1.1 PLC概述

1.1.1 PLC的產生和定義

1.PLC的產生

為了盡可能地減少重新設計和安裝的工作量，降低成本，縮短周期，美國通用汽車公司在1968年公開招標，要求用新的控制裝置取代繼電器-接觸器控制系統。1969年，美國數字設備公司（DEC）研制出了第一臺PLC（Programmable Logic Controller），即可編程序邏輯控制器，型號為PDP-14，用它取代傳統的繼電器-接觸器控制系統，應用在美國通用汽車公司的汽車自動裝配線上，取得了巨大成功，很快在其他工業領域推廣應用。

隨著計算機技術、自動控制技術和通信技術的發展，PLC大致經歷了4次更新換代，現在已經滲透到工業控制的各個領域。

2.PLC的定義

1987年國際電工委員會（IEC）對可編程序控制器定義如下：“可編程序控制器是一種數字運算操作的電子系統，專為在工業環境下應用而設計。它采用了可編程序的存儲器，用來在其內部存儲執行邏輯運算、順序控制、定時、計數和算術運算等面向用戶的指令，并通過數字式和模擬式的輸入和輸出，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的外圍設備，都按易于與工業系統連成一個整體、易于擴充其功能的原則設計。”

1.1.2 PLC的結構組成

PLC由中央處理單元（Central Process Unit，CPU）、存儲器、輸入單元、輸出單元、通信單元、電源以及擴展單元有機組合而成，如圖1-1所示。根據結構形式的不同，PLC可以分為整體式和模塊式兩類。

整體式PLC又稱為單元式或箱體式，體積小、價格低且結構緊湊。一般小型PLC采用整體式，如西門子的S7-200系列PLC。整體式PLC將CPU模塊、I/O模塊和電源模塊裝在一個箱體內構成主機。還提供許多I/O擴展模塊供用戶需要時選用，另外還配備多種專用的特殊功能模塊，使PLC的功能得到擴展。

模塊式PLC又稱為組合式PLC，由機架和模塊組成，配置靈活。中、大型PLC常采用模塊式，如西門子的S7-300和S7-400系列PLC。模塊式PLC將組成PLC的多個單元分別做成相應的模塊，各模塊可以靈活安插在機架上，通過總線相互聯系，進行廣泛地組合和擴展。

1.CPU模塊

CPU（Central Process Unit）模塊是PLC的核心部分，主要由微處理器（CPU芯片）和存儲器組成。CPU模塊在PLC系統中的作用類似于人的大腦，其主要任務是：接收輸入的用戶程序和數據，送入存儲器存儲；采集現場的輸入信號，存入相應的數據區；監控和診斷電源、電路的工作狀態和用戶程序中的語法錯誤，執行用戶程序，從存儲器逐條讀取用戶指令并完成其功能；根據數據處理的結果刷新系統的輸出。PLC采用的CPU芯片隨機型不同而異，芯片的性能決定了PLC處理信號的能力和速度。

存儲器主要用來存儲程序和數據，分為系統程序存儲器、用戶程序存儲器和系統RAM存儲區。系統程序存儲器用來存放系統管理程序、用戶指令解釋程序、標準程序模塊與系統調用程序，是由生產廠家編寫并固化在ROM內的，用戶不能直接更改；用戶程序存儲器用來存放用戶根據控制任務編寫的控制程序，可以是RAM、EPROM或E2PROM存儲器，其內容可以由用戶任意修改或刪減；系統RAM存儲區包括I/O映像區和系統軟設備存儲區，如邏輯線圈、定時器、計數器、數據寄存器和累加器等。

2.電源模塊

電源模塊將輸入的交流電轉換為CPU、存儲器和I/O模塊等需要的DC 5 V工作電源，是整個PLC的能源供給中心，直接影響到PLC的功能和可靠性。電源模塊還向外部提供DC 24 V穩壓電源，向傳感器和其他模塊供電。

3.信號模塊

信號模塊是PLC與工業現場連接的接口，包括輸入（Input）模塊和輸出（Output）模塊，簡稱為I/O模塊。其中開關量輸入、輸出模塊分別稱為DI模塊和DO模塊，模擬量輸入、輸出模塊分別稱為AI模塊和AO模塊。輸入模塊用來接收和采集現場的輸入信號，輸出模塊用來控制輸出負載，同時它們還有電平轉換和隔離作用，使不同的過程信號電平與PLC內部的信號電平相匹配。

