工作任务2：PLC的组成与工作原理

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PLC硬件扫描周期结构拆解

PLC的组成与工作原理

从CPU到I/O模块，搞懂PLC五大组成部分的协作与扫描执行机制

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PLC硬件扫描周期结构拆解

PLC的组成与工作原理

从CPU到I/O模块，搞懂PLC五大组成部分的协作与扫描执行机制

1第 1 页 · PLC的组成与工作原理

PLC的定义

前页拆了 PLC 的组成与工作流程。但部件拼起来到底算什么？1968 年通用汽车的痛点给出答案：他们要的是'保留端子、换掉硬接线'——这就是 PLC 的起点。

名称三要素
Programmable（用户可改程序）、Logic（核心做逻辑运算）、Controller（控制器，不是通用计算机）
NEMA 定义
1978 年正式定名：数字运算电子系统，用可编程存储器执行逻辑、顺序、定时、计数等指令
工业级属性
抗干扰、抗振动、宽温（-25~70℃）、模块化；不是办公 PC 也不是单片机，是产线专用设备
替代对象
继电器硬接线逻辑柜：输入输出端子不变，但'逻辑'从物理连线变成了存储器里的程序
继电器硬接线柜对应 →PLC

同一对外接端子；柜内从'导线决定逻辑'变成'程序决定逻辑'，改逻辑从拆线变成改代码

2第 2 页 · PLC的定义

继电器控制 vs PLC控制

传统继电器与PLC的优劣对比

继电器控制 vs PLC控制
传统继电器与PLC的优劣对比
3第 3 页 · 继电器控制 vs PLC控制

PLC控制系统组成

从左向右读图：现场信号经输入设备→PLC主机→输出设备，逐级传递。

图解渲染中…
b4：输入接口：把现场强电信号隔离并转成CPU能识别的低电平b5：输出接口：把CPU的逻辑电平放大，驱动负载线圈b1：CPU：循环扫描并执行存储器里的用户程序b3：电源：为主机和接口电路提供稳定DC24V
4第 4 页 · PLC控制系统组成

PLC硬件结构概述

上一页我们看到PLC控制系统由哪些部分组成。现在打开PLC这台「工业电脑」的机箱，看看内部到底有哪些模块在协同工作。

CPU 中央处理器
PLC的大脑,按周期循环扫描输入、执行程序、刷新输出
存储器
分系统区(ROM存固件)和用户区(RAM存用户程序与中间数据)
I/O 模块
输入模块把现场信号转成CPU能识别的电平,输出模块把指令放大驱动负载
电源与通信接口
开关电源将220V AC转为内部24V DC;通信口连接HMI/上位机/远程模块
一个人对应 →PLC整机

CPU=大脑指挥,存储器=记忆分区,I/O=眼睛手脚,电源=心脏供能

5第 5 页 · PLC硬件结构概述

PLC内部结构框图

中心是内部总线，五大模块挂接其上交换数据，电源独立供电。

图解渲染中…
BUS：CPU、存储器、I/O 等所有模块挂在这条总线上交换地址、数据与控制信号PWR：电源只负责供电，不参与数据传输，因此用虚线箭头区别COM：接编程器或上位机，用于程序下载、运行监控与组网通信
6第 6 页 · PLC内部结构框图

中央处理单元CPU

上一页我们看到CPU是PLC硬件结构的核心。这一页拆开看CPU具体在做什么，以及工程选型时要盯哪几个硬指标。

接收与存储
输入信号、用户程序、组态数据统统先送入CPU内部存储区
自诊断
上电与运行中持续检查电源、存储器、内部电路有无异常
循环扫描
严格按「输入采样→程序执行→输出刷新」三步周而复始
选型:字长与速度
8/16/32位位宽决定运算精度,扫描速度决定响应快慢
选型:容量与扩展
程序存储容量、通信接口与协议、I/O扩展能力
交通指挥中心对应 →PLC的CPU

