量）、指示灯、数字显示装置和报警装置等。

输出接口电路一般由微电脑输出接口电路和功率放大电路组成，与输入接口电路类似，内部电路与输出接口电路之间采用光电耦合器进行抗干扰电隔离。

　　微电脑输出接口电路一般由输出数据寄存器、选通电路和中断请求逻辑电路集成在芯片上，CPU通过数据总线将输出信号送到输出数据寄存器中，功率放大电路是为了适应工业控制要求，将微电脑的输出信号放大。

　　3）其它接口

　　若主机单元的I/O数量不够用，可通过I/O扩展接口电缆与I/O扩展单元（不带CPU）相接进行扩充。

　　PLC还常配置连接各种外围设备的接口，可通过电缆实现串行通信、EPROM写入等功能。

4. 编程器

　　编程器作用是将用户编写的程序下载至PLC的用户程序存储器，并利用编程器检查、修改和调试用户程序，监视用户程序的执行过程，显示PLC状态、内部器件及系统的参数等。

　　编程器有简易编程器和图形编程器两种。

简易编程器体积小，携带方便，但只能用语句形式进行联机编程，适合小型PLC的编程及现场调试。

图形编程器既可用语句形式编程，又可用梯形图编程，同时还能进行脱机编程。

　　目前PLC制造厂家大都开发了计算机辅助PLC编程支持软件，当个人计算机安装了PLC编程支持软件后，可用作图形编程器，进行用户程序的编辑、修改，并通过个人计算机和PLC之间的通信接口实现用户程序的双向传送、监控PLC运行状态等。

5. 电源

　　PLC的电源将外部供给的交流电转换成供CPU、存储器等所需的直流电，是整个PLC的能源供给中心。

PLC大都采用高质量的工作稳定性好、抗干扰能力强的开关稳压电源，许多PLC电源还可向外部提供直流24V稳压电源，用于向输入接口上的接入电气元件供电，从而简化外围配置。

二、PLC工作原理

1. PLC内外部电路

　　1）外部电路接线

　　图3是电动机全压起动控制的接触器电气控制线路，控制逻辑由交流接触器KM线圈、指示灯HL1、HL2、热继电器常闭触头FR、停止按钮SB2、起动按钮SB1及接触器常开辅助触头KM通过导线连接实现。

　　合上QS后按下起动按钮SB1，则线圈KM通电并自锁，接通指示灯HL1所在支路的辅助触头KM及主电路中的主触头，HL1亮、电动机M起动；按下停止按钮SB2，则线圈KM断电，指示灯HL1灭，M停转。

　　图4是采用SIEMENS的一款S7系列PLC实现电动机全压起动控制的外部接线图。

主电路保持不变，热继电器常闭触头FR、停止按钮SB2、起动按钮SB1等作为PLC的输入设备接在PLC的输入接口上，而交流接触器KM线圈、指示灯HL1、HL2等作为PLC的输出设备接在PLC的输出接口上。

按制逻辑通过执行按照电动机全压控制要求编写并存入程序存储器内的用户程序实现。

图3 电动机全压起动电气控制线路

a）主电路 b）控制线路

图4 电动机全压起动PLC控制接线图

a）主电路 b）I/O实际接线图  

　　2）建立内部I/O映像区

　　在PLC存储器内开辟了I/O映像存储区，用于存放I/O信号的状态，分别称为输入映像寄存器和输出映像寄存器，此外PLC其它编程元件也有相对应的映像存储器，称为元件映像寄存器。

　　I/O映像区的大小由PLC的系统程序确定，对于系统的每一个输入点总有一个输入映像区的某一位与之相对应，对于系统的每一个输出点也都有输出映像区的某一位与之相对应，且系统的输入输出点的编址号与I/O映像区的映像寄存器地址号也对应。

　　PLC工作时，将采集到的输入信号状态存放在输入映像区对应的位上，运算结果存放到输出映像区对应的位上，PLC在执行用户程序时所需描述输入继电器的等效触头或输出继电器的等效触头、等效线圈状态的数据取用于I/O映像区，而不直接与外部设备发生关系。

