一 、什么是PLC
    可編程控制器（Programmble  Controller）簡稱PC或PLC。它是在電器控制技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的基礎(chǔ)上開發(fā)出來的，并逐漸發(fā)展成為以微處理器為核心，把自動化技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)融為一體的新型工業(yè)控制裝置。目前，PLC已被廣泛應(yīng)用于各種生產(chǎn)機(jī)械和生產(chǎn)過程的自動控制中，成為一種最重要、最普及、應(yīng)用場合最多的工業(yè)控制裝置，被公認(rèn)為現(xiàn)代工業(yè)自動化的三大支柱（PLC、機(jī)器人、CAD/CAM）之一。
    國際電工委員會（IEC）于1987年頒布了可編程控制器標(biāo)準(zhǔn)草案第三稿。在草案中對可編程控制器定義如下：“可編程控制器是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計。它采用可編程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并通過數(shù)字式和模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程?？删幊炭刂破骷捌溆嘘P(guān)外圍設(shè)備，都應(yīng)按易于與工業(yè)系統(tǒng)聯(lián)成一個整體，易于擴(kuò)充其功能的原則設(shè)計”。
    定義強(qiáng)調(diào)了PLC應(yīng)直接應(yīng)用于工業(yè)環(huán)境，必須具有很強(qiáng)的抗干擾能力、廣泛的適應(yīng)能力和廣闊的應(yīng)用范圍，這是區(qū)別于一般微機(jī)控制系統(tǒng)的重要特征。同時，也強(qiáng)調(diào)了PLC用軟件方式實(shí)現(xiàn)的“可編程”與傳統(tǒng)控制裝置中通過硬件或硬接線的變更來改變程序的本質(zhì)區(qū)別。
    近年來，可編程控制器發(fā)展很快，幾乎每年都推出不少新系列產(chǎn)品，其功能已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了上述定義的范圍。
    二 、PLC的產(chǎn)生與發(fā)展
    在可編程控制器出現(xiàn)前，在工業(yè)電氣控制領(lǐng)域中，繼電器控制占主導(dǎo)地位，應(yīng)用廣泛。但是電器控制系統(tǒng)存在體積大、可靠性低、查找和排除故障困難等缺點(diǎn)，特別是其接線復(fù)雜、不易更改，對生產(chǎn)工藝變化的適應(yīng)性差。
    1968年美國通用汽車公司（G.M）為了適應(yīng)汽車型號的不斷更新，生產(chǎn)工藝不斷變化的需要，實(shí)現(xiàn)小批量、多品種生產(chǎn)，希望能有一種新型工業(yè)控制器，它能做到盡可能減少重新設(shè)計和更換電器控制系統(tǒng)及接線，以降低成本，縮短周期。于是就設(shè)想將計算機(jī)功能強(qiáng)大、靈活、通用性好等優(yōu)點(diǎn)與電器控制系統(tǒng)簡單易懂、價格便宜等優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來，制成一種通用控制裝置，而且這種裝置采用面向控制過程、面向問題的“自然語言”進(jìn)行編程，使不熟悉計算機(jī)的人也能很快掌握使用。
    1969年美國數(shù)字設(shè)備公司（DEC）根據(jù)美國通用汽車公司的這種要求，研制成功了世界上第一臺可編程控制器，并在通用汽車公司的自動裝配線上試用，取得很好的效果。從此這項(xiàng)技術(shù)迅速發(fā)展起來。
    早期的可編程控制器僅有邏輯運(yùn)算、定時、計數(shù)等順序控制功能，只是用來取代傳統(tǒng)的繼電器控制,通常稱為可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller ）。隨著微電子技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，20世紀(jì)70年代中期微處理器技術(shù)應(yīng)用到PLC中，使PLC不僅具有邏輯控制功能，還增加了算術(shù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送和數(shù)據(jù)處理等功能。
    20世紀(jì)80年代以后，隨著大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路等微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，16位和32位微處理器應(yīng)用于PLC中，使PLC得到迅速發(fā)展。PLC不僅控制功能增強(qiáng)，同時可靠性提高，功耗、體積減小，成本降低，編程和故障檢測更加靈活方便，而且具有通信和聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)處理和圖象顯示等功能，使PLC真正成為具有邏輯控制、過程控制、運(yùn)動控制、數(shù)據(jù)處理、聯(lián)網(wǎng)通信等功能的名符其實(shí)的多功能控制器。
    自從第一臺PLC出現(xiàn)以后，日本、德國、法國等也相繼開始研制PLC，并得到了迅速的發(fā)展。目前，世界上有200多家PLC廠商，400多品種的PLC產(chǎn)品，按地域可分成美國、歐洲、和日本等三個流派產(chǎn)品，各流派PLC產(chǎn)品都各具特色，如日本主要發(fā)展中小型PLC，其小型PLC性能先進(jìn)，結(jié)構(gòu)緊湊，價格便宜，在世界市場上占用重要地位。著名的PLC生產(chǎn)廠家主要有美國的A-B（Allen-Bradly）公司、GE（General Electric）公司，日本的三菱電機(jī)（Mitsubishi Electric）公司、歐姆龍（OMRON）公司，德國的AEG公司、西門子（Siemens）公司，法國的TE（bbbemecanique）公司等。
    我國的PLC研制、生產(chǎn)和應(yīng)用也發(fā)展很快，尤其在應(yīng)用方面更為突出。在20世紀(jì)70年代末和80年代初，我國隨國外成套設(shè)備、專用設(shè)備引進(jìn)了不少國外的PLC。此后，在傳統(tǒng)設(shè)備改造和新設(shè)備設(shè)計中，PLC的應(yīng)用逐年增多，并取得顯著的經(jīng)濟(jì)效益，PLC 在我國的應(yīng)用越來越廣泛，對提高我國工業(yè)自動化水平起到了巨大的作用。目前，我國不少科研單位和工廠在研制和生產(chǎn)PLC，如遼寧無線電二廠、無錫華光電子公司、上海香島電機(jī)制造公司、廈門A-B公司等。
從近年的統(tǒng)計數(shù)據(jù)看，在世界范圍內(nèi)PLC產(chǎn)品的產(chǎn)量、銷量、用量高居工業(yè)控制裝置榜首，而且市場需求量一直以每年15%的比率上升。PLC已成為工業(yè)自動化控制領(lǐng)域中占主導(dǎo)地位的通用工業(yè)控制裝置。
    三、PLC的特點(diǎn)與應(yīng)用領(lǐng)域
  （一）PLC的特點(diǎn)
    PLC技術(shù)之所以高速發(fā)展，除了工業(yè)自動化的客觀需要外，主要是因?yàn)樗哂性S多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。它較好地解決了工業(yè)領(lǐng)域中普遍關(guān)心的可靠、安全、靈活、方便、經(jīng)濟(jì)等問題。主要有以下特點(diǎn)：
    1．可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)
    可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)是PLC最重要的特點(diǎn)之一。PLC的平均無故障時間可達(dá)幾十萬個小時 ，之所以有這么高的可靠性，是由于它采用了一系列的硬件和軟件的抗干擾措施：
（1）硬件方面  I/O通道采用光電隔離，有效地抑制了外部干擾源對PLC的影響；對供電電源及線路采用多種形式的濾波，從而消除或抑制了高頻干擾；對CPU等重要部件采用良好的導(dǎo)電、導(dǎo)磁材料進(jìn)行屏蔽，以減少空間電磁干擾；對有些模塊設(shè)置了聯(lián)鎖保護(hù)、自診斷電路等。
（2）軟件方面  PLC采用掃描工作方式，減少了由于外界環(huán)境干擾引起故障；在PLC系統(tǒng)程序中設(shè)有故障檢測和自診斷程序，能對系統(tǒng)硬件電路等故障實(shí)現(xiàn)檢測和判斷；當(dāng)由外界干擾引起故障時，能立即將當(dāng)前重要信息加以封存，禁止任何不穩(wěn)定的讀寫操作，一旦外界環(huán)境正常后，便可恢復(fù)到故障發(fā)生前的狀態(tài)，繼續(xù)原來的工作。
    2．編程簡單、使用方便
    目前，大多數(shù)PLC采用的編程語言是梯形圖語言，它是一種面向生產(chǎn)、面向用戶的編程語言。梯形圖與電器控制線路圖相似，形象、直觀，不需要掌握計算機(jī)知識，很容易讓廣大工程技術(shù)人員掌握。當(dāng)生產(chǎn)流程需要改變時，可以現(xiàn)場改變程序，使用方便、靈活。同時，PLC編程器的操作和使用也很簡單。這也是PLC獲得普及和推廣的主要原因之一。
