第3章可编程控制器基础

3.2.6 外部设备

PLC的外部设备种类很多，可以概括为以下四类： 编程设备；除了用于编程，还可对系统作一些 设定，以确定PLC的工作方式。


监控设备；将现场数据动态实时显示出来，以 便操作人员随时掌握系统运行的情况。
存储设备；用于保存用户数据，避免程序丢失。 输入输出设备。用于接受信号和输出信号的专 用设备，例如条码读入器、打印机等。


CPU为可靠性高，抗干扰能力强；
灵活性强，控制系统具有良好的柔性； 编程简单，使用方便； 控制系统易于实现，开发工作量少，周期短； 维修方便；


体积小，能耗低；
功能强，性能价格比高 。
3.2 可编程控制器的组成

PLC的基本组成部件如下图所示：
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3.2.1 中央处理单元（CPU）

3.5.2 用户应用程序
用户程序是由用户编写的，能够完成系统控制任 务的指令序列。不同厂家的PLC会提供不同的指令 集，但基本的编程元件和编程形式有许多共同之处。

1. PLC的编程元件 （1）继电器 输入、输出映像寄存器里的每一位，在指令系统中都 对应一个固定的编号，在图形编程语言（例如梯形图语言） 中形象的用继电器线圈来表示，因此也常称之为输入继电 器、输出继电器。同时为了满足对复杂逻辑关系的编程要 求，还提供大量的中间辅助继电器，它们也对应存储器中 的某一固定区域。这些继电器都是所谓的“软元件”，它 们的状态用一个二进制位就可以表示，1对应ON状态，0 对应OFF状态，在用户程序中可以无限次使用它们的常开、 常闭触点。 返回

数字量输出单元（继电器式）：
图3-6
继电器输出电路示意图
3.4.1 可编程控制器的I/O模块

模拟量输入单元： 模拟量输入信号可以是电压或电流，在选型时 要考虑输入信号的范围以及系统要求的A/D转换 精度。
图3-7
8通道模拟输入单元原理框图
3.4.1 可编程控制器的I/O模块
模拟量输出单元：

PLC的工作过程以循环扫描的方式进行，当PLC处于运行 状态时，它的运行周期可以划分为3个基本阶段：
输入采样阶段；PLC逐个扫描每个输入端口，将所有输 入设备的当前状态保存到相应的存储区。 程序执行阶段；在系统程序的指示下，CPU从用户程序 存储区逐条读取用户指令，经解释后执行相应动作，产 生相应结果，刷新相应的输出映像寄存器，期间需要用 到输入映像寄存器、输出映像寄存器的相应状态。 输出刷新阶段。系统程序将输出映像寄存器中的内容传 送到输出锁存器中，经过输出接口、输出端子输出，驱 动外部负载。
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3.2.2 存储器单元

PLC的存储器单元分成两个部分： 系统程序存储器；用于存放PLC生产厂家编写 的系统程序，系统程序在出厂时已经被固化在 PROM或EPROM中。 用户程序存储器。可分为程序存储区和数据存 储区，程序存储器用于存放用户编写的控制程 序，数据存储区存放的是程序执行过程中所需 要的或者所产生的中间数据。
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3.4.1 可编程控制器的I/O模块

PLC的输入输出部分，可以分为数字I/O（DI/DO） 和模拟I/O（AI/AO）两大类：

数字量I/O（DI/DO）：
数字量输入单元；
数字量输出单元 。 模拟量I/O（AI/AO）：
模拟量输入单元 ；
模拟量输出单元 。
3.4.1 可编程控制器的I/O模块


3.2.3 电源单元

电源单元将外界提供的电源转换成PLC的工作电 源后，提供给PLC。有些电源单元也可以作为负 载电源，通过PLC的I/O接口向负载提供直流24V 电源。 电源单元还提供掉电保护电路和后备电池电源， 以维持部分RAM存储器的内容在外界电源断电后 不会丢失。在面板上通常有发光二极管（LCD） 指示电源的工作状态，便于判断电源工作是否正 常。
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3.1.1 可编程控制器的产生与发展

美国数字设备公司（DEC）根据美国通用汽车公 司提出的10项指标，于1969年研制出第一台控制 器，型号为PDP-14，它的开创性意义在于引入了 程序控制功能，为计算机技术在工业控制领域的 应用开辟了空间。 至上世纪70年代，PLC技术已经进入成熟期。推 动PLC技术发展的动力主要来自于两个方面：其 一是企业对高性能、高可靠性自动控制系统的客 观需要和追求；其次，大规模及超大规模集成电 路技术的飞速发展，微处理器性能的不断提高， 为PLC技术的发展奠定了基础并开拓了空间 。

3.2.5 接口单元（对外部设备）

接口单元包括扩展接口、通信接口、编程器接口 和存储器接口及其它外部设备接口等。
PLC的I/O单元也属于接口单元的范畴，它完成 PLC与工业现场之间电信号的往来联系。除此之 外，PLC与其它外界设备和信号的联系都需要相 应的接口单元 。

