典型的可編程控制器組成框圖如圖6-17所示。
圖6-17 典型的可編程控制器組成框圖
電路構(gòu)成
可編程控制器通常由輸入單元、輸出單元、中央處理器、輸入/輸出(I/O)接口、外設(shè)接口以及電源等組成。
輸入單元
輸入單元的作用是將輸入信號處理成中央處理器所能接收的信號。PLC常用開關(guān)量作為輸入單元的信號要素。輸入單元有直流輸入型和交流輸入型之分。每臺 PLC 都有若干個電路結(jié)構(gòu)相同的輸入單元，它們有一個公共端子 COM。PLC 直流輸入單元的典型電路如圖 6-18 (a)所示。
圖6-18
直流輸入單元由控制電源(如24V)、電平轉(zhuǎn)換電路(R1、R2分壓)、濾波電路(R2、C)、開關(guān)狀態(tài)指示燈LED、光電耦合器PEB、定向二極管VD以及內(nèi)部電路等構(gòu)成。輸入單元的電源有PLC內(nèi)部供給的，也有PLC外部配置的。
每個直流輸入單元都可以等效成如圖6-18(b)所示的輸入繼電器。輸入繼電器是PLC內(nèi)部的一個存儲單元，以存儲單元的狀態(tài)“0”和“1”(分別表示繼電器線圈的“斷”和“通”)。這個輸入繼電器可以提供任意多個常開接點和常閉接點，供PLC內(nèi)部控制電路編程使用。由于輸入繼電器只能由外部信號驅(qū)動，不能用程序內(nèi)部的指令來驅(qū)動，因此，在使用梯形圖編制的PLC控制原理圖中，輸入繼電器只有接點，而沒有線圈。輸入繼電器接點的通斷狀態(tài)保存在PLC內(nèi)部寄存器中，當開關(guān)S閉合時，輸入繼電器接通，其常開接點閉合，常閉接點斷開。由于輸入繼電器的線圈與電路以及接點與電路之間沒有導線的連接，因此稱其為“軟繼電器”。
輸出單元
輸出單元的作用是將PLC輸出的信號轉(zhuǎn)換為外部負載所需要的輸出信號。PLC有繼電器輸出、晶體管輸出和雙向晶閘管輸出等多種輸出方式。PLC繼電器輸出單元的典型電路如圖6-19(a)所示。
圖6-19
電路中的電阻 R 和發(fā)光二極管 LED 構(gòu)成輸出狀態(tài)顯示電路。當內(nèi)部電路輸出一個信號時，LED被點亮，輸出繼電器的線圈得電，其常閉接點打開，常開接點閉合。繼電器作為開關(guān)器件，完成負載與負載電源的連接;繼電器又作為隔離器件，使負載回路與 PLC 內(nèi)部電路隔離。
每個輸出單元都可以等效成如圖6-19(b)所示的輸出繼電器，輸出繼電器由PLC內(nèi)部程序來驅(qū)動。輸出繼電器的接點有兩類：一類是軟件構(gòu)成的內(nèi)部接點，即軟接點;另一類是由輸出模塊構(gòu)成的外部接點，即硬接點。輸出繼電器可以提供任意多個常開軟接點和常閉軟接點控制單元的輸入信號可來自，供PLC內(nèi)部控制電路編程使用。輸出繼電器軟接點的通斷狀態(tài)保存在PLC內(nèi)部寄存器中。輸出模塊構(gòu)成的外部硬接點具有一定的帶載能力，只能用于驅(qū)動外部元件。
中央處理器
中央處理器包括微處理器(CPU)和存儲器等。
微處理器是PLC的核心部件，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)內(nèi)部各部分的工作。CPU按照系統(tǒng)程序所賦予的功能接收并存儲由編程器輸入的用戶程序和數(shù)據(jù)，監(jiān)視和接收現(xiàn)場輸入信號，從存儲器中逐條讀取并執(zhí)行用戶程序，然后根據(jù)運行結(jié)果實現(xiàn)輸出控制，同時診斷電源狀態(tài)、PLC內(nèi)部工作狀態(tài)和編程語法狀態(tài)等。
