1.1 PLC的基本概念與基本結構

可編程控制器（Programmable Controller）是一種重要工業控制計算機，廣泛應用于工業生產的各個領域。本節將主要介紹可編程控制器的基本概念和結構，并在此基礎上介紹PLC的程序執行過程等內容。

1.PLC的歷史

可編程控制器是工業控制領域中自動化技術發展的產物。眾所周知，工業生產過程中存在大量順序控制和安全互鎖邏輯控制，在20世紀60年代之前，這些功能是通過氣動或電氣控制系統實現的，相應的控制系統主要由繼電器和計數器等構成。這種系統的主要缺點是體積大，接線復雜和可靠性差，特別是系統適應性差，不易維護和更改。上述缺點不但增加了生產成本，而且嚴重制約生產效率的進一步提高。為解決這一問題，美國通用汽車公司（GM）提出要設計一種新的系統來代替繼電器系統，并于1968年向社會公開招標，同時給出了10條招標指標，即“通用十條”：

（1）編程方便，可現場修改和調試程序；

（2）維護方便，采用模塊化結構；

（3）可靠性高于繼電器控制系統；

（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系統競爭；

（7）輸入可以是115V交流電；

（8）輸出為交流115V，輸出電流可達2A以上，能直接驅動電磁閥；

（9）擴展時，原系統只需作很小改動；

（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）根據上述要求研制成功了PDP-14控制器，并在汽車自動裝配線上成功使用。這種控制器主要用于順序控制，并僅能進行邏輯運算，因此被稱做可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）。雖然早期的PLC只有簡易的邏輯開/關功能，但是這種控制裝置以集成電路和電子技術為基礎，實現了電氣控制的程序化，與繼電器控制系統相比使用方便，體積小，易于維護和修改。

2.PLC的定義

隨著集成電路、計算機技術和電氣控制技術的發展，可編程邏輯控制器PLC逐漸發展成以微處理器為核心的新型工業控制設備，是計算機家族中的一員。鑒于可編程邏輯控制器的功能越來越豐富（如具備高速通信網絡和以梯形圖方式編程等），早已不限于進行邏輯控制，美國電器制造商協會（NEMA）經過 4 年的調查，于1980 年把它正式命名為可編程控制器（Programmable Controller，PC），但是為了與個人計算機（Personal Computer，PC）相區別，仍將可編程控制器簡稱為PLC。

PLC自誕生起就進入了快速發展階段，國際電工委員會（IEC）分別于1982年11月、1985年1月和1987年2月頒布了可編程控制器標準的草案第一稿、第二稿和第三稿，并在草案第三稿中將可編程控制器定義為：“可編程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、計數和算術運算等操作的指令。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。PLC及其有關外部設備，都應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。”作為一種應用于工業環境下的計算機，該定義強調了PLC應具有抗干擾性強，適應性好和應用范圍廣泛的特點，這正是工業控制計算機區別于一般微型計算機的重要特征。

目前，PLC因其具有通用性強，使用方便，適應面廣，可靠性高，抗干擾能力強，編程簡單等特點，已成為工業控制領域中不可或缺的一種控制裝置，具有廣闊的市場。

3.PLC的基本結構

作為計算機家族中的一員，PLC的基本結構與一般的微型計算機系統類似，主要由中央處理器（CPU）、存儲器、輸入/輸出設備組成，另外具有電源、A/D和D/A等模塊，其基本結構如圖1-1所示。

1）CPU與所有微型計算機系統（如通用計算機系統和單片微型計算機系統）相同， CPU是PLC的核心部件，主要包含運算器、控制器和寄存器?？刂破骺刂艭PU工作，由CPU讀取指令、解釋指令及執行指令。運算器用于進行算術、邏輯等運算，其工作由控制器控制完成。另外，CPU內部還有一些寄存器參與運算，并存儲運算的中間結果。CPU可以是通用微處理器（如8086、80286和80386等）和單片機（如8051和M6800）等。

CPU按位數可分為8位、16位和32位，通常小型PLC采用價格較低，通用性較好的8位和16位CPU，中型PLC通常采用集成度高，運算速度快，可靠性更高的16位和32位CPU，而大型PLC多采用靈活性強，速度快的高速CPU。另外，小型PLC多采用單CPU，而大型PLC多采用雙CPU甚至多CPU系統，在多個CPU中往往有一個是位處理器，其他是字處理器，而位處理器的使用進一步提高了PLC的實時性。

2）存儲器 存儲器用于存放程序和數據。

按照讀/寫功能，存儲器可分為兩種：一是隨機存儲器RAM（Random Access Memory），可讀可寫；二是只讀存儲器ROM（Read Only Memory），只能讀不能寫。

