PLC通用結構及工作原理學習目標（1）了解PLC的結構和工作原理、軟件；（2）掌握PLC的幾種編程語言和程序結構。一、任務導入

雖然PLC的品種繁多，但其基本結構和工作原理基本相同。廣義上和工業PC一樣，PLC也是一種計算機系統，只不過它更加適應工業環境，具有更強的抗干擾能力。

二、相關知識（一）PLC的結構組成PLC的結構組成如圖3.4所示，主要包括中央處理單元(CPU)、存儲器、I／O接口電路、電源、I／0擴展接口、外部設備接口等。其內部采用總線結構進行數據和指令的傳輸。外部的各種信號送入PLC的輸人接口，在PLC內部進行邏輯運算或數據處理，最后以輸出變量的形式經輸出接口，驅動輸出設備進行各種控制。各部分的作用如下：圖3.4PLC基本組成1.中央處理單元CPU中央處理單元CPU（CentreProcessingUnit），主要由控制電路、運算器和寄存器等部分組成，是PLC的運算和控制中心。PLC常用的CPU有通用微處理器、單片機和雙極型位片式微處理器。通用微處理器常用的是8位或16位，如Z80A、8085、8086、M68000等；單片機是將CPU、存儲器和I／O接口集成在一起，因此性價比高，多為中小型PLC采用，常用的單片機有8051、8098等；位片式微處理器的特點是運算速度快，以4位為1片，可以多片級聯，組成任意字長的微處理器，因此多為大型PLC采用，常用的位片式微處理器有AM2900、AM2901、AM2903等。目前，PLC的位數多為8位或16位，高檔機已采用32位，甚至更高位數。2.存儲器存儲器的功能是存放程序和數據。可分為系統程序存儲器和用戶程序存儲器兩大類：（1）系統程序存儲器。用來存放管理程序、監控程序以及內部數據，由PLC生產廠家設計提供，用戶不能更改。（2）用戶程序存儲器。主要存放用戶已編制好或正在調試的應用程序。存放在RAM中的用戶程序可方便地修改。3.輸入／輸出接口電路輸入／輸出接口電路的作用是將輸入信號轉換為CPU能夠接收和處理的信號，并將CPU輸出的弱電信號轉換為外部設備所需要的強電信號，而且能有效地抑制干擾，起到與外部電路的隔離作用。（二）PLC的工作原理PLC是一種工業計算機，其工作原理是建立在計算機工作原理基礎上的，CPU采用分時操作方式來處理各項任務，即每一時刻只能處理一件事情，程序的執行是按照順序依次執行。這種分時操作過程稱為PLC對程序的掃描。掃描一次所用的時間稱為掃描周期。PLC的掃描工作過程大致可以分為3個階段：即輸入采樣、用戶程序執行和輸出刷新3個階段，如圖3.7所示。在整個運行期間，PLC的CPU以一定的掃描速度重復執行上述3個階段。圖3.7PLC的工作原理1.輸入采樣階段在輸入采樣階段，PLC首先掃描所有輸入端子，再依次地讀入所有輸入狀態和數據，并將它們存入輸入映像寄存器中。此時，輸入映像區被刷新。輸入采樣結束后，轉入用戶程序執行和輸出刷新階段。在這兩個階段中，即使輸入狀態和數據發生變化，輸入映像區中相應單元的狀態和數據也不會改變。因此，如果輸入是脈沖信號，則該脈沖信號的寬度必須大于一個掃描周期，才能保證在任何情況下，該輸入均能被讀入。2.用戶程序執行階段在用戶程序執行階段，PLC總是按由上而下的順序依次地掃描用戶程序(梯形圖)。在掃描每一條梯形圖時，又總是先掃描梯形圖左邊的由各觸點構成的控制電路，并按先左后右、先上后下的順序對由觸點構成的控制電路進行相應的運算，最后將執行結果寫入輸出映像寄存器中。3.輸出刷新階段（輸出處理階段）CPU在執行完所有的指令后，把輸出狀態寄存器中的內容轉存到輸出鎖存器中，并通過輸出接口電路將其輸出，來驅動PLC的外部負載，控制設備的相應動作，形成PLC的實際輸出。實際上，在每個掃描周期內，CPU除了執行用戶程序外，還要進行系統自診斷和通信請求，并及時接收外來的控制命令，以提高PLC工作的可靠性，但所占用時間很短。由上可見，PLC通過周期性循環掃描，并采取集中采樣和集中輸出的方式執行用戶程序，這與計算機的工作方式不同，計算機在工作過程中，如果輸入條件沒有滿足，程序將等待，直到條件滿足才繼續執行；而PLC在輸入條件不滿足時，程序照樣往下執行，它將依靠不斷的循環掃描，一次次通過輸入采樣捕捉輸入變量。當然由此也帶來一個問題，如果在本次掃描之后輸入變量才發生變化，則只有等待下一次掃描時才能確認。這就造成了輸入與輸出響應的滯后，在一定程度上降低了系統的響應速度，但由于PLC的一個工作周期僅為數十毫秒，故這種很短的滯后時間對一般的工業控制系統影響不大。（三）PLC的軟件及編程語言PLC是一種工業控制計算機。與計算機一樣，PLC的軟件也分為系統軟件和應用軟件。1.系統軟件PLC的系統軟件就是系統監控程序，也有人稱之為PLC的操作系統。它是每臺可編程控制器都必須包括的部分，用于控制PLC本身的運行，是由PLC制造廠家編制的。系統監控程序可分為3個部分：（1）系統管理程序系統管理程序是監控程序中最重要的部分。它主要負責系統的運行管理、存儲空間的管理和系統自檢，包括系統出錯檢驗、用戶程序語法檢驗、句法檢驗、警戒時鐘運行等。有了系統管理程序，可編程控制器就能在其管理控制下，有條不紊地進行各種工作。（2）用戶指令解釋程序在可編程控制器中采用梯形圖語言編程，再通過用戶指令解釋程序，將梯形圖語言逐條翻譯成機器語言。由于在執行指令過程中需要對指令逐條解釋，所以降低了程序的執行速度。好在PLC控制的對象多是機電控制設備，這些滯后的時間(μs或ms級)完全可以忽略不計。尤其是當前PLC的主頻越來越高，這種時間上的延遲將越來越短。（3）標準程序模塊和系統調用這部分是由許多獨立的程序塊組成的，各自實現不同的功能，如輸入、輸出、運算或特殊運算等。可編程控制器的各種具體工作都是由這部分程序完成的，這部分程序的多少，就決定了PLC的性能。整個系統監控程序是一個整體，它的質量的好壞，很大程度上決定了可編程控制器的性能。2.PLC的編程語言編程語言是PLC的重要組成部分，PLC為用戶提供了完整的編程語言，以適應用戶編制程序的需要。IEC61131.3為PLC制定了5種PLC的標準編程語言，其中有3種圖形語言即梯形圖(LAD，LAdderDiagram)、功能塊圖(FBD，FunctionBlockDiagram)、順序功能圖(SFC，SequentialFunctionChart)；兩種文本語言，即指令表(STL，STatementList)和結構化文本(ST，StruturedText)。

