2.1 PLC簡介

PLC是以微處理器為基礎，綜合了計算機技術、半導體集成技術、自動控制技術、數字技術和通信網絡技術發展起來的一種通用工業自動控制裝置。它可取代繼電器執行順序控制功能，可通過軟件來改變控制過程，且具有體積小、組裝靈活、編程簡單、抗干擾能力強及可靠性高等優點，代表了當前程序控制的先進水平，PLC裝置已成為自動化系統的基本裝置。

2.1.1 PLC的硬件結構

PLC種類很多，但結構大同小異，對于中高壓變頻調速系統使用的PLC，按硬件結構可分為整體式和模塊式。

1.整體式PLC

整體式PLC又稱箱式PLC，由不同I/O點數的基本單元和擴展單元組成。基本單元內有CPU、I/O、顯示面板、存儲器和電源等。擴展單元有只配備I/O接口和電源的，也有配備特殊功能單元（如模擬單元、位置控制單元）的，使PLC的功能得以擴展。其結構緊湊、體積小、價格低，一般小型PLC采用這種結構。例如，美國GE公司的GE-I/J系列PLC/西門子公司的S7-200系列PLC，后者如圖2-1所示。

圖2-1 西門子S7-200系列PLC的整體式結構

2.模塊式PLC

模塊式PLC又稱組合式PLC，由機架和各種模塊組成。它將PLC各部分分成若干個單獨的模塊，如中央處理單元（CPU模塊）、接口模塊（IM）、內存、各種信號模塊（SM）[即各種數字或模擬輸入輸出模塊（DI、DO、AI、AO）]、電源模塊（PS）、通信模塊（CP）等，各模塊通過總線連接，安裝在機架或導軌上，能夠按照不同需求增減模塊，靈活組合，構成一個完整的PLC應用系統。模塊式PLC配置靈活，裝配方便，便于擴展和維修。一般大、中型PLC宜采用模塊式結構。例如，西門子公司的S7-300系列PLC、S7-400系列PLC采用模塊式結構，如圖2-2和圖2-3所示。有些小型PLC也采用這種結構。

圖2-2 西門子S7-300系列PLC的模塊結構

圖2-3 西門子S7-400系列PLC的模塊結構

1—電源模塊 2—后備電池 3—狀態和故障LED 4—存儲器卡 5—有標簽區的前連接器

6—CPU1 7—CPU2 8—I/O模塊 9—IM模塊

2.1.2 PLC的硬件功能

PLC實質上是一種專用于工業控制的計算機，盡管整體式PLC與模塊式PLC的結構不太一樣，但硬件結構基本上與微型計算機相同，各部分的功能也是相同的，如圖2-4所示。下面對PLC的主要組成各部分進行簡單介紹。

圖2-4 PLC的基本結構框圖

1.中央處理單元（CPU）

CPU是PLC的控制中樞，它按照PLC系統程序賦予的功能接收并存儲從編程裝置鍵人的用戶程序和數據：檢查電源、存儲器、I/O以及警戒定時器的狀態，并診斷用戶程序中的語法錯誤。當PLC投入運行時，它首先以掃描的方式接收現場各輸入裝置的狀態和數據，并分別存人I/O映像區，然后從用戶程序存儲器中逐條讀取用戶程序，經過命令解釋后按指令的規定執行邏輯或算術運算并將結果送人I/O映像區或數據寄存器內。等所有的用戶程序執行完畢之后，最后將I/O映像區的各輸出狀態或輸出寄存器內的數據傳送到相應的輸出裝置，如此循環運行，直到停止運行。其巾，還要進行故障診斷、系統管理等工作。

CPU的性能對PLC的T作效率有很大的影響，故大型PLC通常采用高性能的CPU。近年來，為了進一步提高PLC的可靠性，大型PLC還采用雙CPU構成冗余系統，或采用三CPU的表決式系統。這樣，即使某個CPU出現故障，整個系統仍能正常運行。

