1.3 PLC的组成与工作原理
1.3.1 PLC的组成框图
PLC种类很多，但结构大同小异，典型的PLC控制系统组成框图如图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控制系统组成框图
1.3.2 PLC内部组成单元说明
从图1-5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、扩展接口和电源等组成。
1．CPU
CPU又称中央处理器，为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的工作速度和效率有很大的影响，故大型PLC通常采用高性能的CPU。
CPU的主要功能有：
❶接收通信接口送来的程序和信息，并将其存入存储器。
❷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。
❸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，以对输出设备进行有关控制。
❹监测和诊断内部各电路的工作状态。
2．存储器
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要备用电池。
3．输入/输出接口
输入/输出接口（即输入/输出电路）又称I/O接口或I/O模块，是PLC与外围设备之间的连接桥梁。PLC通过输入接口电路检测输入设备的状态，以此作为对输出设备控制的依据，同时又通过输出接口电路对输出设备进行控制。
PLC的I/O接口能接收的输入和输出信号个数称为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接口一般具有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（连续变化的电压或电流）。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。数字量输入接口电路如图1- 6所示。
图1-6 数字量输入接口电路
当闭合按钮SB后，24V直流电源产生的电流流过I0.0端子内部电路，电流途径是：24V正极→按钮SB→I0.0端子入→R1→发光二极管VD1→光电耦合器中的一个发光二极管→1M端子出→24V负极，光电耦合器的光敏管受光导通，这样给内部电路输入一个ON信号，即I0.0端子输入为ON（或称输入为1）。由于光电耦合器内部是通过光线传递的，故可以将外部电路与内部电路进行有效的电气隔离。
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，用于滤除通过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，DC24V电源的极性可以改变（即24V也可以正极接1M端）。
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。模拟量输出接口电路通常采用D/A转换电路，将数字量信号转换成模拟量信号；数字量输出接口电路采用的电路形式较多，根据使用的输出开关器件不同，可分为继电器输出型接口电路、晶体管输出型接口电路和双向晶闸管输出型接口电路。
图1-7所示为继电器输出型接口电路。当PLC内部电路输出ON信号（或称输出为ON）时，会输出电流流经继电器KA线圈，继电器常开触点KA闭合，负载有电流通过，电流途径是：DC电源（或AC电源）的一端→负载→Q0.1端子入→内部闭合的继电器KA触点→1L端子出→DC电源（或AC电源）的另一端。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。由于继电器触点无极性，所以输出端外部电源可以是直流电源，也可以是交流电源。
图1-7 继电器输出型接口电路
继电器输出型接口电路的特点是可以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1-8所示为晶体管输出型接口电路，它采用光电耦合器与晶体管配合使用。当PLC内部电路输出ON信号（或称输出为ON）时，会输出电流流过光电耦合器的发光管使之发光，光敏管受光导通，晶体管VT的G极电压下降。由于VT为耗尽型P沟道晶体管，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，有电流流过负载，电流途径是：DC电源正极→负载→1L+端子入→导通的晶体管VT→Q0.2端子出→DC电源负极。由于晶体管有极性，所以输出端外部只能接直流电源，并且晶体管的漏极只能接电源正极，源极接电源的负极。
图1-8 晶体管输出型接口电路
晶体管输出型接口电路反应速度快，通断频率高（可达20～200kHz），但只能用于驱动直流负载，且过流能力差。
图1-9所示为双向晶闸管输出型接口电路，它采用双向晶闸管型光电耦合器。当PLC内部电路输出ON信号（或称输出为ON）时，会输出电流流过光电双向晶闸管内部的发光管，内部双向晶闸管受光导通，电流可以从上往下流过晶闸管，也可以从下往上流过晶闸管。由于交流电源的极性是周期性变化的，所以晶闸管输出接口电路外部通常接交流电源。
图1-9 双向晶闸管输出型接口电路
双向晶闸管输出型接口电路的响应速度快，动作频率高，一般用于驱动交流负载。
4．通信接口
PLC配有通信接口，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的工作状态；PLC与其他PLC连接，可组成多机系统或连成网络，实现更大规模的控制；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。
5．扩展接口
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增加一些专用功能模块，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。
6．电源
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。
1.3.3 PLC的工作方式
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的一般工作过程如图1-10所示。
图1-10 PLC的一般工作过程
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，检测输入端的输入状态（输入端外部开关闭合时输入为ON，断开时输入为OFF），并将这些状态值写入输入映像寄存器（也称输入继电器）。然后开始从头到尾执行用户程序，程序执行结束后，将得到的输出值写入输出映像寄存器（该过程称为输出刷新），输出映像寄存器通过输出电路使输出端内部的硬件继电器、晶体管或晶闸管导通或断开，从而产生控制输出。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，系统会执行用户程序；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，而在向PLC写入程序时，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，自我诊断至输出刷新过程会反复循环执行，执行一次所需要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。