許多PLC還針對具體問題，設(shè)計了各種專用編程指令及編程方法，進(jìn)一步簡化了編程。
    3．功能完善、通用性強(qiáng)
    現(xiàn)代PLC不僅具有邏輯運(yùn)算、定時、計數(shù)、順序控制等功能，而且還具有A/D和D/A轉(zhuǎn)換、數(shù)值運(yùn)算、數(shù)據(jù)處理、PID控制、通信聯(lián)網(wǎng)以等許多功能。同時，由于PLC產(chǎn)品的系列化、模塊化，有品種齊全的各種硬件裝置供用戶選用，可以組成滿足各種要求的控制系統(tǒng)。
    4．設(shè)計安裝簡單、維護(hù)方便
    由于PLC用軟件代替了傳統(tǒng)電氣控制系統(tǒng)的硬件，控制柜的設(shè)計、安裝接線工作量大為減少。PLC的用戶程序大部分可在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行模擬調(diào)試，縮短了應(yīng)用設(shè)計和調(diào)試周期。在維修方面，由于PLC的故障率極低，維修工作量很小；而且PLC具有很強(qiáng)的自診斷功能，如果出現(xiàn)故障，可根據(jù)PLC上指示或編程器上提供的故障信息，迅速查明原因，維修極為方便。
    5．體積小、重量輕、能耗低
    由于PLC采用了集成電路，其結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、能耗低，因而是實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化的理想控制設(shè)備。
   （二）PLC的應(yīng)用領(lǐng)域
目前，在國內(nèi)外PLC已廣泛應(yīng)用冶金、石油、化工、建材、機(jī)械制造、電力、汽車、輕工、環(huán)保及文化娛樂等各行各業(yè)，隨著PLC性能價格比的不斷提高，其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。從應(yīng)用類型看，PLC的應(yīng)用大致可歸納為以下幾個方面：
    1.開關(guān)量邏輯控制
    利用PLC最基本的邏輯運(yùn)算、定時、計數(shù)等功能實(shí)現(xiàn)邏輯控制，可以取代傳統(tǒng)的繼電器控制，用于單機(jī)控制、多機(jī)群控制、生產(chǎn)自動線控制等，例如：機(jī)床、注塑機(jī)、印刷機(jī)械、裝配生產(chǎn)線、電鍍流水線及電梯的控制等。這是PLC最基本的應(yīng)用，也是PLC最廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。
    2.運(yùn)動控制
    大多數(shù)PLC都有拖動步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)的單軸或多軸位置控制模塊。這一功能廣泛用于各種機(jī)械設(shè)備，如對各種機(jī)床、裝配機(jī)械、機(jī)器人等進(jìn)行運(yùn)動控制。
    3.過程控制
    大、中型PLC都具有多路模擬量I/O模塊和PID控制功能，有的小型PLC也具有模擬量輸入輸出。所以PLC可實(shí)現(xiàn)模擬量控制，而且具有PID控制功能的PLC可構(gòu)成閉環(huán)控制，用于過程控制。這一功能已廣泛用于鍋爐、反應(yīng)堆、水處理、釀酒以及閉環(huán)位置控制和速度控制等方面。
    4.數(shù)據(jù)處理
    現(xiàn)代的PLC都具有數(shù)學(xué)運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送、轉(zhuǎn)換、排序和查表等功能，可進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集、分析和處理，同時可通過通信接口將這些數(shù)據(jù)傳送給其它智能裝置，如計算機(jī)數(shù)值控制（CNC）設(shè)備，進(jìn)行處理。
    5.通信聯(lián)網(wǎng)
    PLC的通信包括PLC與PLC、PLC與上位計算機(jī)、PLC與其它智能設(shè)備之間的通信，PLC系統(tǒng)與通用計算機(jī)可直接或通過通信處理單元、通信轉(zhuǎn)換單元相連構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，以實(shí)現(xiàn)信息的交換，并可構(gòu)成“集中管理、分散控制”的多級分布式控制系統(tǒng)，滿足工廠自動化（FA）系統(tǒng)發(fā)展的需要。
    四、PLC的分類
    PLC產(chǎn)品種類繁多，其規(guī)格和性能也各不相同。對PLC的分類，通常根據(jù)其結(jié)構(gòu)形式的不同、功能的差異和I/O點(diǎn)數(shù)的多少等進(jìn)行大致分類。
    1．按結(jié)構(gòu)形式分類
    根據(jù)PLC的結(jié)構(gòu)形式，可將PLC分為整體式和模塊式兩類。
    （1）整體式PLC  整體式PLC是將電源、CPU、I/O接口等部件都集中裝在一個機(jī)箱內(nèi)， 具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、價格低的特點(diǎn)。小型PLC一般采用這種整體式結(jié)構(gòu)。整體式PLC由不同I/O點(diǎn)數(shù)的基本單元（又稱主機(jī)）和擴(kuò)展單元組成?；締卧獌?nèi)有CPU、I/O接口、與I/O擴(kuò)展單元相連的擴(kuò)展口，以及與編程器或EPROM寫入器相連的接口等。擴(kuò)展單元內(nèi)只有I/O和電源等，沒有CPU?；締卧蛿U(kuò)展單元之間一般用扁平電纜連接。整體式PLC一般還可配備特殊功能單元，如模擬量單元、位置控制單元等，使其功能得以擴(kuò)展。
    （2）模塊式PLC   模塊式PLC是將PLC各組成部分，分別作成若干個單獨(dú)的模塊，如CPU模塊、I/O模塊、電源模塊（有的含在CPU模塊中）以及各種功能模塊。模塊式PLC由框架或基板和各種模塊組成。模塊裝在框架或基板的插座上。這種模塊式PLC的特點(diǎn)是配置靈活，可根據(jù)需要選配不同規(guī)模的系統(tǒng)，而且裝配方便，便于擴(kuò)展和維修。大、中型PLC一般采用模塊式結(jié)構(gòu)。
    還有一些PLC將整體式和模塊式的特點(diǎn)結(jié)合起來，構(gòu)成所謂疊裝式PLC。疊裝式PLC其CPU、電源、I/O接口等也是各自獨(dú)立的模塊，但它們之間是靠電纜進(jìn)行聯(lián)接，并且各模塊可以一層層地疊裝。這樣，不但系統(tǒng)可以靈活配置，還可做得體積小巧。
    2．按功能分類
    根據(jù)PLC所具有的功能不同，可將PLC分為低檔、中檔、高檔三類。
    （1）低檔PLC  具有邏輯運(yùn)算、定時、計數(shù)、移位以及自診斷、監(jiān)控等基本功能，還可有少量模擬量輸入／輸出、算術(shù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送和比較、通信等功能。主要用于邏輯控制、順序控制或少量模擬量控制的單機(jī)控制系統(tǒng)。
    （2）中檔PLC   除具有低檔PLC的功能外，還具有較強(qiáng)的模擬量輸入／輸出、算術(shù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送和比較、數(shù)制轉(zhuǎn)換、遠(yuǎn)程I/O、子程序、通信聯(lián)網(wǎng)等功能。有些還可增設(shè)中斷控制、PID控制等功能，適用于復(fù)雜控制系統(tǒng)。
    （3）高檔PLC   除具有中檔機(jī)的功能外，還增加了帶符號算術(shù)運(yùn)算、矩陣運(yùn)算、位邏輯運(yùn)算、平方根運(yùn)算及其它特殊功能函數(shù)的運(yùn)算、制表及表格傳送功能等。高檔PLC機(jī)具有更強(qiáng)的通信聯(lián)網(wǎng)功能，可用于大規(guī)模過程控制或構(gòu)成分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)工廠自動化。
3．按I/O點(diǎn)數(shù)分類
    根據(jù)PLC的I/O點(diǎn)數(shù)的多少，可將PLC分為小型、中型和大型三類。
    （1）小型PLC   I/O點(diǎn)數(shù)為256點(diǎn)以下的為小型PLC。其中，I/O點(diǎn)數(shù)小于64點(diǎn)的為超小型或微型PLC。
    （2）中型PLC  I/O點(diǎn)數(shù)為256點(diǎn)以上、2048點(diǎn)以下的為中型PLC。
    （3）大型PLC  I/O點(diǎn)數(shù)為2048以上的為大型PLC。其中，I/O點(diǎn)數(shù)超過8192點(diǎn)的為超大型PLC 。
在實(shí)際中，一般PLC功能的強(qiáng)弱與其I/O點(diǎn)數(shù)的多少是相互關(guān)聯(lián)的，即PLC的功能越強(qiáng)，其可配置的I/O點(diǎn)數(shù)越多。因此，通常我們所說的小型、中型、大型PLC，除指其I/O點(diǎn)數(shù)不同外，同時也表示其對應(yīng)功能為低檔、中檔、高檔。

