1.1 PLC的組成與原理

1.1.1 PLC的基本概念

1.PLC的產生

在20世紀60年代，汽車生產流水線的自動控制系統基本上都是由繼電器控制裝置構成的。當時汽車的每一次改型都直接導致繼電器控制裝置的重新設計和安裝。如圖1-1所示的某汽車生產線的裝配環節需要進行定時操作，A型號汽車需要1個時間繼電器，而B型號汽車則需要3個時間繼電器，如果汽車裝配從A型號換到B型號，則勢必造成繼電器控制電路的重裝。隨著生產的發展，汽車型號更新的周期愈來愈短，這樣，繼電器控制裝置就需要經

圖1-1 汽車生產線的裝配環節

常地重新設計和安裝，十分費時、費工、費料，甚至阻礙了汽車更新周期的縮短。

為了改變這一現狀，美國通用汽車（GM）公司在1969年公開招標，要求用新的控制裝置取代繼電器控制裝置，并提出了10項招標指標，即

1）編程方便，現場可修改程序；

2）維修方便，采用模塊化結構；

3）可靠性高于繼電器控制裝置；

4）體積小于繼電器控制裝置；

5）數據可直接送入管理計算機；

6）成本可與繼電器控制裝置競爭；

7）輸入可以是交流115V；

8）輸出為交流115V，2A以上，能直接驅動電磁閥，接觸器等；

9）在擴展時，原系統只要很小變更；

10）用戶程序存儲器容量至少能擴展到4KB。

1969年，美國數字設備公司（DEC）研制出第一臺PLC，在美國通用汽車公司的自動裝配線上試用，獲得了成功。這種新型的工業控制裝置以其簡單易懂，操作方便，可靠性高，通用靈活，體積小，使用壽命長等一系列優點，很快地在美國其他工業領域推廣應用。到1971年，已經成功地應用于食品、飲料、冶金、造紙等工業。這一新型工業控制裝置的出現，也受到了世界其他國家的高度重視。1971日本從美國引進了這項新技術，很快研制出了日本第一臺PLC。1973年，西歐國家也研制出它們的第一臺PLC。我國從1974年開始研制。于1977年開始工業應用。

2.PLC的概念

PLC問世以來，盡管時間不長，但發展迅速。為了使其生產和發展標準化，國際電工委員會（IEC）先后頒布了PLC標準的草案第一稿，第二稿，并在1987年2月通過了對它的定義：

“可編程序控制器是一種數字運算操作的電子系統，專為在工業環境應用而設計的。它采用一類可編程的存儲器，用于在其內部存儲程序，執行邏輯運算、順序控制、定時、計數與算術操作等面向用戶的指令，并通過數字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機械或生產過程。可編程序控制器及其有關外部設備，都按易于與工業控制系統聯成一個整體，易于擴充其功能的原則設計。”

為了避免與PC（Personal Computer，個人計算機）相混淆，所以命名為PLC（Program-mable Logic Controller，可編程序邏輯控制器），但從功能上講，現在的PLC早已不是原來意義上的“PLC”了。

總之，PLC是一臺計算機，它是專為工業環境應用而設計制造的計算機，具有豐富的輸入、輸出接口，并且具有較強的驅動能力。但PLC產品并不針對某一具體工業應用，在實際應用時，其硬件需根據實際需要進行選用配置，其軟件需根據控制要求進行設計編制。

1.1.2 PLC的硬件組成

PLC的構成框圖和計算機是一樣的，都由中央處理器（CPU）、存儲器和輸入/輸出接口等構成。因此，從硬件結構來說，PLC實際上就是計算機，圖1-2所示為其硬件系統的簡化框圖。

從圖1-2中可以看出，PLC內部主要部件有：

圖1-2 PLC硬件系統的簡化框圖

1.CPU

CPU（Central Processing Unit，中央處理器）是PLC的核心組成部分，與通用微機的CPU一樣，它在PLC系統中的作用類似于人體的神經中樞，圖1-3所示為CPU模塊功能示意。

