第1章 概述

1.1 PLC的基本概念

可编程序控制器（Programmable Controller）是计算机家族中的一员，是专为工业控制应用而设计制造的，本应该简称为PC，但是为了避免与个人计算机（Personal Computer）的简称混淆，所以将其简称为PLC（Programmable Logic Controller）。

国际电工委员会（IEC）在1987年2月通过了对它的定义：“PLC是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出（I/O）控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统连成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。”

总而言之，PLC是一台计算机，它是专为工业环境应用而设计制造的计算机。它具有丰富的I/O接口，并且具有较强的驱动能力。但PLC产品并不针对某一具体工业应用，在实际应用时，其硬件需根据实际需要进行选用配置，其软件需根据控制要求进行设计编制。

1.1.1 模块式PLC的基本结构

1.硬件结构

PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上类似于微型计算机，如图1-1所示。

图1-1 PLC控制系统示意图

（1）中央处理单元（CPU）

中央处理单元（CPU）是PLC的控制中枢。它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据，检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各种输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映像区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算术运算的结果送入I/O映像区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映像区的各个输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。

为了进一步提高PLC的可靠性，近年来对大型PLC还采用双CPU冗余系统或三CPU表决式系统。这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。

（2）存储器

系统程序存储器有存放系统软件的存储器、用户程序存储器、存放应用软件的存储器。

（3）电源

PLC的电源在整个系统中起着十分重要的作用。如果没有一个良好的、可靠的电源，系统是无法正常工作的，因此PLC的制造厂商对电源的设计和制造也十分重视。一般交流电压波动在+10%（+15%）范围内，可以不采取其他措施而将PLC直接连接到交流电网上去。

2.PLC的结构形式

PLC的结构形式包括整体式和模块式两种，对于整体式PLC，所有部分都装在同一机壳内，其组成框图如图1-2所示。

图1-2 整体式PLC组成框图

对于模块式PLC，各部件独立封装成模块，各模块通过总线连接，安装在机架或导轨上，其组成框图如图1-3所示。无论哪种结构类型的PLC，都可根据用户需要进行配置与组合。

图1-3 模块式PLC组成框图

1.1.2 PLC的特点

1.编程方法简单易学

梯形图是使用最多的PLC编程语言，其电路图形符号和表达方式与继电器控制电路原理图相似。梯形图语言形象直观、易学易懂，熟悉继电器控制电路图的电气技术人员只要花很短甚至几天的时间就可以熟悉梯形图语言，并用来编写用户程序。

梯形图语言实际上是一种面向用户的高级语言，PLC在执行梯形图程序时，用解释程序将它“翻译”成汇编语言后再去执行。

2.功能强、性价比高

一台小型PLC内有成百上千个可供用户使用的编程元器件，有很强的功能，可以实现非常复杂的控制功能。与相同功能的继电器控制系统相比，具有很高的性价比。PLC可以通过通信连网，实现分散控制、集中管理。

3.硬件配套齐全、用户使用方便、适应性强

PLC产品已经标准化、系列化、模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，用户能灵活方便地进行系统配置，组成不同功能、不同规模的系统，PLC的安装接线也很方便，一般用接线端子连接外部接线。PLC有较强的带负载能力，可以直接驱动一般的电磁阀和交流接触器。硬件配置确定后，可以通过修改用户程序，方便快速地适应工艺条件的变化。

4.可靠性高、抗干扰能力强

传统的继电器控制系统中使用了大量的中间继电器、时间继电器。由于触点接触不良，容易出现故障。PLC用软件代替大量的中间继电器和时间继电器，仅剩下与输入输出有关的少量硬件，接线可减少到继电器控制系统的1/10～1/100，因触点接触不良造成的故障大为减少。

PLC采取了一系列硬件和软件抗干扰措施，具有很强的抗干扰能力，平均无故障时间达到数万小时以上，可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场，PLC已被广大用户公认为最可靠的工业控制设备之一。

5.系统的设计、安装、调试工作量少

PLC用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，使控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少。

PLC的梯形图程序一般采用顺序控制设计方法。这种编程设计方法具有较强的规律性，很容易掌握。对于复杂的控制系统，设计梯形图的时间比设计继电器控制系统电路图的时间要少得多。

PLC的用户程序可以在实验室模拟调试。输入信号用小开关来模拟，通过PLC上的发光二极管（LED）可观察输出信号的状态。完成了系统的安装和接线后，在现场调试过程中发现的问题一般通过修改程序就可以解决，系统的调试时间比继电器控制系统的调试时间少得多。

6.维修工作量小、维修方便

PLC的故障率很低，且有完善的自诊断和显示功能。PLC或外部的输入装置和执行机构发生故障时，可以根据PLC上的LED或编程器提供的信息迅速地查明故障的原因，用更换模块的方法可以迅速排除故障。

7.体积小、能耗低

对于复杂的控制系统，使用PLC后，可以减少大量的中间继电器和时间继电器，小型PLC的体积仅相当于几个继电器的大小，因此可将开关柜的体积缩小到原来的1/2～1/10。PLC的配线比继电器控制系统的配线少得多，故可以省下大量的配线和附件，减少大量的安装接线工时。加上开关柜体积的缩小，可以节省大量的费用。

1.1.3 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，使用情况可大致归纳为以下几类。

1.开关量的逻辑控制

这是PLC最基本、最广泛的应用场合，它取代传统的继电器控制电路，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、电镀流水线等。

2.模拟量控制

在工业生产过程中，有许多连续变化的物理量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。为了使PLC能够处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A-D转换及D-A转换。PLC厂商都生产配套的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，如可驱动步进电动机或伺服电动机的单轴或多轴位置控制模块。一些PLC厂商还专门出产了运动CPU。世界上各主要PLC厂商的产品几乎都有运动控制功能，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。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。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。

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、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进行比较，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中，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.通信及连网

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。