第二節(jié)  PLC控制系統(tǒng)與電器控制系統(tǒng)的比較
    
    一、電器控制系統(tǒng)與PLC控制系統(tǒng)
     1. 電器控制系統(tǒng)的組成
通過第一章的學(xué)習(xí)可知，任何一個電器控制系統(tǒng)，都是由輸入部分、輸出部分和控制部分組成，如圖2-1所示。



圖2-1  電器控制系統(tǒng)的組成
其中輸入部分是由各種輸入設(shè)備，如按鈕、位置開關(guān)及傳感器等組成；控制部分是按照控制要求設(shè)計的，由若干繼電器及觸點(diǎn)構(gòu)成的具有一定邏輯功能的控制電路；輸出部分是由各種輸出設(shè)備，如接觸器、電磁閥、指示燈等執(zhí)行元件組成。電器控制系統(tǒng)是根據(jù)操作指令及被控對象發(fā)出的信號，由控制電路按規(guī)定的動作要求決定執(zhí)行什么動作或動作的順序，然后驅(qū)動輸出設(shè)備去實(shí)現(xiàn)各種操作。由于控制電路是采用硬接線將各種繼電器及觸點(diǎn)按一定的要求連接而成，所以接線復(fù)雜且故障點(diǎn)多，同時不易靈活改變。
2. PLC控制系統(tǒng)的組成
由PLC構(gòu)成的控制系統(tǒng)也是由輸入、輸出和控制三部分組成，如圖2-2所示。



圖2-2   PLC 控制系統(tǒng)的組成
從圖中可以看出，PLC控制系統(tǒng)的輸入、輸出部分和電器控制系統(tǒng)的輸入、輸出部分基本相同，但控制部分是采用“可編程”的PLC，而不是實(shí)際的繼電器線路。因此，PLC控制系統(tǒng)可以方便地通過改變用戶程序，以實(shí)現(xiàn)各種控制功能，從根本上解決了電器控制系統(tǒng)控制電路難以改變的問題。同時，PLC控制系統(tǒng)不僅能實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算，還具有數(shù)值運(yùn)算及過程控制等復(fù)雜的控制功能。
二、PLC的等效電路
從上述比較可知，PLC的用戶程序（軟件）代替了繼電器控制電路（硬件）。因此，對于使用者來說，可以將PLC等效成是許許多多各種各樣的“軟繼電器”和“軟接線”的集合，而用戶程序就是用“軟接線”將“軟繼電器”及其“觸點(diǎn)”按一定要求連接起來的“控制電路”。
    為了更好的理解這種等效關(guān)系，下面通過一個例子來說明。如圖2-3所示為三相異步電動機(jī)單向起動運(yùn)行的電器控制系統(tǒng)。其中，由輸入設(shè)備SB1、SB2、FR的觸點(diǎn)構(gòu)成系統(tǒng)的輸入部分，由輸出設(shè)備KM 構(gòu)成系統(tǒng)的輸出部分。



圖2-3  三相異步電動機(jī)單向運(yùn)行電器控制系統(tǒng)
a）主電路                 b）控制電路  
    如果用PLC來控制這臺三相異步電動機(jī)，組成一個PLC控制系統(tǒng)，根據(jù)上述分析可知，系統(tǒng)主電路不變，只要將輸入設(shè)備SB1、SB2、FR的觸點(diǎn)與PLC的輸入端連接，輸出設(shè)備KM線圈與PLC的輸出端連接，就構(gòu)成PLC控制系統(tǒng)的輸入、輸出硬件線路。而控制部分的功能則由PLC的用戶程序來實(shí)現(xiàn)，其等效電路如圖2-4所示。



圖2-4  PLC的等效電路
    圖中，輸入設(shè)備SB1、SB2、FR與PLC內(nèi)部的“軟繼電器”X0、X1、X2的“線圈”對應(yīng)，由輸入設(shè)備控制相對應(yīng)的“軟繼電器”的狀態(tài)，即通過這些“軟繼電器”將外部輸入設(shè)備狀態(tài)變成PLC內(nèi)部的狀態(tài)，這類“軟繼電器”稱為輸入繼電器；同理，輸出設(shè)備KM與PLC內(nèi)部的“軟繼電器”Y0對應(yīng)，由“軟繼電器”Y0狀態(tài)控制對應(yīng)的輸出設(shè)備KM的狀態(tài)，即通過這些“軟繼電器”將PLC內(nèi)部狀態(tài)輸出，以控制外部輸出設(shè)備，這類“軟繼電器”稱為輸出繼電器。
因此，PLC用戶程序要實(shí)現(xiàn)的是：如何用輸入繼電器X0、X1、X2來控制輸出繼電器Y0。當(dāng)控制要求復(fù)雜時，程序中還要采用PLC內(nèi)部的其它類型的“軟繼電器”，如輔助繼電器、定時器、計數(shù)器等，以達(dá)到控制要求。
要注意的是，PLC等效電路中的繼電器并不是實(shí)際的物理繼電器，它實(shí)質(zhì)上是存儲器單元的狀態(tài)。單元狀態(tài)為“１”，相當(dāng)于繼電器接通；單元狀態(tài)為“０”，則相當(dāng)于繼電器斷開。因此，我們稱這些繼電器為“軟繼電器”。
    三 、PLC控制系統(tǒng)與電器控制系統(tǒng)的區(qū)別
     PLC控制系統(tǒng)與電器控制系統(tǒng)相比，有許多相似之處，也有許多不同。不同之處主要在以下幾個方面：
     1）從控制方法上看，電器控制系統(tǒng)控制邏輯采用硬件接線，利用繼電器機(jī)械觸點(diǎn)的串聯(lián)或并聯(lián)等組合成控制邏輯，其連線多且復(fù)雜、體積大、功耗大，系統(tǒng)構(gòu)成后，想再改變或增加功能較為困難。另外，繼電器的觸點(diǎn)數(shù)量有限，所以電器控制系統(tǒng)的靈活性和可擴(kuò)展性受到很大限制。而PLC采用了計算機(jī)技術(shù)，其控制邏輯是以程序的方式存放在存儲器中，要改變控制邏輯只需改變程序，因而很容易改變或增加系統(tǒng)功能。系統(tǒng)連線少、體積小、功耗小，而且PLC所謂“軟繼電器”實(shí)質(zhì)上是存儲器單元的狀態(tài)，所以“軟繼電器”的觸點(diǎn)數(shù)量是無限的，PLC系統(tǒng)的靈活性和可擴(kuò)展性好。
     2）從工作方式上看，在繼電器控制電路中，當(dāng)電源接通時，電路中所有繼電器都處于受制約狀態(tài)，即該吸合的繼電器都同時吸合，不該吸合的繼電器受某種條件限制而不能吸合， 這種工作方式稱為并行工作方式。而PLC的用戶程序是按一定順序循環(huán)執(zhí)行，所以各軟繼電器都處于周期性循環(huán)掃描接通中，受同一條件制約的各個繼電器的動作次序決定于程序掃描順序，這種工作方式稱為串行工作方式。
     3）從控制速度上看，繼電器控制系統(tǒng)依靠機(jī)械觸點(diǎn)的動作以實(shí)現(xiàn)控制，工作頻率低，機(jī)械觸點(diǎn)還會出現(xiàn)抖動問題。而PLC通過程序指令控制半導(dǎo)體電路來實(shí)現(xiàn)控制的，速度快，  程序指令執(zhí)行時間在微秒級，且不會出現(xiàn)觸點(diǎn)抖動問題。
    4）從定時和計數(shù)控制上看，電器控制系統(tǒng)采用時間繼電器的延時動作進(jìn)行時間控制，時間繼電器的延時時間易受環(huán)境溫度和溫度變化的影響，定時精度不高。而PLC采用半導(dǎo)體集成電路作定時器，時鐘脈沖由晶體振蕩器產(chǎn)生，精度高，定時范圍寬，用戶可根據(jù)需要在程序中設(shè)定定時值，修改方便，不受環(huán)境的影響，且PLC具有計數(shù)功能，而電器控制系統(tǒng)一般不具備計數(shù)功能。
    5）從可靠性和可維護(hù)性上看，由于電器控制系統(tǒng)使用了大量的機(jī)械觸點(diǎn)，其存在機(jī)械磨損、電弧燒傷等，壽命短，系統(tǒng)的連線多，所以可靠性和可維護(hù)性較差。而PLC大量的開關(guān)動作由無觸點(diǎn)的半導(dǎo)體電路來完成，其壽命長、可靠性高，PLC還具有自診斷功能，能查出自身的故障，隨時顯示給操作人員，并能動態(tài)地監(jiān)視控制程序的執(zhí)行情況，為現(xiàn)場調(diào)試和維護(hù)提供了方便。

第三節(jié)  PLC的基本組成
    
PLC是微機(jī)技術(shù)和控制技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是一種以微處理器為核心的用于控制的特殊計算機(jī)，因此PLC的基本組成與一般的微機(jī)系統(tǒng)類似。
    一、PLC的硬件組成
    PLC的硬件主要由中央處理器（CPU）、存儲器、輸入單元、輸出單元、通信接口、擴(kuò)展接口電源等部分組成。其中，CPU是PLC的核心，輸入單元與輸出單元是連接現(xiàn)場輸入/輸出設(shè)備與CPU之間的接口電路，通信接口用于與編程器、上位計算機(jī)等外設(shè)連接。
對于整體式PLC，所有部件都裝在同一機(jī)殼內(nèi)，其組成框圖如圖2-5所示；對于模塊式PLC，各部件獨(dú)立封裝成模塊，各模塊通過總線連接，安裝在機(jī)架或?qū)к壣?，其組成框圖如圖2-6所示。無論是哪種結(jié)構(gòu)類型的PLC，都可根據(jù)用戶需要進(jìn)行配置與組合。



