2.1 PLC简介
PLC是以微处理器为基础，综合了计算机技术、半导体集成技术、自动控制技术、数字技术和通信网络技术发展起来的一种通用工业自动控制装置。它可取代继电器执行顺序控制功能，可通过软件来改变控制过程，且具有体积小、组装灵活、编程简单、抗干扰能力强及可靠性高等优点，代表了当前程序控制的先进水平，PLC装置已成为自动化系统的基本装置。
2.1.1 PLC的硬件结构
PLC种类很多，但结构大同小异，对于中高压变频调速系统使用的PLC，按硬件结构可分为整体式和模块式。
1.整体式PLC
整体式PLC又称箱式PLC，由不同I/O点数的基本单元和扩展单元组成。基本单元内有CPU、I/O、显示面板、存储器和电源等。扩展单元有只配备I/O接口和电源的，也有配备特殊功能单元（如模拟单元、位置控制单元）的，使PLC的功能得以扩展。其结构紧凑、体积小、价格低，一般小型PLC采用这种结构。例如，美国GE公司的GE-I/J系列PLC/西门子公司的S7-200系列PLC，后者如图2-1所示。
图2-1 西门子S7-200系列PLC的整体式结构
2.模块式PLC
模块式PLC又称组合式PLC，由机架和各种模块组成。它将PLC各部分分成若干个单独的模块，如中央处理单元（CPU模块）、接口模块（IM）、内存、各种信号模块（SM）[即各种数字或模拟输入输出模块（DI、DO、AI、AO）]、电源模块（PS）、通信模块（CP）等，各模块通过总线连接，安装在机架或导轨上，能够按照不同需求增减模块，灵活组合，构成一个完整的PLC应用系统。模块式PLC配置灵活，装配方便，便于扩展和维修。一般大、中型PLC宜采用模块式结构。例如，西门子公司的S7-300系列PLC、S7-400系列PLC采用模块式结构，如图2-2和图2-3所示。有些小型PLC也采用这种结构。
图2-2 西门子S7-300系列PLC的模块结构
图2-3 西门子S7-400系列PLC的模块结构
1—电源模块 2—后备电池 3—状态和故障LED 4—存储器卡 5—有标签区的前连接器
6—CPU1 7—CPU2 8—I/O模块 9—IM模块
2.1.2 PLC的硬件功能
PLC实质上是一种专用于工业控制的计算机，尽管整体式PLC与模块式PLC的结构不太一样，但硬件结构基本上与微型计算机相同，各部分的功能也是相同的，如图2-4所示。下面对PLC的主要组成各部分进行简单介绍。
图2-4 PLC的基本结构框图
1.中央处理单元（CPU）
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装置键人的用户程序和数据：检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并诊断用户程序中的语法错误。当PLC投入运行时，它首先以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存人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并将结果送人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。其巾，还要进行故障诊断、系统管理等工作。
CPU的性能对PLC的T作效率有很大的影响，故大型PLC通常采用高性能的CPU。近年来，为了进一步提高PLC的可靠性，大型PLC还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。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
PLC的存储器包括系统程序存储器和用户程序存储器两部分。存放系统软件的存储器称为系统程序存储器，存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。
（1）系统程序存储器
它用来存放南PLC生产厂家编写的系统程序，并已同化到只读存储器（ROM、PROM、EPROM和EEPROM）内，用户不能直接更改。系统程序一般包括系统管理程序、指令解释程序、I/O操作程序、逻辑运算程序、通信联网程序、故障检测程序、内部继电器功能程序等。
（2）用户程序存储器