　　I/O映像区的建立使PLC工作时只和内存有关地址单元内所存的状态数据发生关系，而系统输出也只是给内存某一地址单元设定一个状态数据。

这样不仅加快了程序执行速度，而且使控制系统与外界隔开，提高了系统的抗干扰能力。

　　3）内部等效电路

　　图5是PLC的内部等效电路，以其中的起动按钮SB1为例，其接入接口I0.0与输入映像区的一个触发器I0.0相连接，当SB1接通时，触发器I0.0就被触发为“1”状态，而这个“1”状态可被用户程序直接引用为I0.0触头的状态，此时I0.0触头与SB1的通断状态相同，则SB1接通，I0.0触头状态为“1”，反之SB1断开，I0.0触头状态为“0”，由于I0.0触发器功能与继电器线圈相同且不用硬连接线，所以I0.0触发器等效为PLC内部的一个I0.0软继电器线圈，直接引用I0.0线圈状态的I0.0触头就等效为一个受I0.0线圈控制的常开触头（或称为动合触头）。

图5 PLC内部等效电路

　　同理，停止按钮SB2与PLC内部的一个软继电器线圈I0.1相连接，SB2闭合，I0.1线圈的状态为“1”，反之为“0”，而继电器线圈I0.1的状态被用户程序取反后引用为I0.1触头的状态，所以I0.1等效为一个受I0.1线圈控制的常闭触头（或称动断触头）。

而输出触头Q0.0、Q0.1则是PLC内部继电器的物理常开触头，一旦闭合，外部相应的KM线圈、指示灯HL1就会接通。

PLC输出端有输出电源用的公共接口COM。

2. PLC控制系统

　　用PLC实现电动机全压起动电气控制系统，其主电路基本保持不变，而用PLC替代电气控制线路。

　　1）PLC控制系统构成

　　图6是电动机全压起动的PLC控制系统基本构成图，可将之分成输入电路、内部控制电路和输出电路三个部分。

　　输入电路

图6 PLC控制系统基本构成框图

　　输入电路的作用是将输入控制信号送入PLC，输入设备为按钮SB1、SB2及FR常闭触头。

外部输入的控制信号经PLC输入到对应的一个输入继电器，输入继电器可提供任意多个常开触头和常闭触头，供PLC内容控制电路编程使用。

　　输出电路

　　输出电路的作用是将PLC的输出控制信号转换为能够驱动KM线圈和HL1指示灯的信号。

PLC内部控制电路中有许多输出继电器，每个输出继电器除了PLC内部控制电路提供编程用的常开触头和常闭触头外，还为输出电路提供一个常开触头与输出端口相连，该触头称为内部硬触头，是一个内部物理常开触头。

通过该触头驱动外部的KM线圈和HL1指示灯等负载，而KM线圈再通过主电路中KM主触头去控制电动机M的起动与停止。

驱动负载的电源由外电部电源提供，PLC的输出端口中还有输出电源用的COM公共端。

　　内部控制电路

　　内部控制电路由按照被控电动机实际控制要求编写的用户程序形成，其作用是按照用户程序规定的逻辑关系，对输入、输出信号的状态进行计算、处理和判断，然后得到相应的输出控制信号，通过控制信号驱动输出设备：

电动机M、指示灯HL1等。

用户程序通过个人计算机通信或编程器输入等方式，把程序语句全部写到PLC的用户程序存储器中。

用户程序的修改只需通过编程器等设备改变存储器中的某些语句，不会改变控制器内部接线，实现了控制的灵活性。

　　2）PLC控制梯形图

梯形图是一种将PLC内部等效成由许多内部继电器的线圈、常开触头、常闭触头或功能程序块等组成的等效控制线路。

图7是PLC梯形图常用的等效控制元件符号。

图7 梯形图常用等效控制元件符号

a）线圈 b）常开触头c）常闭触头

　　图8是电动机全压起动的PLC控制梯形图，由FR常闭触头、SB2常闭按钮、KM常开辅助触头与SB1常开按钮的并联单元、KM线圈等零件对应的等效控制元件符号串联而成。

电动机全压起动控制梯形在形式上类似于接触器电气控制线路图，但也与电气控制线路图存在许多差异。

图8 电动机全压起动控制梯形图

　　梯形图中继电器元件物理结构不同于电气元件

　　PLC梯形图中的线圈、触头只是功能上与电气元件的线圈、触头等效。

梯形图中的线圈、触头在物理意义上只是输入、输出存储器中的一个存储位，与电气元件的物理结构不同。

　　梯形图中继电器元件的通断状态不同于电气元件

　　梯形图中继电器元件的通断状态与相应存储位上的保存的数据相关，如果该存储位的数据为“1”，则该元件处于“通”状态，如果该位数据为“0”，则表示处于“断”状态。

与电气元件实际的通断状态不同。

　　梯形图中继电器元件状态切换过程不同于电气元件

　　梯形图中继电器元件的状态切换只是PLC对存储位的状态数据的操作，如果PLC对常开触头等效的存储位数据赋值为“1”，就完成动合操作过程，同样如对常闭触头等效的存储位数据赋值为“0”，就可完成动断操作过程，切换操作过程没有时间延时。