圖2-5  整體式PLC組成框圖



圖2-6  模塊式PLC組成框圖
盡管整體式與模塊式PLC的結(jié)構(gòu)不太一樣，但各部分的功能作用是相同的，下面對PLC主要組成各部分進(jìn)行簡單介紹。
    1．中央處理單元（CPU）
    同一般的微機(jī)一樣，CPU是PLC的核心。PLC中所配置的CPU 隨機(jī)型不同而不同，常用有三類：通用微處理器（如Z80、8086、80286等）、單片微處理器（如8031、8096等）和位片式微處理器(如AMD29W等) 。小型PLC大多采用8位通用微處理器和單片微處理器；中型PLC大多采用16位通用微處理器或單片微處理器；大型PLC大多采用高速位片式微處理器。
    目前，小型PLC為單CPU系統(tǒng)，而中、大型PLC則大多為雙CPU系統(tǒng)，甚至有些PLC中多達(dá)8 個CPU。對于雙CPU系統(tǒng)，一般一個為字處理器，一般采用8位或16位處理器；另一個為位處理器，采用由各廠家設(shè)計制造的專用芯片。字處理器為主處理器，用于執(zhí)行編程器接口功能，監(jiān)視內(nèi)部定時器，監(jiān)視掃描時間，處理字節(jié)指令以及對系統(tǒng)總線和位處理器進(jìn)行控制等。位處理器為從處理器，主要用于處理位操作指令和實(shí)現(xiàn)PLC編程語言向機(jī)器語言的轉(zhuǎn)換。位處理器的采用,提高了PLC的速度，使PLC更好地滿足實(shí)時控制要求。
    在PLC中CPU按系統(tǒng)程序賦予的功能，指揮PLC有條不紊地進(jìn)行工作，歸納起來主要有以下幾個方面：
1） 接收從編程器輸入的用戶程序和數(shù)據(jù)。
2） 診斷電源、PLC內(nèi)部電路的工作故障和編程中的語法錯誤等。
3） 通過輸入接口接收現(xiàn)場的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并存入輸入映象寄有器或數(shù)據(jù)寄存器中。
4） 從存儲器逐條讀取用戶程序，經(jīng)過解釋后執(zhí)行。
5） 根據(jù)執(zhí)行的結(jié)果，更新有關(guān)標(biāo)志位的狀態(tài)和輸出映象寄存器的內(nèi)容，通過輸出單元實(shí)現(xiàn)輸出控制。有些PLC還具有制表打印或數(shù)據(jù)通信等功能。
    2．存儲器
    存儲器主要有兩種：一種是可讀/寫操作的隨機(jī)存儲器RAM，另一種是只讀存儲器ROM、PROM 、EPROM 和EEPROM。在PLC中，存儲器主要用于存放系統(tǒng)程序、用戶程序及工作數(shù)據(jù)。
    系統(tǒng)程序是由PLC 的制造廠家編寫的，和PLC的硬件組成有關(guān)，完成系統(tǒng)診斷、命令解釋、功能子程序調(diào)用管理、邏輯運(yùn)算、通信及各種參數(shù)設(shè)定等功能，提供PLC運(yùn)行的平臺。系統(tǒng)程序關(guān)系到PLC的性能，而且在PLC使用過程中不會變動，所以是由制造廠家直接固化在只讀存儲器ROM、PROM或EPROM中，用戶不能訪問和修改。
    用戶程序是隨PLC的控制對象而定的，由用戶根據(jù)對象生產(chǎn)工藝的控制要求而編制的應(yīng)用程序。為了便于讀出、檢查和修改，用戶程序一般存于CMOS靜態(tài)RAM中，用鋰電池作為后備電源，以保證掉電時不會丟失信息。為了防止干擾對RAM中程序的破壞，當(dāng)用戶程序經(jīng)過運(yùn)行正常，不需要改變，可將其固化在只讀存儲器EPROM中?，F(xiàn)在有許多PLC直接采用EEPROM作為用戶存儲器。
工作數(shù)據(jù)是PLC運(yùn)行過程中經(jīng)常變化、經(jīng)常存取的一些數(shù)據(jù)。存放在RAM中，以適應(yīng)隨機(jī)存取的要求。在PLC的工作數(shù)據(jù)存儲器中，設(shè)有存放輸入輸出繼電器、輔助繼電器、定時器、計數(shù)器等邏輯器件的存儲區(qū)，這些器件的狀態(tài)都是由用戶程序的初始設(shè)置和運(yùn)行情況而確定的。根據(jù)需要，部分?jǐn)?shù)據(jù)在掉電時用后備電池維持其現(xiàn)有的狀態(tài)，這部分在掉電時可保存數(shù)據(jù)的存儲區(qū)域稱為保持?jǐn)?shù)據(jù)區(qū)。
由于系統(tǒng)程序及工作數(shù)據(jù)與用戶無直接聯(lián)系，所以在PLC 產(chǎn)品樣本或使用手冊中所列存儲器的形式及容量是指用戶程序存儲器。當(dāng)PLC提供的用戶存儲器容量不夠用，許多PLC還提供有存儲器擴(kuò)展功能。
    3．輸入/輸出單元
    輸入/輸出單元通常也稱I/O單元或I/O模塊，是PLC與工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場之間的連接部件。 PLC通過輸入接口可以檢測被控對象的各種數(shù)據(jù)，以這些數(shù)據(jù)作為PLC對被控制對象進(jìn)行控制的依據(jù)；同時PLC又通過輸出接口將處理結(jié)果送給被控制對象，以實(shí)現(xiàn)控制目的。
由于外部輸入設(shè)備和輸出設(shè)備所需的信號電平是多種多樣的，而PLC內(nèi)部CPU的處理的信息只能是標(biāo)準(zhǔn)電平，所以I/O接口要實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換。I/O接口一般都具有光電隔離和濾波功能，以提高PLC的抗干擾能力。另外，I/O接口上通常還有狀態(tài)指示，工作狀況直觀，便于維護(hù)。
PLC提供了多種操作電平和驅(qū)動能力的I/O接口，有各種各樣功能的I/O接口供用戶選用。I/O接口的主要類型有：數(shù)字量（開關(guān)量）輸入、數(shù)字量（開關(guān)量）輸出、模擬量輸入、模擬量輸出等。
常用的開關(guān)量輸入接口按其使用的電源不同有三種類型：直流輸入接口、交流輸入接口和交/直流輸入接口，其基本原理電路如圖2-7所示。



圖2-7  開關(guān)量輸入接口
a）直流輸入   b）交流輸入   c）交/直流輸入
常用的開關(guān)量輸出接口按輸出開關(guān)器件不同有三種類型：是繼電器輸出、晶體管輸出和雙向晶閘管輸出，其基本原理電路如圖2-8所示。繼電器輸出接口可驅(qū)動交流或直流負(fù)載，但其響應(yīng)時間長，動作頻率低；而晶體管輸出和雙向晶閘管輸出接口的響應(yīng)速度快，動作頻率高，但前者只能用于驅(qū)動直流負(fù)載，后者只能用于交流負(fù)載。



