PLC是什么

     介绍了PLC的产生过程以及分类和功能。

     C PLC 是什么？有什么分类和功能？
一、PLC 的定义与分类
PLC 是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术，用面向制过
程面向用户的“自然语言”编程，适应工业环境，简单易懂、操作方便、可靠性高的新
一代通用工业控制装置。
PLC 是在继电器顺序控制基础上发展起来的以微处理器为核心的通用自动控制装置。
1.PLC 的定义
可编程序控制器是一种数字运算操作电子系统，专为在工业环境下应用而设计。
它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数
和算术运算等操作指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生
产过程。
可编程序控制器及其有关的外围设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体、易于
扩充其功能的原则设计。
2.PLC 的分类
PLC 产品种类繁多，其规格和性能也各不相同。对于 PLC，通常根据其结构形式的不
同、功能的差异和 I/O 点数的多少等进行大致分类。
2.1.按结构形式分类
根据 PLC 的结构形式，可将 PLC 分为整体式和模块式两类。
（1）整体式 PLC
整体式 PLC 是将电源、CPU、I/O 接口等部件都集中装在一个机箱内，如图所示。具
有结构紧凑、体积小、价格低的特点。小型 PLC 一般采用这种整体式结构。
整体式 PLC 由不同 I/O 点数的基本单元（又称主机）和扩展单元组成，基本单元内有
CPU、I/O接口、与 I/O 扩展单元相连的扩展口以及与编程器或 EPROM 写入器相连
的接口等；扩展单元内只有 I/O 和电源等，而没有 CPU。
基本单元和扩展单元之间一般用扁平电缆连接。整体式 PLC 一般还可配备特殊功能单
元，如模拟量单元、位置控制单元等，使其功能得以扩展。
（2）模块式 PLC 模块式 PLC 将 PLC的各组成部分分别做成若干个单独的模块，如
CPU 模块、I/O 模块、电源模块（有的含在CPU 模块中）以及各种功能模模块式 PLC
由框架或基板和各种模块组成，模块装在框架或基板的插座上，如图所示。这种模块
式 PLC 的特点是配置灵活，可根据需要选配不同规模的系统，而且装配方便，便于扩
展和维修。大、中型 PLC 一般采用模块式结构。
还有一些PLC 将整体式和模块式的特点结合起来，构成所谓的叠装式 PLC。
叠装式 PLC 的 CPU、电源、I/O接口等也是各自独立的模块，但它们之间是靠电缆进
行连接的，并且各模块可以一层层地叠装。这样，不但系统可以灵活配置，还可做得
体积小巧。
2.2.按功能分类
根据 PLC 的功能不同，可将 PLC 分为低档、中档、高档三类。
（1）低档 PLC
低档 PLC 具有逻辑运算、定时、计数、移位以及自诊断、监控等基本功能，还可有
少量模拟量输入/输出、算术运算、数据传送和比较及通信等功能，主要用于逻辑控制、
顺序控制或少量模拟量控制的单机控制系统。
（2）中档 PLC
中档 PLC 除具有低档 PLC 的功能外，还具有较强的模拟量输入/输出、算术运算、数
据传送和比较、数制转换、远程 I/O、子程序及通信联网等功能；有些还可增设中断
控制、PID 控制等功能，适用于复杂的控制系统。
（3）高档 PLC
高档 PLC 除具有中档 PLC 的功能外，还增加了带符号算术运算、矩阵运算、位逻辑
运算、平方根运算及其他特殊功能函数的运算、制表及表格传送功能等。
高档 PLC 具有更强的通信联网功能，可用于大规模过程控制或构成分布式网络控制系
统，进而实现工厂自动化。
2.3.按 I/O 点数分类
根据 PLC 的 I/O 点数多少，可将 PLC 分为小型、中型和大型三类。
（1）小型 PLC
小型 PLC 的I/O 点数小于 256，具有单 CPU 及 8 位或 16 位处理器，用户存储器容
量为 4KB 以下。例如：三菱 FX0S系列。
（2）中型 PLC
中型 PLC 的 I/O 点数在 256～2048，具有双 CPU，用户存储器容量为 2～8KB。
（3）大型 PLC
大型 PLC 的 I/O 点数大于 2048，具有多 CPU 及 16 位或 32 位处理器，用户存储器
容量为 8～16KB。
世界上，PLC 产品可按地域分成三大流派，一个流派是美国产品，一个流派是欧洲产
品，一个流派是日本产品。
