一、PLC的定義與分類(lèi)

PLC是以微處理器為基礎，綜合了計算機技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和通信技術(shù)，用面向控制過(guò)程面向用戶(hù)的“自然語(yǔ)言”編程，適應工業(yè)環(huán)境，簡(jiǎn)單易懂、操作方便、可靠性高的新一代通用工業(yè)控制裝置。PLC是在繼電器順序控制基礎上發(fā)展起來(lái)的以微處理器為核心的通用自動(dòng)控制裝置。

1.PLC的定義

可編程序控制器是一種數字運算操作電子系統，專(zhuān)為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計。它采用了可編程序的存儲器，用來(lái)在其內部存儲執行邏輯運算、順序控制、定時(shí)、計數和算術(shù)運算等操作指令，并通過(guò)數字的、模擬的輸入和輸出，控制各種類(lèi)型的機械或生產(chǎn)過(guò)程?？删幊绦蚩刂破骷捌溆嘘P(guān)的外圍設備，都應按易于與工業(yè)控制系統形成一個(gè)整體、易于擴充其功能的原則設計。

2.PLC的分類(lèi)

PLC產(chǎn)品種類(lèi)繁多，其規格和性能也各不相同。對于PLC，通常根據其結構形式的不同、功能的差異和I/O點(diǎn)數的多少等進(jìn)行大致分類(lèi)。

2.1.按結構形式分類(lèi)

根據PLC的結構形式，可將PLC分為整體式和模塊式兩類(lèi)。

（1）整體式PLC

整體式PLC是將電源、CPU、I/O接口等部件都集中裝在一個(gè)機箱內，如圖所示。具有結構緊湊、體積小、價(jià)格低的特點(diǎn)。小型PLC一般采用這種整體式結構。整體式PLC由不同I/O點(diǎn)數的基本單元（又稱(chēng)主機）和擴展單元組成，基本單元內有CPU、I/O接口、與I/O擴展單元相連的擴展口以及與編程器或EPROM寫(xiě)入器相連的接口等；擴展單元內只有I/O和電源等，而沒(méi)有CPU?；締卧蛿U展單元之間一般用扁平電纜連接。整體式PLC一般還可配備特殊功能單元，如模擬量單元、位置控制單元等，使其功能得以擴展。

（2）模塊式PLC

模塊式PLC將PLC的各組成部分分別做成若干個(gè)單獨的模塊，如CPU模塊、I/O模塊、電源模塊（有的含在CPU模塊中）以及各種功能模塊。模塊式PLC由框架或基板和各種模塊組成，模塊裝在框架或基板的插座上，如圖所示。這種模塊式PLC的特點(diǎn)是配置靈活，可根據需要選配不同規模的系統，而且裝配方便，便于擴展和維修。大、中型PLC一般采用模塊式結構。

還有一些PLC將整體式和模塊式的特點(diǎn)結合起來(lái)，構成所謂的疊裝式PLC。疊裝式PLC的CPU、電源、I/O接口等也是各自獨立的模塊，但它們之間是靠電纜進(jìn)行連接的，并且各模塊可以一層層地疊裝。這樣，不但系統可以靈活配置，還可做得體積小巧。

2.2.按功能分類(lèi)

根據PLC的功能不同，可將PLC分為低檔、中檔、高檔三類(lèi)。

（1）低檔PLC

低檔PLC具有邏輯運算、定時(shí)、計數、移位以及自診斷、監控等基本功能，還可有少量模擬量輸入/輸出、算術(shù)運算、數據傳送和比較及通信等功能，主要用于邏輯控制、順序控制或少量模擬量控制的單機控制系統。

（2）中檔PLC

中檔PLC除具有低檔PLC的功能外，還具有較強的模擬量輸入/輸出、算術(shù)運算、數據傳送和比較、數制轉換、遠程I/O、子程序及通信聯(lián)網(wǎng)等功能；有些還可增設中斷控制、PID控制等功能，適用于復雜的控制系統。

（3）高檔PLC

高檔PLC除具有中檔PLC的功能外，還增加了帶符號算術(shù)運算、矩陣運算、位邏輯運算、平方根運算及其他特殊功能函數的運算、制表及表格傳送功能等。高檔PLC具有更強的通信聯(lián)網(wǎng)功能，可用于大規模過(guò)程控制或構成分布式網(wǎng)絡(luò )控制系統，進(jìn)而實(shí)現工廠(chǎng)自動(dòng)化。

2.3.按I/O點(diǎn)數分類(lèi)