3.2.5 接口单元（对外部设备）

3.2.4 输入输出单元

PLC的输入、输出单元也叫I/O单元，对于模块式 的PLC来说，I/O单元以模块形式出现，所以又称 为I/O模块。 I/O单元是PLC与工业现场的接口， 现场信号与PLC之间的联系通过I/O单元实现。 工业现场的输入和输出信号包括数字量和模拟量 两类，因此I/O单元也有数字I/O和模拟I/O两种， 前者又称为DI/DO，后者又称为AI/AO。PLC的 输入、输出单元还应包括一些功能模块，所谓功 能模块就是一些智能化了的输入和输出模块。

接口单元通常有以下5种：
I/O扩展接口 。用于扩展输入输出点数 。 通信接口 。通常集成有RS232或RS422口，用于与PLC、 上位机、远程I/O、监视器、编程器等外部设备相连。 编程器接口 。PLC本体通常是不带编程器的，编程器接 口是连接编程器的。 存储器接口。存储器接口是为了扩展存储区而设置的。 其它外部设备接口。包括条码读入器的接口、打印机接 口等等。

3.4 可编程控制器的硬件基础

I/O单元是组成PLC系统的重要环节，本节以介 绍I/O单元的硬件电路为主，在此基础上简单介 绍PLC系统的硬件配置。应当说明的是，不同 PLC在硬件的具体实现方案上总是有区别的， 本节的任务是讨论一般性的原理，而非某一具 体型号的结构特征，本书后续章节将针对不同 型号的PLC，分别介绍其特点。
3.3.2 可编程控制器的工作过程

输出映像寄存器的内容取决于用户程序扫描执行的结果。 输出锁存器的内容，由上一次输出刷新期间输出映像寄 存器中的数据决定。 PLC当前实际的输出状态，由输出锁存器的内容决定。 当系统规模较大，I/O点数众多，用户程序比较长时，单 纯采用上面的循环扫描工作方式会使系统的响应速度明显 降低，甚至会丢失、错漏高频输入信号，因此大多数大中 型PLC在尽量提高程序指令执行速度的同时，也采取了一 些其它措施来加快系统响应速度。例如采用定周期输入采 样、输出刷新，直接输入采样、直接输出刷新，中断输入、 输出，或者开发智能I/O模块，模块本身带有CPU，可以与 主机的CPU并行工作，分担一部分任务，从而加快整个系 统的执行速度。

3.5 可编程控制器的软件基础

PLC是一种通用的、商业化的工业控制计算机， 与个人计算机相仿，用户程序必须在系统程序 的管理下才能运行。本节首先介绍PLC系统监 控程序的运行情况，然后再介绍用户指令系统 的相关内容。
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3.5.1 系统监控程序

系统监控程序执行过程分为以下几部分： 初始化程序； CPU自诊断；
3.5 可编程控制器的软件基础
3.6 可编程控制器的性能指标及分类
3.1 可编程控制器概述

可编程控制器的英文名称是Programmable Controller，早期简称PC，后来为了与个人 计算机（PC）区分，在行业中多称之为 Programmable Logic Controller，即可编程 逻辑控制器，简称PLC，而这种称呼又与可 编程控制器的起源和它本身的特点有关。

中央处理单元是PLC的核心部件，负责完成逻辑 运算、数字运算以及协调系统内各部分的工作。 它在系统程序的管理下运行，主要功能有 ：

接受并存储由编程器键入的用户程序和数据；


诊断电源故障以及用户程序的语法错误；
读取输入状态和数据并存储到相应的存储区；
读取用户程序指令，解释执行用户程序，完成 逻辑运算、数字运算、数据传递等任务，刷新 输出映像，将输出映像内容送至输出单元。

数字量输入单元（直流）：
电阻R2和电容C构成RC滤波电路，光 耦将现场信号与PLC内部电路隔离。
图3-4
漏型数字量输入电路示意图
3.4.1 可编程控制器的I/O模块
也可使用双向光电耦合器和双向 数字量输入单元（交流）： 发光二极管，去了桥式整流电路。
图3-5
带整流桥的交流输入电路示意图
3.3.3.2 可编程控制器的工作过程


PLC工作过程的特点总结如下：
PLC采用集中采样、集中输出的工作方式，这种方式减 少了外界干扰的影响。 PLC的工作过程是循环扫描的过程，循环扫描时间的长 短取决于指令执行速度、用户程序的长度等因素。


输出对输入的响应有滞后现象。PLC采用集中采样、集 中输出的工作方式，当采样阶段结束后，输入状态的变 化将要等到下一个采样周期才能被接收，因此这个滞后 时间的长短又主要取决于循环周期的长短。此外，影响 滞后时间的因素还有输入电路滤波时间、输出电路的滞 后时间等。
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3.3 可编程控制器的工作原理

可编程控制器是基于电子计算机的工业控制器， 从PLC产生的背景来看，PLC系统与继电器控制 系统有着极深的渊源，因此可以比照着继电器 系统来学习PLC的工作原理。