美国和欧洲的 PLC 技术是在相互隔离情况下独立研究开发的，因此美国和欧洲的 PLC
产品有明显的差异性。
而日本的 PLC 技术是由美国引进的，对美国的 PLC 产品有一定的继承性，但日本的
主推产品定位在小型 PLC 上。美国和欧洲以大中型 PLC 而闻名，而日本则以小型 PLC
著称。
二、PLC 的功能及应用领域
PLC 是综合继电器接触器控制的优点及计算机灵活、方便的优点而设计制造和发展的，
这就使 PLC 具有许多其他控制器所无法相比的特点。
1.PLC 的功能
PLC 是以微处理器为核心，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术发展起来的
一种通用的工业自动控制装置，具有可靠性高、体积小、功能强、程序设计简单、灵
活通用及维护方便等一系列的优点，因而在冶金、能源、化工、交通、电力等领域中
有着广泛的应用，成为现代工业控制的三大支柱（PLC、机器人和 CAD/CAM）之一。
根据 PLC 的特点，可以将其功能形式归纳为以下几种类型。
（1）开关量逻辑控制
PLC 具有强大的逻辑运算能力，可以实现各种简单和复杂的逻辑控制。这是 PLC 的最
基本也最广泛的应用领域，它取代了传统的继电器接触器的控制。
（2）模拟量控制
PLC 中配置有 A/D 和 D/A 转换模块。A/D 模块能将现场的温度、压力、流量、速度
等模拟量转换变为数字量，再经 PLC 中的微处理器进行处理（微处理器处理的只能是
是数字量），然后进行控制；
或者经 D/A 模块转换后变成模拟量，然后控制被控对象，这样就可实现 PLC 对模拟
量的控制。
（3）过程控制
现代大中型的 PLC 一般都配备了 PID 控制模块，可进行闭环过程控制。当控制过程中
某一个变量出现偏差时，PLC 能按照 PID 算法计算出正确的输出，进而控制调整生产
过程，把变量保持在整定值上。目前，许多小型 PLC 也具有 PID 控制功能。
（4）定时和计数控制
PLC 具有很强的定时和计数功能，它可以为用户提供几十甚至上百、上千个定时器和
计数器。
其计时的时间和计数值可以由用户在编写用户程序时任意设定，也可以由操作人员在
工业现场通过编程器进行设定，进而实现定时和计数的控制。如果用户需要对频率较
高的信号进行计数，可以选择高速计数模块。
（5）顺序控制
在工业控制中，可采用 PLC 步进指令编程或用移位寄存器编程来实现顺序控制。
（6）数据处理
现代的 PLC 不仅能进行算术运算、数据传送、排序及查表等操作，而且还能进行数据
比较、数据转换、数据通信、数据显示和打印等，它具有很强的数据处理能力。
（7）通信和联网
现代 PLC 大多数都采用了通信、网络技术，有 RS-232 或 RS-485 接口，可进行远程
I/O 控制。
多台 PLC 彼此间可以联网、通信，外部器件与一台或多台可编程控制器的信号处理单
元之间可以实现程序和数据交换，如程序转移、数据文档转移、监视和诊断。通信接
口或通信处理器按标准的硬件接口或专有的通信协议完成程序和数据的转移。
2.PLC 的应用领域
目前，PLC 在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、
轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类。
（1）开关量的逻辑控制
这是 PLC 最基本，也是最广泛的应用领域，它取代了传统的继电器电路，实现逻辑
控制、顺序控制；
既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线，如注塑机、印刷机、
订书机械、组合机床、磨床、包装生产线及电镀流水线等。
（2）模拟量控制
在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都
是模拟量。为了使 PLC 处理模拟量，必须实现模拟量和数字量之间的A/D转换及 D/A
转换。PLC 厂家都生产配套的A/D 和 D/A 转换模块，使 PLC 用于模拟量控制。
（3）运动控制
PLC 可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接用于开关
量 I/O 模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块，可驱动
步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。
世界上各主要 PLC 生产厂家的产品几乎都具有运动控制功能，广泛用于各种机械、机