它用来存放由用户根据生产对象T艺的控制要求而编制的应用程序，用户采用PLC编程语言编程，用户程序存储器中的内容可由用户任意修改或增删。用户程序通常存放在随机存储器（RAM）中，由于断电后RAM中的程序会丢失，所以RAM专门配有后备电池供电。有些PLC采用电可擦编程只读存储器（E2PROM）来存储用户程序，由于断电后E2PROM中的内容不会丢失，所以它无须配备备用电池。
3.输入/输出（I/O）接口电路
输入/输出（I/O）接口电路通常也称I/O单元或I/O模块，是PLC与工业生产现场之间的连接部件。PLC通过输入接口可以检测被控对象的各种数据，并以这些数据作为PLC对被控对象进行控制的依据；同时，PLC又通过输出接口将处理结果送给被控对象，以实现控制目的。
PLC外部输入设备和输出设备所需的信号电平是多种多样的，而PLC内部CPU只能处理标准电平信号，所以I/O接口需要进行电平转换。I/O接口一般采用光电隔离以提高PLC的抗干扰能力。
（1）输入接口电路
它用于接收和采集各种输入信号，如从按钮、开关、触点、光电开关等传送来的开关量输入信号，或由电位器、传感器、变送器等来的模拟量输入信号，模拟量输入接口通常采用A/D转换电路，将模拟信号转换成数字信号。
（2）输出接口电路
它用来将经CPU处理的控制信号转换成外部设备所需的控制信号（通常有继电器输出、晶闸管输出及双向晶闸管输出三种类型），并送到有关执行设备（如接触器、电磁阀、调节阀、指示灯、调速器等）。模拟量输出接口通常采用D/A转换电路，将数字信号转换成模拟信号。
4.编程装置
编程装置的作用是编辑、调试和输入用户程序，也可在线监控PLC内部状态和参数，与PLC进行人机对话。它是开发、应用和维护PLC不可缺少的工具。编程装置可以是专用编程器，也可以是配有专用编程软件包的通用计算机系统。专用编程器由PLC厂家生产，专供该厂家生产的某些PLC产品使用，主要由键盘、显示器和通信接口三部分组成。专用编程器有简易编程器和智能编程器两类。
简易编程器只能联机编程，而且不能直接输入和编辑梯形图程序，需将梯形图程序转化为指令表程序才能输入。简易编程器体积小、价格便宜，可以直接插在PLC的编程插座上或者用专用电缆与PLC相连，编程和调试方便。有些简易编程器带有存储盒，可用来储存用户程序。
智能编程器又称图形编程器，本质上是一台专用便携式计算机，它既可联机编程，又可脱机编程。其可直接输入和编辑梯形图程序，使用更加直观、方便，但价格较高，操作也比较复杂。大多数智能编程器带有磁盘驱动器，提供有录音机接口和打印机接口。
PLC可通过通信接口与编程器、打印机、其他PLC、计算机等设备实现通信。PLC与人机界面（如触摸屏）连接，通过人机界面操作PLC或监视PLC的工作状态。
5.扩展单元
PLC的扩展单元包括I/O点数的扩展、存储容量的扩展、联网功能的扩展、各种功能模块的扩展等。在选择PLC时，经常需要考虑PLC的可扩展能力。
6.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，PLC是无法正常工作的。因此，PLC的制造商对电源的设计和制造十分重视，一般交流电压波动在±10%（或±15%）范围内，PLC对电源的稳定性要求不高，可以不采取其他措施而将PLC直接连接到交流电网上去。PLC的工作电源大多为220V交流电源，也有用24V直流电源的。PLC内部有一个稳压电源，用于对CPU板、I/O板及扩展单元供电；有的PLC还提供DC 24V稳压电源，为外部的传感器供电。
2.1.3 PLC的软件结构
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的系统程序存储器中，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、监控程序等。
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。
PLC编程语言是多种多样的，不同生产厂家、不同系列的PLC产品采用的编程语言的表达方式也各不相同，但基本上可归纳为两种类型：一是采用字符表达方式的编程语言，如语句表语言、功能表图语言、高级语言等；二是采用图形符号表达方式的编程语言，如顺序控制用的梯形图，进行逻辑运算完成时间上的顺序控制等。PLC梯形图使用的是内部继电器、定时/计数器等，都是由软件来实现的，使用方便、修改灵活，是原电气控制线路用控制电缆或电线连接无法比拟的。