存儲器是PLC存放系統(tǒng)程序、用戶程序和運行數(shù)據(jù)的單元。存儲器包括只讀存儲器ROM和隨機存儲器RAM。ROM用于存儲系統(tǒng)程序，其內(nèi)容是由PLC生產(chǎn)廠家在制造器件的過程中定制的，是不能改變的。RAM 用于存儲用戶程序，其內(nèi)容可根據(jù)用戶對設(shè)備控制過程的要求編制，并通過調(diào)試、修改達到用戶要求。
輸入/輸出接口
輸入/輸出接口是PLC進行工業(yè)控制時輸入信號與輸出控制信號的轉(zhuǎn)換接口。PLC的CPU內(nèi)部信號采用微型計算機標準電平，而 PLC 控制對象的電信號千差萬別。不同的信號傳感元件(如按鈕、開關(guān)、傳感器等)和不同的執(zhí)行機構(gòu)(如電磁閥、繼電器、接觸器、電動機、電燈等)，它們的電平各不相同，信號質(zhì)量也有差別。因此，需要將控制對象的狀態(tài)信號通過輸入接口轉(zhuǎn)換成CPU的標準電平，將CPU處理結(jié)果輸入的標準電平通過輸出接口轉(zhuǎn)換成執(zhí)行機構(gòu)所需的信號形式。
當用戶所需要的輸入、輸出點數(shù)超過PLC的輸入、輸出點數(shù)時，可通過I/O擴展口來擴展輸入、輸出的點數(shù)。
電源
PLC的電源分為四種，即輸入端電源1、輸出端電源3、PLC內(nèi)部工作電源2和后備電源(圖6-17中沒畫出)。輸入端電源1為PLC現(xiàn)場輸入信號的電源;輸出端電源3用于驅(qū)動PLC輸出端的負載;電源2主要用于中央處理機;后備電源(鋰電池)用于停機或突然失電時，防止RAM中的信息丟失。鋰電源的使用壽命為3～5年。
可編程控制器的工作原理
PLC的工作方式
PLC以掃描方式工作，其工作過程分為五個階段：本機診斷階段、通信請求檢測階段、輸入采樣階段、程序執(zhí)行階段和輸出刷新階段，如圖6-20所示。
(1)本機診斷階段
每次掃描時首先執(zhí)行自診斷程序，其診斷內(nèi)容為檢查 I/O 部分、CPU 處理器以及外設(shè)接口等。如果發(fā)現(xiàn)異常，將停機顯示出錯。
(2)通信請求檢測階段
這一階段主要是檢測編程器或計算機是否有通信請求。若有通信請求，就進行相應(yīng)處理，如接收編程器的程序、命令和各種數(shù)據(jù)，并把狀態(tài)、數(shù)據(jù)、出錯信息等送給編程器或計算機顯示。
(3)輸入采樣階段
圖6-20 PLC工作方式框圖
PLC一旦運行，不論輸入端是否接線，都以掃描方式按順序讀取所有輸入端的狀態(tài)，并將其保存在存儲器的輸入狀態(tài)寄存區(qū)中，然后進入程序執(zhí)行階段。
(4)程序執(zhí)行階段
PLC根據(jù)輸入狀態(tài)及其相關(guān)參數(shù)執(zhí)行程序，并將執(zhí)行結(jié)果傳遞到下一步，同時將執(zhí)行結(jié)果寫入存儲器的輸出狀態(tài)表寄存區(qū)中保存。
(5)輸出刷新階段
程序執(zhí)行完畢后，將輸出狀態(tài)表寄存區(qū)中的所有輸出狀態(tài)信號送到輸出鎖存電路中，以便輸出單元將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成現(xiàn)場信號并輸送給執(zhí)行機構(gòu)。
PLC就這樣不斷重復執(zhí)行上述五個步驟，直至系統(tǒng)下達停機命令。
梯形圖工作原理
PLC使用輸入和輸出信號之間邏輯關(guān)系的假想繼電器(軟繼電器)來實現(xiàn)電路的控制要求。軟繼電器有輸入繼電器、輸出繼電器、輔助繼電器、暫存繼電器、保持繼電器、輔助記憶繼電器、鏈接繼電器、定時器和計數(shù)器等。
輔助繼電器是一種程序用繼電器，不能讀取外部輸入信號，也不能直接驅(qū)動外部負載，只起到中間繼電器的作用。