收集各路口车流数据→按方案运算→向信号灯发出切换指令

7第 7 页 · 中央处理单元CPU

存储器类型与功能

上一节我们看了CPU——PLC的大脑。但光有CPU还不够：它要执行系统固件、要跑你的梯形图、还要记录当前的输入输出和定时器数值。不同任务就要不同存储器来配合。

系统程序存储器
存监控/编译/诊断等固件；用户只读，制造商固化；新型PLC支持厂家在线升级，但用户仍不可改
用户程序存储器
存用户编写的梯形图与指令表；可反复下载修改；早期靠锂电池保持RAM，现多用EEPROM/Flash
数据存储器
存I/Q映像、位存储M、定时器T、计数器C当前值；高速读写；保持区断电不丢，非保持区断电丢失
工厂的三类档案对应 →PLC三种存储器

厂规档案（不可改）=系统程序；工艺档案（工程师写）=用户程序；当班记录（实时变）=数据

8第 8 页 · 存储器类型与功能

扩展单元与通信接口

一台小型PLC只有十几个I/O点，但一条汽车焊装线动辄几百个信号输入输出——基本单元的「插槽」不够用了，必须像给电脑插显卡那样，给PLC挂上扩展模块和通信接口。

扩展模块三大类
I/O扩展补点数，特殊功能模块补能力（高速计数、运动控制），通信模块补连接
三种连接拓扑
背板总线（紧贴主机）、本地扩展（数米内）、分布式站点（数百米至千米）
现场总线协议
Profibus、CC-Link、Modbus RTU、DeviceNet，基于RS-485物理层，μs级实时
工业以太网协议
PROFINET、EtherNet/IP、EtherCAT、Modbus TCP，基于标准以太网硬件，带宽大
选型三要素
响应时间（ms级还是μs级？）、传输距离、设备数量，三者决定协议与拓扑
电脑主板的PCIe插槽对应 →PLC扩展总线接口

PCIe规定显卡怎么插、带宽多大；PLC扩展总线规定模块怎么挂、通信速率——都是统一接口标准

9第 9 页 · 扩展单元与通信接口

PLC按结构分类

上一页我们打开了 PLC 的硬件外壳，看到 CPU、存储器、I/O 这些核心部件。但摆在原理图上只是图纸——实物里这些部件究竟怎么排布？不同的物理排布方式，就形成了 PLC 的三种结构分类。

整体式（一体机）
CPU、存储器、I/O 全部封装在同一个机壳内，结构紧凑、价格低，但 I/O 点数固定、难以扩展
模块式（组合式）
电源、CPU、I/O 等各自独立为模块，插在带总线基板的机架上，可灵活配置、易于扩展维修
叠装式（混合式）
基本单元集成了 CPU 与部分 I/O，再通过电缆叠加扩展单元，兼顾紧凑性与一定扩展能力
台式机/笔记本/笔记本+扩展坞对应 →模块式/整体式/叠装式

台式机各部件独立可换、笔记本一体难升级、笔记本+扩展坞兼顾紧凑与扩展

10第 10 页 · PLC按结构分类

PLC按规模分类

上一页按'长相'把 PLC 分成整体式和模块式，但同样长相的 PLC，体格差距可能很大。一个巴掌大的小盒子，和占满一机柜的大型机，能力天差地别。问题来了：凭什么说它大、叫它小？

主要尺度：I/O 点数
能接入的输入输出设备总数，是行业通用的'体格尺'
小型 PLC
I/O < 256 点，结构紧凑、价格亲民，适合单机或小设备
中型 PLC
I/O 在 256~2048 点之间，指令丰富、支持网络通信，能扛中等产线
大型 PLC
I/O > 2048 点，常配冗余、热备、多 CPU 并行，覆盖整厂整线
辅助指标
存储器容量、CPU 运算速度、通信接口数，分级时一并参考
饭店按接待能力分级对应 →PLC 按 I/O 点数分级

小饭馆几十桌接待散客，大酒店宴会厅上千桌办大会；I/O 点数就是 PLC 的'座位数'

11第 11 页 · PLC按规模分类

I/O接口概述

CPU 是 PLC 的「大脑」，但大脑不能直接碰外面的世界——工厂里到处是 220V 交流电、各种传感器信号。需要一个「翻译官+保镖」来沟通，那就是 I/O 接口。