2.1.4 PLC的工作原理
PLC一般采用“循环扫描、不断循环”的方式工作。
PLC上电后开始执行系统程序规定的任务，根据输入信号的状态，按照控制要求进行处理判断，按指令步序号（或地址号）做周期性循环扫描，如无跳转指令，则从第一条指令开始逐条执行用户程序，以完成工艺流程要求的操作。PLC的CPU内有指示程序步存储地址的程序计数器，在程序运行过程中，每执行一步该计数器自动加1，程序从起始步（步序号为零）起依次执行，产生控制输出，到最终步（通常为END指令），然后重新返回第一条指令，开始下一轮新的扫描，周而复始地扫描并执行用户程序。PLC完成一次循环操作所需的时间，称为一个扫描周期，扫描周期通常只有几十毫秒。一次循环过程可归纳为如下几个阶段：公共处理、数据输入及处理、执行用户程序、数据输出及处理、扫描周期的计算。
1.公共处理
在公共处理阶段，要进行复位监视定时器、硬件检查、用户内存检查等操作。若有异常情况，故障指示灯亮，判断并显示故障的性质。若属于一般性故障，则只报警，而不需要停机，可等待处理。
2.数据输入及处理
如图2-5所示，公共处理阶段后，PLC以扫描方式依次读入所有输入信号的通/断状态，例如继电器的输入信号接通为“1”，断开为“0”，其他各种辅助继电器等的状态用同样方式表示，并将它们存入输入映像寄存器中。
图2-5 某PLC执行用户程序的过程示意图
3.执行用户程序
如图2-5所示，在数据输入及处理后，PLC转入用户程序执行阶段（用户程序存储在用户程序存储器中）。执行用户程序时所需的外部输入信息，不是直接从输入端读取的，而是从输入映像寄存器中读取的。CPU按梯形图先左后右、先上后下的顺序逐条解释和执行用户程序，所以不同梯级中的继电器线圈及其触点的状态不可能同时发生改变，其所需的全部信息都是从输入映像寄存器中读取的。
在每个扫描周期的I/O刷新阶段，CPU从PLC输入端读取一次信息并存入输入映像寄存器。在此后的一个扫描周期中，尽管PLC输入端的状态可能发生变化，但输入映像寄存器中的数据保持不变，一直保持到下一次I/O刷新之前。同样，所需的输出继电器或其他编程元件的状态信息（如输出继电器、各种辅助继电器等用“1”和“0”表示它们的通断状态）是从元件映像寄存器中读取的。在执行用户程序过程中，根据用户程序给出的逻辑关系进行逻辑运算，运算结果再写入元件映像寄存器中。可见，在一个扫描周期中，元件映像寄存器中的内容随程序的执行而变化，前一步的运算结果随即可作为下一步的运算条件，与输入映像寄存器不同。
4.数据输出及处理
如图2-5所示，当程序执行结束后，将元件映像寄存器中的状态传送到输出锁存器中，输出锁存器的输出状态再经输出电路的隔离和功率放大后送到输出端子，用继电器、晶体管或双向晶闸管去驱动外部执行元件动作。另外，输出端子还可以完成与外设接口连接的外围设备（如编程器或通信适配器）的通信处理。
5.扫描周期的计算
在扫描周期的计算阶段，若预先设定了扫描周期的值，则进入等待，直至达到该设定值后扫描再向下进行；若扫描周期设为不定时，则要进行扫描周期的计算。
完成上述各阶段的处理后，又返回公共处理阶段，周而复始地进行扫描。
2.1.5 PLC的基本特点
PLC是以原有的继电器、逻辑运算、顺序控制为基础逐步发展起来的。它的诞生给工业控制带来了革命性的飞跃，与传统的继电器控制相比有着突出的特点。
1.通用性强，程序修改方便
继电器控制系统中，如果工艺要求稍有变化，控制电路必须随之做出相应变动，所有布线和控制柜极有可能重新设计，费时费力。然而，PLC可利用存储在机内的程序，根据不同的生产工艺要求，随时对程序进行修改，实现各种控制功能。因此，当工艺过程改变时，只需修改程序即可，外部接线改动极小，甚至可以不做改动，其灵活性和通用性是继电器控制电路无法比拟的。
2.可靠性高，抗干扰能力强
继电器控制系统中，元器件的老化、脱焊、触点抖动以及触点电弧等现象是不可避免的，这大大降低了系统的可靠性。而在PLC控制系统中，大量的开关动作是由无触点的半导体电路来完成的，加之在硬件和软件方面都采取了强有力的措施，使产品具有极高的可靠性和抗干扰能力，可以直接安装在工业现场并稳定工作。