按照存儲功能，PLC存儲空間可劃分為：系統程序存儲區、系統RAM存儲區和用戶程序存儲區。

（1）系統程序存儲區：存放系統程序即所謂的系統軟件（相當于計算機操作系統軟件），是由PLC制造廠家編寫的與PLC硬件有關的程序，和硬件一起決定了PLC的性能。它主要完成系統診斷，命令解釋，提供PLC運行平臺等功能，通常固化到ROM中，用戶不能訪問和修改。

（2）系統RAM存儲區：存放I/O映像區及各類軟設備，如邏輯線圈、數據寄存器、計時器、計數器、變址寄存器、累加器等。

（3）用戶程序存儲區：存放用戶編制的程序，不同類型的PLC，其存儲容量各不相同。

3）I/O模塊 I/O模塊又稱I/O單元，負責實現I/O信號的擴展，這些數據可以由被控對象通過I/O模塊傳送給PLC，也可由PLC通過I/O模塊傳送給被控對象。在數據傳輸過程中， I/O模塊的作用是實現PLC與外部輸入和輸出設備間不同信號間的電平轉換。

4）其他功能模塊

（1）A/D、D/A模塊：A/D模塊主要用于將電壓、電流、濕度和溫度等模擬信號轉換成PLC能夠處理的數字量。D/A模塊與A/D模塊的作用相反，其作用是把PLC內部的數字量轉換成電壓、電流等模擬信號以控制外部設備，如變頻器和溫度控制器等。

（2）電源模塊：為PLC的各個模塊提供工作電源。電源模塊的一般輸入為AC 220V（有的AC 220V與AC 110V均可以），部分電源模塊輸入為寬電壓范圍（AC 86～240V），輸出電源電壓可以是交流的，也可以是直流的。

（3）通信模塊：主要通過通信網絡實現PLC之間、PLC與個人計算機間及與其他設備間的信息交換。通信模塊實現PLC與各種控制總線或工業以太網的通信，如西門子S7-200CN PLC的CP243-1、CP243-1IT CP241等。通信模塊使得PLC與其他計算機系統和被控對象之間形成一個統一的整體，使分散集中的遠程控制和信息交換成為可能。

5）PLC的外部設備

（1）編程器，是用戶進行PLC程序設計和系統監控的必備設備，可以對PLC在線編程和修改程序。

（2）存儲設備，用于永久性地存儲用戶資料，PLC應用中一般為專用的存儲卡。

（3）I/O設備，用于接收輸入信號和發送輸出信號，如打印機和鍵盤等。

4.PLC程序的存儲和執行過程

作為一種用于工業控制的計算機，PLC與通用的個人計算機有所不同，這主要表現在程序存儲方式和程序執行過程兩方面。

1）程序存儲方式通用個人計算機的內部存儲器里只存放少量系統程序，用于系統自檢和從外部存儲器（如硬盤等）將操作系統（如DOS、Windows和Linux等）程序加載到內部存儲器，然后由操作系統進行用戶應用程序的管理。而 PLC的用戶應用程序可以預先存放在內部存儲器上，CPU上電復位后，先由操作系統啟動PLC，然后PLC進入運行模式并運行用戶應用程序。這種程序存儲方式的特點是，斷電后 PLC的操作系統程序、用戶應用程序和一些數據還保存在內部存儲器（是非易失存儲器）中，一旦恢復供電PLC就可以重新運行程序。

2）程序執行過程 一般的微型計算機程序在執行時，CPU根據當前程序指針的內容取出指令并執行指令，然后再取出下一條指令并執行，如此循環下去，直到遇到程序結束指令時才停止執行。而PLC采用循環掃描的方式工作，遇到程序結束指令后程序會自動重復執行，其典型的循環掃描周期如圖1-2所示?？梢奝LC在一次上電初始化后，就會重復進行順序掃描循環，這種循環由操作系統控制完成，是PLC自動化控制系統的基礎。該循環掃描過程包含以下主要步驟。

（1）上電初始化：對堆棧指針、工作單元和編程接口進行初始化，并進行PLC工作狀態的選擇（主要是設置編程狀態和運行狀態），這部分工作由操作系統完成，并且只進行一次。