圖2-8  開關(guān)量輸出接口
a）繼電器輸出   b）晶體管輸出   c）晶閘管輸出
     PLC的I/O接口所能接受的輸入信號個數(shù)和輸出信號個數(shù)稱為PLC輸入/ 輸出（I/O）點(diǎn)數(shù)。I/O點(diǎn)數(shù)是選擇PLC的重要依據(jù)之一。當(dāng)系統(tǒng)的I/O點(diǎn)數(shù)不夠時，可通過PLC的I/O擴(kuò)展接口對系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展。
    4．通信接口
    PLC配有各種通信接口，這些通信接口一般都帶有通信處理器。PLC通過這些通信接口可與監(jiān)視器、打印機(jī)、其它PLC、計算機(jī)等設(shè)備實(shí)現(xiàn)通信。PLC與打印機(jī)連接，可將過程信息、系統(tǒng)參數(shù)等輸出打?。慌c監(jiān)視器連接，可將控制過程圖像顯示出來；與其它PLC連接，可組成多機(jī)系統(tǒng)或連成網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)更大規(guī)?？刂?。 與計算機(jī)連接，可組成多級分布式控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)控制與管理相結(jié)合。
遠(yuǎn)程I/O系統(tǒng)也必須配備相應(yīng)的通信接口模塊。
5．智能接口模塊
智能接口模塊是一獨(dú)立的計算機(jī)系統(tǒng)，它有自己的CPU、系統(tǒng)程序、存儲器以及與PLC系統(tǒng)總線相連的接口。它作為PLC系統(tǒng)的一個模塊，通過總線與PLC相連，進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，并在PLC的協(xié)調(diào)管理下獨(dú)立地進(jìn)行工作。
PLC的智能接口模塊種類很多，如：高速計數(shù)模塊、閉環(huán)控制模塊、運(yùn)動控制模塊、中斷控制模塊等。
6．編程裝置
編程裝置的作用是編輯、調(diào)試、輸入用戶程序，也可在線監(jiān)控PLC內(nèi)部狀態(tài)和參數(shù)，與PLC進(jìn)行人機(jī)對話。它是開發(fā)、應(yīng)用、維護(hù)PLC不可缺少的工具。編程裝置可以是專用編程器，也可以是配有專用編程軟件包的通用計算機(jī)系統(tǒng)。專用編程器是由PLC廠家生產(chǎn)，專供該廠家生產(chǎn)的某些PLC產(chǎn)品使用，它主要由鍵盤、顯示器和外存儲器接插口等部件組成。專用編程器有簡易編程器和智能編程器兩類。
簡易型編程器只能聯(lián)機(jī)編程，而且不能直接輸入和編輯梯形圖程序，需將梯形圖程序轉(zhuǎn)化為指令表程序才能輸入。簡易編程器體積小、價格便宜，它可以直接插在PLC的編程插座上，或者用專用電纜與PLC相連，以方便編程和調(diào)試。有些簡易編程器帶有存儲盒，可用來儲存用戶程序，如三菱的FX-20P-E簡易編程器。
智能編程器又稱圖形編程器，本質(zhì)上它是一臺專用便攜式計算機(jī)，如三菱的GP-80FX-E智能型編程器。它既可聯(lián)機(jī)編程，又可脫機(jī)編程?？芍苯虞斎牒途庉嬏菪螆D程序，使用更加直觀、方便，但價格較高，操作也比較復(fù)雜。大多數(shù)智能編程器帶有磁盤驅(qū)動器，提供錄音機(jī)接口和打印機(jī)接口。
專用編程器只能對指定廠家的幾種PLC進(jìn)行編程，使用范圍有限，價格較高。同時，由于PLC產(chǎn)品不斷更新?lián)Q代，所以專用編程器的生命周期也十分有限。因此，現(xiàn)在的趨勢是使用以個人計算機(jī)為基礎(chǔ)的編程裝置，用戶只要購買PLC廠家提供的編程軟件和相應(yīng)的硬件接口裝置。這樣，用戶只用較少的投資即可得到高性能的PLC程序開發(fā)系統(tǒng)。
基于個人計算機(jī)的程序開發(fā)系統(tǒng)功能強(qiáng)大。它既可以編制、修改PLC的梯形圖程序，又可以監(jiān)視系統(tǒng)運(yùn)行、打印文件、系統(tǒng)仿真等。配上相應(yīng)的軟件還可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和分析等許多功能。
    7.電源
    PLC配有開關(guān)電源，以供內(nèi)部電路使用。與普通電源相比，PLC電源的穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)。對電網(wǎng)提供的電源穩(wěn)定度要求不高，一般允許電源電壓在其額定值±15% 的范圍內(nèi)波動。許多PLC還向外提供直流24V穩(wěn)壓電源，用于對外部傳感器供電。
    8.其它外部設(shè)備
除了以上所述的部件和設(shè)備外，PLC還有許多外部設(shè)備，如EPROM寫入器、外存儲器、人/機(jī)接口裝置等。
EPROM寫入器是用來將用戶程序固化到EPROM存儲器中的一種PLC外部設(shè)備。為了使調(diào)試好用戶程序不易丟失，經(jīng)常用EPROM寫入器將PLC內(nèi)RAM保存到EPROM中。
PLC內(nèi)部的半導(dǎo)體存儲器稱為內(nèi)存儲器。有時可用外部的磁帶、磁盤和用半導(dǎo)體存儲器作成的存儲盒等來存儲PLC的用戶程序，這些存儲器件稱為外存儲器。外存儲器一般是通過編程器或其它智能模塊提供的接口，實(shí)現(xiàn)與內(nèi)存儲器之間相互傳送用戶程序。
人/機(jī)接口裝置是用來實(shí)現(xiàn)操作人員與PLC控制系統(tǒng)的對話。最簡單、最普遍的人/機(jī)接口裝置由安裝在控制臺上的按鈕、轉(zhuǎn)換開關(guān)、撥碼開關(guān)、指示燈、LED顯示器、聲光報警器等器件構(gòu)成。對于PLC系統(tǒng)，還可采用半智能型CRT人/機(jī)接口裝置和智能型終端人/機(jī)接口裝置。半智能型CRT人/機(jī)接口裝置可長期安裝在控制臺上，通過通信接口接收來自PLC的信息并在CRT上顯示出來；而智能型終端人/機(jī)接口裝置有自己的微處理器和存儲器，能夠與操作人員快速交換信息，并通過通信接口與PLC相連，也可作為獨(dú)立的節(jié)點(diǎn)接入PLC網(wǎng)絡(luò)。
二、PLC的軟件組成
PLC的軟件由系統(tǒng)程序和用戶程序組成。
系統(tǒng)程序由PLC制造廠商設(shè)計編寫的，并存入PLC的系統(tǒng)存儲器中，用戶不能直接讀寫與更改。系統(tǒng)程序一般包括系統(tǒng)診斷程序、輸入處理程序、編譯程序、信息傳送程序、監(jiān)控程序等。
 PLC的用戶程序是用戶利用PLC的編程語言，根據(jù)控制要求編制的程序。在PLC的應(yīng)用中，最重要的是用PLC的編程語言來編寫用戶程序，以實(shí)現(xiàn)控制目的。由于PLC是專門為工業(yè)控制而開發(fā)的裝置，其主要使用者是廣大電氣技術(shù)人員，為了滿足他們的傳統(tǒng)習(xí)慣和掌握能力，PLC的主要編程語言采用比計算機(jī)語言相對簡單、易懂、形象的專用語言。
    PLC編程語言是多種多樣的，對于不同生產(chǎn)廠家、不同系列的PLC產(chǎn)品采用的編程語言的表達(dá)方式也不相同，但基本上可歸納兩種類型：一是采用字符表達(dá)方式的編程語言，如語句表等；二是采用圖形符號表達(dá)方式編程語言，如梯形圖等。
    以下簡要介紹幾種常見的PLC編程語言。
    1.梯形圖語言
    梯形圖語言是在傳統(tǒng)電器控制系統(tǒng)中常用的接觸器、繼電器等圖形表達(dá)符號的基礎(chǔ)上演變而來的。它與電器控制線路圖相似，繼承了傳統(tǒng)電器控制邏輯中使用的框架結(jié)構(gòu)、邏輯運(yùn)算方式和輸入輸出形式，具有形象、直觀、實(shí)用的特點(diǎn)。因此，這種編程語言為廣大電氣技術(shù)人員所熟知，是應(yīng)用最廣泛的PLC的編程語言，是PLC的第一編程語言。
如圖2-9所示是傳統(tǒng)的電器控制線路圖和PLC梯形圖。



圖2-9   電器控制線路圖與梯形圖
a） 電器控制線路圖      b）P L C 梯形圖
    從圖中可看出，兩種圖基本表示思想是一致的，具體表達(dá)方式有一定區(qū)別。PLC的梯形圖使用的是內(nèi)部繼電器，定時／計數(shù)器等，都是由軟件來實(shí)現(xiàn)的，使用方便，修改靈活，是原電器控制線路硬接線無法比擬的。
    2.語句表語言
    這種編程語言是一種與匯編語言類似的助記符編程表達(dá)方式。在PLC應(yīng)用中，經(jīng)常采用簡易編程器，而這種編程器中沒有CRT屏幕顯示，或沒有較大的液晶屏幕顯示。因此，就用一系列PLC操作命令組成的語句表將梯形圖描述出來，再通過簡易編程器輸入到PLC中。雖然各個PLC生產(chǎn)廠家的語句表形式不盡相同，但基本功能相差無幾。以下是與圖2-9中梯形圖對應(yīng)的（FX系列PLC）語句表程序。
      步序號           指令             數(shù)據(jù)
        0              L D               X 1 
        1              O R               Y 0 
        2              A N I             X 2 
        3              O U T             Y 0 
        4              L D               X 3 
        5              O U T             Y 1 
    可以看出，語句是語句表程序的基本單元，每個語句和微機(jī)一樣也由地址（步序號）、操作碼（指令）和操作數(shù)（數(shù)據(jù)）三部分組成。
    3.邏輯圖語言
    邏輯圖是一種類似于數(shù)字邏輯電路結(jié)構(gòu)的編程語言，由與門、或門、非門、定時器、計數(shù)器、觸發(fā)器等邏輯符號組成。有數(shù)字電路基礎(chǔ)的電氣技術(shù)人員較容易掌握，如圖2-10所示。



圖2-10  邏輯圖語言編程
   4.功能表圖語言
   功能表圖語言（SFC語言）是一種較新的編程方法，又稱狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖語言。它將一個完整的控制過程分為若干階段，各階段具有不同的動作，階段間有一定的轉(zhuǎn)換條件，轉(zhuǎn)換條件滿足就實(shí)現(xiàn)階段轉(zhuǎn)移，上一階段動作結(jié)束，下一階段動作開始。是用功能表圖的方式來表達(dá)一個控制過程，對于順序控制系統(tǒng)特別適用。
    5.高級語言
    隨著PLC技術(shù)的發(fā)展，為了增強(qiáng)PLC的運(yùn)算、數(shù)據(jù)處理及通信等功能，以上編程語言無法很好地滿足要求。近年來推出的PLC，尤其是大型PLC，都可用高級語言，如BASIC語言、C語言、PASCAL語言等進(jìn)行編程。采用高級語言后，用戶可以像使用普通微型計算機(jī)一樣操作PLC，使PLC的各種功能得到更好的發(fā)揮。