床、机器人、电梯等场合。
（4）过程控制
过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制，在冶金、化工、热处理、锅
炉控制等场合有非常广泛的应用。作为工业控制计算机，PLC 能编制各种各样的控制
算法程序，完成闭环控制。
PID 调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法，大中型 PLC 都有 PID 模块，目
前许多小型 PLC 也具有此功能模块。PID 处理一般是运行专用的 PID 子程序。
（5）数据处理
现代 PLC 具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、
排序、查表及位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。这些数据可以与存
储在存储器中的参考值比较，进而完成一定的控制操作；也可以利用通信功能传送到
别的智能装置，或将它们打印制表。
数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；也可用于过程控制系
统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。
（6）通信及联网
PLC 通信含 PLC 间的通信及 PLC 与其他智能设备间的通信。随着计算机控制的发展，
工厂自动化网络发展得很快，各 PLC生产厂商都十分重视 PLC 的通信功能，纷纷推
出各自的网络系统。
新近生产的 PLC 都具有通信接口，通信非常方便。纷纷推出各自的网络系统。新近生
产的 PLC 都具有通信接口，通信非常方便。
三、PLC 的基本结构和工作原理
作为一种工业控制的计算机，PLC 和普通计算机有着相似的结构；但是由于使用场合、
目的不同，在结构上又有一些差别。
1.PLC 的硬件组成
PLC 硬件系统的基本结构框图如图所示。
在图中，PLC 的主机由 CPU、存储器（EPROM、RAM）、输入/输出单元、外设 I/O
接口、通信接口及电源组成。对于整体式 PLC，这些部件都在同一个机壳内。
而对于模块式 PLC，各部件独立封装，称为模块，各模块通过机架和电缆连接在一起。
主机内的各个部分均通过电源总线、控制总线、地址总线和数据总线连接，根据实际
控制对象的需要配备一定的外部设备，构成不同的 PLC 控制系统。
常用的外部设备有编程器、打印机、EPROM 写入器等。PLC 可以配置通信模块与上
位机及其他的 PLC 进行通信，构成 PLC 的分布式控制系统。
下面分别介绍 PLC 的各组成部分及其作用，以便用户进一步了解 PLC 的控制原理和
工作过程。
（1）CPU CPU 是 PLC 的控制中枢，PLC 在 CPU 的控制下有条不紊地协调工作，从
而实现对现场的各个设备进行控制。CPU 由微处理器和控制器组成，它可以实现逻辑
运算和数学运算，协调控制系统内部各部分的工作。
控制器的作用是控制整个微处理器的各个部件有条不紊的进行工作，它的基本功能就
是从内存中读取指令和执行指令。
（2）存储器
PLC 配有两种存储器，即系统存储器和用户存储器。系统存储器用来存放系统管理程
序，用户不能访问和修改这部分存储器的内容。
用户存储器用来存放编制的应用程序和工作数据状态。存放工作数据状态的用户存储
器部分也称为数据存储区，它包括输入/输出数据映像区、定时器/计数器预置数和当
前值的数据区及存放中间结果的缓冲区。
PLC 的存储器主要包括以下几种。
（1）只读存储器
（2）可编程只读存储器
（3）可擦除可编程只读存储器
（4）电可擦除可编程只读存储器
（5）随机存取存储器
（3）输入/输出（I/O）模块
①开关量输入模块
开关量输入设备是各种开关、按钮、传感器等，PLC 的输入类型通常可以是直流、交
流和交直流。输入电路的电源可由外部供给，有的也可由 PLC 内部提供。
②开关量输出模块
输出模块的作用是将 CPU 执行用户程序所输出的 TTL 电平的控制信号转化为生产现
场所需的，能驱动特定设备的信号，以驱动执行机构的动作。
（4）编程器
编程器是 PLC 重要的外部设备，利用编程器可将用户程序送入 PLC 的用户程序存储
器，调试程序、监控程序的执行过程。编程器从结构上可分为以下三种类型。
（1）简易编程器
（2）图形编程器
（3）通用计算机编程器
（5）电源
电源单元的作用是把外部电源（220V 的交流电源）转换成内部工作电压。外部连接
的电源，通过 PLC 内部配有的一个专用开关式稳压电源，将交流/直流供电电源转化