CPU的功能：

1）按PLC中系統程序賦予的功能，接收并存儲從編程器輸入的用戶程序和數據；

2）用掃描方式接收現場輸入裝置的狀態式數據，并存入映象寄存器或數據寄存器中；

3）診斷電源、PLC內部電路的工作狀態和編程過程中的語法錯誤；

4）在PLC進入運行狀態后，從存儲器中逐條讀取用戶程序，經過命令解釋后按指令規定的任務，產生相應的信號，去啟動或關閉相關控制電路，分時分渠道地去執行數據的存取、傳送、組合、比較和變換等操作，完成用戶程序中規定的邏輯式算術運算等任務。根據運算結果，更新有關標志位的狀態和輸出映象寄存器的內容，再由輸出映象寄存器的位狀態式數據寄存器的有關內容，實現輸出控制、制表、打印式數據通信等。

圖1-3 CPU模塊功能示意

PLC常用的CPU主要采用通用微處理器、單片機或雙極型位片式微處理器。通用的微處理器常用的是8位機、16位機，甚至32位機，如Z80A、8085、80x86、6502、M6800、M6809、M68000等。單片機常用的有8039、8049、8031、8051等。雙極型位片式微處理器常用的有AMD2900、AMD2903等。

2.系統程序存儲器

系統程序存儲器用于存放系統工作程序（監控程序）、模塊化應用功能子程序、命令解釋功能子程序的調用管理程序，以及對應定義（I/O、內部繼電器、計時器、計數器、移位寄存器等存儲系統）參數等功能。

3.用戶存儲器

用戶存儲器用于存放用戶程序即存放通過編程器輸入的用戶程序。PLC的用戶存儲器通常以字（16位/字）為單位來表示存儲容量。通常PLC產品資料中所指的存儲器形式或存儲方式及容量，是對用戶程序存儲器而言。

常用的用戶存儲方式及容量形式或存儲方式有CM0S RAM（采用互補金屬氧化物半導體工藝的隨機存取存儲器）、EPR0M（可擦除可編程只讀存儲器）、EEPR0M（電可擦除可編程只讀存儲器）、Flash EPR0M（閃存型可擦除可編程只讀存儲器）等。

CMOS RAM存儲器是一種中高密度、低功能、價格便宜的半導體存儲器，可用鋰電池作為備用電源。一旦交流電源停電，用鋰電池來維持供電，可保存RAM內停電前的數據。鋰電池壽命一般為1～5年左右。

EPR0M存儲器是一種常的只讀存儲器，存入時加高電平，擦除時用紫外線照射。PLC通過寫入器可將RAM區的用戶程序固化到R0M盒中的EPR0M中去。在PLC機中插入R0M盒，PLC則執行R0M盒中用戶程序；反之，不插上R0M盒，PLC則執行RAM區用戶程序。

EEPR0M存儲器是一種可用電改寫的只讀存儲器。

4.輸入輸出組件（I/O模塊）

I/O模塊是CPU與現場I/O裝置或其他外部設備之間的連接部件。PLC提供了各種操作電平與驅動能力的I/O模塊和各種用途的I/O組件供用戶選用。如輸入/輸出電平轉換、電氣隔離、串/并行轉換數據、誤碼校驗、A-D或D-A轉換以及其他功能模塊等。I/O模塊將外界輸入信號變成CPU能接受的信號，或將CPU的輸出信號變成需要的控制信號去驅動控制對象（包括開關量和模擬量），以確保整個系統正常工作。

圖1-4 I/O模塊功能示意

PLC輸入的開關量信號接在IN端和0V端之間，PLC內部提供24V電源，輸入信號通過光電隔離，通過R/C濾波進入CPU控制板，CPU發出輸出信號至輸出端。

PLC輸出有多種形式，包括繼電器、晶體管、晶閘管等。

圖1-4所示為I/O模塊功能示意。

5.編程器

編程器用于用戶程序的編制、編輯、調試檢查和監視等。還可以通過其鍵盤去調用和顯示PLC的一些內部狀態和系統參數。它通過通信端口與CPU聯系，完成人機對話連接。編程器上有供編程用的各種功能鍵和顯示燈以及編程、監控轉換開關。編程器的鍵盤采用梯形圖語言鍵符式命令語言助記符，也可以采用軟件指定的功能鍵符，通過屏幕對話方式進行編程。