PLC在硬件方面采取电磁屏蔽、光电隔离、多级滤波等措施，在软件方面采取警戒时钟、故障诊断、自动恢复等措施，并利用后备电池对程序和数据进行保护，因此其被称为“专为适应恶劣的工业环境而设计的计算机”。
3.PLC限时控制精度高
继电器控制系统中的时间继电器定时精度不高，易受环境影响，而PLC定时器时钟脉冲由晶体振荡器产生，精度高、调整方便、定时范围大，定时时间不受环境影响。
4.编程简单，使用方便
PLC采用与继电器相似的编程，它面向过程、面向问题的“自然语言”编程方式直观易懂，主要采用梯形图和语句表编写程序，使得广大电气技术人员更容易接纳和理解。同时，设计人员也可根据自己的喜好和实际应用的要求选择其他编程语言。除了梯形图和语句表之外，还存在顺序流程图、结构化文本和功能块图三种编程语言。一个程序的不同部分可用任何一种编程语言来描述，支持复杂的顺序操作功能处理以及数据结构。
5.功能强大，可扩展
PLC的主要功能包括开关量的逻辑控制、模拟量控制、模糊控制功能、数字量智能控制、数据采集和监控、通信、联网及集散控制等功能。
PLC的功能扩展也极为方便，硬件配置相当灵活。根据控制要求的改变，可以随时变动特殊功能单元的种类和个数，再修改相应用户程序就可以达到变换和增加控制功能的目的。
6.安装、调试方便
PLC中包含大量的中间继电器、时间继电器、计数器等“软元件”，又用程序代替了硬接线，因此大大减少了接线工作量。PLC的编程可根据工艺要求事先在实验室中进行并做模拟调试。
7.维修方便
PLC具有自我诊断、监视等功能，对其工作状态、故障状态、I/O状态均有显示（LED指示灯），一旦发生故障，很容易查明并做出处理。而继电器控制系统的线路复杂、维修难度大、事故率高。
另外，PLC与继电器控制系统相比，它以软器件代替了硬器件，以软触点代替了硬触点，以软接线代替了硬接线，从而使其器件、触点的寿命达数万甚至数十万小时，且改变接线容易、快捷。
8.PLC可连成功能很强的网络系统
一般有低速网络和高速网络两种。这两类网络可级联，网上可兼容不同类型的计算机，从而组成控制范围很大的局域网络。
2.1.6 PLC的几种应用
PLC的几种应用简单介绍如下：
1.开关量的逻辑控制
这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，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，如多条胶带输送机系统散料输送线等。
2.模拟量控制
在工业生产过程中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等，这些量都是模拟量。为了使PLC处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的相互转换，简称为A/D转换或D/A转换。PLC厂家都配套有A/D和D/A转换模块，可使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，早期的PLC直接使用开关量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。世界上各主要PLC厂家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。
4.工业过程控制
工业过程控制是指对温度、压力、流量、液位、速度等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机，PLC采用相应的A/D和D/A转换模块以及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其他智能装置，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。随着工厂自动化网络的发展，现在的PLC都具有通信接口，通信非常方便。在中高变频调速系统中，PLC具有继电器输出模块、晶体管输出模块、模拟输出模块、输出寄存器模块、输出定位模块等的通信接口与变频器相连以控制电动机；PLC的现场总线接口与变频器通信接口相连，组成网络系统（见2.7节）。
2.1.7 PLC产品简介
PLC的产品很多，下面仅介绍6种国外产品。
1.西门子PLC