開關量輸入模塊用來接收從按鈕、數字開關、限位開關以及各種繼電器等傳送來的開關量輸入信號，模擬量輸入模塊用來接收從電位器、測速發電機和各種變送器提供的連續變化的電壓或電流模擬量信號。

開關量輸出模塊用來控制接觸器、電磁閥、電磁鐵、指示燈、顯示和報警裝置等輸出設備，模擬量輸出模塊用來控制變頻器、電動調節閥等執行器。

4.通信處理模塊

通信處理模塊用于PLC之間、PLC與計算機和其他智能設備之間的通信，可以將PLC接入PROFIBUS-DP、ASI和工業以太網，或用于點對點連接等。

5.編程器及外圍設備

編程設備可以是專用編程器，也可以是配有專用編程軟件的通用計算機系統。使用編程器可以進行程序的編制、編輯、調試和監控。使用編程軟件可以在計算機上直接生成和編輯用戶程序，并且可以實現不同編程語言之間的相互轉換。程序被編譯后下載到PLC，也可以將PLC中的程序上傳到計算機。

1.1.3 PLC的基本原理

PLC是一種工業控制計算機，其工作原理卻與普通計算機有所不同；PLC最初是用于替代傳統的繼電器控制裝置的，但與繼電器控制系統的工作原理也有很大區別。

1.PLC的工作原理

任何一個繼電器控制系統從功能上都可以分為3部分：輸入部分（按鈕、開關、傳感器等）、控制部分（繼電器、接觸器連接成的控制電路）以及輸出部分（被控對象，如電動機、電磁閥、信號燈等）。這種系統是由導線硬連接起來實現控制程序的，稱為硬程序。

PLC控制系統也分為3部分：輸入部分、控制部分和輸出部分，如圖1-2所示。輸入部分的作用是將現場輸入信號送入PLC，再變成CPU能夠接收的信號存入輸入映像寄存器后等待CPU輸入采樣，然后進入控制部分進行運算；輸出部分的作用是將PLC的輸出信號轉存到輸出映像寄存器后等待輸出刷新，才能驅動被控對象。因此，PLC控制系統與繼電器控制系統不同的地方主要是控制部分。

PLC控制系統的內部控制電路是由用戶程序形成的，是按照程序規定的邏輯關系，對輸入、輸出信號的狀態進行計算、處理和判斷，然后得到相應的輸出。PLC在執行用戶程序時，根據程序從首地址開始自上而下、從左到右逐行掃描執行，并分別從輸入映像寄存器、輸出映像寄存器中讀出有關元件的狀態，根據指令執行相應的邏輯運算，把運算的結果寫入對應的元件映像寄存器中保存，同時把輸出狀態寫入對應的輸出映像寄存器中保存。

用戶程序用觸點和線圈實現邏輯運算，基本邏輯電路如圖1-3所示，邏輯運算關系表如表1-1所示。

2.PLC的工作方式

PLC的工作方式是從0000號存儲地址存放的第一條用戶程序開始，在無中斷或跳轉的情況下，按存儲地址號遞增的方向順序逐條執行用戶程序，直到END指令結束；然后再從頭開始，并周而復始地執行整個用戶程序，直到停機或從運行（RUN）工作狀態切換為停止（STOP）工作狀態，這種執行程序的工作方式稱為周期循環掃描工作方式。掃描過程如圖1-4所示。

3.PLC的工作過程

圖1-5為PLC的工作過程圖。PLC上電或從STOP狀態切換到RUN狀態后，在系統程序的監控下，周而復始地按一定的順序對系統內部的各種任務進行查詢、判斷和執行，這個過程就是按順序循環掃描的過程。