編程器分為簡易型和智能型兩類。前者只能連機編程，而后者既可連機編程又可脫機編程。同時前者輸入梯形圖的語言鍵符，后者可以直接輸入梯形圖。根據不同檔次的PLC產品選配相應的編程器。

在PLC發展初期，很多PLC廠家都研制了各種類型的編程器，但隨著PLC與PC的融合程序越來越高，專用編程器已經逐漸退出歷史舞臺，轉而代之的是各種通用PC，通過預裝PLC編程軟件來作為編程器來使用。

6.外部設備

一般PLC可配有打印機、EPROM寫入器、帶有高分辨率屏幕的彩色圖形監控系統等外部設備。

7.電源

通常情況下，根據PLC的設計特點，PLC對電源并無特別要求，可使用一般工業電源。但是在大中型PLC中，如果電源模塊占據PLC機架槽位的，必須購買PLC專用電源。

1.1.3 PLC的軟件組成

1.PLC軟件的邏輯部件

由圖1-2可見，PLC實質上是一種工業控制用的專用計算機。PLC系統也是由硬件系統和軟件系統兩大部分組成。其軟件主要有以下幾個邏輯部件：

（1）繼電器邏輯

為適應電氣控制的需要，PLC為用戶提供繼電器邏輯，用邏輯與或非等邏輯運算來處理各種繼電器的連接。PLC內部有儲單元有“1”和“0”兩種狀態，對應于“0N”和“0FF”兩種狀態。因此，PLC中所說的繼電器是一種邏輯概念的，而不是真正的繼電器，有時稱為“軟繼電器”。這些“軟繼電器”與通常的繼電器相比有以下特點：

1）體積小、功耗低；

2）無觸點、速度快、壽命長；

3）有無數個觸點，使用中不必考慮接點的容量。

PLC一般為用戶提供以下幾種繼電器：

1）輸入繼電器：把現場信號輸入PLC，同時提供無限多個常開、常閉觸點供用戶編程使用。在程序中只有觸點沒有線圈，信號由外部信號驅動。編號可采用八進制、十進制或十六進制。

2）輸出繼電器：具備一對物理接點，可以串接在負載回路中，對應物理元件有繼電器、晶閘管和晶體管。外部信號不能直接驅動，只能在程序中用指令驅動。編號與輸入繼電器相同。

3）內部繼電器：與外界沒有直接聯系，僅作運算的中間結果使用。有時也稱為輔助繼電器或中間繼電器。和輸出繼電器一樣，只能由程序驅動。每個輔助繼電器有無限多對常開、常閉觸點，供編程使用。

（2）定時器邏輯

PLC一般采用硬件定時中斷或軟件計時的方法來實現定時邏輯功能。

（3）計數器邏輯

PLC為用戶提供了若干計數器，它們是由軟件來實現的，可采用遞減、遞增或雙向計數。

2.PLC的工作原理

眾所周知，繼電器控制系統是根據各種輸入條件去執行邏輯控制電路，這些邏輯控制電路是根據控制對象的需要以某種固定的電路連接好的，所以不能靈活變更。

和繼電器控制系統類似，PLC也是由輸入部分、邏輯部分和輸出部分組成。如圖1-5所示。

各部分的主要作用如下：

輸入部分：收集并保存被控對象實際運行的數據的信息（被控對象上的各種開關量信息或操作命令等）。

圖1-5 PLC的組成

邏輯部分：處理來自輸入部分的信息，并按照被控對象的實際動作要求做出正確的反應。

輸出部分：提供正在被控制的裝置中，哪幾個設備需要實施操作處理的信息。

用戶程序通過編程器或其他輸入設備輸入并存放在PLC的用戶存儲器中。當PLC開始運行時，CPU根據系統監控程序的規定順序，通過掃描，完成各輸入點的狀態采集或輸入數據采集、用戶程序的執行、各輸出點狀態更新、編程器鍵入響應和顯示更新及CPU自檢等功能。