2.存儲器

PLC的存儲器包括系統程序存儲器和用戶程序存儲器兩部分。存放系統軟件的存儲器稱為系統程序存儲器，存放應用軟件的存儲器稱為用戶程序存儲器。

（1）系統程序存儲器

它用來存放南PLC生產廠家編寫的系統程序，并已同化到只讀存儲器（ROM、PROM、EPROM和EEPROM）內，用戶不能直接更改。系統程序一般包括系統管理程序、指令解釋程序、I/O操作程序、邏輯運算程序、通信聯網程序、故障檢測程序、內部繼電器功能程序等。

（2）用戶程序存儲器

它用來存放由用戶根據生產對象T藝的控制要求而編制的應用程序，用戶采用PLC編程語言編程，用戶程序存儲器中的內容可由用戶任意修改或增刪。用戶程序通常存放在隨機存儲器（RAM）中，由于斷電后RAM中的程序會丟失，所以RAM專門配有后備電池供電。有些PLC采用電可擦編程只讀存儲器（E²PROM）來存儲用戶程序，由于斷電后E²PROM中的內容不會丟失，所以它無須配備備用電池。

3.輸入/輸出（I/O）接口電路

輸入/輸出（I/O）接口電路通常也稱I/O單元或I/O模塊，是PLC與工業生產現場之間的連接部件。PLC通過輸入接口可以檢測被控對象的各種數據，并以這些數據作為PLC對被控對象進行控制的依據；同時，PLC又通過輸出接口將處理結果送給被控對象，以實現控制目的。

PLC外部輸入設備和輸出設備所需的信號電平是多種多樣的，而PLC內部CPU只能處理標準電平信號，所以I/O接口需要進行電平轉換。I/O接口一般采用光電隔離以提高PLC的抗干擾能力。

（1）輸入接口電路

它用于接收和采集各種輸入信號，如從按鈕、開關、觸點、光電開關等傳送來的開關量輸入信號，或由電位器、傳感器、變送器等來的模擬量輸入信號，模擬量輸入接口通常采用A/D轉換電路，將模擬信號轉換成數字信號。

（2）輸出接口電路

它用來將經CPU處理的控制信號轉換成外部設備所需的控制信號（通常有繼電器輸出、晶閘管輸出及雙向晶閘管輸出三種類型），并送到有關執行設備（如接觸器、電磁閥、調節閥、指示燈、調速器等）。模擬量輸出接口通常采用D/A轉換電路，將數字信號轉換成模擬信號。

4.編程裝置

編程裝置的作用是編輯、調試和輸入用戶程序，也可在線監控PLC內部狀態和參數，與PLC進行人機對話。它是開發、應用和維護PLC不可缺少的工具。編程裝置可以是專用編程器，也可以是配有專用編程軟件包的通用計算機系統。專用編程器由PLC廠家生產，專供該廠家生產的某些PLC產品使用，主要由鍵盤、顯示器和通信接口三部分組成。專用編程器有簡易編程器和智能編程器兩類。

簡易編程器只能聯機編程，而且不能直接輸入和編輯梯形圖程序，需將梯形圖程序轉化為指令表程序才能輸入。簡易編程器體積小、價格便宜，可以直接插在PLC的編程插座上或者用專用電纜與PLC相連，編程和調試方便。有些簡易編程器帶有存儲盒，可用來儲存用戶程序。

智能編程器又稱圖形編程器，本質上是一臺專用便攜式計算機，它既可聯機編程，又可脫機編程。其可直接輸入和編輯梯形圖程序，使用更加直觀、方便，但價格較高，操作也比較復雜。大多數智能編程器帶有磁盤驅動器，提供有錄音機接口和打印機接口。

PLC可通過通信接口與編程器、打印機、其他PLC、計算機等設備實現通信。PLC與人機界面（如觸摸屏）連接，通過人機界面操作PLC或監視PLC的工作狀態。

5.擴展單元

PLC的擴展單元包括I/O點數的擴展、存儲容量的擴展、聯網功能的擴展、各種功能模塊的擴展等。在選擇PLC時，經常需要考慮PLC的可擴展能力。

6.電源

PLC的電源在整個系統中起著十分重要的作用，如果沒有一個良好的、可靠的電源系統，PLC是無法正常工作的。因此，PLC的制造商對電源的設計和制造十分重視，一般交流電壓波動在±10%（或±15%）范圍內，PLC對電源的穩定性要求不高，可以不采取其他措施而將PLC直接連接到交流電網上去。PLC的工作電源大多為220V交流電源，也有用24V直流電源的。PLC內部有一個穩壓電源，用于對CPU板、I/O板及擴展單元供電；有的PLC還提供DC 24V穩壓電源，為外部的傳感器供電。

