PLC的工作原理

PLC是一种存储程序的控制器。用户根据某一对象的具体控制要求，编制好控制程序后，用编程器将程序输入到PLC（或用计算机下载到PLC）的用户程序存储器中寄存。PLC的控制功能就是通过运行用户程序来实现的。

PLC运行程序的方式与微型计算机相比有较大的不同。微型计算机运行程序时，一旦执行到END指令，程序运行便结束；而PLC从0号存储地址所存放的条用户程序开始，在无中断或跳转的情况下，按存储地址号递增的方向顺序逐条执行用户程序，直到END指令结束。然后再从头开始执行，并周而复始地重复，直到停机或从运行（RUN）切换到停止（STOP）工作状态。把PLC这种执行程序的方式称为扫描工作方式。每扫描完一次程序就构成一个扫描周期。另外，PLC对输入、输出信号的处理与微型计算机不同。

PLC在开始执行程序之前，首先扫描输入端子，按顺序将所有输入信号，读入到寄存器——输入状态的输入映像寄存器中，这个过程称为输入扫描。PLC在运行程序时，所需的输入信号不是现时取输入端子上的信息，而是取输入映像寄存器中的信息。在本工作周期内这个采样结果的内容不会改变，只有到下一个扫描周期输入扫描阶段才被刷新。PLC的扫描速度很快，取决于CPU的时钟速度。

（2）程序执行

PLC完成了输入扫描工作后，按顺序从0号地址开始的程序进行逐条扫描执行，并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获得所需的数据进行运算处理。再将程序执行的结果写入输出映像寄存器中保存。但这个结果在全部程序未被执行完毕之前不会送到输出端子上，也就是物理输出是不会改变的。扫描时间取决于程序的长度、复杂程度和CPU的功能。

在执行到END指令，即执行完用户所有程序后，PLC上将输出映像寄存器中的内容送到输出锁存器中进行输出，驱动用户设备。扫描时间取决于输出模块的数量。

西门子的模拟量模块的端子排是上下两排分布，容易混淆。在接线时要特别注意，先接下面端子的线，再接上面端子的线，而且不要弄错端子号。

所谓电源计算，就是用CPU所能提供的电源容量减去各模块所需要的电源消耗量。S7-200 SMART CPU模块提供DC 5V和DC 24V电源。当有扩展模块时，CPU通过I/O总线为其提供5V电源，所有扩展模块的5V电源消耗之和不能超过该CPU提供的电源额定值。若不够用则不能外接5V电源。

每个CPU都有一个DC 24V传感器电源，它为本机输入点和扩展模块输入点及扩展模块继电器线圈提供DC 24V。如果电源要求超出了CPU模块的电源定额，可以增加一个外部DC 24V电源来供给扩展模块

PLC的输出电路有共点式、分组式、隔离式之别。输出只有一个公共端子的称为共点式；分组式是将输出端子分成若干组，每组共用一个公共端子；隔离式是各输出点具有单独的端子，点与点之间互相隔离，可各自使用独立的电源。

（4）电源电路。可编程控制器一般都使用220V，50Hz的交流电源。小型整体式可编程控制器内部有一个开关稳压电源，通过它将交流电变换成内部电路所需的直流电，此电源可为CPU板、I/O板及扩展单元提供5V DC，并可为外部输入元件提供24V DC，该电源由“L+”、“M”两个接线端子引出。

（5）扩展接口。扩展接口用于将扩展单元与基本单元相连，使PLC的配置更加灵活。

（6）通信接口。为了实现“人—机”或“机—机”之间的对话，PLC配有多种通信接口。PLC通过这些通信接口可以与监视器、打印机以及其他的PLC或计算机相连。

当PLC与打印机相连时，可将过程信息、系统参数等输出打印。当与监视器（CRT）相连时，可将过程图像显示出来；当与其他PLC相连时，可以组成多机系统或连成网络，实现更大规模的控制；当与计算机相连时，可以组成多级计算机控制系统，实现控制与管理相结合的综合系统。