PLC掃描既可按固定的程序進行，也可按用戶程序規定的可變順序進行。

PLC采用集中采樣、集中輸出的工作方式，減少了外界的干擾。

由以上分析，可以把PLC的工作過程主要分為5個階段，即初始化處理、輸入采樣階段、程序執行階段、輸出刷新階段和END處理，如圖1-6所示。

（1）初始化處理

上電運行或復位時處理一次，并完成如下任務。

1）復位輸入輸出模塊；

2）進行自診斷；

3）清除數據區；

4）輸入輸出模塊的地址分配以及種類登記

（2）輸入采樣階段

PLC在輸入采樣階段，首先掃描所有輸入端子，并將各輸入存入內存中各對應的輸入映像寄存器。此時，輸入映像寄存器被刷新。接著進入程序執階段，在程序執行階段或輸出階段，輸入映像寄存器與外界隔離，無論信號如何變化，其內容保持不變直到下一個掃描周期的輸入采樣階段，才重新寫入輸入端的新內容。

圖1-6 PLC的工作過程

（3）程序執行階段

根據PLC的程序掃描原則，PLC先左后右，先上后下的步序語句逐句掃描。當指令涉及輸入、輸出狀態時，PLC從輸入映像寄存器中“讀入”對應輸入映像寄存器的當前狀態，然后，進行相應的運算，運算結果再存入元件映像寄存器中，對元件映像寄存器來說，每一個元件會隨著程序執行過程而變化。

（4）輸出刷新階段

在所有指令執行完畢后，輸出映像寄存器中所有輸出繼電器的狀態在輸出刷新階段轉存到輸出鎖存寄存器中，通過一定方式輸出，驅動外部負載。采用集中采樣，集中輸出工作方式的特點是：在采樣周期中，將所有輸入信號（不管該信號當時是否采用），一起讀入，此后在整個程序處理過程中PLC系統與外界隔絕，直到輸出控制信號到下一個工作周期再與外界交涉，從根本上提高了系統的抗干擾，提高了工作的可靠性。

（5）END處理

CPU模塊完成一次掃描后，為進入下一循環，進行如下處理。

1）自診斷；

2）計數器、定時器更新；

3）同上位機、通信模塊的通信處理；

4）檢查模式設定鍵狀態。

其中，PLC在輸入輸出的處理方面必須遵守以下原則：

1）輸入映像寄存器的數據，取決于輸入端子板上各輸入端子在上一個周期間的接通、斷開狀態。

2）程序如何執行取決于用戶所編程序和輸入輸出映像寄存器的內容。

3）輸出映像寄存器的數據取決于輸出指令的執行結果。

4）輸出鎖存器中的數據，由上一次輸出刷新期間輸出映像寄存器中數據決定。

5）輸出端子的接通斷開狀態，由輸出鎖存器決定。

1.1.4 PLC的特點

1.可靠性高，抗干擾能力強

工業生產一般對控制設備要求很高，應具有很強的抗干擾能力和高的可靠性，能在惡劣的環境中可靠地工作，平均故障間隔時間長，故障修復時間短。這是PLC控制優于微機控制的一大特點。例如日本的三菱公司FX系列PLC平均故障間隔時間長達30萬小時；美國通用電氣公司制成的PLC控制模塊平均無故障率可達1千萬小時之多，組成系統后的平均無故障率可達4～5千萬小時。

PLC控制系統的故障通常有兩種：一種是偶發性故障，即由于惡劣環境（電磁干擾、超高溫、過電壓、欠電壓）引起的，這類故障只要不引起系統部件的損壞，一旦環境條件恢復正常，系統本應隨之恢復正常，但因PLC受外界影響后，內部存儲的信息被破壞，必須從初始狀態重新啟動。另一類是永久性故障，是由于元件不可恢復的損壞引起的。