第四節(jié)  PLC的工作原理
    
    一、掃描工作原理
     當(dāng)PLC運(yùn)行時，是通過執(zhí)行反映控制要求的用戶程序來完成控制任務(wù)的，需要執(zhí)行眾多的操作，但CPU不可能同時去執(zhí)行多個操作，它只能按分時操作（串行工作）方式，每一次執(zhí)行一個操作，按順序逐個執(zhí)行。由于CPU的運(yùn)算處理速度很快，所以從宏觀上來看，PLC外部出現(xiàn)的結(jié)果似乎是同時（并行）完成的。這種串行工作過程稱為PLC的掃描工作方式。
    用掃描工作方式執(zhí)行用戶程序時，掃描是從第一條程序開始，在無中斷或跳轉(zhuǎn)控制的情況下，按程序存儲順序的先后，逐條執(zhí)行用戶程序，直到程序結(jié)束。然后再從頭開始掃描執(zhí)行，周而復(fù)始重復(fù)運(yùn)行。
PLC的掃描工作方式與電器控制的工作原理明顯不同。電器控制裝置采用硬邏輯的并行工作方式，如果某個繼電器的線圈通電或斷電，那么該繼電器的所有常開和常閉觸點(diǎn)不論處在控制線路的哪個位置上，都會立即同時動作；而PLC采用掃描工作方式（串行工作方式），如果某個軟繼電器的線圈被接通或斷開，其所有的觸點(diǎn)不會立即動作，必須等掃描到該時才會動作。但由于PLC的掃描速度快，通常PLC與電器控制裝置在I/O的處理結(jié)果上并沒有什么差別。
二、PLC掃描工作過程
PLC的掃描工作過程除了執(zhí)行用戶程序外，在每次掃描工作過程中還要完成內(nèi)部處理、通信服務(wù)工作。如圖2-11所示，整個掃描工作過程包括內(nèi)部處理、通信服務(wù)、輸入采樣、程序執(zhí)行、輸出刷新五個階段。整個過程掃描執(zhí)行一遍所需的時間稱為掃描周期。掃描周期與CPU運(yùn)行速度、PLC硬件配置及用戶程序長短有關(guān)，典型值為1～100ms。



圖2-11  掃描過程示意圖
在內(nèi)部處理階段，進(jìn)行PLC自檢，檢查內(nèi)部硬件是否正常，對監(jiān)視定時器（WDT）復(fù)位以及完成其它一些內(nèi)部處理工作。
在通信服務(wù)階段，PLC與其它智能裝置實(shí)現(xiàn)通信，響應(yīng)編程器鍵入的命令，更新編程器的顯示內(nèi)容等。
當(dāng)PLC處于停止（STOP）狀態(tài)時，只完成內(nèi)部處理和通信服務(wù)工作。當(dāng)PLC處于運(yùn)行（RUN）狀態(tài)時，除完成內(nèi)部處理和通信服務(wù)工作外，還要完成輸入采樣、程序執(zhí)行、輸出刷新工作。
     PLC的掃描工作方式簡單直觀，便于程序的設(shè)計，并為可靠運(yùn)行提供了保障。當(dāng)PLC 掃描到的指令被執(zhí)行后，其結(jié)果馬上就被后面將要掃描到的指令所利用，  而且還可通過CPU內(nèi)部設(shè)置的監(jiān)視定時器來監(jiān)視每次掃描是否超過規(guī)定時間，避免由于CPU內(nèi)部故障使程序執(zhí)行進(jìn)入死循環(huán)。
三 、PLC執(zhí)行程序的過程及特點(diǎn)
    PLC執(zhí)行程序的過程分為三個階段，即輸入采樣階段、程序執(zhí)行階段、輸出刷新階段，如圖4-12所示。



圖4-12  PLC執(zhí)行程序過程示意圖
    1．輸入采樣階段  
    在輸入采樣階段，PLC以掃描工作方式按順序?qū)λ休斎攵说妮斎霠顟B(tài)進(jìn)行采樣，并存入輸入映象寄存器中，此時輸入映象寄存器被刷新。接著進(jìn)入程序處理階段，在程序執(zhí)行階段或其它階段，即使輸入狀態(tài)發(fā)生變化，輸入映象寄存器的內(nèi)容也不會改變，輸入狀態(tài)的變化只有在下一個掃描周期的輸入處理階段才能被采樣到。
    2．程序執(zhí)行階段
    在程序執(zhí)行階段，PLC對程序按順序進(jìn)行掃描執(zhí)行。若程序用梯形圖來表示，則總是按先上后下，先左后右的順序進(jìn)行。當(dāng)遇到程序跳轉(zhuǎn)指令時，則根據(jù)跳轉(zhuǎn)條件是否滿足來決定程序是否跳轉(zhuǎn)。當(dāng)指令中涉及到輸入、輸出狀態(tài)時，PLC從輸入映像寄存器和元件映象寄存器中讀出，根據(jù)用戶程序進(jìn)行運(yùn)算，運(yùn)算的結(jié)果再存入元件映象寄存器中。對于元件映象寄存器來說，其內(nèi)容會隨程序執(zhí)行的過程而變化。
    3．輸出刷新階段
    當(dāng)所有程序執(zhí)行完畢后，進(jìn)入輸出處理階段。在這一階段里，PLC將輸出映象寄存器中與輸出有關(guān)的狀態(tài)（輸出繼電器狀態(tài)）轉(zhuǎn)存到輸出鎖存器中，并通過一定方式輸出，驅(qū)動外部負(fù)載。
    因此，PLC在一個掃描周期內(nèi)，對輸入狀態(tài)的采樣只在輸入采樣階段進(jìn)行。當(dāng)PLC進(jìn)入程序執(zhí)行階段后輸入端將被封鎖，直到下一個掃描周期的輸入采樣階段才對輸入狀態(tài)進(jìn)行重新采樣。這方式稱為集中采樣，即在一個掃描周期內(nèi)，集中一段時間對輸入狀態(tài)進(jìn)行采樣。
    在用戶程序中如果對輸出結(jié)果多次賦值，則最后一次有效。在一個掃描周期內(nèi)，只在輸出刷新階段才將輸出狀態(tài)從輸出映象寄存器中輸出，對輸出接口進(jìn)行刷新。在其它階段里輸出狀態(tài)一直保存在輸出映象寄存器中。這種方式稱為集中輸出。
    對于小型PLC，其I/O點(diǎn)數(shù)較少，用戶程序較短，一般采用集中采樣、集中輸出的工作方式，雖然在一定程度上降低了系統(tǒng)的響應(yīng)速度，但使PLC工作時大多數(shù)時間與外部輸入/輸出設(shè)備隔離，從根本上提高了系統(tǒng)的抗干擾能力，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性。
    而對于大中型PLC，其I/O點(diǎn)數(shù)較多，控制功能強(qiáng)，用戶程序較長，為提高系統(tǒng)響應(yīng)速度，可以采用定期采樣、定期輸出方式，或中斷輸入、輸出方式以及采用智能I/O接口等多種方式。
    從上述分析可知，當(dāng)PLC的輸入端輸入信號發(fā)生變化到PLC輸出端對該輸入變化作出反應(yīng)，需要一段時間，這種現(xiàn)象稱為PLC輸入／輸出響應(yīng)滯后。對一般的工業(yè)控制，這種滯后是完全允許的。應(yīng)該注意的是，這種響應(yīng)滯后不僅是由于PLC掃描工作方式造成，更主要是PLC輸入接口的濾波環(huán)節(jié)帶來的輸入延遲，以及輸出接口中驅(qū)動器件的動作時間帶來輸出延遲，同時還與程序設(shè)計有關(guān)。滯后時間是設(shè)計PLC應(yīng)用系統(tǒng)時應(yīng)注意把握的一個參數(shù)。

