1.2 PLC的構成及工作原理

1.2.1 PLC的硬件組成

PLC的硬件結構主要由中央處理器（CPU）、存儲器（RAM, ROM）、輸入/輸出接口（I/O接口）、電源及編程設備幾大部分組成。PLC的硬件結構框圖如圖1.1所示。

1．中央處理器

中央處理器是PLC的核心，它在系統程序的控制下，完成邏輯運算、數學運算、協調系統內部各部分工作等任務。PLC中采用的CPU一般有三大類，一類為通用微處理器，如80286、80386等；一類為單片機芯片，如8031、8096等；另外還有位處理器，如AMD2900、AMD2903等。一般來說，PLC的檔次越高，CPU的位數就越多，相應地，運算速度就越快，指令功能就越強。目前常見的PLC多為8位或者16位機。

2．存儲器

存儲器是PLC存放系統程序、用戶程序及運算數據的單元。和一般計算機一樣，PLC的存儲器有只讀存儲器（ROM）和隨機讀寫存儲器（RAM）兩大類。

PLC的存儲器區域按用途不同，可分為程序區和數據區。程序區是用于存放用戶程序的區域，一般有數千字節，而用于存放用戶數據的區域一般要小一些。在數據區中，各類數據存放的位置都有嚴格的劃分。由于PLC是為熟悉繼電-接觸器系統的工程技術人員使用的，因此PLC的數據單元都叫做繼電器，如輸入繼電器、定時器、計數器等。不同用途的繼電器在存儲區中占有不同的區域，每個存儲單元都有不同的地址編號。

3．輸入/輸出接口

輸入/輸出接口是PLC和工業控制現場各類信號連接的部分。輸入口用來接收生產過程的各種參數，輸出口用來送出PLC運算后得出的控制信息，并通過機外的執行機構完成工業現場的各類控制。PLC為不同的接口需求設計了不同的接口單元，主要有以下幾種。

（1）開關量輸入接口。它的作用是把現場的開關量信號變成PLC內部處理的標準信號。開關量輸入接口按可接收的外信號電源的類型不同分為直流輸入單元、交/直流輸入單元及交流輸入單元，各輸入電路如圖1.2～圖1.4所示。

從圖中可以看出，輸入接口中都有濾波電路及隔離耦合電路。濾波有抗干擾的作用，耦合有抗干擾及產生標準信號的作用。圖1.3中輸入口的電源部分畫在了輸入口外（虛線框外），這是分體式輸入口的畫法，在一般整體式PLC中，直流輸入口都使用PLC本機的直流電源供電，不再需要外接電源。

（2）開關量輸出接口。它的作用是把PLC內部的標準信號轉換成現場執行機構所需的開關量信號。開關量輸出接口按PLC機內使用的器件不同可分為繼電器型、晶體管型及晶閘管型。各類型輸出電路如圖1.5所示。

從圖中可以看出，各類型輸出接口中也都具有隔離耦合電路。這里特別要指出的是，輸出接口本身都不帶電源，而且在考慮外驅動電源時，還需慮及輸出器件的類型。繼電器型的輸出接口可用于交流和直流兩種電源，但接通和斷開的頻率低；晶體管型的輸出接口有較高的接通和斷開頻率，但只適用于直流驅動的場合；晶閘管型的輸出接口僅適用于交流驅動的場合。

（3）模擬量輸入接口。它的作用是把現場連續變化的模擬量標準信號轉換成適合可編程序控制器內部處理的由若干位二進制數表示的信號。模擬量輸入接口接收標準模擬信號，可以是電壓信號或是電流信號。這里，標準信號是指符合國際標準的通用交互用電壓電流信號值，如4～20mA的直流電流信號，1～10V的直流電壓信號等。工業現場中模擬量信號的變化范圍一般是不標準的，在送入模擬量接口時一般都需經過變換處理才能使用。

模擬量信號輸入后一般經運算放大器放大后進行A/D轉換，再經光電隔離后為PLC提供一定位數的數字量信號。

（4）模擬量輸出接口。它的作用是將PLC運算處理后的數字量信號轉換為模擬量輸出，以滿足生產過程現場連續控制信號的需求。模擬量輸出接口一般由光電隔離、D/A轉換和信號驅動等環節組成。

（5）智能輸入/輸出接口。為了適應復雜控制工作的需要，PLC還有一些智能控制單元，稱為功能模塊，如PID工作單元、高速計數器工作單元、溫度控制單元等。這類單元大多是獨立的工作單元，它們和普通輸入/輸出接口的區別在于具有單獨的CPU，有專門的處理能力。在具體的工作中，每個掃描周期智能單元和主機的CPU交換一次信息，共同完成控制任務。從近期的發展來看，不少新型的PLC本身也具有PID運算、高速計數及脈沖輸出等功能，但一般比專用單元的功能弱。

