PLC基本组成及工作原理

模块一：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是专门针对丄业环境应用设汁的，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4-1。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。

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项目四: PLC基础知识学习

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£｝一电谡 图4-1 PLC的基本组成

1. 中央处理器

中央处理器（CPU） III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、运算速度快且可幕性高；而大型PLC则需采用高速位片式微处理器。

CPU按照PLC內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。

PLC系统程序决定了 PLC的基本功能，该部分程序山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EPROMo ROH是只读存储器，该存 储器只能读出内容，不能写入内容，R0H具有非易失性，即电源断开后仍能保存已存储的内容。 EPER0M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E2PR0M、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，山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 置值和为前值等）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、模拟电位器设星、高速计数器配這、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，山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与丄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，一类是山按钮、转换开关、行程开关、继电器触 头等开关量输入信号；另一类是山电位器、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4-2所示的直流输入接口电路为例，R1是限流与分斥电阻，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。半输入端的按钮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输入指示灯壳，表示信号接通。微电脑输 入接口电路一般山寄存器、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4-2 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PLCo II］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CPUo

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。输出接口电路一般山微 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山输出数据寄存器、选通电路和中断请求逻辑电路集成在芯片上，CPU 通过数据总线将输岀信号送到输出数据寄存器中，功率放大电路是为了适应匸业控制要求，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，乂可用梯形图编程， 同时还能进行脱机编程。

U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CPl\存储器等所需的直流电，是整个PLC的能源供给中 心。PLC大都采用拓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稳爪电源，用于向输入接口上的接入电气元件供电，从而简化外用配置。

1）外部电路接线

图4-3是电动机全爪起动控制的接触器电气控制线路，控制逻辑山交流接触器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KH通过导线连 接实现。

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

图4-4是采用SIEMENS的一款S7系列PLC实现电动机全圧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汗控制要求编写并存入程序存储器内的用户程序实现。 二、PLC工作原理

1- PLC内外部电路

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图4-3

电动机全汗起动电气控制线路

R主电路 b）控制线路

图4-4 电动机全压起动PLC控制接线图

R主电路 b）I/0实际接线图

2）建立内部］70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映像区的大小山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，对于系统的侮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丄作时，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12 0— L一

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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丄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4-5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 10.0与输入映像区的一 个触发器10.0相连接，当SB1接通时,触发器10.0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:[0.0触头的状态，此时10.0触头与SB1的通断状态相同，则SB1接通，10.0触头 状态为“1”，反之SB1断开，10.0触头状态为“0”，山于10.0触发器功能与继电器线圈相同且不 用硬连接线，所以10.0触发器等效为PLC内部的一个10.0软继电器线圈，直接引用10.0线圈状态的 10.0触头就等效为一个受10.0线圈控制的常开触头（或称为动合触头）。

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，10. 1线圈的状态为 “1"，反之为“0”，而继电器线圈10.1的状态被用户程序取反后引用为10.1触头的状态，所以10.1 等效为一个受10.1线圈控制的常闭触头（或称动断触头）o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 COMo