根據PLC的I/O點(diǎn)數多少，可將PLC分為小型、中型和大型三類(lèi)。

（1）小型PLC

小型PLC的I/O點(diǎn)數小于256，具有單CPU及8位或16位處理器，用戶(hù)存儲器容量為4KB以下。例如：三菱FX0S系列。

（2）中型PLC

中型PLC的I/O點(diǎn)數在256～2048，具有雙CPU，用戶(hù)存儲器容量為2～8KB。

（3）大型PLC

大型PLC的I/O點(diǎn)數大于2048，具有多CPU及16位或32位處理器，用戶(hù)存儲器容量為8～16KB。

世界上，PLC產(chǎn)品可按地域分成三大流派，一個(gè)流派是美國產(chǎn)品，一個(gè)流派是歐洲產(chǎn)品，一個(gè)流派是日本產(chǎn)品。美國和歐洲的PLC技術(shù)是在相互隔離情況下獨立研究開(kāi)發(fā)的，因此美國和歐洲的PLC產(chǎn)品有明顯的差異性。而日本的PLC技術(shù)是由美國引進(jìn)的，對美國的PLC產(chǎn)品有一定的繼承性，但日本的主推產(chǎn)品定位在小型PLC上。美國和歐洲以大中型PLC而聞名，而日本則以小型PLC著(zhù)稱(chēng)。

常見(jiàn)的PLC如表所示。

二、PLC的功能及應用領(lǐng)域

PLC是綜合繼電器接觸器控制的優(yōu)點(diǎn)及計算機靈活、方便的優(yōu)點(diǎn)而設計制造和發(fā)展的，這就使PLC具有許多其他控制器所無(wú)法相比的特點(diǎn)。

1.PLC的功能

PLC是以微處理器為核心，綜合了計算機技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和通信技術(shù)發(fā)展起來(lái)的一種通用的工業(yè)自動(dòng)控制裝置，具有可靠性高、體積小、功能強、程序設計簡(jiǎn)單、靈活通用及維護方便等一系列的優(yōu)點(diǎn)，因而在冶金、能源、化工、交通、電力等領(lǐng)域中有著(zhù)廣泛的應用，成為現代工業(yè)控制的三大支柱（PLC、機器人和CAD/CAM）之一。根據PLC的特點(diǎn)，可以將其功能形式歸納為以下幾種類(lèi)型。

（1）開(kāi)關(guān)量邏輯控制

PLC具有強大的邏輯運算能力，可以實(shí)現各種簡(jiǎn)單和復雜的邏輯控制。這是PLC的最基本也最廣泛的應用領(lǐng)域，它取代了傳統的繼電器接觸器的控制。

（2）模擬量控制

PLC中配置有A/D和D/A轉換模塊。A/D模塊能將現場(chǎng)的溫度、壓力、流量、速度等模擬量轉換變?yōu)閿底至?，再?jīng)PLC中的微處理器進(jìn)行處理（微處理器處理的只能是是數字量），然后進(jìn)行控制；或者經(jīng)D/A模塊轉換后變成模擬量，然后控制被控對象，這樣就可實(shí)現PLC對模擬量的控制。

（3）過(guò)程控制

現代大中型的PLC一般都配備了PID控制模塊，可進(jìn)行閉環(huán)過(guò)程控制。當控制過(guò)程中某一個(gè)變量出現偏差時(shí)，PLC能按照PID算法計算出正確的輸出，進(jìn)而控制調整生產(chǎn)過(guò)程，把變量保持在整定值上。目前，許多小型PLC也具有PID控制功能。

（4）定時(shí)和計數控制

PLC具有很強的定時(shí)和計數功能，它可以為用戶(hù)提供幾十甚至上百、上千個(gè)定時(shí)器和計數器。其計時(shí)的時(shí)間和計數值可以由用戶(hù)在編寫(xiě)用戶(hù)程序時(shí)任意設定，也可以由操作人員在工業(yè)現場(chǎng)通過(guò)編程器進(jìn)行設定，進(jìn)而實(shí)現定時(shí)和計數的控制。如果用戶(hù)需要對頻率較高的信號進(jìn)行計數，可以選擇高速計數模塊。

（5）順序控制

在工業(yè)控制中，可采用PLC步進(jìn)指令編程或用移位寄存器編程來(lái)實(shí)現順序控制。

（6）數據處理

現代的PLC不僅能進(jìn)行算術(shù)運算、數據傳送、排序及查表等操作，而且還能進(jìn)行數據比較、數據轉換、數據通信、數據顯示和打印等，它具有很強的數據處理能力。