4．電源

PLC的電源包括為PLC各工作單元供電的開關電源及為掉電保護電路供電的后備電源，后者一般為電池。

1.2.2 PLC的軟件組成

1．軟件的分類

PLC的軟件包含系統軟件及應用軟件兩大部分。

（1）系統軟件。系統軟件含系統的管理程序、用戶指令的解釋程序，另外還包括一些供系統調用的專用標準程序塊等。系統管理程序用以完成機內運行相關時間分配、存儲空間分配管理、系統自檢等工作。用戶指令的解釋程序用以完成用戶指令轉換為機器碼的工作。系統軟件在用戶使用PLC之前就已裝入機內，并永久保存，在各種控制工作中也不需要做什么更改。

（2）應用軟件。應用軟件也稱用戶軟件，是用戶為達到某種控制目的，采用專用編程語言自主編制的程序。一般采用兩種表達方式：梯形圖和指令表。應用程序是一定控制功能的表述，同一臺PLC用于不同的控制目的時需要編制不同的應用程序。應用軟件存入PLC后如需改變控制目的可多次改寫。

2．應用軟件常用的編程語言

應用程序的編制需使用PLC生產廠家提供的編程語言。PLC的編程語言及編程工具大體相同，常見的編程語言一般有以下3種。

（1）梯形圖語言。梯形圖語言形象直觀，邏輯關系明顯，電氣技術人員容易接受，是目前使用最多的一種PLC編程語言，梯形圖語言如圖1.6所示。梯形圖中的繼電器、定時器、計數器等都不是物理器件，這些器件實際上是PLC存儲器中的位，因此稱之為軟件繼電器。當存儲器中的某位為1時，表示相應的繼電器線圈得電或者是相應的常開觸點閉合、常閉觸點斷開。

梯形圖是形象化的編程語言，梯形圖左右兩端的母線是不接任何電源的，所以梯形圖中沒有任何物理電流流過，但分析讀圖時，常假設有一個電流流過，輸入信號為ON時，線圈得電，該線圈所帶的常開觸點閉合，常閉觸點斷開，這個電流是概念電流，或稱假想電流。分析時可認為左母線是電源的相線，右母線是地線，概念電流只能從左向右流動，梯形圖邏輯執行的順序是從左到右，從上到下。概念電流是執行程序時滿足輸出執行條件的形象理解。

在PLC的梯形圖中每個網絡由多個梯級組成，每個梯級有一個或多個支路，并由一個輸出元件構成，最右邊的元件必須是輸出元件。一個梯形圖梯級的多少，取決于控制系統的復雜程度，但一個完整的梯形圖至少應有一個梯級。

（2）指令表語言。這種編程語言是一種與計算機匯編語言類似的助記符語言，它由一系列操作指令組成的語句表將控制流程描述出來，并通過編程器送到PLC中。指令表是由若干條語句組成的程序，語句是程序的最小獨立單元，每個操作功能由一條或幾條語句來執行，每一條語句由操作碼、操作數兩部分組成。操作碼用助記符表示，如LD、OR、LDI等，用來說明要執行的功能（需要PLC完成的操作），如邏輯與、邏輯或、計時、計數、移位等。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，如輸入繼電器、輸出繼電器、計時器、計數器等；參數表明操作數的地址或一個預先的設定值。

（3）順序功能圖。順序功能圖也是一種編程方法，它是一種圖形說明語言，用于表示順序控制的功能，目前國際電工協會（IEC）正在實施發展這種新式的編程標準。現在，不同的PLC生產廠家對這種編程語言所用的符號和名稱也是不一樣的，三菱公司稱其為功能圖語言。圖1.7表示一個順序功能圖的編程示例。采用功能圖對順序控制系統編程非常方便，同時也很直觀，在功能圖中用戶可以根據順序控制步驟執行條件的變化，分析程序的執行過程，可以清楚地看到在程序執行過程中每一步的狀態，便于程序的設計和調試。

1.2.3 PLC的工作原理

PLC的工作原理可以簡單地表述為在系統程序的管理下，通過運行應用程序完成用戶任務。PLC在確定了工作任務，裝入了專用程序后成為一種專用機，它采用循環掃描的工作方式，系統工作任務管理及應用程序執行都是以循環掃描方式完成的。現敘述如下。

