PLC的工作原理研究

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摘 要：可编程控制器（programmable logic controller）是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。

关键词：PLC；串行通信

1 PLC的基本结构

（1）整体式结构

早期的PLC一般采用整体式结构。采用整体式结构的PLC将CPU模块、输入输出模块、电源模块和通信接口模块等基本模块紧凑地封装在一个机壳内，构成一个整体。微型、小型PLC一般采用整體式结构。

（2）模块式结构

在模块式PLC结构中，按PLC的各个组成部分将PLC划分为不同的模块，并将这些模块独立地进行物理封装。划分的模块一般包括CPU模块、输入模块、输出模块、电源模块和各种功能模块。各个模块功能是独立的，外形尺寸是统一的，安装时将这些模块插在框架上或基板上即可，它们由系统自动进行寻址连接，插入什么模块可根据需要进行配置。大、中型PLC多采用模块式结构形式。模块式结构能够适应各种工业现场的分布式控制。

（3）混合式结构

混合式PLC由PLC主机模块和扩展功能模块组成。其中，PLC主机模块由CPU、存储器、通信电路、基本输入/输出电路、电源等基本模块组成，构成最小配置，可以单独完成控制功能，而扩展功能模块可以是输入/输出模块、模拟量模块、位置控制模块、PID模块、联网控制模块等智能模块。模块之间的连接：它们之间通过总线进行连接，由主机模块统一管理。混合式PLC结构如图1.1所示。

混合式PLC集中了整体式和模块式的优点，扩充性能良好，模块丰富，扩大了PLC的应用范围，改善了控制性能，所以混合式PLC得到了迅猛的发展。它能够适用于各种复杂、恶劣的分布或集中环境。

2 PLC的工作原理

PLC是以循环扫描方式控制数字化的信息，实施逻辑性很强的通信控制。在系统硬件的支持和软件的控制下，PLC按固定的周期时间循环扫描，按用户程序中指令的顺序，一条一条地执行程序中的指令。在每一个扫描周期内，PLC顺序地执行自诊断，初始化，执行用户程序，通信服务等任务。

3 PLC控制系统的结构

使用PLC可以构成多种形式的控制系统，下面介绍几种常用的PLC控制系统。

（1）单机控制系统

单机控制系统是较普通的一种PLC控制系统。该控制系统使用一台PLC控制一个对象，控制系统要求的点数和存储器容量比较小，没有PLC的通信问题，采样条件和执行机构比较集中，控制系统的构成简单明了。

（2）集中控制系统

集中控制系统用一台功能强大的PLC监视、控制多个设备，形成中央集中式的计算机控制系统。其中，各个设备之间的联络、连锁关系、运行顺序等统一由中央PLC来完成。集中控制系统比单机控制系统经济得多，但也有不足。为了适应控制系统的改变，采用集中控制系统时，必须注意选择I/0点数和存储器容量时要留有足够的裕量，以便满足增加控制对象的要求。

（3）分散控制系统

分散控制系统的构成如图3.1所示，每一个控制对象设置一台PLC，各台PLC之间可通过信号传递进行内部连锁、响应或发令等，或者由上位机通过数据通信总线进行通信。

分散控制系统常用于多台机械生产线的控制，各生产线之间有数据连接。由于各控制对象都由自己的PLC进行控制，当某一台PLC停止运行时，不需要停运其他的PLC。

随着PLC性能的不断提高，由PLC担当底层控制任务，通过网络连接，PLC与过程控制相结合的分散控制系统将是计算机控制的重要发展方向。与集中控制系统相比，分散控制系统的可靠性大为加强。

4 PLC串行通信原理

无论计算机还是PLC，它们都是数字设备。它们之间交换的信息是由“0”和“1”表示的数字信号。通常把具有一定编码、格式和位长的数字信号称为数字信息。数字通信就是将数字信息通过适当的传输线路，从一台机器传输到另一台机器。这里的机器可以是计算机、PLC或是有数字通信功能的其他数字设备。数字通信系统的任务是把地理位置不同的计算机和PLC及其他数字设备连接起来，高效率地完成数据的传输、信息交换和通信处理三项任务。数字通信系统一般由传输设备、传输控制设备和传输协议及通信软件等组成。

4.1 串行通信的概念

所谓“串行通信”是指外设和计算机间使用一根数据信号线，数据在一根数据信号线上一位一位地进行传输，每一位数据都占据一个固定的时间长度。由于CPU与接口之间按并行方式传输，接口与外设之间按串行方式传输，因此，在串行接口中，必须要有“接收移位寄存器”（串一并）和“发送移位寄存器”（并一串）。典型的串行接口的结构如图4.1所示。

在数据输入过程中，数据1位连1位地从外设进入接口的“接收移位寄存器”，当“接收移位寄存器”中已接收完1个字符的各位后，数据就从“接收移位寄存器”进入“数据输入寄存器”。CPU从“数据输入寄存器”中读取接收到的字符。（并行读取，即D7-D0同时被读至累加器中）。接收移位寄存器力的移位速度由“接收时钟”确定。在数据输出过程中，CPU把要输出的字符（并行地）送入“数据输出寄存器”，“数据输出寄存器”的内容传输到“发送移位寄存器”，然后由“发送移位寄存器”移位，把数据1位接1位地送到外设。“发送移位寄存器”的移位速度由“发送时钟”确定。接口中的“控制寄存器”用来容纳CPU送给此接口的各种控制信息，这些控制信息决定接口的工作方式。状态寄存器"的各位称为“状态位”，每一个状态位都可以用来指示数据传输过程中的状态或某种错误。例如，用状态寄存器的D5位为“1”表示“数据输出寄存器”空，用D0位表示“数据输入寄存器满”，用D2位表示“奇偶检验错”等。

结论

本文综述了PLC控制系统的一般结构及PLC网络通信基本原理和方法；提出了PLC控制系统设计的原则、内容和步骤。

参考文献

[1] 周万珍，高鸿斌.PLC分析与设计应用.北京：电子工业出版社，2001.1.