2.編程簡單，使用方便

這是PLC優于PC的另一個特點。目前，大多數PLC采用繼電控制形式的“梯形圖編程方式”，即有傳統控制電路的清晰直觀，又適合電氣技術人員的讀圖習慣和微機應用水平，易于接受，與常用的匯編語言相比，更受歡迎。

為了進一步簡化編程，當今的PLC還針對具體問題設計了諸如步進梯形指令、功能指令等。PLC是為車間操作人員而設計的，一般只要很短時間的訓練即能學會使用。而微電腦控制系統則要求具有一定知識的人員操作。當然，PLC的功能開發，需要有軟件專家的幫助。

3.控制程序可變，具有很好的柔性

在生產工藝流程改變或生產線設備更新的情況下，不必改變PLC的硬設備，只要改變程序就可以滿足要求。所以PLC取代繼電器控制，而且具有繼電器所不具備的無可比擬的優點。因此PLC除應用于單機控制外，在柔性制造單元（Flexible Manufacturing Cell，FMC）、柔性制造系統（Flexible Manufacturing System，FMS），以至工廠自動化（Factory Automation，FA）中也被大量采用。

4.功能完善

現代PLC具有數字和模擬量輸入輸出、邏輯和算術運算、定時、計數、順序控制、功率驅動、通信、人機對話、自檢、記錄和顯示功能，使用設備水平大提高。

5.擴充方便，組合靈活

PLC產品具有各種擴充單元，可以方便地適應不同工業控制需要的不同輸入輸出點及不同輸入輸出方式的系統。

6.減少了控制系統設計及施工的工作量

由于PLC采用軟件編程來達到控制功能，而不同于繼電器控制采用接線來達到控制功能，同時PLC又能率先進行模擬調試，并且操作化功能和監視化功能很強，這些都減少了許多的工作量。

由于PLC具備了以上特點，它把微計算機技術與繼電器控制技術很好地融合在了一起，最新發展的PLC產品，還把直接數字控制（Direct Digital Control，DDC）技術加進去，并具有監控計算機聯網的功能。因而它的應用幾乎覆蓋了所有的工業企業，既能改造傳統機械產品成為機電一體化的新一代產品，又適用于生產過程控制，實現工業生產的優質、高產、節能與降低成本。

總之，PLC技術代表了當前電氣控制的世界先進水平，PLC與數控技術和工業機器人已成為機械工業自動化的三大支柱。

1.1.5 PLC控制與繼電器控制的區別

在PLC的編程語言中，梯形圖是最為廣泛使用的語言，通過PLC的指令系統將梯形圖變成PLC能接受程序，由編程器鍵入到PLC用戶存儲區去。而梯形圖與繼電器控制原理圖十分相似，主要原因是PLC梯形圖的發明大致上沿用戶繼電器控制電路的元件符號，僅個別處有些不同。

PLC與繼電器控制的主要區別有以下幾點：

1.組成器件不同

繼電器控制電路是由許多真正的硬件繼電器組成的。而PLC是由許多“軟繼電器”組成的，這些“繼電器”實際上是存儲器中的觸發器，可以置“0”或置“1”。

2.觸點的數量不同

硬繼電器的觸點數有限，一般只有4～8對；而“軟繼電器”可供編程的觸點數有無限對，因為觸發器狀態可取用任意次。

3.控制方法不同

繼電器控制是通過元件之間的硬接線來實現的，因此其控制功能就固定在電路中了，因此功能專一，不靈活；而PLC控制是通過軟件編程來解決的，只要程序改變，功能可跟著改變，控制很靈活。又因PLC是通過循環掃描工作的，不存在繼電器控制電路中的聯鎖與互鎖電路，控制設計大大簡化了。

4.工作方式不同

在繼電器控制電路中，當電源接通時，電路中各繼電器都處于受制約狀態，該合的合，該斷的斷。而在PLC的梯形圖中，各“軟繼電器”都處于周期性循環掃描接通中，從客觀上看，每個“軟繼電器”受條件制約，接通時間是短暫的。也就是說繼電器在控制的工作方式是并行的，而PLC的工作方式是串行的。