双重角色
信号转换 + 电气隔离，既当翻译又当保镖
输入接口 IN
把按钮、传感器等外界信号整形、隔离后送 CPU
输出接口 OUT
把 CPU 的微弱指令放大，驱动接触器、电磁阀等负载
按信号分
数字量（开关通断）与模拟量（连续电压电流，如 4-20mA）
数字输出三型
继电器型（交直流通用）、晶体管型（直流快速）、双向晶闸管型（交流负载）
酒店前台对应 →I/O 接口

客人说方言，前台翻译给经理；经理批示，前台翻译给客人执行；全程不直接接触

12第 12 页 · I/O接口概述

数字量输入接口电路

从现场信号到CPU，直流与交流输入各走一条路径，关键都在光耦隔离。

图解渲染中…
A2：反并二极管——防现场电源正负极接反烧光耦A3：RC滤波——吸收触点抖动与线路高频干扰A5：光耦隔离——强弱电只过光，现场与CPU电气断开B2：整流桥——把交流变直流，否则光耦无法点亮
13第 13 页 · 数字量输入接口电路

数字量输出接口电路

三种输出方式各有侧重，按负载类型与开关速度选型。

图解渲染中…
b1：三极管无触点开关，仅驱动直流负载b2：双向可控硅过零触发，专驱动交流大电流b3：电磁线圈驱动机械触点，交直流负载都适用c3：PLC内部与负载之间用光信号隔开
14第 14 页 · 数字量输出接口电路

接口电路的隔离与保护

现场可能是 220V 强电，CPU 内核只有几伏特。电压差几十倍，中间必须有道隔离墙。

光耦隔离
以「光」为媒介传信号，输入输出两侧电气完全断开
过压保护
限幅、钳位、TVS管等，防止高电压尖峰击穿内部器件
过流保护
串联熔断器或自恢复保险丝，超额电流自动切断
抗干扰滤波
RC滤波加施密特整形，滤除现场毛刺与抖动
隔着玻璃墙对话对应 →光耦隔离

声音能传过去，但两边没有任何电气连接

15第 15 页 · 接口电路的隔离与保护

输入/输出接口特性对比

输入『收信号』、输出『送功率』——电压、速度、带载三维度看似相近，差异决定了 PLC 能不能接、接得稳不稳。

数字量输入接口
  • 电压等级：DC 24V 为主，AC 110/220V 兼容，匹配传感器电平
  • 响应速度：10ms 级 RC 滤波去抖，防止机械抖动误触发
  • 带载能力：仅 mA 级驱动光耦，几乎不输出功率
数字量输出接口
  • 电压等级：DC 24V 或 AC 220V，匹配电磁阀、接触器等负载电压
  • 响应速度：继电器型 ~10ms 通用慢，晶体管 μs 级快但仅 DC
  • 带载能力：继电器 2A、晶体管 0.5A 级，可直接驱动负载
选型三查——输入看信号电压与频率，输出看负载电压/电流/开关频率，三者必须同时匹配。
16第 16 页 · 输入/输出接口特性对比

PLC的工作方式

前面看到的输入/输出接口电路，是PLC与外部打交道的「手脚」。但PLC并不是一收到信号就立刻反应，它有自己的一套节奏——这就是循环扫描工作方式。

输入采样阶段
PLC集中、一次性读入所有输入信号，存入输入映像寄存器
程序执行阶段
按从上到下、从左到右的顺序逐条扫描执行用户程序
输出刷新阶段
程序执行完毕后，集中将结果写入输出映像寄存器并锁存驱动负载
扫描周期与边界
三阶段合为一个扫描周期；输入脉冲宽度必须大于一个周期，否则可能被漏检
保安巡逻大楼对应 →PLC循环扫描