1）初始化。PLC上電后首先進行系統初始化，包括清除內部存儲區、復位定時器等。

2）CPU自診斷。PLC在每個掃描周期都要進入自診斷階段，對電源、PLC內部電路、用戶程序的語法進行檢查，定期復位監控定時器等，確保系統的穩定。

3）通信信息處理。每個掃描周期中在對每個通信信息處理的階段，PLC進行PLC之間、PLC與計算機之間的信息交換。

4）與外部設備交換信息。PLC與外部設備連接時，在每個掃描周期都要與外部設備交換信息。這些外部設備包括編程器、終端設備、彩色顯示器和打印機等。

5）執行用戶程序。PLC在運行狀態下，每一個掃描周期都要執行用戶程序。在執行用戶程序時，是以掃描的方式按順序逐句處理的，掃描一條執行一條，并把運算處理結果存入輸出映像寄存區對應的位中。

6）輸入、輸出信息處理。PLC在運行狀態下，每一個掃描周期都要進行輸入、輸出信息處理，以掃描的方式把外部輸入信號的狀態存入輸入映像寄存區，將運算處理后的結果存入輸出映像寄存區，直到傳入外部被控設備。

1.1.4 PLC的編程語言

PLC是一種工業計算機，不同廠家不同型號的PLC都有自己的編程語言。目前，PLC常用的編程語言有以下幾種：

1.梯形圖

梯形圖編程語言簡稱梯形圖，與繼電器控制電路圖很相似，是用程序來代替繼電器硬件的邏輯連接，很容易被電氣人員掌握，特別適合數字量邏輯控制系統。

梯形圖由觸點、線圈或指令框組成。觸點代表邏輯輸入條件，如外部的開關、按鈕、傳感器和內部條件等輸入信號；線圈代表邏輯運算的結果，常用來控制外部的輸出信號（如指示燈、交流接觸器和電磁閥等）和內部的標志位等；指令框用來表示定時器、計數器和數學運算等功能指令。

梯形圖左、右的豎直線稱為左、右母線。梯形圖從左母線開始，經過觸點和線圈，終止于右母線。可以把左母線看作是提供能量的母線。實際上，梯形圖是CPU效仿繼電器控制電路圖，使來自“電源”的“電流”通過一系列的邏輯控制元件，根據運算結果執行邏輯輸出的模擬過程。

梯形圖中，每個輸出元素可以構成一個梯級，每個梯級由一個或多個支路組成，但最右邊的元件只能是輸出元件，且只能有一個。每個梯形圖由一個或多個梯級組成。

梯形圖編程語言形象、直觀、實用，邏輯關系明確，是使用最多的PLC編程語言。

雖然PLC的梯形圖與繼電器控制電路圖很相似，但是兩種控制系統卻有本質的區別，主要表現在以下幾點。

1）組成器件不同。繼電器控制系統是由許多硬件繼電器組成的，而梯形圖是由許多所謂的“軟繼電器”組成的。這些“軟繼電器”實質上是存儲器的觸發器，“軟繼電器”的“通”或“斷”狀態也就是觸發器置“0”或置“1”的狀態，因此不存在電弧、磨損和接觸不良等故障。

2）觸點數量不同。硬繼電器的觸點數量是有限的，而梯形圖中“軟繼電器”觸點的通斷是由對應的觸發器的狀態決定的，所以每只“軟繼電器”的觸點數是無限制的。

3）控制方法不同。在繼電器控制系統中，實現各種邏輯控制關系和聯鎖關系是通過硬接線來解決的；而PLC是通過梯形圖即軟件編程解決的。

4）工作方式不同。繼電器控制系統采用硬邏輯并行運行的方式，如果某個繼電器的線圈通電或斷電，無論該繼電器的觸點在控制系統的哪個位置，也無論是常開觸點還是常閉觸點，該繼電器的所有觸點都會立即同時動作。而PLC的CPU采用順序邏輯掃描用戶程序的運行方式，如果一個輸出線圈和邏輯線圈被接通或斷開，該線圈的所有觸點不會立即動作，必須等掃描到該觸點時才會動作，所以是串行方式。

2.語句表

語句表編程語言是用一系列操作指令（即指令助記符）組成的語句表將控制流程描述出來。不同PLC廠家語句表所使用的指令助記符并不相同。

語句表是由若干條指令組成的程序，指令是程序的最小獨立單元。每個操作功能由一條或幾條指令來執行。PLC的指令表達形式與計算機的指令表達形式很相似，也是由操作碼和操作數兩部分組成的。操作碼用指令助記符表示，用來說明要執行的功能，告訴CPU應該進行什么操作，如與、或、非等邏輯運算，加、減、乘、除等算術運算，計時、計數、移位等控制功能。操作數一般由標識符和參數組成，標識符表示操作數的類別，如表明輸入繼電器、輸出繼電器、定時器、計數器以及數據寄存器等；參數表明操作數的地址或一個預先設定值。

