可编程逻辑控制器的结构原理及其故障维修要素

摘要：可编程逻辑控制器在数控设备上的应用非常广泛，本文通过分析其原理和结构，总结出可编程逻辑控制器的一些故障维修要素。

关键词：可编程逻辑控制器 原理 结构 故障维修

可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller）简称PLC，是从早期的继电器逻辑控制系统发展而来，它不断吸收微计算机技术使之功能不断增强，逐渐适合复杂的控制任务。可编程序逻辑控制器是以微处理器为基础，综合了计算机技术与自动控制技术为一体的工业控制产品，是在硬接线逻辑控制技术和计算机技术的基础上发展起来的。通常把PLC认为是由等效的继电器、定时器、计数器等元件组成的装置。国际电工委员会（IEC）对PLC的定义是：可编程逻辑控制器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。可编程序逻辑控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。

一、PLC的结构原理

PLC是应用面很广，发展非常迅速的工业自动化装置，在工厂自动化（FA）和计算机集成制造系统（CIMS）内占重要地位，现在的PLC功能，远不仅是替代传统的继电器逻辑。PLC系统一般由以下基本功能构成：

1、多种功能控制；

2、数据采集；

3、存储与处理功能；

4、通信联网功能；

5、输入/输出接口调理功能；

6、人机界面功能；

7、编程、调试功能。

从结构上分，PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。

（1）CPU的构成

CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，每套PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路。

CPU主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，CPU单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。在使用者看来，不必要详细分析CPU的内部电路，但对各部分的工作机制还是应有足够的理解。CPU的控制器控制CPU工作，由它读取指令、解释指令及执行指令。但工作节奏由震荡信号控制。运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作。寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器指挥下工作。

CPU速度和内存容量是PLC的重要参数，它们决定着PLC的工作速度，IO数量及软件容量等，因此限制着控制规模。

（2）I/O模块

PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部分（I/O）完成的。I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统，输出模块相反。I/O分为开关量输入（DI），开关量输出（DO），模拟量输入（AI），模拟量输出（AO）等模块。

开关量是指只有开和关（或1和0）两种状态的信号，模拟量是指连续变化的量。常用的I/O分类如下：

开关量：按电压水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。

模拟量：按信号类型分，有电流型（4-20mA，0-20mA）、电压型（0-10V，0-5V，-10-10V）等，按精度分，有12bit，14bit，16bit等。

除了上述通用IO外，还有特殊IO模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。

（3）电源模块

PLC电源用于为PLC各模块的集成电路提供工作电源。同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源。电源输入类型有：交流电源（220VAC或110VAC），直流电源（常用的为24VAC）。

（4）底板或机架

大多数模块式PLC使用底板或机架，其作用是：电气上，实现各模块间的联系，使CPU能访问底板上的所有模块，机械上，实现各模块间的连接，使各模块构成一个整体。

（5）PLC系统的其它设备

①编程设备：编程器是PLC开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件，用于编程、对系统作一些设定、监控PLC及PLC所控制的系统的工作状况，但它不直接参与现场控制运行。小编程器PLC一般有手持型编程器，目前一般由计算机（运行编程软件）充当编程器。

②人机界面：最简单的人机界面是指示灯和按钮，目前液晶屏（或触摸屏）式的一体式操作员终端应用越来越广泛，由计算机（运行组态软件）充当人机界面非常普及。

③输入输出设备：用于永久性地存储用户数据，如EPROM、EEPROM写入器、条码阅读器，输入模拟量的电位器，打印机等。

（6）PLC的通信联网

PLC具有通信联网的功能，它使PLC与PLC之间、PLC与上位计算机以及其他智能设备之间能够交换信息，形成一个统一的整体，实现分散集中控制。多数PLC具有RS-232接口，还有一些内置有支持各自通信协议的接口。但是PLC的通信，还未实现互操作性，IEC规定了多种现场总线标准，PLC各厂家均有采用。

二、PLC的故障维修要素

PLC的故障维修可以根据其运行顺序进行总体检查，然后依据故障点的大方向，逐渐细化，以找出具体故障。首先，可以根据电源指示灯状态判断供电系统是否正常。如果电源是正常供电的，而运行指示灯不亮，则说明系统已经因为某种异常而终止了正常运行。而输入输出是PLC与外部设备进行信息交流的通道，其是否正常工作，除了和输入输出单元有关外，还与联接配线、接线端子、保险管等元件状态有关。一般PLC均有LED指示灯可以帮助检查故障是否由外部设备引起。无论在模拟调试还是实际应用中，若系统某回路不能按照要求动作，应首先应检查PLC输入开关电接触点是否可靠（可通过查看输入LED指示灯或直接测量输入端），若输入信号未能传到PLC，则应去检查输入对应的外部回路；若输入信号已经采集到，则再看PLC是否有相应输出指示，若没有，则是内部程序问题或输出LED指示灯问题；若输出信号已确信发出，则应去检查外部输出回路（从PLC输出往后检查）。在输出回路中，由于短路或其它原因造成PLC输出点在内部粘滞，只需将其接线换至另一预留的空接线点上，同时修改相应程序，将原输出标号改为新地址号即可。

三、PLC的使用注意事项

PLC在使用中不要将交流电源线接到输入端子上，以免烧坏PLC，接地端子应独立接地，不与其它设备接地端串联，接地线裁面不小于2mm2。其辅助电源功率较小，只能带动小功率的设备（光电传感器等）。

一般PLC均有一定数量的占有点数（即空地址接线端子），不要将线接上，输出有继电器型，晶体管型（高速输出时宜选用），输出可直接带轻负载（LED指示灯等）。PLC输出电路中没有保护，因此，应在外部电路中串联使用熔断器等保护装置，防止负载短路造成损坏PLC。

输入、输出信号线尽量分开走线，不要与动力线在同一管路内或捆扎在一起，以免出现干扰信号，产生误动作，信号传输线采用屏蔽线，并且将屏蔽线接地。为保证信号可靠，输入、输出线一般控制在20米以内，扩展电缆易受噪声电干扰，应远离动力线、高压设备等。

PLC输入/断开的时间要大于PLC扫描时间，其存在I/O响应延迟问题，尤其在快速响应设备中应用时要特别注意。

另外，在使用PLC时，也要对外部环境进行检查，PLC虽然适合工业现场，但使用中也应注意尽量避免直接震动和冲击、阳光直射、油雾、雨淋等，更不要在有腐蚀性气体、灰尘过多、发热体附近应用，尽量避免导电性杂物进入控制器。

四、结语

可编程逻辑控制器在数控设备上的应用非常广泛，对其正确的使用和快速定位、排除故障都能保证其长期使用的可靠性，对提高设备的生产效率有着积极的作用。