为 PLC 内部电路需要的工作电源（直流 5V、±12V、24V），并为外部输入元件（如
接近开关）提供 24V 直流电源（仅供输入端点使用）。驱动 PLC 负载的电源由用户
提供。
（6）外设接口
外设接口电路用于连接手持编程器或其他图形编程器、文本显示器，并能通过外设接
口组成 PLC 的控制网络。PLC 使用 PC/PPI 电缆或者 MPI 卡通过 RS-485 接口与计算
机连接，可以实现编程、监控、联网等功能。
2.PLC 的软件组成
PLC 的软件由系统程序和用户程序组成。
系统程序由PLC 制造厂商设计编写，并存入 PLC 的系统存储器中，用户不能直接读
写与更改。系统程序一般包括系统诊断程序、输入处理程序、编译程序、信息传送程
序及监控程序等。
PLC 的用户程序是用户利用 PLC 的编程语言，根据控制要求编制的程序。在 PLC 的
应用中，最重要的是用 PLC 的编程语言来编写用户程序，以实现控制目的。
由于 PLC 是专门为工业控制而开发的装置，其主要使用者是广大电气技术人员，为了
满足他们的传统习惯和掌握能力，PLC 的主要编程语言采用比计算机语言相对简单、
易懂、形象的专用语言。
1.图形式指令结构
2.明确的变量常数
3.简化的程序结构
4.简化应用软件生成过程
5.强化调试手段
3、PLC 的基本工作原理
PLC 扫描的工作方式主要分三个阶段，即输入采样阶段、用户程序执行阶段和输出刷
新阶段。如图所示
1.输入采样阶段
在输入采样阶段，PLC 以扫描方式依次读入所有输入状态和数据，并将它们存入 I/O
映象区中的相应单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这
两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O 映象区中相应单元的状态和数据也
不会改变。
因此，如果输入的是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保
证在任何情况下，该输入均能被读入。
2.用户程序执行阶段
在用户程序执行阶段，PLC 总是按由上而下的顺序依次扫描用户程序（梯形图）。在
扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边由各触点构成的控制线路，并按先左
后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算；然后根据逻辑运算的
结果，刷新该逻辑线圈在系统 RAM 存储区中对应位的状态，或者刷新该输出线圈在
I/O 映象区中对应位的状态，或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。
即在用户程序执行过程中，只有输入点在 I/O 映象区内的状态和数据不会发生变化，
而其他输出点和软设备在 I/O 映象区或系统 RAM 存储区内的状态和数据都有可能发
生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈
或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数
据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的梯形图起作用。
3.输出刷新阶段
当用户程序扫描结束后，PLC 就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU 按照 I/O 映象
区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这
时，才是PLC 的真正输出。
输入/输出滞后现象
从 PLC 的工作过程，可以总结如下几个结论：
1、以扫描的方式执行程序，其输入/输出信号间的逻辑关系存在着原理上的滞后。扫
描周期越长，滞后就越严重。
2、扫描周期除了包括输入采样阶段、用户程序执行阶段、输出刷新阶段三个主要工
作阶段所占的时间外，还包括系统管理操作占用的时间。其中，程序执行的时间与程
序的长短及指令操作的复杂程度有关，其他基本不变。扫描周期一般为毫微秒级。
3、第 n 次扫描执行程序时，所依据的输入数据是该次扫描周期中采样阶段的扫描值
X 依据的输出数据有上一次扫描的输出值 Y（n-1），也有本次的输出值 Yn；所 n 送
往输出端子的信号，即是本次执行全部运算后的最终结果 Yn。
4、输入/输出响应滞后不仅与扫描方式有关，还与程序设计安排有关。