PLC概述

一、PLC的定义和特点

1、定义： PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。

2、特点：

1）可靠性高，抗干扰能力强

PLC是用于工业环境的，要能克服强电磁干扰、机械振动、电压波动、极端高温低温和湿度大等不利因素。在设计和制造PLC时，就已经着重强化了抗干扰能力和耐环境性。在PLC内部硬件方面，采取了屏蔽电磁干扰、I/O光电隔离、滤波、电压调整、自诊断电路等措施，严格筛选元器件并采用大规模集成电路技术和先进的生产制造工艺；在PLC内部系统软件方面，采取了故障软件检测报警、程序检查、警戒时钟、数据备份、信息保存恢复等措施。在PLC的外部控制电路方面，PLC构成的控制系统与和继电器接触器系统相比，连接电线和接点能减少90％以上，故障率因此大大降低。以上各方面的措施使得以PLC为核心的控制系统具有极高的可靠性和抗干扰能力。

2）编程简单，易学易用

设计PLC时就已经考虑到它的使用人员主要是电气工程技术人员，因此PLC一般都支持梯形图编程语言，梯形图编程语言的图形符号与表达方式和继电器控制电路非常相似，表达电路原理清晰直观，并且为广大电气技术人员所熟悉，非常方便操作人员学习和编程使用，让不熟悉计算机原理、汇编语言的人员也能使用。

3）减少设计、施工的工作量，易于维修维护

PLC用软件逻辑取代继电器电路的硬接线逻辑，能大量减少控制电路的外部连线，减少了设计施工的工作量；PLC的自诊断报警、故障信息提示等功能能帮助操作人员维护维修控制系统；当控制工艺变化时，不改变控制电路硬件，只修改用户程序就能适应工艺的变化，有利于实现柔性制造。

4）体积小，重量轻，功耗低

PLC与继电器控制电路相比，体积减小95％以上，功耗减少70％以上。由于体积小、功耗小，抗干扰能力强，易于安装在机械设备内部，是实现机电一体化的理想控制设备。

5）产品线全，功能完善，通用性强

PLC发展至今，各种规模、结构、品牌的产品线都非常齐全。I/O点数范围覆盖了从32～256点的微型小型PLC，256～4096点的中大型PLC，一直到8192点的巨型PLC；除了逻辑处理功能以外，PLC还具有数学运算、定时、计数、通信等功能，还能提供位置控制、温度控制、模拟量、高速计数、通信联网等各种模块让用户选用，能满足控制系统的各种要求。

二、PLC的应用领域

PLC的应用领域很广，主要有以下几方面的应用：

1、顺序控制——PLC的顺序控制取代了传统的继电器接触器顺序控制系统，是PLC最早、最广泛的应用。

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2、闭环过程控制——PLC通过模拟量输入模块，把温度、速度、压力、位置等连续变化的模拟量转换为数字量，在PLC内进行控制运算，并用模拟量输出模块把数字量运算结果以电压、电流形式输出去控制外部设备，这一运算、控制过程就是模拟量的闭环控制。实际应用时，配合PID(比例、积分、微分)算法，能实现对控制过程中某些物理量的稳定、精确的闭环控制。

3、数据处理——现代PLC具有很强的数据处理能力，能实现数据采集、分析和处理等功能。它不仅能实现四则运算、函数运算、字逻辑运算、浮点数运算等数字运算功能，还有数据传送、数据转换、数据比较、数据显示、查表排序等功能。

4、通信和网络——目前大多数的PLC都有通信联网功能。PLC能以通信方式和其他智能控制设备(如变频器、运动控制器、智能仪表等)配合使用，可以节约成本，提高控制水平。PLC还能组成网络、控制远程I/O、执行和上位计算机的数据通信任务，以实现“集中管理、分散控制”的多级分布式控制方式，提高工厂自动化水平。

三、可编程控制器的基本结构

最初开发PLC的目的就是要用PLC来取代继电器接触器控制电路，PLC的工作思想就是仿真、模拟继电器接触器控制系统。根据流过电流的大小，电气控制电路分为主电路和控制电路两部分，而能被PLC取代的只是控制电路那部分，主电路基本保持不变。按功能和作用的不同，控制电路又能分为输入部分、输出部分和控制部分，如下图所示：

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PLC实现控制部分功能的方法是：

1、输入接口接受按钮、开关、传感器从被控对象处采集的信息并存入PLC的输入映像区；2、CPU根据输入映像区的信息，执行存储器内的用户逻辑程序，并把程序执行结果刷新到输出映像区；