一圈=一个扫描周期；看所有摄像头=集中采样；判断处理=程序执行；巡逻结束统一更新门禁=集中输出

17第 17 页 · PLC的工作方式

扫描周期三阶段

PLC 串行循环扫描一次，要按顺序走过三个阶段，每阶段职责分明。

1
输入采样
集中读取所有输入端口信号，锁存进输入映像寄存器
2
程序执行
按顺序扫描用户指令，依据输入映像与内部状态逐条运算
3
输出刷新
把输出映像寄存器的结果统一送至输出端子，驱动外设
18第 18 页 · 扫描周期三阶段

扫描周期时序图

四个泳道从左到右展示一个扫描周期内 CPU、输入映像、输出映像与外部 I/O 之间的时序交互。

图解渲染中…
C：CPU，扫描周期的调度者I：输入映像寄存器，存放输入快照O：输出映像寄存器，存放待输出结果E：外部设备（传感器、接触器等）
19第 19 页 · 扫描周期时序图

影响扫描周期的因素

上一页我们看到扫描周期分三阶段：输入采样、程序执行、输出刷新。但同样是这套流程，有的PLC 1ms就跑完，有的要20ms——差距就出在几个变量上。

程序长度
指令数量越多，程序执行阶段越长，呈线性增长
指令类型
基本逻辑仅几μs；浮点、PID、通信指令可达上百μs
CPU性能
主频、字长(8/16/32位)、架构决定单条指令耗时
I/O点数
采样/刷新阶段逐点处理，点数越多耗时越长
中断与通信
高速计数、通信帧处理抢占CPU，间接拉长主周期
老师批改试卷对应 →PLC扫描周期

批卷速度对CPU，题量对程序长度，题型难度对指令类型

Tscan≈T输入+∑T指令+T输出T_{scan} \approx T_{输入} + \sum T_{指令} + T_{输出}
20第 20 页 · 影响扫描周期的因素

响应速度与滞后现象

按下启动按钮，电机不会"瞬间"转动——PLC要扫完一圈后才会更新输出。这段"看不见的等待"叫滞后，是PLC最值得警惕的响应特性。

输入滞后
输入接口的RC滤波电路产生约5~20ms延迟，用来滤除抖动和电气干扰
输出滞后
PLC只在扫描周期的输出刷新阶段统一更新所有输出点，期间输出锁存不变
最坏响应时间
若输入刚好在扫描末才到来，最坏要等近两个扫描周期才得到响应
减小滞后的方法
选用高速CPU、启用高速计数中断、采用智能I/O模块做本地预处理
微信群等老师回复对应 →PLC扫描输出刷新

老师下课才统一看群消息，中途新消息要等下一轮；PLC也是扫描末尾才统一刷新输出

T响应≈T输入+T扫描+T输出T_{响应} \approx T_{输入} + T_{扫描} + T_{输出}
21第 21 页 · 响应速度与滞后现象

工作过程自测

点击作答

PLC 在一个扫描周期内，对输入信号的采集和输出信号的刷新是按什么方式进行的？

22第 22 页 · 工作过程自测

编程语言标准

前面我们认识了PLC的硬件结构和工作过程，但要让它真正干活，还得给它下命令。这命令用什么语言写？全球几十家厂商能不能说同一种话？

IEC 61131-3
国际电工委员会制定的PLC编程语言标准，统一全球厂商语法
三种图形化语言
梯形图LD像电路图、功能块图FBD像积木、顺序功能图SFC画流程
两种文本化语言
结构化文本ST像高级语言、指令表IL类似汇编，适合复杂运算
五种各有所长
电气工程师偏好LD，程序员偏好ST，过程控制常用SFC，按场景选用
五线谱记谱法对应 →IEC 61131-3

钢琴、小提琴、歌手都能读懂同一份乐谱；不同品牌的PLC也都能读懂同样的程序

23第 23 页 · 编程语言标准

梯形图LAD

上页提到 IEC 61131-3 规定了五种标准编程语言。梯形图LAD是其中最古老也最普及的一种——它的设计初衷就是让看惯继电器原理图的电气工程师「无缝迁移」。

左右母线
模拟电源的火线与零线，所有元件都挂在两条母线之间
触点元件
常开(NO)与常闭(NC)触点表示输入条件，对应继电器触点
线圈元件
线圈表示输出动作，可对应外部继电器或内部软继电器(M)
能流概念
假想电流从左母线流向右母线，触点闭合则能流通过
网络与扫描
每一段逻辑构成一个网络，CPU按编号自上而下、自左而右执行
电气原理图对应 →梯形图LAD