而电气元件线圈、触头进行动合或动断切换时，必定有时间延时，且一般要经过先断开后闭合的操作过程。

　　梯形图中继电器所属触头数量与电气元件不同

　　如果PLC从输入继电器I0.0相应的存储位中取出了位数据“0”，将之存入另一个存储器中的一个存储位，被存入的存储位就成了受I0.0继电器控制的一个常开触头，被存入的数据为“0”；如在取出位数据“0”之后先进行取反操作，再存入一个存储器的一个存储位，则该位存入的数据为“1”，该存储位就成了受继电器I0.0控制的一个常闭触头。

　　只要PLC内部存储器足够多，这种位数据转移操作就可无限次进行，而每进行一次操作，就可产生一个梯形图中的继电器触头，由此可见，梯形图中继电器触头原则上可以无限次反复使用。

但是PLC内部的线圈通常只能引用一次，如需重复使用同一地址编号的线圈应慎之又慎。

与PLC不同的是电气元件中触头数量是有限的。

　　梯形图每一行画法规则为从左母线开始，经过触头和线圈（或功能方框），终止于右母线。

一般并联单元画在每行的左侧、输出线圈则画在右侧，其余串联元件画在中间。

3. PLC工作过程

　　PLC上电后，在系统程序的监控下周而复始地按一定的顺序对系统内部的各种任务进行查询、判断和执行等，见图9所示。

图9 PLC顺序循环过程

　　1）上电初始化

　　PLC上电后，首先对系统进行初始化，包括硬件初始化，I/O模块配置检查、停电保持范围设定及清除内部继电器、复位定时器等。

　　2）CPU自诊断

　　在每个扫描周期须进行自诊断，通过自诊断对电源、PLC内部电路、用户程序的语法等进行检查，一旦发现异常，CPU使异常继电器接通，PLC面板上的异常指示灯LED亮，内部特殊寄存器中存入出错代码并给出故障显示标志。

如果不是致命错误则进入PLC的停止（STOP）状态；如果是现致命错误时，则CPU被强制停止，等待错误排除后才转入STOP状态。

　　3）与外部设备通信

　　与外部设备通信阶段，PLC与其他智能装置、编程器、终端设备、彩色图形显示器、其他PLC等进行信息交换，然后进行PLC工作状态的判断。

　　PLC有STOP和RUN两种工作状态，如果PLC处于STOP状态，则不执行用户程序，将通过与编程器等设备交换信息，完成用户程序的编辑、修改及调试任务；如果PLC处于RUN状态，则将进入扫描过程，执行用户程序。

　　4）扫描过程

　　以扫描方式把外部输入信号的状态存入输入映像区，再执行用户程序，并将执行结果输出存入输出映像区，直到传送到外部设备。

　　PLC上电后周而复始地执行上述工作过程，直至断电停机。

4. 用户程序循环扫描

　　PLC对用户程序进行循环扫描分为输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段，见图10。

图10 PLC用户程序扫描过程

　　1）输入采样阶段

　　CPU将全部现场输入信号，如按钮、限位开关、速度继电器的通断状态经PLC的输入接口读入映像寄存器，这一过程称为输入采样。

输入采样结束后进入程序执行阶段后，期间即使输入信号发生变化，输入映像寄存器内数据不再随之变化，直至一个扫描循环结束，下一次输入采样时才会更新。

这种输入工作方式称为集中输入方式。

　　2）程序执行阶段

　　PLC在程序执行阶段，若不出现中断或跳转指令，就根据梯形图程序从首地址开始按自上而下、从左往右的顺序进行逐条扫描执行，扫描过程中分别从输入映像寄存器、输出映像寄存器以及辅助继电器中将有关编程元件的状态数据“0”或“1”读出，并根据梯形图规定的逻辑关系执行相应的运算，运算结果写入对应的元件映像寄存器中保存。