3、输出接口根据输出映像区的信息驱动外部的接触器、电磁阀等设备，去改变被控对象的状态。

四、PLC的硬件结构和各部分的作用

PLC的硬件结构主要由以下几部分组成：

1、处理器(CPU)--- CPU即中央处理单元（Central Processing Unit)是PLC的运算和控制中心，能实现逻辑判断、数学运算、协调PLC各部分工作。它的主要作用有：1、接收并存储由外围编程设备传输的用户程序和数据。2、诊断电源和PLC内部电路的工作状况以及用户程序中的语法错误等。3、以扫描的方式通过输入接口接收外部的状态或数据并存入输入映像寄存器或数据存储器中。4、从用户程序存储器逐条读取用户指令经过解释后执行数据传递、逻辑判断、数字运算等操作，并更新有关标志位的状态和输出映像寄存器的内容。5、根据输出映像寄存器的内容，经输出部件执行输出控制、数据通信等功能。

PLC内部使用的微处理器一般是通用微处理器、单片机或位片式微处理器。小型PLC内部使用的一般是8位微处理器或单片机，价格便宜、普及性好，如Z80、8031等；而中型PLC一般采用16位微处理器、单片机，可靠性好，速度快，如Intel8086系列单片机；大型PLC一般采用位片式微处理器，具有灵活高效、高速运算等优点。

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2、存储器--- PLC中的存储器是一种有记忆功能的集成电路芯片，用来存放系统程序、用户程序和用户数据，常用的存储器有ROM、RAM和EPROM。

3、输入接口---输入接口采集外部输入信号，并经过接口电路把它们变成CPU能接受、识别和处理的低电压信号。为了滤除信号的噪声和方便CPU对信号的处理，输入接口常包括光电耦合、滤波、信号锁存和微处理器接口等电路。PLC输入接口的类型有：直流、交流和交直流输入等。 

4、输出接口---输出接口将中央处理器输出的低电压信号进行功率放大和隔离，变换成外部电器元件能接受的电压、电流信号，经过输出接线端子驱动指示灯、电磁阀、接触器等。输出接口电路一般由微处理器输出接口电路、隔离电路和功率放大电路组成。对于外部设备而言，PLC的输出接口常有三种形式，即：继电器输出、晶体管输出和双向可控硅输出。注意：PLC的输出点的负载能力一般不强，不能直接用PLC的输出（如继电器）驱动大容量的负载，可先驱动一个接触器或中间继电器等来进行过渡。 

5、电源---电源单元的作用是将市电转换成微处理器、存储器及输入、输出接口正常工作所需要的电压，有的PLC电源单元能向外部提供24V直流电源，供传感器、无源开关等使用。由于PLC主要用于工业现场，受的干扰较大，所以为了保证PLC可靠工作，PLC的电源一般使用开关电源，并采用较多的滤波环节，并采用集成电压调整器以适应电网电压的波动，另外还采用了较多的屏蔽措施来消除空间电磁干扰的影响。供电电源的电压等级主要有： AC100V、AC200V、DC100V、DC48V、DC24V等。 

6、通信接口---通信接口用于和外部编程设备、人机界面、其它PLC等相连接，实现传输、监控、调试程序和联网工作等的功能。PLC的主机单元一般配备一个串行编程口（RS-232或422或485），在需要时可扩展增加若干个串行通信口，甚至有的PLC能扩展以太网、CANopen、AS-I以及其它现场总线的通信接口，能方便地实现控制和管理相结合。

7、编程器、编程软件等编程装置虽不属于PLC的硬件结构部分，但它们是应用、维护PLC不可缺少的重要外部设备。编程器有简易型和智能型两类。简易型编程器只能联机编程，且往往只支持语句指令表的编程方式；智能编程器既能联机，也能脱机编程，可支持梯形图编程。近年来，采用个人计算机加PLC编程软件的开发方式得到推广，使用户可以方便地直接在计算机上以联机或脱机的方式编程，可以采样指令表、梯形图、SFC、功能块、高级语言等多种编程语言。 

五、可编程控制器的工作原理

   PLC的工作过程有两个特点：一个是周期性顺序扫描用户程序，另一个是集中批处理。周期性顺序扫描执行用户程序的工作方式是PLC特有的。

这种串行的、按顺序、循环扫描执行每条指令的工作方式就是PLC的扫描工作原理。输入、输出I/O点采用集中批处理方式是和PLC的扫描工作原理相适应的。CPU在执行到一条和输入、输出I/O点有关的指令时，只是对输入、输出映像区进行访问和操作，并不需要立即采集当时输入点的状态或立即刷新输出运算结果。对输入输出的处理是在扫描执行一次用户程序后，集中把输入点的状态采集到输入映像区、把输出映像区的状态在输出点刷新输出。对输入输出I/O点采用集中批处理的方式，可以简化操作、易于控制、提高可靠性。

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一个扫描周期由以下几部分组成：

1、内部处理：系统检测程序存储器容量、实时时钟当前值的修改、状态指示灯的改变、检测PLC运行/停止的变化、检测其它系统参数、处理来自编程端口的请求以及硬件自检等。

2、输入采样：将输入I/O点的信息以批处理的方式读入输入映像区。

3、程序执行：扫描执行用户程序，运算结果写入输出映像区。

4、输出刷新：以批处理的方式将输出映像区的运算结果刷新到输出I/O点。