（2）循環掃描：這部分由系統程序掃描和用戶程序掃描兩部分構成，并在PLC運行狀態下不斷重復執行。

系統程序掃描階段（CPU自診斷階段）主要完成以下工作。

? 檢查PLC硬件狀態是否正常。

? 檢查用戶程序是否存在語法錯誤。

? 對監控定時器進行定期復位，監控定時器又稱“看門狗”（Watch Dog Timer，WDT），是用于檢測程序是否跑飛和是否進入死循環的一種方法。

?與其他PLC和計算機等網絡上的其他設備進行通信。

用戶程序掃描階段由輸入掃描、用戶程序執行、輸出掃描及外部設備服務4部分組成，它們的功能分別如下。

? 輸入掃描。在輸入掃描階段（又稱輸入信號采樣階段），PLC以掃描方式順序讀入所有輸入模塊的數據，即從連接到輸入模塊的傳感器獲取數據（該數據表示開關的接通或斷開狀態等），并將其保存到輸入映像存儲器中。輸入映像存儲器中的狀態被刷新后，將一直保存到下一個掃描周期才會被重新刷新。在此階段，用戶程序執行、輸出掃描及外部設備服務3部分處于禁止狀態。

?用戶程序執行。在本階段用戶程序將被順序執行一遍，在此過程中，CPU首先讀取并解釋每條指令，然后從輸入映像存儲器和輸出映像存儲器中讀取輸入和輸出的狀態，并在此基礎上完成相應的算術、邏輯等運算，最后把處理結果存入相應的寄存器或輸出到數據映像存儲器中。

需要注意的是：用戶程序檢測到的輸入狀態只是輸入狀態最近的映像；用戶程序運行結果只改變輸出映像存儲器中的內容，而且只有輸出映像存儲器中的內容才會真正傳送到輸出模塊（有的系列PLC具有立即輸出指令，實現立即更新輸出或輸入功能）。

? 輸出掃描。將輸出映像存儲器中的數據輸出到輸出鎖存寄存器中，輸出鎖存寄存器對應著物理輸出口，這才是PLC的實際輸出。

? 外部設備服務。在本階段，PLC與外部設備（如打印機和編程器等）交換信息，還可以進行人機界面的實時信息交換。

5.PLC的分類

鑒于PLC在工業控制領域中的重要作用，有很多公司（如歐姆龍、西門子、三菱、施耐德、松下和LG等）從事PLC的設計生產，因此目前PLC產品種類繁多，且規格和性能也不盡相同。為便于系統的配置及使用，PLC可按3種方式分類，即按結構形式分類，按功能強弱分類和按控制規模分類。

1）按結構形式分類 可分為整體式、模塊式（組合式）和疊裝式3種。

（1）整體式：PLC的CPU板、I/O板、顯示面板、內存塊、電源等部件組合成一個整體，不可拆卸。這種PLC結構緊湊，體積小，價格低，一般小型PLC采用這種結構。

（2）模塊式：PLC由CPU模塊、I/O模塊、內存、電源模塊、底板或機架等多個模塊按照一定規則組合配置，各模塊相對獨立，可以拆卸，便于安裝、擴展和維護。大、中型PLC一般采用模塊式結構，如西門子公司的S7-300系列、S7-400系列PLC都采用這種結構形式。

（3）疊裝式：將整體式和模塊式的特點結合起來，將相互獨立的CPU模塊、電源模塊、通信模塊和一定數量的I/O單元集合在一個機殼內，各模塊間通過電纜進行連接，并且各模塊可以一層層地疊裝。這種結構方式的PLC系統配置靈活，體積較小，安裝方便，本書介紹的西門子公司S7-200CN系列PLC就采用這種結構形式。

2）按功能強弱分類 根據PLC功能的不同，可將PLC分為低檔、中檔和高檔3類。低檔PLC功能和結構都相對簡單，僅具備基本的邏輯運算、定時、計數、自診斷和監控等功能，主要用于單機控制系統，可實現邏輯控制、順序控制和少量的模擬量控制。中檔PLC在低檔PLC的基礎上增強了模擬量I/O功能，同時具有通信網絡、算術運算、數據傳送等功能，甚至還具有中斷控制和PID控制等復雜控制功能。高檔PLC在中檔PLC的基礎上增強了算術運算功能（如可進行矩陣運算和有符號數運算），另外還支持顯示、打印等人機交互功能，適合大規模過程控制。

3）按控制規模分類（按I/O點數分類）控制規模主要指PLC輸入（用I表示）和輸出（用O表示）的開關量的點數（或個數）和模擬量的路數，但主要按開關量個數計算，因此，通常將模擬量的路數按一路相當于8～16點折算成開關量的點數。

PLC按I/O點數可分為5類：

（1）微型機，I/O點數小于64點；

（2）小型機，I/O點數在256點以下；

（3）中型機，I/O點數在512～2 048點之間；

（4）大型機，I/O點數在2 048點以上；

（5）巨型機，I/O點數可達萬點，甚至幾萬點。