浅谈PLC工作原理 – 思空，简观

可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，简称PLC）是一种专门为工业自动化设计的控制设备，其核心作用是通过执行逻辑运算、计时、计数和顺序控制等功能来实现对机械设备或工业过程的自动控制。以下是其详细的工作原理和构成：

一、PLC的基本组成

中央处理单元（CPU）
- CPU 是 PLC 的核心部分，用于处理和执行用户编写的程序。
- 它负责对输入信号进行逻辑运算、数据处理以及向输出设备发送控制指令。
- CPU 内部包括：
  - 运算单元：执行逻辑运算、算术运算和控制操作。
  - 存储器：
    - 用户存储器：存储用户编写的程序。
    - 系统存储器：存储系统操作所需的固件和数据。
  - 时钟系统：提供同步时间控制。
输入/输出单元（I/O模块）
- 输入模块：接收来自传感器、开关等外部设备的信号，并将其转换为 CPU 可以处理的数字信号。
- 输出模块：将 CPU 的控制指令转化为可以驱动外部设备（如继电器、马达或灯光）的信号。
电源模块
- 提供 CPU 和 I/O 模块正常运行所需的电能。
通信接口
- 用于与其他设备（如计算机、HMI、传感器网络）进行通信。
编程设备
- 用于编写、调试和上传/下载控制程序的工具，如计算机、编程器等。

二、PLC的工作原理

PLC 的工作方式通常分为 扫描周期，每个周期包括以下几个步骤：

1. 输入采集阶段

PLC 从输入模块中读取外部设备（如按钮、开关、传感器）的状态信号。
这些信号通过 A/D 转换器被转化为数字信号存储在输入映像寄存器中。
该阶段只是数据采集，CPU 不会立即对信号进行处理。

2. 程序执行阶段

CPU 按照存储在程序存储器中的用户程序逐条执行。
用户程序通常是通过梯形图（Ladder Diagram）、功能块图（FBD）或指令表（IL）编写的。
具体执行过程：
- 按照扫描顺序从程序的第一条指令开始逐条执行。
- 根据输入映像寄存器中的值和程序逻辑，决定输出映像寄存器的值。

3. 输出刷新阶段

将输出映像寄存器中的值传送到输出模块。
输出模块再将这些信号转换为驱动外部设备（如电机、阀门、灯光）的电信号。
这一过程实现了外部设备的实际动作。

4. 内部诊断与通信

PLC 在每个扫描周期还会自检（如检查存储器、I/O 模块和电源状态）。
如果启用了通信功能，PLC 会在此阶段与外部设备交换数据。

三、PLC的关键技术原理

扫描工作机制
- PLC 的逻辑执行是基于周期性扫描的：
  - 扫描周期取决于程序的长度和复杂度。
  - 对实时性要求较高的场景，需尽量优化程序以缩短扫描时间。
- 每次扫描周期的输入采集和输出刷新阶段会产生固定的时间延迟，称为“扫描延迟”。
输入/输出映像区
- 输入映像区：存储从输入模块采集的信号值。
- 输出映像区：存储用户程序运算后的输出信号值。
- 用户程序并不直接与外部设备交互，而是通过操作这些映像寄存器来实现间接控制。
逻辑控制
- PLC 的程序执行遵循“逻辑与、逻辑或、逻辑非”等基本运算规则。
- 梯形图（Ladder Diagram）是常用的编程语言，其结构类似于继电器控制电路，易于理解和应用。
中断与优先级
- 对于一些需要高优先级处理的任务（如紧急停机按钮），PLC 可以设置中断程序，优先执行特定任务。

四、PLC的特点

高可靠性
- 工业级设计，适应恶劣环境（如高温、湿度、振动）。
- 具有强大的故障诊断和自恢复能力。
灵活性
- 通过更改控制程序即可适应不同的工业流程。
- 支持多种通信协议和网络拓扑。
实时性
- 能够快速响应输入信号的变化，适合实时控制任务。
易用性
- 图形化编程语言（如梯形图）降低了技术门槛。
可扩展性
- I/O 模块可以按需扩展，以满足不同规模的应用需求。

五、PLC的实际应用案例

自动化生产线
- 在汽车制造中，PLC 控制焊接机器人和传送带的同步运行。
过程控制
- 在化工厂中，PLC 实现温度、压力和流量的闭环控制。
楼宇自动化
- PLC 控制电梯、空调系统和消防报警系统。
交通信号控制
- PLC 控制城市交通信号灯的切换和定时。

梯形图详解

梯形图（Ladder Diagram，简称 LD）是一种用于可编程逻辑控制器（PLC）的图形化编程语言，因其外形类似于梯子而得名。它继承了继电器控制电路的设计理念，将复杂的控制逻辑直观地表示为一系列的“继电器触点”和“线圈”的组合，方便工程师理解和使用。