1．分時處理及掃描工作方式

PLC系統正常工作時所要完成的任務包括以下幾個方面。

（1）計算機內部各工作單元的調度和監控。

（2）計算機與外部設備間的通信。

（3）用戶程序所要完成的工作。

這些工作都是分時完成的，每項工作又都包含著許多具體的工作。以用戶程序的完成來說又可分為以下三個階段。

（1）輸入處理階段。輸入處理也叫輸入采樣，在這個階段，PLC讀入輸入口的狀態，并將它們存放在輸入狀態暫存區中。

（2）程序執行階段。在這個階段，PLC根據本次讀入的輸入數據，依用戶程序的順序逐條執行用戶程序。執行的結果存儲在輸出狀態暫存區中。

（3）輸出處理階段。輸出處理階段稱輸出刷新階段，它是一個程序執行周期的最后階段。PLC將本次執行用戶程序的結果一次性地從輸出狀態暫存區送到各個輸出口，對輸出狀態進行刷新。

這三個階段也是分時完成的。為了連續地完成PLC所承擔的工作，系統必須周而復始地依一定的順序完成這一系列的工作，故把這種工作方式叫做循環掃描工作方式。PLC用戶程序執行階段掃描工作的過程如圖1.8所示。

2．PLC循環掃描工作的特點

（1）定時集中采樣。PLC對輸入端子的掃描只是在輸入處理階段進行。當CPU進入程序處理階段后，輸入端被封鎖，直到下一個掃描周期的輸入處理階段才對輸入狀態端進行新的掃描。這種定時集中采樣的工作方式保證了CPU執行程序時和輸入端子隔離斷開，輸入端的變化不會影響CPU的工作，提高了PLC的抗干擾能力。

（2）集中輸出。PLC的輸出數據由輸出暫存器送到輸出鎖存器，再經輸出鎖存器送到輸出端子上。PLC在一個工作周期內，其輸出暫存器中的數據隨輸出指令執行的結果而變化，而輸出鎖存器中的數據一直保持不變，直到第三階段才對輸出鎖存器的數據進行刷新。這種集中輸出的工作方式使PLC在執行程序時，輸出鎖存器一直與輸出端子處于隔離斷開狀態，從而保證了PLC的抗干擾能力，提高了PLC的可靠性。

3．掃描周期及PLC的兩種工作狀態

PLC有兩種基本的工作狀態，即運行（RUN）狀態與停止（STOP）狀態。運行狀態是執行應用程序的狀態。停止狀態一般用于程序的編制與修改。如圖1.9所示給出了運行和停止兩種狀態下PLC不同的掃描過程。由圖可知，在這兩個不同的工作狀態下，掃描過程所要完成的任務是不相同的。

只要PLC處在RUN狀態，它就反復地循環工作。PLC的掃描周期就是PLC的一個完整工作周期，即從讀入輸入狀態到發出輸出信號所用的時間，它與程序的步數、時鐘頻率及所用指令的執行時間有關。一般輸入采樣和輸出刷新只需要1～2ms，所以掃描時間主要由用戶程序執行的時間決定。

4．PLC執行用戶程序的過程

PLC執行用戶程序的過程如圖1.10所示。當PLC處于RUN狀態時，在初始化之后，CPU對輸入端進行掃描，將輸入數據存入輸入暫存器，此時，PLC內部程序計數器的內容為0000，它指出了用戶的第一條指令為“LD X0”，這條指令讓CPU進行取指令、譯碼及執行操作。CPU首先將輸入暫存器中X0單元的內容存入結果寄存器，這個動作完成后，程序計數器自動加1, CPU再將第二條指令“AND X1”存入指令寄存器，譯成機器語言后執行，所執行的操作是將結果寄存器中的內容和輸入暫存器X1單元中的內容相“與”后，存入結果寄存器。當CPU完成上述操作后，程序計數器又自動加1，再將“OUT Y0”指令存入指令寄存器，CPU將結果寄存器中的內容送到輸出暫存器Y0單元，……, CPU一直執行到程序的最后一條語句，才將輸出暫存器中的內容送到輸出鎖存器，對輸出信號進行刷新，然后程序計數器自動變為0000，又開始新一次自動執行程序的過程。

需要強調的是，PLC在執行用戶程序時，所取的輸入數據是在掃描周期的輸入信號處理階段存入輸入暫存器中的數據，并不是直接從現場傳感器獲得的信號，所以PLC在執行用戶程序的過程中，輸入端的變化對程序的執行不起作用。對于PLC的輸出，在用戶程序中如果對其多次賦值，則最后一次為有效。