（7）通信和聯(lián)網(wǎng)

現代PLC大多數都采用了通信、網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，有RS-232或RS-485接口，可進(jìn)行遠程I/O控制。多臺PLC彼此間可以聯(lián)網(wǎng)、通信，外部器件與一臺或多臺可編程控制器的信號處理單元之間可以實(shí)現程序和數據交換，如程序轉移、數據文檔轉移、監視和診斷。通信接口或通信處理器按標準的硬件接口或專(zhuān)有的通信協(xié)議完成程序和數據的轉移。

2.PLC的應用領(lǐng)域

目前，PLC在國內外已廣泛應用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機械制造、汽車(chē)、輕紡、交通運輸、環(huán)保及文化娛樂(lè )等各個(gè)行業(yè)，使用情況大致可歸納為如下幾類(lèi)。

（1）開(kāi)關(guān)量的邏輯控制

這是PLC最基本，也是最廣泛的應用領(lǐng)域，它取代了傳統的繼電器電路，實(shí)現邏輯控制、順序控制；既可用于單臺設備的控制，也可用于多機群控及自動(dòng)化流水線(xiàn)，如注塑機、印刷機、訂書(shū)機械、組合機床、磨床、包裝生產(chǎn)線(xiàn)及電鍍流水線(xiàn)等。

（2）模擬量控制

在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程當中，有許多連續變化的量，如溫度、壓力、流量、液位和速度等都是模擬量。為了使PLC處理模擬量，必須實(shí)現模擬量和數字量之間的A/D轉換及D/A轉換。PLC廠(chǎng)家都生產(chǎn)配套的A/D和D/A轉換模塊，使PLC用于模擬量控制。

（3）運動(dòng)控制

PLC可以用于圓周運動(dòng)或直線(xiàn)運動(dòng)的控制。從控制機構配置來(lái)說(shuō)，早期直接用于開(kāi)關(guān)量I/O模塊連接位置傳感器和執行機構，現在一般使用專(zhuān)用的運動(dòng)控制模塊，可驅動(dòng)步進(jìn)電機或伺服電機的單軸或多軸位置控制模塊。世界上各主要PLC生產(chǎn)廠(chǎng)家的產(chǎn)品幾乎都具有運動(dòng)控制功能，廣泛用于各種機械、機床、機器人、電梯等場(chǎng)合。

（4）過(guò)程控制

過(guò)程控制是指對溫度、壓力、流量等模擬量的閉環(huán)控制，在冶金、化工、熱處理、鍋爐控制等場(chǎng)合有非常廣泛的應用。作為工業(yè)控制計算機，PLC能編制各種各樣的控制算法程序，完成閉環(huán)控制。PID調節是一般閉環(huán)控制系統中用得較多的調節方法，大中型PLC都有PID模塊，目前許多小型PLC也具有此功能模塊。PID處理一般是運行專(zhuān)用的PID子程序。

（5）數據處理

現代PLC具有數學(xué)運算（含矩陣運算、函數運算、邏輯運算）、數據傳送、數據轉換、排序、查表及位操作等功能，可以完成數據的采集、分析及處理。這些數據可以與存儲在存儲器中的參考值比較，進(jìn)而完成一定的控制操作；也可以利用通信功能傳送到別的智能裝置，或將它們打印制表。數據處理一般用于大型控制系統，如無(wú)人控制的柔性制造系統；也可用于過(guò)程控制系統，如造紙、冶金、食品工業(yè)中的一些大型控制系統。

（6）通信及聯(lián)網(wǎng)

PLC通信含PLC間的通信及PLC與其他智能設備間的通信。隨著(zhù)計算機控制的發(fā)展，工廠(chǎng)自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò )發(fā)展得很快，各PLC生產(chǎn)廠(chǎng)商都十分重視PLC的通信功能，紛紛推出各自的網(wǎng)絡(luò )系統。新近生產(chǎn)的PLC都具有通信接口，通信非常方便。紛紛推出各自的網(wǎng)絡(luò )系統。新近生產(chǎn)的PLC都具有通信接口，通信非常方便。

