PLC的系统组成
一、核心概念：人体化比喻理解PLC系统
| 人体器官 | PLC组件 | 功能对应关系 |
| 🧠 大脑 | 中央处理单元(CPU) | 系统的思考与决策中心 |
| 💭 记忆 | 存储器 | 存储系统程序与用户程序 |
| 👀👋 感官与手脚 | 输入/输出接口 | 感知环境并执行动作 |
| ❤️ 心脏 | 电源模块 | 为系统提供能量供应 |
| 📚 教育工具 | 编程设备 | 向系统灌输知识指令 |
| 🌐 神经网络 | 通信接口 | 内外信息传递通道 |
二、PLC系统硬件组成详解
1. 中央处理单元(CPU) - 🧠系统大脑
核心功能：
- 程序执行：按预定扫描周期循环执行用户控制程序示例：如同大脑每秒处理数十亿次神经信号，PLC的CPU以毫秒级速度扫描程序
- 系统诊断：实时监控各模块状态，确保系统稳定运行
- 协调管理：统筹调度所有硬件模块协同工作
性能指标：
- 扫描周期：通常1-100毫秒（越高档的PLC扫描速度越快）
- 内存容量：决定程序复杂度和数据处理能力
2. 存储器 - 💭系统记忆
双重存储结构：
| 存储类型 | 功能类比 | 特点 | 实际应用示例 |
| 系统存储器 | 操作系统(如Windows) | 厂家固化，用户只读 | 维持PLC基本运行功能 |
| 用户存储器 | 个人硬盘数据 | 可读写，存储用户程序 | 保存设备控制逻辑和参数 |
用户存储器细分：
- 程序区：存储梯形图、指令表等控制逻辑示例：如包装机的动作流程 - 检测物体→机械手抓取→定位→包装
- 数据区：实时记录设备状态数据示例：记录生产线产量、设备运行时间、温度设定值等
3. 输入/输出接口 - 👀👋感官与手脚
输入接口（感知器官）：
- 功能：将现场信号转换为PLC可识别信号实例：按钮按下→24V DC信号→PLC识别为"启动命令"温度传感器→4-20mA信号→PLC读取具体温度值
- 电气隔离：采用光耦隔离，有效防止现场干扰
输出接口（执行手脚）：
三种输出方式对比：
| 输出类型 | 特点 | 适用场景 | 实际案例 |
| 继电器输出 | 交直流通用，寿命有限 | 动作频率低的设备 | 控制指示灯、报警器 |
| 晶体管输出 | 开关速度快，寿命长 | 高频脉冲控制 | 步进电机控制、高速计数 |
| 晶闸管输出 | 适合交流大负载 | 大功率设备 | 加热管控制、大电机启停 |
4. 电源模块 - ❤️系统心脏
能量转换功能：
- 输入：AC 220V 或 DC 24V
- 输出：稳定的DC 5V/24V（PLC内部工作电压）
- 关键作用：确保系统在电网波动时稳定运行
5. 编程设备 - 📚知识灌输工具
现代编程方式：
- 软件平台：TIA Portal（西门子）、Studio 5000（罗克韦尔）
- 编程语言：梯形图（主体）、功能块图、结构化文本等
- 在线监控：实时查看程序运行状态，快速诊断故障
6. 机架/背板 - 🦴骨架与血管
模块化PLC的核心支撑：
- 提供模块插槽和安装基础
- 背板总线实现模块间高速数据交换
- 支持热插拔（高档PLC支持不断电更换模块）
三、PLC系统软件组成
1. 系统程序 - 操作系统层
固化在系统存储器中，包含：
- 系统诊断模块
- 指令解释器
- 通信驱动管理
- 输入输出调度程序
2. 用户程序 - 应用逻辑层
工程师根据工艺需求编写，典型编程语言：
梯形图示例：
[启动按钮]----[停止按钮]----(电机接触器) | | |--[自锁触点]--|
说明：实现电机的自锁控制，按启动按钮后电机运行，直至按停止按钮
四、PLC工作流程详解
循环扫描工作模式
步骤一：输入采样（感知阶段）
- CPU读取所有输入点的状态
- 如同人体感官同时收集环境信息
- 将物理信号转换为内存数据
步骤二：执行用户程序（思考决策）
- 逐行扫描用户程序
- 根据输入状态进行逻辑运算
- 更新输出映像区的状态
步骤三：输出刷新（动作执行）
- 将运算结果传送至输出模块
- 驱动外部执行机构动作
- 如同大脑决策后指挥手脚执行动作
步骤四：内部处理（自检维护）
- 系统自诊断
- 通信处理
- 为下一扫描周期做准备
实时性保障
- 扫描周期：典型值1-100ms
- 确定性：保证在固定时间内完成所有操作
- 优先级管理：紧急任务可中断正常扫描
五、实际应用案例说明
案例：自动灌装生产线
- 输入信号（感知）：瓶体检测传感器（有瓶/无瓶）急停按钮状态液位检测信号
- CPU处理（决策）：判断是否满足灌装条件计算灌装时间协调各执行机构动作顺序
- 输出控制（执行）：控制灌装阀门开闭驱动传送带电机触发贴标机工作