2.1.3 PLC的軟件結構

PLC的軟件由系統程序和用戶程序組成。

系統程序由PLC制造廠商設計編寫，并存入PLC的系統程序存儲器中，用戶不能直接讀寫與更改。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、監控程序等。

用戶程序是用戶利用PLC的編程語言，根據控制要求編制的程序。在PLC的應用中，最重要的是用PLC的編程語言來編寫用戶程序，以實現控制目的。由于PLC是專門為工業控制而開發的裝置，其主要使用者是廣大電氣技術人員，為了滿足他們的傳統習慣和掌握能力，PLC的主要編程語言采用比計算機語言相對簡單、易懂、形象的專用語言。

PLC編程語言是多種多樣的，不同生產廠家、不同系列的PLC產品采用的編程語言的表達方式也各不相同，但基本上可歸納為兩種類型：一是采用字符表達方式的編程語言，如語句表語言、功能表圖語言、高級語言等；二是采用圖形符號表達方式的編程語言，如順序控制用的梯形圖，進行邏輯運算完成時間上的順序控制等。PLC梯形圖使用的是內部繼電器、定時/計數器等，都是由軟件來實現的，使用方便、修改靈活，是原電氣控制線路用控制電纜或電線連接無法比擬的。

2.1.4 PLC的工作原理

PLC一般采用“循環掃描、不斷循環”的方式工作。

PLC上電后開始執行系統程序規定的任務，根據輸入信號的狀態，按照控制要求進行處理判斷，按指令步序號（或地址號）做周期性循環掃描，如無跳轉指令，則從第一條指令開始逐條執行用戶程序，以完成工藝流程要求的操作。PLC的CPU內有指示程序步存儲地址的程序計數器，在程序運行過程中，每執行一步該計數器自動加1，程序從起始步（步序號為零）起依次執行，產生控制輸出，到最終步（通常為END指令），然后重新返回第一條指令，開始下一輪新的掃描，周而復始地掃描并執行用戶程序。PLC完成一次循環操作所需的時間，稱為一個掃描周期，掃描周期通常只有幾十毫秒。一次循環過程可歸納為如下幾個階段：公共處理、數據輸入及處理、執行用戶程序、數據輸出及處理、掃描周期的計算。

1.公共處理

在公共處理階段，要進行復位監視定時器、硬件檢查、用戶內存檢查等操作。若有異常情況，故障指示燈亮，判斷并顯示故障的性質。若屬于一般性故障，則只報警，而不需要停機，可等待處理。

2.數據輸入及處理

如圖2-5所示，公共處理階段后，PLC以掃描方式依次讀入所有輸入信號的通/斷狀態，例如繼電器的輸入信號接通為“1”，斷開為“0”，其他各種輔助繼電器等的狀態用同樣方式表示，并將它們存入輸入映像寄存器中。

圖2-5 某PLC執行用戶程序的過程示意圖

3.執行用戶程序

如圖2-5所示，在數據輸入及處理后，PLC轉入用戶程序執行階段（用戶程序存儲在用戶程序存儲器中）。執行用戶程序時所需的外部輸入信息，不是直接從輸入端讀取的，而是從輸入映像寄存器中讀取的。CPU按梯形圖先左后右、先上后下的順序逐條解釋和執行用戶程序，所以不同梯級中的繼電器線圈及其觸點的狀態不可能同時發生改變，其所需的全部信息都是從輸入映像寄存器中讀取的。