西门子PLC的主要产品是S5、S7系列。在S5系列中，S5-90U、S-95U属于微型整体式PLC；S5-100U是小型模块式PLC，最多可配置256个I/O点；S5-115U是中型PLC，最多可配置1024个I/O点；S5-115UH是中型机，它是由两台S5-115U组成的双机冗余系统；S5-155U为大型机，最多可配置4096个I/O点，模拟量可达300多路；S5-155H是大型机，它是由两台S5-155U组成的双机冗余系统。而S7系列是西门子公司在S5系列PLC基础上推出的新产品，其性价比较高，其中，S7-200系列属于微型PLC，S7-300系列属于中小型PLC，S7-400系列属于中高性能的大型PLC。
2.AB公司PLC
AB公司的PLC产品种类丰富、规格齐全，其主推的大、中型PLC产品是PLC-5系列。该系列为模块式结构，当CPU模块为PLC-5/10、PLC-5/12、PLC-5/15、PLC-5/25时，属于中型PLC，可配置范围为256～1024个I/O点；当CPU模块为PLC-5/11、PLC-5/20、PLC-5/30、PLC-5/40、PLC-5/60、PLC-5/40L、PLC-5/60L时，属于大型PLC，最多可配置3072个I/O点。该系列中以PLC-5/250功能最强，最多可配置4096个I/O点，具有强大的控制和信息管理功能。大型机PLC-3最多可配置8096个I/O点。A-B公司的小型PLC产品有SLC500系列等。
3.GE公司PLC
代表产品有小型机GE-1、GE-1/J、GE-1/P等，除GE-1/J外，其余均采用模块式结构。GE-l用于开关量控制系统，最多可配置112个I/O点。GE-1/J是更小型化的产品，其I/O点最多可配置96个。GE-1/P是GE-1的增强型产品，增加了部分功能指令（数据操作指令）、功能模块（A/D转换、D/A转换等）、远程I/O功能等，其I/O点最多可配置168个。中型机GE-Ⅲ比GE-1/P增加了中断、故障诊断等功能，最多可配置400个I/O点。大型机GE-Ⅴ比GE-Ⅲ增加了部分数据处理、表格处理、子程序控制等功能，并具有较强的通信功能，最多可配置2048个I/O点。GE-Ⅵ/P最多可配置4000个I/O点。
4.莫迪康（MODICON）公司PLC
莫迪康公司的产品有M84系列PLC，其中，M84是小型机，具有模拟量控制、与上位机通信功能，最多可配置112个I/O点；M484是中型机，其运算功能较强，可与上位机通信，也可与多台联网，最多可扩展512个I/O点；M584是大型机，其容量大，数据处理和网络能力强，最多可扩展8192个I/O点；M884是增强型中型机，具有小型机的结构、大型机的控制功能，主机模块配置2个RS-232C接口，可方便地进行组网通信。
5.三菱公司PLC
三菱FX2系列PLC是在20世纪90年代开发的整体式高功能小型机，它配有各种通信适配器和特殊功能单元。近年来，三菱公司还在不断推出满足不同要求的微型PLC，如FX-OS、FX1S、FX0N、FX1N及α系列等产品。三菱公司的大、中型机有A系列、QnA系列、Q系列，具有丰富的网络功能，最多可配置8192个I/O点。其中，Q系列具有超小的体积、丰富的机型、灵活的安装方式、双CPU协同处理、多存储器、远程口令等特点，是三菱公司现有PLC中性能最高的PLC。
6.欧姆龙（OMRON）公司PLC
欧姆龙PLC产品中，大、中、小、微型规格齐全。中型机有C200H、C200HS、C200HX、C200HG、C200HE、CS1系列。C200H有配置齐全的I/O模块和高功能模块，具有较强的通信和网络功能。C200HS是C200H的升级产品，指令系统更丰富、网络功能更强。C200HX/HG/HE是C200HS的升级产品，有1148个I/O点，其容量是C200HS的2倍，速度是C200HS的3.75倍，有品种齐全的通信模块，是适应信息化的PLC产品。CS1系列具有中型机的规模、大型机的功能，是一种极具推广价值的新机型。大型机有C1000H、C2000H、CV系列（CV500/CV1000/CV2000/CVM1）等。C1000H、C2000H可单机或双机热备运行，安装带电插拔模块，C2000H可在线更换I/O模块；CV系列中除CVM1外，均可采用结构化编程，易读、易调试，并具有更强大的通信功能。