（1）梯形圖語言梯形圖是PLC最早使用的一種編程語言，也是PLC最普遍采用的編程語言。它將PLC內部的各種編程元件和各種具有特定功能的命令用專用圖形符號定義，并按控制要求將有關圖形符號按一定規律連接起來，構成描述輸入、輸出之間控制關系的圖形，這種圖形稱為PLC梯形圖。梯形圖編程語言是從繼電器控制系統原理圖的基礎上演變而來的，繼承了繼電器控制系統中的基本工作原理和電器邏輯關系的表達方法，梯形圖語言與繼電器控制系統梯形圖的基本思想是一致的，只是在使用符號和表達方式上有一定區別。（2）功能塊圖（FBD）功能塊圖（FBD）是另一種圖形化的編程語言，沿用了半導體邏輯電路中邏輯框圖的表達方式。一般用一種功能模塊（或稱功能框）表示一種特定的功能，模塊內的符號表示該功能塊圖的功能。功能塊圖有基本邏輯功能、計時和計數功能、運算和比較功能及數據傳送功能等。（3）順序功能圖SFC編程方法是法國人開發的，是一種真正的圖形化的編程方法。SFC專用于描述工業順序控制程序，使用它可以對具有并發、選擇等復雜結構的系統進行編程，特別適合在復雜的順序控制系統中使用。（4）指令語句表指令表編程語言類似于計算機中的助記符匯編語言，它是PLC最基礎的編程語言，所謂指令表編程，是用一個或幾個容易記憶的字符來代表PLC的某種操作功能，按照一定的語法和句法編寫出一行一行的程序，來實現所要求的控制任務的邏輯關系或運算。梯形圖語言雖然直觀、方便、易懂，但必須配有較大的顯示器才能輸入圖形，一般多用于計算機編程環境中。而指令語句表常用于手持編程器，通過輸入助記符語言在生產現場編制、調試程序。對于同一廠家的PLC產品，其指令表語言與梯形圖語言是相互對應的，可以互相轉換。（5）結構化文本結構化文本是一種高級的文本語言，是一種較新的編程語言。結構化文本語言表面上與PASCAL語言很相似，但它是一個專門為工業控制應用開發的編程語言，具有很強的編程能力，與梯形圖相比，它能實現復雜的數學運算，編寫的程序非常簡潔和緊湊。習題與思考題1.PLC有何特點?2.PLC與繼電器