在每個掃描周期的I/O刷新階段，CPU從PLC輸入端讀取一次信息并存入輸入映像寄存器。在此后的一個掃描周期中，盡管PLC輸入端的狀態可能發生變化，但輸入映像寄存器中的數據保持不變，一直保持到下一次I/O刷新之前。同樣，所需的輸出繼電器或其他編程元件的狀態信息（如輸出繼電器、各種輔助繼電器等用“1”和“0”表示它們的通斷狀態）是從元件映像寄存器中讀取的。在執行用戶程序過程中，根據用戶程序給出的邏輯關系進行邏輯運算，運算結果再寫入元件映像寄存器中。可見，在一個掃描周期中，元件映像寄存器中的內容隨程序的執行而變化，前一步的運算結果隨即可作為下一步的運算條件，與輸入映像寄存器不同。

4.數據輸出及處理

如圖2-5所示，當程序執行結束后，將元件映像寄存器中的狀態傳送到輸出鎖存器中，輸出鎖存器的輸出狀態再經輸出電路的隔離和功率放大后送到輸出端子，用繼電器、晶體管或雙向晶閘管去驅動外部執行元件動作。另外，輸出端子還可以完成與外設接口連接的外圍設備（如編程器或通信適配器）的通信處理。

5.掃描周期的計算

在掃描周期的計算階段，若預先設定了掃描周期的值，則進入等待，直至達到該設定值后掃描再向下進行；若掃描周期設為不定時，則要進行掃描周期的計算。

完成上述各階段的處理后，又返回公共處理階段，周而復始地進行掃描。

2.1.5 PLC的基本特點

PLC是以原有的繼電器、邏輯運算、順序控制為基礎逐步發展起來的。它的誕生給工業控制帶來了革命性的飛躍，與傳統的繼電器控制相比有著突出的特點。

1.通用性強，程序修改方便

繼電器控制系統中，如果工藝要求稍有變化，控制電路必須隨之做出相應變動，所有布線和控制柜極有可能重新設計，費時費力。然而，PLC可利用存儲在機內的程序，根據不同的生產工藝要求，隨時對程序進行修改，實現各種控制功能。因此，當工藝過程改變時，只需修改程序即可，外部接線改動極小，甚至可以不做改動，其靈活性和通用性是繼電器控制電路無法比擬的。

2.可靠性高，抗干擾能力強

繼電器控制系統中，元器件的老化、脫焊、觸點抖動以及觸點電弧等現象是不可避免的，這大大降低了系統的可靠性。而在PLC控制系統中，大量的開關動作是由無觸點的半導體電路來完成的，加之在硬件和軟件方面都采取了強有力的措施，使產品具有極高的可靠性和抗干擾能力，可以直接安裝在工業現場并穩定工作。

PLC在硬件方面采取電磁屏蔽、光電隔離、多級濾波等措施，在軟件方面采取警戒時鐘、故障診斷、自動恢復等措施，并利用后備電池對程序和數據進行保護，因此其被稱為“專為適應惡劣的工業環境而設計的計算機”。

3.PLC限時控制精度高

繼電器控制系統中的時間繼電器定時精度不高，易受環境影響，而PLC定時器時鐘脈沖由晶體振蕩器產生，精度高、調整方便、定時范圍大，定時時間不受環境影響。

4.編程簡單，使用方便

PLC采用與繼電器相似的編程，它面向過程、面向問題的“自然語言”編程方式直觀易懂，主要采用梯形圖和語句表編寫程序，使得廣大電氣技術人員更容易接納和理解。同時，設計人員也可根據自己的喜好和實際應用的要求選擇其他編程語言。除了梯形圖和語句表之外，還存在順序流程圖、結構化文本和功能塊圖三種編程語言。一個程序的不同部分可用任何一種編程語言來描述，支持復雜的順序操作功能處理以及數據結構。

5.功能強大，可擴展

PLC的主要功能包括開關量的邏輯控制、模擬量控制、模糊控制功能、數字量智能控制、數據采集和監控、通信、聯網及集散控制等功能。

PLC的功能擴展也極為方便，硬件配置相當靈活。根據控制要求的改變，可以隨時變動特殊功能單元的種類和個數，再修改相應用戶程序就可以達到變換和增加控制功能的目的。

6.安裝、調試方便

PLC中包含大量的中間繼電器、時間繼電器、計數器等“軟元件”，又用程序代替了硬接線，因此大大減少了接線工作量。PLC的編程可根據工藝要求事先在實驗室中進行并做模擬調試。