三、PLC的基本結構和工作原理

作為一種工業(yè)控制的計算機，PLC和普通計算機有著(zhù)相似的結構；但是由于使用場(chǎng)合、目的不同，在結構上又有一些差別。

1.PLC的硬件組成

PLC硬件系統的基本結構框圖如圖所示。

在圖中，PLC的主機由CPU、存儲器（EPROM、RAM）、輸入/輸出單元、外設I/O接口、通信接口及電源組成。對于整體式PLC，這些部件都在同一個(gè)機殼內。而對于模塊式PLC，各部件獨立封裝，稱(chēng)為模塊，各模塊通過(guò)機架和電纜連接在一起。主機內的各個(gè)部分均通過(guò)電源總線(xiàn)、控制總線(xiàn)、地址總線(xiàn)和數據總線(xiàn)連接，根據實(shí)際控制對象的需要配備一定的外部設備，構成不同的PLC控制系統。常用的外部設備有編程器、打印機、EPROM寫(xiě)入器等。PLC可以配置通信模塊與上位機及其他的PLC進(jìn)行通信，構成PLC的分布式控制系統。

下面分別介紹PLC的各組成部分及其作用，以便用戶(hù)進(jìn)一步了解PLC的控制原理和工作過(guò)程。

（1）CPU

CPU是PLC的控制中樞，PLC在CPU的控制下有條不紊地協(xié)調工作，從而實(shí)現對現場(chǎng)的各個(gè)設備進(jìn)行控制。CPU由微處理器和控制器組成，它可以實(shí)現邏輯運算和數學(xué)運算，協(xié)調控制系統內部各部分的工作。

控制器的作用是控制整個(gè)微處理器的各個(gè)部件有條不紊的進(jìn)行工作，它的基本功能就是從內存中讀取指令和執行指令。

（2）存儲器

PLC配有兩種存儲器，即系統存儲器和用戶(hù)存儲器。系統存儲器用來(lái)存放系統管理程序，用戶(hù)不能訪(fǎng)問(wèn)和修改這部分存儲器的內容。用戶(hù)存儲器用來(lái)存放編制的應用程序和工作數據狀態(tài)。存放工作數據狀態(tài)的用戶(hù)存儲器部分也稱(chēng)為數據存儲區，它包括輸入/輸出數據映像區、定時(shí)器/計數器預置數和當前值的數據區及存放中間結果的緩沖區。

PLC的存儲器主要包括以下幾種。

（1）只讀存儲器

（2）可編程只讀存儲器

（3）可擦除可編程只讀存儲器

（4）電可擦除可編程只讀存儲器

（5）隨機存取存儲器

（3）輸入/輸出（I/O）模塊

①開(kāi)關(guān)量輸入模塊

開(kāi)關(guān)量輸入設備是各種開(kāi)關(guān)、按鈕、傳感器等，PLC的輸入類(lèi)型通?？梢允侵绷?、交流和交直流。輸入電路的電源可由外部供給，有的也可由PLC內部提供。

②開(kāi)關(guān)量輸出模塊

輸出模塊的作用是將CPU執行用戶(hù)程序所輸出的TTL電平的控制信號轉化為生產(chǎn)現場(chǎng)所需的，能驅動(dòng)特定設備的信號，以驅動(dòng)執行機構的動(dòng)作。

（4）編程器

編程器是PLC重要的外部設備，利用編程器可將用戶(hù)程序送入PLC的用戶(hù)程序存儲器，調試程序、監控程序的執行過(guò)程。編程器從結構上可分為以下三種類(lèi)型。

（1）簡(jiǎn)易編程器

（2）圖形編程器

（3）通用計算機編程器

（5）電源

電源單元的作用是把外部電源（220V的交流電源）轉換成內部工作電壓。外部連接的電源，通過(guò)PLC內部配有的一個(gè)專(zhuān)用開(kāi)關(guān)式穩壓電源，將交流/直流供電電源轉化為PLC內部電路需要的工作電源（直流5V、±12V、24V），并為外部輸入元件（如接近開(kāi)關(guān)）提供24V直流電源（僅供輸入端點(diǎn)使用）。驅動(dòng)PLC負載的電源由用戶(hù)提供。

（6）外設接口

外設接口電路用于連接手持編程器或其他圖形編程器、文本顯示器，并能通過(guò)外設接口組成PLC的控制網(wǎng)絡(luò )。PLC使用PC/PPI電纜或者M(jìn)PI卡通過(guò)RS-485接口與計算機連接，可以實(shí)現編程、監控、聯(lián)網(wǎng)等功能。

2.PLC的軟件組成

PLC的軟件由系統程序和用戶(hù)程序組成。

系統程序由PLC制造廠(chǎng)商設計編寫(xiě)，并存入PLC的系統存儲器中，用戶(hù)不能直接讀寫(xiě)與更改。系統程序一般包括系統診斷程序、輸入處理程序、編譯程序、信息傳送程序及監控程序等。