1.2.4 PLC的應用及發展

1．PLC的應用

隨著PLC技術的不斷發展和完善，目前它已廣泛應用于機械制造、石油化工、冶煉、電力、輕紡、汽車、交通及各種機電產品的生產中，典型的應用如下所述。

（1）順序控制。這是最早的一種應用方式，也是應用最廣的領域，目前已經取代了繼電器在順序控制系統中的主導地位，如各種生產、裝配、包裝流水線的控制，化工工藝過程的控制，印刷機械、組合機床的控制，交通運輸的控制等。

（2）過程控制。在工業生產過程中用PLC可以實現對溫度、壓力、流量、物位、成分等各種模擬量的控制。具有PID控制功能的PLC，通過其模擬量的輸入/輸出單元，可以實現閉環的過程控制，還可以和計算機組成集散控制系統。

（3）數據處理。PLC具有四則運算、數據傳送、數據變換、數據比較等功能，可以方便地對生產過程中的數據進行處理，實現軟件濾波、線性化處理、標度變換的功能，構成多路巡回監測系統、閉環控制系統及模糊控制系統。

（4）通信聯網和顯示打印。一臺PLC可以和計算機連接或和其他PLC連接用在集散控制系統中，PLC的通信模塊可以滿足這些通信聯網要求。此外，PLC還可以連接顯示終端和打印機等外圍設備，實現顯示和打印功能。

2．PLC的主要生產廠家及其產品

這里簡單介紹國外較著名的PLC生產廠家及其產品。

（1）美國生產PLC的廠商。

① 美國艾倫-布拉德里（Allen-Bradley）公司，簡稱AB公司。該公司創建于1903年，在世界各地有20多個附屬機構，10個生產基地，PLC是它的重要產品。它的產品有適應單機和小型控制系統的SLC 100型PLC，以及適應大型控制系統的PLC-3型，其指令豐富，除了具有一般的邏輯指令外，還具有LOG、LN、SIN、COS及倒數、平均值與標準偏差等高級算術運算指令，還有順序功能圖（SFC）和PID指令等。

② 美國通用電氣（GENERAL ELECTRIC）公司，簡稱GE公司。通用電氣公司是世界上生產PLC最早的廠商之一，其主要的產品是GE系列PLC。其中IJ型為箱體結構，I、IP型為模塊式結構。

③美國德州儀器（TEXAS INTRUMENTS）公司，簡稱TI公司。該公司的主要產品有TI系列，小型機有TI 510、520和TI 315、325、330等；中型機有TI 425、435、530和5TI等；大型機有TI 560、565等。TI 565的I/O點數可達8192點，PID控制回路可達64路，能完成相當復雜的生產控制和數據采集工作。

④ 美國西屋（WESTING HOUSE）公司。該公司生產的主要產品是Numa-Logic系列PLC。目前已由我國上海調節器廠引進其生產技術，并已生產出與其產品完全兼容的PLC產品。

⑤美國生產PLC的廠商還有歌德（GOUID MODICON）公司，簡稱GM公司，生產MI-CRO系列PLC產品。

（2）德國生產PLC的主要廠商。

① 西門子（SIEMENS）公司。西門子公司生產S系列的PLC，其中小型機有S5-95U、S5-100U；中型機有S5-115U；大型機有S5-135U、S5-155U。其最大的開關量I/O點數為6144點，模擬量I/O通道數為384路。1995年，西門子公司推出了性價比很高的S7-200、S7-300系列PLC, 1996年又推出了S7-400系列新產品、自帶人機界面的C7系列PLC、與AT計算機兼容的M7系列PLC等多種新產品。

②德國生產PLC的廠商還有施耐德自動化公司。德國奔馳集團下的AEG公司在20世紀90年代初全資收購了莫狄康（Modicon）公司，現在稱為AEG施耐德自動化公司。該公司擁有三家著名的PLC生產廠家，即美國的Modicon公司、Square D公司及法國的TE（Telemecanique）公司。AEG施耐德自動化公司在北美市場所占份額居第二位，也是最早進入中國市場的國外商家之一。它的產品主要有Modicon TSX系列Nano、Neza和Micro; 84系列，包括0085、0185、M84、184、484、884等。

（3）日本生產PLC的主要廠商。

①三菱（MITSUBISHI）公司。該公司于1981年推出了F系列PLC，近年來三菱公司又推出了FX系列，如FX2、FX1、FX2C、FX0、FX0N、FX0S、FX2N、FX2NC等，FX2N型PLC是三菱公司的近期產品。另外，三菱公司還生產A系列（MELSEC -A）PLC，主要的型號有AIN、A2N、A3N及近年的A2A、A2AS等產品。A系列PLC的點數都比較多，最多可達4096點，最大用戶程序存儲容量可達120K步，具有控制多模擬量系統的PID回路控制功能，可以方便地完成位置控制及幾十個回路模擬量的PID控制，同時還具有很強的通信能力。它既有同軸電纜通信接口，又有光纖通信接口，同時具備26種智能式專用的功能模塊，并配有豐富的系統軟件，能方便地與上位計算機及各種外設進行通信，滿足工廠自動化控制的各種要求。