母线像电源线，触点像继电器触点，线圈像继电器线圈，能流方向也一致

24第 24 页 · 梯形图LAD

功能块图FBD

LAD 像读菜谱从上到下执行，FBD 则像流水线——数据从原料端经多道工位加工流向成品端，执行顺序由信号走向决定。

功能块形态
矩形框，左侧为输入端，右侧为输出端，块内封装一段运算或逻辑
数据流驱动
执行顺序由数据依赖关系决定，而非像 LAD 那样按从上到下扫描
标准块与自定义块
IEC 提供 AND/OR/计时等基本块；用户可封装自定义 FB 实现复用
反馈与代数环
输出回引到上游输入时形成代数环，多数编译器按上一周期值迭代求解
工厂流水线对应 →FBD 功能块图

工位=功能块，传送带=信号线，原料（数据）经多道加工流向成品端

25第 25 页 · 功能块图FBD

语句表STL

前面的 FBD 用图形连接逻辑；设备点号一多，图就会拉得很长。工程师常改用短指令逐行表达，同一套联锁关系会紧凑许多。

助记符与操作数
LD 装入条件，AND/OR 串联或并联，ST 将结果写给操作数
扫描顺序执行
程序通常从上到下逐条执行，当前结果会影响后续指令
适合紧凑代码
适合重复计算、复杂算法和版面受限场景，但监控不如图形直观
区别于SFC
STL按语句顺序编程；SFC才按步、转换与动作组织流程
按顺序写菜谱对应 →STL程序

每行是“助记符+操作数”，CPU依次取指令并改变PLC状态

26第 26 页 · 语句表STL

三种编程语言对比

三种语言并存，常见困惑：图形与文本谁更强？彼此能否等价转换？

梯形图 LAD
  • 图形语言，源自电气原理图
  • 入门容易，电工背景友好
  • 监控直观，但封装屏蔽细节
  • 需经编译才被CPU执行
语句表 STL
  • 文本语言，类汇编助记符
  • 入门较难，需理解栈机制
  • 可读写中间变量，调试灵活
  • CPU直接执行，效率最高
FBD介于二者之间。三者在STEP7中可互相转换——选LAD看电工背景，选STL看程序员出身，过程控制选FBD
27第 27 页 · 三种编程语言对比

知识点总结

  • ✓循环扫描是PLC本质：CPU串行处理，与继电器并行逻辑根本不同
  • ✓硬件 = CPU + 存储器 + I/O + 通信，模块化支撑灵活扩展
  • ✓I/O接口承担电平转换与电气隔离双重职责，是工业可靠性的关键
  • ✓扫描周期决定响应速度，I/O滞后是PLC的固有边界特性
  • ✓IEC 61131-3 统一三种编程语言，语义等价、形式互补
延伸主题：S7-1200/1500 选型配置梯形图编程实战PLC 通信与现场总线
28第 28 页 · 知识点总结

课后思考

先独立想三分钟，再对照参考答案——题目没有唯一答案。

1为什么PLC采用循环扫描而非事件驱动？这种方式解决了什么核心矛盾？

参考答案循环扫描把不确定的外部事件"序列化"为离散的输入采样时刻，让梯形图每一步对应的输入条件稳定可复现——这是PLC比通用计算机更适合工业现场的关键设计取舍。

2安全急停信号场景下，PLC的扫描滞后可接受吗？工程师如何弥补？

参考答案急停通常直接接入硬件回路（如安全继电器），绕开PLC扫描周期；软件急停只能做冗余，不能作为唯一保护。

3若将PLC改为中断驱动，梯形图程序的执行确定性会怎样变化？为什么？

参考答案中断会破坏扫描周期的封闭性——同一段梯形图在不同时刻被打断后，看到的I/O状态可能不同，逻辑结果不再确定。循环扫描以速度换可重复性。

29第 29 页 · 课后思考