一、梯形图的基本组成元素

梯形图由以下基本元素组成：

电源线
- 梯形图的左右两边分别代表电源的正极和负极（或信号的开始和结束）。
- 程序的逻辑流从左侧电源线开始，按照从左到右、从上到下的顺序执行。
触点（Contacts）
- 模拟继电器电路中的开关，用于表示输入条件或控制逻辑。
- 两种主要触点类型：
  - 常开触点（NO, Normally Open）：表示开关断开时无信号，通过时有信号。
  - 常闭触点（NC, Normally Closed）：表示开关闭合时有信号，通过时无信号。
- 触点对应实际的输入信号或内部标志位（如按钮或传感器状态）。
线圈（Coil）
- 表示执行动作或输出设备的状态，比如控制电机、灯或继电器的启停。
- 当逻辑条件满足时，线圈被激励（通电），否则线圈断开。
- 线圈通常与输出信号或内部存储位关联。
逻辑连接线
- 表示触点与线圈之间的逻辑关系，模拟电路中的导线。
- 支持“串联”和“并联”：
  - 串联表示“与”关系（AND）。
  - 并联表示“或”关系（OR）。
功能块（Function Blocks）
- 用于实现更复杂的功能，比如计时器、计数器和数学运算。
- 功能块通常以矩形表示，包含输入端和输出端。

二、梯形图的运行逻辑

梯形图的运行遵循以下原则：

扫描执行顺序
- 从上到下依次扫描梯形图的每一行，每一行逻辑的执行从左到右。
- 条件触点（开关）和线圈之间的逻辑关系决定输出状态。
逻辑运算
- 梯形图的逻辑运算与布尔代数对应，主要包括：
  - 与运算（AND）：串联触点，所有触点均闭合（条件均成立）时输出有效。
  - 或运算（OR）：并联触点，任一触点闭合（条件成立）时输出有效。
  - 非运算（NOT）：常闭触点用于表示逻辑“非”，状态与常开触点相反。
状态保持
- 线圈的状态在扫描周期内有效，若未另行设置保持逻辑，状态会在下次扫描周期重新评估。

三、梯形图的优点

直观性
- 梯形图基于继电器逻辑的设计理念，用“触点”和“线圈”表示控制逻辑，易于理解和维护。
易于调试
- 在调试过程中，可以实时观察触点和线圈的状态（如激活/未激活）。
与硬件逻辑兼容
- 梯形图直接映射到 PLC 的输入/输出硬件逻辑。
可扩展性
- 支持添加功能块来扩展复杂逻辑，如定时器、计数器、比较器等。

四、梯形图的关键功能模块

定时器（Timer）
- 用于延时控制，常见类型包括：
  - 通电延时定时器（TON, Timer ON Delay）：输入信号激活后，经过设定时间才激活输出。
  - 断电延时定时器（TOF, Timer OFF Delay）：输入信号断开后，延迟一段时间再停止输出。
计数器（Counter）
- 用于事件计数，分为加计数器（CTU）和减计数器（CTD）。
- 计数值达到预设值时触发输出。
比较器（Comparator）
- 用于比较变量或数据的大小关系，如等于、大于、小于等。
逻辑运算功能
- 梯形图支持基本的布尔逻辑运算（AND、OR、NOT）和复杂逻辑组合。
移位寄存器和数据处理
- 梯形图可以实现数据的移位、存储、传递等操作。

五、梯形图的案例示例

案例：启动与停止电机控制

要求：

按下启动按钮，电机启动。
按下停止按钮，电机停止。
启动后保持电机运行，直到按下停止按钮。

梯形图设计：

   |----[ 启动按钮 ]----+----[ 运行保持 ]----( 电机线圈 )
   |                    |
   |----[ 停止按钮 ]----+

逻辑说明：

启动按钮（常开触点）闭合后，激活电机线圈。
电机线圈的状态通过“运行保持”触点（电机线圈的反馈常开触点）维持。
停止按钮（常闭触点）断开电路，停止电机。

六、梯形图与其他编程语言的比较

优点
- 简单直观，适合工业电工和现场技术人员使用。
- 与继电器电路逻辑一致，易于从传统控制技术过渡到 PLC 控制。
局限性
- 难以实现复杂数学运算和大规模数据处理。
- 对编程的空间布局依赖较大，不适合表示非线性结构的逻辑。
与文本语言对比
- 梯形图更适合简单逻辑控制，而文本语言（如指令表 IL 或结构化文本 ST）适合复杂逻辑和算法。

七、总结

梯形图作为一种图形化编程语言，其核心优势在于直观性和与工业继电器电路的兼容性，尤其适合应用在工业自动化中。然而，在复杂逻辑和高性能计算的场景中，可以结合其他编程语言（如功能块图 FBD 或结构化文本 ST）使用，以实现灵活高效的控制系统设计。