而需向外输出的信号则存入输出映像寄存器，并由输出锁存器保存。

　　3）输出处理阶段

　　CPU将输出映像寄存器的状态经输出锁存器和PLC的输出接口传送到外部去驱动接触器和指示灯等负载。

这时输出锁存器保存的内容要等到下一个扫描周期的输出阶段才会被再次刷新。

这种输出工作方式称为集中输出方式。

　　4）PLC扫描过程示例

　　梯形图将以指令语句表的形式存储在PLC的用户程序存储器中。

指令语句表是PLC的另一种编程语言，由一系列操作指令组成的表描述PLC的控制流程，不同的PLC指令语句表使用的助记符并不相同。

采用SIEMENS S7-300系列PLC指令语句表编写的电动机全压起动梯形图的功能程序如下：

　　　　　　　A（

　　　　　　　O      I0.0                 //取I0.0，存入运算堆栈；

　　　　　　　O      Q0.0                 //Q0.0和堆栈内数据进行或运算，结果存入堆栈；

　　　　　　　）

　　　　　　　AN     I0.1                 //I0.1取非后和堆栈内数据进行与运算，结果存入堆栈；

　　　　　　　AN     I0.2                 //I0.2取非后和堆栈内数据进行与运算，结果存入堆栈；

　　　　　　　=      Q0.0                 //将堆栈内数据送到输出映像寄存器Q0.0；

　　　　　　　A      Q0.0                 //取出Q0.0数据存入堆栈；

　　　　　　　=      Q0.1                 //将堆栈内数据送到输出映像寄存器Q0.1；

　　　　　　　MEND                         //主程序结束。

　　指令语句表是由若干条语句组成的程序，语句是程序的最小独立单元。

每个操作功能由一条或几条语句执行。

PLC语句由操作码和操作数两部分组成。

操作码用助记符表示（如A表示“取”、O表示“或”等），用于说明要执行的功能，即告之CPU应执行何种操作。

操作码主要的功能有逻辑运算中的与、或、非，算术运算中的加、减、乘、除，时间或条件控制中的计时、计数、移位等功能。

　　操作数一般由标识符和参数组成。

标识符表示操作数的类别，例如输入继电器、输出继电器、定时器、计数器、数据寄存器等；而参数表示操作数的地址或一个预先设定值。

　　以电动机全压起动PLC控制系统为例，在输入采样阶段，CPU将SB1、SB2和FR的触头状态读入相应的输入映像寄存器，外部触头闭合时存入寄存器的是二进制数“1”，反之存入“0”。

输入采样结束进入程序执行阶段，见图11。

　　执行第1、2条指令时，从I0.0对应的输入映像寄存器中取出信息“1”或“0”，并存入称为“堆栈”的操作器中。

　　执行第3条指令时，取出Q0.0对应的输出映像寄存器中的信息“1”或“0”，并与堆栈中的内容相“或”，结果再存入堆栈中（电路的并联对应“或”运算）。

　　执行第4条、第5条指令时，先取出I0.1的状态数据进行非运算，再和堆栈中的数据相“与”后存入堆栈，然后取出I0.2的状态数据进行取非运算，再和堆栈中的数据相“与”后再次存入堆栈（电路中的串联对应“与”运算）。

　　执行第6条时，将堆栈中的二进制数据送入Q0.0对应的输出映像寄存器中。

　　执行第7条指令时，取出Q0.0输出映像寄存器中的二进制数据存入堆栈。

　　执行第8条指令时，取出堆栈中的二进制数据送入Q2.0对应的映像寄存器中。

　　执行第9条指令，结束用户程序的一次循环扫描过程，开始下一次扫描过程。

　　在输出处理阶段，CPU将各输出映像寄存器中的二进制数传送给输出锁存器。

如果Q0.0、Q0.1对应的输出映像寄存器存放的二进制数为“1”，则外接的KM线圈、指示灯HL1通电，反之，将断电。

图11 电动机全压起动PLC控制扫描过程

　　5）继电器控制与PLC控制的差异

　　PLC程序的工作原理可简述为由上至下、由左至右、循环往复、顺序执行。

与继电器控制线路的并行控制方式存在差别，见图12。

　　图12a）控制图中，如果为继电器控制线路，由于是并行控制方式，首先是线圈Q0.0与线圈     Q0.1均通电，然后因为常闭触头Q0.1的断开，导致线圈Q0.0断电。

　　如果为梯形图控制线路，当I0.0接通后，线圈Q0.0通电，然后是Q0.1通电，完成第1次扫描；进入第2次扫描后，线圈Q0.0因常闭触头Q0.1断开而断电，而Q0.1通电。

　　图12b）控制图中，如果为继电器控制线路，线圈Q0.0与线圈Q0.1首先均通电，然后Q0.1断电。

　　如果为梯形图控制线路，则触头I0.0接通，所以线圈Q0.1通电，然后进行第2行扫描，结果因为常闭触头Q0.1断开，所以线圈Q0.0始终不能通电。

图12 梯形图与继电器图控制触头通断状态分析

a）触头通断无差异 b）触头通断有差异

三、工作任务

　　叙述PLC各组成部分作用；识读PLC外围接线图；掌握PLC梯形图基本绘制规则。