由軟繼電器的接點符號、線圈符號以及這些符號上的代號(或操作數(shù))所構(gòu)成的 PLC控制關(guān)系圖，稱為梯形圖。梯形圖與電磁繼電器控制電路相似，電磁繼電器控制電路中輸入與輸出之間的控制是由各種繼電器實際的開關(guān)觸點、線圈及其連線來實現(xiàn)的，PLC中輸入與輸出信號間的控制是由存儲在 PLC 內(nèi)的用戶程序及部分外接線路來實現(xiàn)的。表述梯形圖中控制關(guān)系的語言列表稱為指令表。將指令表中的指令和數(shù)據(jù)錄入PLC就是應(yīng)用程序。
圖6-21是一種PLC控制電動機直接啟動的接線圖，其中包括梯形圖和指令表。
圖6-21 PLC控制電動機直接啟動的接線圖
在圖6-21(b)中，0001、0002是輸入繼電器(在以下各節(jié)中用省略形式X加序號表示);0500是輸出繼電器(在以下各節(jié)中用省略形式Y(jié)加序號表示)。PLC外部所接的SB1是啟動按鈕，它的對應(yīng)軟接點是梯形圖中的0001;停止按鈕是SB2控制單元的輸入信號可來自，它不同于繼電器控制電路中的常規(guī)接法，它的對應(yīng)軟接點是梯形圖中的0002。在梯形圖中輸出繼電器的自鎖接點是0500，它相當于繼電器控制電路中與啟動按鈕并聯(lián)的交流接觸器的輔助接點。只有當 0500 輸出繼電器“接通”時，接觸器KM的線圈才能工作。
控制過程分析如下：按下SB1按鈕開關(guān)，發(fā)送啟動命令，梯形圖中的0001接點閉合，“能流”通過0002常閉接點，使輸出繼電器線圈0500“得能”，輸出繼電器的常開接點0500閉合，實現(xiàn)自鎖。同時，交流接觸器KM的線圈得電動作，其主觸頭閉合，電動機開始運行。
按下SB2按鈕開關(guān)，發(fā)送停止命令，梯形圖中輸入繼電器0002的常閉接點斷開，輸出繼電器線圈0500“失能”，其接點0500復位，交流接觸器KM的線圈失電復位，電動機停止轉(zhuǎn)動。
PLC與繼電器控制電路的區(qū)別
PLC與繼電器控制電路的區(qū)別主要有以下幾點，即組成器件不同、接點結(jié)構(gòu)不同、工作電流不同、接線方式不同、工作方式不同以及組成模式不同。
① 組成器件不同。繼電器控制電路中的繼電器是由電磁鐵、線圈以及有形接點等硬件構(gòu)成的，而PLC中的繼電器是由虛擬的軟線圈、軟接點等構(gòu)成的。
② 接點結(jié)構(gòu)不同。繼電器控制電路中的常開、常閉接點是由實際的有形接點構(gòu)成的，而PLC中的常開、常閉接點則由軟件決定的。每只繼電器的接點數(shù)量是有限的，而PLC中每只軟繼電器的接點數(shù)量是無限的。繼電器的接點壽命是有限的，而 PLC 中軟繼電器的接點壽命是無限的。
③ 工作電流不同。繼電器控制電路中有實際電流存在，可以用電流表直接測量;而PLC中的工作電流是一種信息流，稱為“軟電流”，簡稱“能流”。能流只能從左到右流動。
④ 接線方式不同。繼電器控制電路圖中的所有接線都必須逐根連接，缺一不可;而在PLC中，除輸入、輸出端需要實際接線外，內(nèi)部的所有軟接線都是通過軟件完成的。內(nèi)部軟接線的改變通過修改控制程序來完成。
⑤ 工作方式不同。繼電器控制電路中的電源接通時，各繼電器都處于受約束狀態(tài)，該吸合的會吸合，不該吸合的因受某種條件限制而不吸合;而 PLC 則采用掃描循環(huán)執(zhí)行的方式，即從前到后周而復始，因此，從激勵到響應(yīng)有一個時間的滯后。一般來說，最大滯后時間為2～3個掃描周期。
⑥ 組合模式不同。一只電磁繼電器能直接完成某一項控制任務(wù);而PLC要完成某一項控制任務(wù)時，必須有輸入繼電器、輸出繼電器和應(yīng)用程序共同參與。