7.維修方便

PLC具有自我診斷、監視等功能，對其工作狀態、故障狀態、I/O狀態均有顯示（LED指示燈），一旦發生故障，很容易查明并做出處理。而繼電器控制系統的線路復雜、維修難度大、事故率高。

另外，PLC與繼電器控制系統相比，它以軟器件代替了硬器件，以軟觸點代替了硬觸點，以軟接線代替了硬接線，從而使其器件、觸點的壽命達數萬甚至數十萬小時，且改變接線容易、快捷。

8.PLC可連成功能很強的網絡系統

一般有低速網絡和高速網絡兩種。這兩類網絡可級聯，網上可兼容不同類型的計算機，從而組成控制范圍很大的局域網絡。

2.1.6 PLC的幾種應用

PLC的幾種應用簡單介紹如下：

1.開關量的邏輯控制

這是PLC最基本、最廣泛的應用領域，它取代傳統的繼電器電路，實現邏輯控制、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化流水線，如多條膠帶輸送機系統散料輸送線等。

2.模擬量控制

在工業生產過程中，有許多連續變化的量，如溫度、壓力、流量、液位和速度等，這些量都是模擬量。為了使PLC處理模擬量，必須實現模擬量（Analog）和數字量（Digital）之間的相互轉換，簡稱為A/D轉換或D/A轉換。PLC廠家都配套有A/D和D/A轉換模塊，可使PLC用于模擬量控制。

3.運動控制

PLC可以用于圓周運動或直線運動的控制。從控制機構配置來說，早期的PLC直接使用開關量I/O模塊連接位置傳感器和執行機構，現在一般使用專用的運動控制模塊，如可驅動步進電動機或伺服電動機的單軸或多軸位置控制模塊。世界上各主要PLC廠家的產品幾乎都有運動控制功能，廣泛用于各種機械、機床、機器人、電梯等。

4.工業過程控制

工業過程控制是指對溫度、壓力、流量、液位、速度等模擬量的閉環控制。作為工業控制計算機，PLC采用相應的A/D和D/A轉換模塊以及各種各樣的控制算法程序，完成閉環控制。PID調節是一般閉環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處理一般是運行專用的PID子程序。過程控制在冶金、化工、熱處理、鍋爐控制等場合有非常廣泛的應用。

5.數據處理

現代PLC具有數學運算（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、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進行比較，完成一定的控制操作；也可以利用通信功能傳送到其他智能裝置，或將它們打印制表。數據處理一般用于大型控制系統，如無人控制的柔性制造系統；也可用于過程控制系統，如造紙、冶金、食品工業中的一些大型控制系統。

6.通信及聯網

PLC通信含PLC間的通信及PLC與其他智能設備間的通信。隨著工廠自動化網絡的發展，現在的PLC都具有通信接口，通信非常方便。在中高變頻調速系統中，PLC具有繼電器輸出模塊、晶體管輸出模塊、模擬輸出模塊、輸出寄存器模塊、輸出定位模塊等的通信接口與變頻器相連以控制電動機；PLC的現場總線接口與變頻器通信接口相連，組成網絡系統（見2.7節）。

2.1.7 PLC產品簡介

PLC的產品很多，下面僅介紹6種國外產品。

1.西門子PLC

西門子PLC的主要產品是S5、S7系列。在S5系列中，S5-90U、S-95U屬于微型整體式PLC；S5-100U是小型模塊式PLC，最多可配置256個I/O點；S5-115U是中型PLC，最多可配置1024個I/O點；S5-115UH是中型機，它是由兩臺S5-115U組成的雙機冗余系統；S5-155U為大型機，最多可配置4096個I/O點，模擬量可達300多路；S5-155H是大型機，它是由兩臺S5-155U組成的雙機冗余系統。而S7系列是西門子公司在S5系列PLC基礎上推出的新產品，其性價比較高，其中，S7-200系列屬于微型PLC，S7-300系列屬于中小型PLC，S7-400系列屬于中高性能的大型PLC。