（7）智能I/O接口。为了满足更加复杂的控制功能的需要，PLC配有多种智能I/O接口。

（8）控制模板以及对高速脉冲进行计数和处理的高速计数模板等，这类智能模板都有其自身的处理器系统。

（9）编程工具。编程工具供用户进行程序的编制、编辑、调试和监视，常用的是编程器。编程器有简易型和智能型两类。简易型的编程器只能联机编程，且往往需要将梯形图转化为机器语言助记符（指令表）后才能输入，它一般由简易键盘和发光二极管或其他显示器件组成。智能型的编程器又称图形编程器，它可以联机，也可以脱机编程，具有LCD或CRT图形显示功能，可以直接输入梯形图和通过屏幕对话。

（10）文本显示器单元。图1-10是两款用于S7-200系列PLC的文本显示器（TD）单元，显示器单元是一种价格低廉的人机界面，用于显示文本信息以及应用程序有关的其他数据，通过它能查看、监视和改变应用程序的过程变量。

图1-10　文本显示器（TD）单元

PLC厂家为自己的产品设计了计算机辅助编程软件，运行这些软件可以编辑、修改用户程序，监控系统的运行，打印文件，采集和分析数据，在屏幕上显示系统运行状态，对工业现场和系统进行仿真等。若要直接与可编程控制器通信，还要配有相应的通信电缆。

可编程控制器的单元式结构

可编程控制器的结构通常分为单元式和模块式，但近年来有将这两种形式结合起来的趋势。单元式的特点是结构非常紧凑，它将所有的电路都装入一个模块内，构成一个整体。小型可编程控制器的结构吸收了模块式结构的特点，将各种不同点数的可编程控制器及其扩展单元都做成同宽同高不同长度的模块，这样几个模块拼装起来后就成了一个整齐的长方体结构。

由于在一个单元内集中了CPU板、输入/输出板、电源板等，对于某一个单元的输入输出就有一定的比例关系。FX2N系列PLC基本单元（亦称CPU单元）的输入输出比为1∶1

PLC的软件系统指PLC所使用的各种程序的集合。它由系统程序（系统软件）和用户程序（应用软件）组成。

可编程控制器的等效电路

可编程控制器是一个执行逻辑功能的工业控制装置。为便于理解可编程控制器是怎样完成逻辑控制的，可以用类似于继电器控制的等效电路来描述可编程控制器内部工作情况。

PLC由CPU模块、输入模块和输出模块、电源等组成。CPU模块又称基本模块和主机，是一个完整的控制系统，它可以单独完成一定的控制任务，主要功能是采集输入信号、执行程序、发出输出信号和驱动外部负载。

（1）CPU模块的组成

CPU模块由中央处理单元、存储器单元、输入输出接口单元以及电源组成。

①中央处理单元　中央处理单元（CPU）一般由控制器、运算器和寄存器组成。CPU是PLC的核心，它不断采集输入信号，执行用户程序，刷新系统输出。

CPU通过地址总线、数据总线、控制总线与存储单元、输入输出接口、通信接口、扩展接口相连。CPU按照系统程序赋予的功能接收并存储用户程序和数据，检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并且能够诊断用户程序中的语法错误。

②存储器单元　PLC的存储器包括系统存储器和用户存储器两种。存放系统软件的存储器称为系统存储器，存放应用软件的存储器称为用户存储器。常用的存储器有RAM、ROM、EEPROM三种。

RAM为随机存取存储器，价格便宜、改写方便，但断电后储存的信息会丢失。ROM为只读存储器，只能读出，不能写入，断电后储存的信息不会丢失。EEPROM为可电擦除可编程的只读存储器，其数据可以读出和改写，断电后信息不会丢失。但EEPROM写入数据的时间比RAM长，改写的次数有限制，一般用来存储用户程序和需要长期保存的重要数据。