PLC的用戶(hù)程序是用戶(hù)利用PLC的編程語(yǔ)言，根據控制要求編制的程序。在PLC的應用中，最重要的是用PLC的編程語(yǔ)言來(lái)編寫(xiě)用戶(hù)程序，以實(shí)現控制目的。由于PLC是專(zhuān)門(mén)為工業(yè)控制而開(kāi)發(fā)的裝置，其主要使用者是廣大電氣技術(shù)人員，為了滿(mǎn)足他們的傳統習慣和掌握能力，PLC的主要編程語(yǔ)言采用比計算機語(yǔ)言相對簡(jiǎn)單、易懂、形象的專(zhuān)用語(yǔ)言。

1.圖形式指令結構

2.明確的變量常數

3.簡(jiǎn)化的程序結構

4.簡(jiǎn)化應用軟件生成過(guò)程

5.強化調試手段

三、PLC的基本工作原理

PLC掃描的工作方式主要分三個(gè)階段，即輸入采樣階段、用戶(hù)程序執行階段和輸出刷新階段。如圖所示。

1.輸入采樣階段

在輸入采樣階段，PLC以?huà)呙璺绞揭来巫x入所有輸入狀態(tài)和數據，并將它們存入I/O映象區中的相應單元內。輸入采樣結束后，轉入用戶(hù)程序執行和輸出刷新階段。在這兩個(gè)階段中，即使輸入狀態(tài)和數據發(fā)生變化，I/O映象區中相應單元的狀態(tài)和數據也不會(huì )改變。因此，如果輸入的是脈沖信號，則該脈沖信號的寬度必須大于一個(gè)掃描周期，才能保證在任何情況下，該輸入均能被讀入。

2.用戶(hù)程序執行階段

在用戶(hù)程序執行階段，PLC總是按由上而下的順序依次掃描用戶(hù)程序（梯形圖）。在掃描每一條梯形圖時(shí)，又總是先掃描梯形圖左邊由各觸點(diǎn)構成的控制線(xiàn)路，并按先左后右、先上后下的順序對由觸點(diǎn)構成的控制線(xiàn)路進(jìn)行邏輯運算；然后根據邏輯運算的結果，刷新該邏輯線(xiàn)圈在系統RAM存儲區中對應位的狀態(tài)，或者刷新該輸出線(xiàn)圈在I/O映象區中對應位的狀態(tài)，或者確定是否要執行該梯形圖所規定的特殊功能指令。即在用戶(hù)程序執行過(guò)程中，只有輸入點(diǎn)在I/O映象區內的狀態(tài)和數據不會(huì )發(fā)生變化，而其他輸出點(diǎn)和軟設備在I/O映象區或系統RAM存儲區內的狀態(tài)和數據都有可能發(fā)生變化，而且排在上面的梯形圖，其程序執行結果會(huì )對排在下面的凡是用到這些線(xiàn)圈或數據的梯形圖起作用；相反，排在下面的梯形圖，其被刷新的邏輯線(xiàn)圈的狀態(tài)或數據只能到下一個(gè)掃描周期才能對排在其上面的梯形圖起作用。

3.輸出刷新階段

當用戶(hù)程序掃描結束后，PLC就進(jìn)入輸出刷新階段。在此期間，CPU按照I/O映象區內對應的狀態(tài)和數據刷新所有的輸出鎖存電路，再經(jīng)輸出電路驅動(dòng)相應的外設。這時(shí)，才是PLC的真正輸出。

輸入/輸出滯后現象

從PLC的工作過(guò)程，可以總結如下幾個(gè)結論。

·以?huà)呙璧姆绞綀绦谐绦?，其輸?輸出信號間的邏輯關(guān)系存在著(zhù)原理上的滯后。掃描周期越長(cháng)，滯后就越嚴重。

·掃描周期除了包括輸入采樣階段、用戶(hù)程序執行階段、輸出刷新階段三個(gè)主要工作階段所占的時(shí)間外，還包括系統管理操作占用的時(shí)間。其中，程序執行的時(shí)間與程序的長(cháng)短及指令操作的復雜程度有關(guān)，其他基本不變。掃描周期一般為毫微秒級。

·第n次掃描執行程序時(shí)，所依據的輸入數據是該次掃描周期中采樣階段的掃描值X依據的輸出數據有上一次掃描的輸出值Y（n-1），也有本次的輸出值Yn；所n送往輸出端子的信號，即是本次執行全部運算后的最終結果Yn。

·輸入/輸出響應滯后不僅與掃描方式有關(guān)，還與程序設計安排有關(guān)。