② 立石（OMRON，歐姆龍）公司。該公司主要生產SYSMAC C系列大、中、小型PLC。其高檔機C2000H可控制2048個I/O點，存儲容量為32KB，基本指令執行時間為0.4～2.4ms，可組成雙機系統（一個處于運行狀態，另一個處在“熱備”狀態），具有運算、顯示、通信等功能，還能實現中斷控制、過程控制、遠程控制，以及與上位機或下位機進行數據通信和控制等。

③ 日立（HITACHI）公司。該公司生產的EM系列PLC均采用模塊式結構，由電源、CPU、若干I/O模塊及與安裝這些模塊相適應的框架組合而成。其中I/O點數為24～320點，配置靈活，且可以節省安裝面積。

④ 日本生產PLC的廠商還有東芝公司（EX系列PLC）、富士電機公司（NB、NJ、NS系列PLC）和松下公司（EP系列PLC）等。

以上是美、德、日等國部分PLC生產廠商及產品的簡單介紹，僅供參考。

3．PLC的發展

PLC自問世以來，經過40多年的發展，已成為很多發達國家的重要產業，PLC在國際市場已成為最受歡迎的工業控制產品。隨著科技的發展及市場需求量的增加，PLC的結構和功能也在不斷地改進，生產廠家不停地將功能更強的PLC推向市場，平均3～5年就更新一次。PLC的發展方向主要有以下幾個方面。

（1）向體積更小、速度更快的方向發展。雖然現在小型PLC的體積已經很小，但是微電子技術及電子電路裝配工藝的不斷改進，都會使PLC的體積變得更小，以便嵌入任何小型的機器和設備之中，同時PLC的執行速度也越來越快，目前大型PLC的程序執行速度可高達34ns，從而保證了控制作用的實時性，可使系統的控制作用及時、準確。

（2）向大型化、高可靠性、好的兼容性、多功能方向發展。現在的大型PLC向著容量大、智能高和通信功能強的方向發展。對于大規模、復雜系統進行綜合自動控制的PLC，大多已采用多CPU的結構，如三菱公司的AnA系列PLC使用了世界上第一個在一塊芯片上實現PLC全部功能的32位微處理器，即順序控制專用芯片，其掃描一條基本指令的時間為0.15μs。松下公司的FP10SH系列PLC采用32位5級流水線RISC結構的CPU，可以同時處理5條指令，順序指令的執行速度高達0.04μs，高級功能指令的執行速度也有很大的提高。在有兩個通信接口、256個I/O點的情況下，FP10SH的掃描時間為0.27～0.42ms，大大提高了程序處理的速度。

在模擬量的控制方面，除了專門用于模擬量閉環控制的PID模塊外，隨著模糊控制技術的發展，已出現具有模擬量的模糊控制、自適應控制、參數自整定功能的PLC，應用方便，調試時間短，控制精度進一步得到提高。

（3）與其他工業控制產品的結合。在大型自動控制系統中，計算機和PLC在應用功能方面互相融合、互補、滲透，使控制系統的性價比不斷提高。目前工業控制系統的趨勢是采用開放式的應用平臺，即網絡、操作系統、監視及顯示均采用國際標準或工業標準，如操作系統采用UNIX、MS-DOS、Windows、OS2等，這樣可實現不同廠家的PLC產品可以在同一個網絡中運行。

目前個人計算機主要用于PLC的編程器、操作站或人機接口終端。1988年，美國AB公司與DEC公司聯合開發的金字塔集成器，使PLC和工業控制計算機有機地結合在一起，研制出了一種新型的IPLC型可編程控制器（集成PLC）。IPLC是能運行于DOS或Windows操作系統下的可編程控制器，它實際上是一個能用梯形圖語言以實時方式控制的I/O計算機。近年來推出的以計算機和PLC結合應用的方式有：在PLC的CPU模塊旁邊加插Win-dows CPU或在計算機總線上插入PLC的CPU模塊，采用這種方式后生產和管理更加便利，將數據處理、通信、控制程序統一起來，保留了PLC簡單、易用和高可靠性的特點，同時又具有計算機強大的數據處理能力，使現場的生產數據、生產計劃調度、管理可以直接上機操作獲取。