2.AB公司PLC

AB公司的PLC產品種類豐富、規格齊全，其主推的大、中型PLC產品是PLC-5系列。該系列為模塊式結構，當CPU模塊為PLC-5/10、PLC-5/12、PLC-5/15、PLC-5/25時，屬于中型PLC，可配置范圍為256～1024個I/O點；當CPU模塊為PLC-5/11、PLC-5/20、PLC-5/30、PLC-5/40、PLC-5/60、PLC-5/40L、PLC-5/60L時，屬于大型PLC，最多可配置3072個I/O點。該系列中以PLC-5/250功能最強，最多可配置4096個I/O點，具有強大的控制和信息管理功能。大型機PLC-3最多可配置8096個I/O點。A-B公司的小型PLC產品有SLC500系列等。

3.GE公司PLC

代表產品有小型機GE-1、GE-1/J、GE-1/P等，除GE-1/J外，其余均采用模塊式結構。GE-l用于開關量控制系統，最多可配置112個I/O點。GE-1/J是更小型化的產品，其I/O點最多可配置96個。GE-1/P是GE-1的增強型產品，增加了部分功能指令（數據操作指令）、功能模塊（A/D轉換、D/A轉換等）、遠程I/O功能等，其I/O點最多可配置168個。中型機GE-Ⅲ比GE-1/P增加了中斷、故障診斷等功能，最多可配置400個I/O點。大型機GE-Ⅴ比GE-Ⅲ增加了部分數據處理、表格處理、子程序控制等功能，并具有較強的通信功能，最多可配置2048個I/O點。GE-Ⅵ/P最多可配置4000個I/O點。

4.莫迪康（MODICON）公司PLC

莫迪康公司的產品有M84系列PLC，其中，M84是小型機，具有模擬量控制、與上位機通信功能，最多可配置112個I/O點；M484是中型機，其運算功能較強，可與上位機通信，也可與多臺聯網，最多可擴展512個I/O點；M584是大型機，其容量大，數據處理和網絡能力強，最多可擴展8192個I/O點；M884是增強型中型機，具有小型機的結構、大型機的控制功能，主機模塊配置2個RS-232C接口，可方便地進行組網通信。

5.三菱公司PLC

三菱FX2系列PLC是在20世紀90年代開發的整體式高功能小型機，它配有各種通信適配器和特殊功能單元。近年來，三菱公司還在不斷推出滿足不同要求的微型PLC，如FX-OS、FX1S、FX0N、FX1N及α系列等產品。三菱公司的大、中型機有A系列、QnA系列、Q系列，具有豐富的網絡功能，最多可配置8192個I/O點。其中，Q系列具有超小的體積、豐富的機型、靈活的安裝方式、雙CPU協同處理、多存儲器、遠程口令等特點，是三菱公司現有PLC中性能最高的PLC。

6.歐姆龍（OMRON）公司PLC

歐姆龍PLC產品中，大、中、小、微型規格齊全。中型機有C200H、C200HS、C200HX、C200HG、C200HE、CS1系列。C200H有配置齊全的I/O模塊和高功能模塊，具有較強的通信和網絡功能。C200HS是C200H的升級產品，指令系統更豐富、網絡功能更強。C200HX/HG/HE是C200HS的升級產品，有1148個I/O點，其容量是C200HS的2倍，速度是C200HS的3.75倍，有品種齊全的通信模塊，是適應信息化的PLC產品。CS1系列具有中型機的規模、大型機的功能，是一種極具推廣價值的新機型。大型機有C1000H、C2000H、CV系列（CV500/CV1000/CV2000/CVM1）等。C1000H、C2000H可單機或雙機熱備運行，安裝帶電插拔模塊，C2000H可在線更換I/O模塊；CV系列中除CVM1外，均可采用結構化編程，易讀、易調試，并具有更強大的通信功能。