第五節(jié)  PLC的性能指標(biāo)與發(fā)展趨勢
   
一、PLC的性能指標(biāo)
1．存儲容量
存儲容量是指用戶程序存儲器的容量。用戶程序存儲器的容量大，可以編制出復(fù)雜的程序。一般來說，小型PLC的用戶存儲器容量為幾千字，而大型機(jī)的用戶存儲器容量為幾萬字。
2．I/O點(diǎn)數(shù)
輸入/輸出（I/O）點(diǎn)數(shù)是PLC可以接受的輸入信號和輸出信號的總和，是衡量PLC性能的重要指標(biāo)。I/O點(diǎn)數(shù)越多，外部可接的輸入設(shè)備和輸出設(shè)備就越多，控制規(guī)模就越大。
3．掃描速度
掃描速度是指PLC執(zhí)行用戶程序的速度，是衡量PLC性能的重要指標(biāo)。一般以掃描1K字用戶程序所需的時間來衡量掃描速度，通常以ms/K字為單位。PLC用戶手冊一般給出執(zhí)行各條指令所用的時間，可以通過比較各種PLC執(zhí)行相同的操作所用的時間，來衡量掃描速度的快慢。
4．指令的功能與數(shù)量
指令功能的強(qiáng)弱、數(shù)量的多少也是衡量PLC性能的重要指標(biāo)。編程指令的功能越強(qiáng)、數(shù)量越多，PLC的處理能力和控制能力也越強(qiáng)，用戶編程也越簡單和方便，越容易完成復(fù)雜的控制任務(wù)。 
5．內(nèi)部元件的種類與數(shù)量
在編制PLC程序時，需要用到大量的內(nèi)部元件來存放變量、中間結(jié)果、保持?jǐn)?shù)據(jù)、定時計數(shù)、模塊設(shè)置和各種標(biāo)志位等信息。這些元件的種類與數(shù)量越多，表示PLC的存儲和處理各種信息的能力越強(qiáng)。
6．特殊功能單元
特殊功能單元種類的多少與功能的強(qiáng)弱是衡量PLC產(chǎn)品的一個重要指標(biāo)。近年來各PLC廠商非常重視特殊功能單元的開發(fā)，特殊功能單元種類日益增多，功能越來越強(qiáng)，使PLC的控制功能日益擴(kuò)大
7．可擴(kuò)展能力
PLC的可擴(kuò)展能力包括I/O點(diǎn)數(shù)的擴(kuò)展、存儲容量的擴(kuò)展、聯(lián)網(wǎng)功能的擴(kuò)展、各種功能模塊的擴(kuò)展等。在選擇PLC時，經(jīng)常需要考慮PLC的可擴(kuò)展能力。
二、PLC的發(fā)展趨勢
    1．向高速度、大容量方向發(fā)展
    為了提高PLC的處理能力，要求PLC 具有更好的響應(yīng)速度和更大的存儲容量。目前，有的PLC的掃描速度可達(dá)0.1 ms/k步左右。PLC的掃描速度已成為很重要的一個性能指標(biāo)。
    在存儲容量方面，有的PLC最高可達(dá)幾十兆字節(jié)。為了擴(kuò)大存儲容量，有的公司已使用了磁泡存儲器或硬盤。
    2．向超大型、超小型兩個方向發(fā)展
    當(dāng)前中小型PLC比較多，為了適應(yīng)市場的多種需要，今后PLC 要向多品種方向發(fā)展，特別是向超大型和超小型兩個方向發(fā)展?，F(xiàn)已有I/O點(diǎn)數(shù)達(dá)14336點(diǎn)的超大型PLC，其使用32位微處理器，多CPU并行工作和大容量存儲器，功能強(qiáng)。
    小型PLC由整體結(jié)構(gòu)向小型模塊化結(jié)構(gòu)發(fā)展，使配置更加靈活，為了市場需要已開發(fā)了各種簡易、經(jīng)濟(jì)的超小型微型PLC ，最小配置的I/O點(diǎn)數(shù)為8～16 點(diǎn)，以適應(yīng)單機(jī)及小型自動控制的需要，如三菱公司α系列PLC。
    3．PLC大力開發(fā)智能模塊，加強(qiáng)聯(lián)網(wǎng)通信能力
    為滿足各種自動化控制系統(tǒng)的要求，近年來不斷開發(fā)出許多功能模塊，如高速計數(shù)模塊、溫度控制模塊、遠(yuǎn)程I/O模塊、通信和人機(jī)接口模塊等。這些帶CPU和存儲器的智能I/O模塊，既擴(kuò)展了PLC功能，又使用靈活方便，擴(kuò)大了PLC應(yīng)用范圍。
    加強(qiáng)PLC 聯(lián)網(wǎng)通信的能力，是PLC技術(shù)進(jìn)步的潮流。PLC的聯(lián)網(wǎng)通信有兩類：一類是PLC之間聯(lián)網(wǎng)通信，各PLC生產(chǎn)廠家都有自己的專有聯(lián)網(wǎng)手段；另一類是PLC與計算機(jī)之間的聯(lián)網(wǎng)通信，一般PLC都有專用通信模塊與計算機(jī)通信。為了加強(qiáng)聯(lián)網(wǎng)通信能力，PLC生產(chǎn)廠家之間也在協(xié)商制訂通用的通信標(biāo)準(zhǔn)，以構(gòu)成更大的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，PLC已成為集散控制系統(tǒng)（DCS）不可缺少的重要組成部分。
     4．增強(qiáng)外部故障的檢測與處理能力
     根據(jù)統(tǒng)計資料表明：在PLC控制系統(tǒng)的故障中，CPU占5%，I/O接口占15%，輸入設(shè)備占45%，輸出設(shè)備占30%，線路占5%。前二項(xiàng)共20%故障屬于PLC的內(nèi)部故障，它可通過PLC本身的軟、硬件實(shí)現(xiàn)檢測、處理；而其余80%的故障屬于PLC的外部故障。因此，PLC生產(chǎn)廠家都致力于研制、發(fā)展用于檢測外部故障的專用智能模塊，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的可靠性。
     5．編程語言多樣化
    在PLC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不斷發(fā)展的同時，PLC的編程語言也越來越豐富，功能也不斷提高。除了大多數(shù)PLC使用的梯形圖語言外，為了適應(yīng)各種控制要求，出現(xiàn)了面向順序控制的步進(jìn)編程語言、面向過程控制的流程圖語言、與計算機(jī)兼容的高級語言（BASIC、C語言等）等。多種編程語言的并存、互補(bǔ)與發(fā)展是PLC進(jìn)步的一種趨勢。