3.邏輯功能塊圖

邏輯功能塊圖主要采用類似于數字邏輯門電路中“與”“或”“非”等圖形符號的編程語言，這種編程語言邏輯功能直觀，邏輯關系一目了然。

4.順序功能圖

對于一個復雜的控制系統，尤其是順序控制系統，由于內部的聯鎖、互動關系極其復雜，用梯形圖或語句表編程時往往數百行。如果在梯形圖上不加注釋，則梯形圖的可讀性將會大大降低。

順序功能圖包含步、動作和轉換3個要素。先把一個復雜的控制過程分解為一些小的工作狀態，即劃分為以若干個順序出現的步；步中包含控制輸出的動作，根據一步到另一步的轉換條件，再依照一定的順序控制要求將其連接成整體的控制程序。

5.結構文本

結構文本是一種基于“BASIC”或“C”等高級語音的文本，針對大型、高檔的PLC具有很強的運算與數據處理功能。它是便于用戶編程，增加程序的可移植性，用來描述功能、功能塊和程序的高級編程語言。

1.1.5 PLC的應用和發展

1.PLC的應用

近年來，隨著PLC的成本下降和功能大大增強，能解決復雜的計算和通信問題，因而應用面也日益增大。目前，PLC已廣泛應用于鋼鐵、采礦、石油、化工、電力、機械制造、汽車、造紙、環保以及娛樂等行業。PLC的應用領域包括以下幾個方面。

（1）邏輯控制

邏輯控制是目前PLC應用最廣泛的領域，它取代了傳統的繼電器順序控制，應用于單機控制、多機群控制和生產自動線控制。

（2）運動控制

PLC把描述目標位置的數據送給拖動步進電動機或伺服電動機的單軸或多軸位置控制模塊，模塊移動一軸或多軸到目標位置。當每個軸移動時，位置控制模塊保持適當的速度和加速度，確保運動平滑。

（3）過程控制

PLC能控制大量的物理參數，如溫度、壓力、速度和流量。采用PID（Proportional-Integral-Derivative）模塊使PLC實現閉環控制的功能，即一個具有PID控制能力的PLC可用于過程控制。

（4）數據處理

在機械加工中，出現了將支持順序控制的PLC與計算機數字控制（CNC）設備緊密結合的趨向。

（5）工業網絡通信

為了適應工廠自動化（FA）系統發展的需要，不僅要發展PLC之間、PLC和上級計算機之間的通信功能，而且作為實時控制系統，PLC數據通信速率要高，要考慮出現停電、故障時的對策等。

2.PLC的發展

（1）產品規模向大、小兩個方向發展

I/O點數達14336點的超大型PLC，使用32位微處理器，多個CPU并行工作并具有大容量存儲器，使PLC的掃描速度高速化。

小型PLC的整體結構向小型模塊結構發展，增加了配置的靈活性。最小配置的I/O點數為8～16點，可以用來代替最小的繼電器控制系統。

（2）PLC向過程控制方向滲透與發展

微電子技術的迅速發展，大大加強了PLC的數學運算、數據處理、圖形顯示及聯網通信等功能，使PLC得以向過程控制方向滲透和發展。

（3）PLC加強了通信功能

為了滿足柔性制造單元（FMC）、柔性制造系統（FMS）和工廠自動化（FA）的要求，近年來開發的PLC都加強了通信功能。

（4）新器件和模塊不斷推出

為了滿足工業自動化各種控制系統的需要，近年來，利用微電子學、大規模集成電路（LSI）等新技術成果，先后開發了不少新器件和模塊。高檔的PLC一般采用多個CPU以提高處理速度，CPU用32位微處理器，使每條指令處理速度達0.5μs的PLC產品已不是少數。

（5）編程語言趨向標準化

PLC編程語言的國際標準是IEC 61131-3，目前國內外PLC廠家均按照國際標準語言進行開發和生產，力求達到編程語言標準化。