第六節(jié)  國內(nèi)外PLC產(chǎn)品介紹

    世界上PLC產(chǎn)品可按地域分成三大流派：一個流派是美國產(chǎn)品，一個流派是歐洲產(chǎn)品，一個流派是日本產(chǎn)品。美國和歐洲的PLC技術(shù)是在相互隔離情況下獨(dú)立研究開發(fā)的，因此美國和歐洲的PLC產(chǎn)品有明顯的差異性。而日本的PLC技術(shù)是由美國引進(jìn)的，對美國的PLC產(chǎn)品有一定的繼承性，但日本的主推產(chǎn)品定位在小型PLC上。美國和歐洲以大中型PLC而聞名，而日本則以小型PLC著稱。
一、美國PLC產(chǎn)品
美國是PLC生產(chǎn)大國，有100多家PLC廠商，著名的有A-B公司、通用電氣（GE）公司、莫迪康（MODICON）公司、德州儀器（TI）公司、西屋公司等。其中A-B公司是美國最大的PLC制造商，其產(chǎn)品約占美國PLC市場的一半。
A-B公司產(chǎn)品規(guī)格齊全、種類豐富，其主推的大、中型PLC產(chǎn)品是PLC-5系列。該系列為模塊式結(jié)構(gòu)，CPU模塊為PLC-5/10、PLC-5/12、PLC-5/15、PLC-5/25時，屬于中型PLC，I/O點(diǎn)配置范圍為256～1024點(diǎn)；當(dāng)CPU模塊為PLC-5/11、PLC-5/20、PLC-5/30、PLC-5/40、PLC-5/60、PLC-5/40L、PLC-5/60L時，屬于大型PLC，I/O點(diǎn)最多可配置到3072點(diǎn)。該系列中PLC-5/250功能最強(qiáng)，最多可配置到4096個I/O點(diǎn)，具有強(qiáng)大的控制和信息管理功能。大型機(jī)PLC-3最多可配置到8096個I/O點(diǎn)。A-B公司的小型PLC產(chǎn)品有SLC500系列等。
GE公司的代表產(chǎn)品是：小型機(jī)GE-1、GE-1/J、GE-1/P等，除GE-1/J外，均采用模塊結(jié)構(gòu)。GE－l用于開關(guān)量控制系統(tǒng)，最多可配置到112個I/O點(diǎn)。GE-1/J是更小型化的產(chǎn)品，其I/O點(diǎn)最多可配置到96點(diǎn)。GE-1/P是GE-1的增強(qiáng)型產(chǎn)品，增加了部分功能指令（數(shù)據(jù)操作指令）、功能模塊（A/D、D/A等）、遠(yuǎn)程I/O功能等，其I/O點(diǎn)最多可配置到168點(diǎn)。中型機(jī)GE-Ⅲ，它比GE-1/P增加了中斷、故障診斷等功能，最多可配置到400個I/O點(diǎn)。大型機(jī)GE-Ⅴ，它比GE-Ⅲ增加了部分?jǐn)?shù)據(jù)處理、表格處理、子程序控制等功能，并具有較強(qiáng)的通信功能，最多可配置到2048個I/O點(diǎn)。GE-Ⅵ/P最多可配置到4000個I/O點(diǎn)。
德州儀器（TI）公司的小型PLC新產(chǎn)品有510、520和TI100等，中型PLC新產(chǎn)品有TI300、5TI等，大型PLC產(chǎn)品有PM550、530、560、565等系列。除TI100和TI300無聯(lián)網(wǎng)功能外，其它PLC都可實(shí)現(xiàn)通信，構(gòu)成分布式控制系統(tǒng)。
    莫迪康（MODICON）公司有M84系列PLC。其中M84是小型機(jī)，具有模擬量控制、與上位機(jī)通信功能，最多I/O點(diǎn)為112點(diǎn)。M484是中型機(jī)，其運(yùn)算功能較強(qiáng)，可與上位機(jī)通信，也可與多臺聯(lián)網(wǎng)，最多可擴(kuò)展I/O點(diǎn)為512點(diǎn)。M584是大型機(jī)，其容量大、數(shù)據(jù)處理和網(wǎng)絡(luò)能力強(qiáng)，最多可擴(kuò)展I/O點(diǎn)為8192。M884增強(qiáng)型中型機(jī)，它具有小型機(jī)的結(jié)構(gòu)、大型機(jī)的控制功能，主機(jī)模塊配置2個RS-232C接口，可方便地進(jìn)行組網(wǎng)通信。
二、歐州PLC產(chǎn)品
德國的西門子（SIEMENS）公司、AEG公司、法國的TE公司是歐洲著名的PLC制造商。德國的西門子的電子產(chǎn)品以性能精良而久負(fù)盛名。在中、大型PLC產(chǎn)品領(lǐng)域與美國的A-B公司齊名。
西門子PLC主要產(chǎn)品是S5、S7系列。在S5系列中，S5-90U、S-95U屬于微型整體式PLC；S5-100U是小型模塊式PLC，最多可配置到256個I/O點(diǎn)；S5-115U是中型PLC，最多可配置到1024個I/O點(diǎn)；S5-115UH是中型機(jī)，它是由兩臺SS－115U組成的雙機(jī)冗余系統(tǒng)； S5-155U為大型機(jī)，最多可配置到4096個I/O點(diǎn)，模擬量可達(dá)300多路；SS－155H是大型機(jī)，它是由兩臺S5-155U組成的雙機(jī)冗余系統(tǒng)。而S7系列是西門子公司在S5系列PLC基礎(chǔ)上近年推出的新產(chǎn)品，其性能價格比高，其中S7-200系列屬于微型PLC、S7-300系列屬于于中小型PLC、S7-400系列屬于于中高性能的大型PLC。
三、日本PLC產(chǎn)品
日本的小型PLC最具特色，在小型機(jī)領(lǐng)域中頗具盛名，某些用歐美的中型機(jī)或大型機(jī)才能實(shí)現(xiàn)的控制，日本的小型機(jī)就可以解決。在開發(fā)較復(fù)雜的控制系統(tǒng)方面明顯優(yōu)于歐美的小型機(jī)，所以格外受用戶歡迎。日本有許多PLC制造商，如三菱、歐姆龍、松下、富士、日立、東芝等，在世界小型PLC市場上，日本產(chǎn)品約占有70％的份額。
    三菱公司的PLC是較早進(jìn)入中國市場的產(chǎn)品。其小型機(jī)F1/F2系列是F系列的升級產(chǎn)品，早期在我國的銷量也不小。F1/F2系列加強(qiáng)了指令系統(tǒng)，增加了特殊功能單元和通信功能，比F系列有了更強(qiáng)的控制能力。繼F1/F2系列之后，20世紀(jì)80年代末三菱公司又推出FX系列，在容量、速度、特殊功能、網(wǎng)絡(luò)功能等方面都有了全面的加強(qiáng)。FX2系列是在90年代開發(fā)的整體式高功能小型機(jī)，它配有各種通信適配器和特殊功能單元。FX2N幾年推出的高功能整體式小型機(jī)，它是FX2的換代產(chǎn)品，各種功能都有了全面的提升。近年來還不斷推出滿足不同要求的微型PLC，如FXOS、FX1S、FX0N、FX1N及α系列等產(chǎn)品。
三菱公司的大中型機(jī)有A系列、QnA系列、Q系列，具有豐富的網(wǎng)絡(luò)功能，I/O點(diǎn)數(shù)可達(dá)8192點(diǎn)。其中Q系列具有超小的體積、豐富的機(jī)型、靈活的安裝方式、雙CPU協(xié)同處理、多存儲器、遠(yuǎn)程口令等特點(diǎn)，是三菱公司現(xiàn)有PLC中最高性能的PLC。
歐姆龍（OMRON）公司的PLC產(chǎn)品，大、中、小、微型規(guī)格齊全。微型機(jī)以SP系列為代表，其體積極小，速度極快。小型機(jī)有 P型、H型、CPM1A系列、CPM2A系列、CPM2C、CQM1等。P型機(jī)現(xiàn)已被性價比更高的CPM1A系列所取代，CPM2A/2C、 CQM1系列內(nèi)置RS-232C接口和實(shí)時時鐘，并具有軟PID功能，CQM1H是 CQM1的升級產(chǎn)品。中型機(jī)有C200H、C200HS、C200HX、C200HG、C200HE、CS1系列。C200H是前些年暢銷的高性能中型機(jī)，配置齊全的I/O模塊和高功能模塊，具有較強(qiáng)的通信和網(wǎng)絡(luò)功能。C200HS是C200H的升級產(chǎn)品，指令系統(tǒng)更豐富、網(wǎng)絡(luò)功能更強(qiáng)。C200HX/HG/HE是C200HS的升級產(chǎn)品，有1148個I/O點(diǎn)，其容量是 C200HS的2倍，速度是C200HS的3．75倍，有品種齊全的通信模塊，是適應(yīng)信息化的PLC產(chǎn)品。CS1系列具有中型機(jī)的規(guī)模、大型機(jī)的功能，是一種極具推廣價值的新機(jī)型。大型機(jī)有  C1000H、C2000H、CV（CV500／CV1000／CV2000／CVM1）等。 C1000H、C2000H可單機(jī)或雙機(jī)熱備運(yùn)行，安裝帶電插拔模塊，C2000H可在線更換I/O模塊；CV系列中除CVM1外，均可采用結(jié)構(gòu)化編程，易讀、易調(diào)試，并具有更強(qiáng)大的通信功能。
    松下公司的PLC產(chǎn)品中，F(xiàn)PO為微型機(jī)，F(xiàn)P1為整體式小型機(jī)，F(xiàn)P3為中型機(jī)，F(xiàn)P5/FP10、FP10S（FP10的改進(jìn)型）、FP20為大型機(jī)，其中FP20是最新產(chǎn)品。松下公司近幾年P(guān)LC產(chǎn)品的主要特點(diǎn)是：指令系統(tǒng)功能強(qiáng)；有的機(jī)型還提供可以用FP-BASIC語言編程的CPU及多種智能模塊，為復(fù)雜系統(tǒng)的開發(fā)提供了軟件手段；FP系列各種PLC都配置通信機(jī)制，由于它們使用的應(yīng)用層通信協(xié)議具有一致性，這給構(gòu)成多級PLC網(wǎng)絡(luò)和開發(fā)PLC網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序帶來方便。
四、我國PLC產(chǎn)品
我國有許多廠家、科研院所從事PLC的研制與開發(fā)，如中國科學(xué)院自動化研究所的PLC-0088，北京聯(lián)想計算機(jī)集團(tuán)公司的GK-40，上海機(jī)床電器廠的CKY-40，上海起重電器廠的CF-40MR/ER，蘇州電子計算機(jī)廠的YZ-PC-001A，原機(jī)電部北京機(jī)械工業(yè)自動化研究所的
MPC-00l/20、KB-20/40，杭州機(jī)床電器廠的DKK02，天津中環(huán)自動化儀表公司的DJK-S-84/86/480，上海自立電子設(shè)備廠的KKI系列，上海香島機(jī)電制造有限公司的ACMY-S80、ACMY-S256，無錫華光電子工業(yè)有限公司（合資）的SR-10、SR-20/21等。
    從1982年以來，先后有天津、廈門、大連、上海等地相關(guān)企業(yè)與國外著名PLC制造廠商進(jìn)行合資或引進(jìn)技術(shù)、生產(chǎn)線等，這將促進(jìn)我國的PLC技術(shù)在趕超世界先進(jìn)水平的道路上快速發(fā)展。
    
習(xí)  題

    2-1  什么是PLC？它與電器控制、微機(jī)控制相比主要優(yōu)點(diǎn)是什么？
    2-2  為什么PLC軟繼電器的觸點(diǎn)可無數(shù)次使用？
2-3  PLC的硬件由哪幾部分組成？各有什么作用？PLC主要有哪些外部設(shè)備？各有什么作用？
    2-4  PLC的軟件由哪幾部分組成？各有什么作用？
2-5  PLC主要的編程語言有哪幾種？各有什么特點(diǎn)？
2-6  PLC開關(guān)量輸出接口按輸出開關(guān)器件的種類不同，有哪幾種型式？各有什么特點(diǎn)？
    2-7  PLC采用什么樣的工作方式？有何特點(diǎn)？
2-8  什么是PLC的掃描周期？其掃描過程分為哪幾個階段，各階段完成什么任務(wù)？
    2-9  PLC掃描過程中輸入映象寄存器和元件映象寄存器各起什么作用？
2-10  什么是PLC的輸入/輸出滯后現(xiàn)象？造成這種現(xiàn)象的主要原因是什么？可采取哪些措施減少輸入/輸出滯后時間？
    2-11  PLC是如何分類的？按結(jié)構(gòu)型式不同，PLC可分為哪幾類？各有什么特點(diǎn)？
    2-12  PLC有什么特點(diǎn)？為什么PLC具有高可靠性？
    2-13  PLC主要性能指標(biāo)有哪些？各指標(biāo)的意義是什么？
2-14  PLC控制與電器控制比較，有何不同？