PLC的定位（wèi）分類及工作原理應用領域

PLC的定義

可（kě）編程控製器（qì）(PLC)是一種數字操作電子係統，是（shì）專為工業環境中的應（yīng）用而設計（jì）的。它采用（yòng）可編程存儲器，用於存儲邏輯運算、順（shùn）序控製、定（dìng）時、計數和算術運算（suàn）等操作指令，通過數字和模擬輸入輸出控製各種類型（xíng）的機械或生產過程。可編程控製器及相關（guān）外圍設備應按照易（yì）於與工業控製係統形成一個（gè）整體並擴展其功能的原則進行設計。

PLC的（de）分類

PLC產（chǎn）品種類繁多，規格性能也各不相同。PLC一般根（gēn）據其結構、功能和I/O點（diǎn）的不（bú）同進行分類。

1.根（gēn）據結構形式分（fèn）類

根據PLC的（de）結構，PLC可分為整體式和模塊（kuài）化（huà）。

(1)集成PLC

集成PLC是將電源、CPU、I/O接口等部件組裝（zhuāng）在一個機箱內，如圖（tú）所（suǒ）示。具有結構緊湊、體積小、價格低的特點（diǎn）。一般小型（xíng）PLC都（dōu）采用這（zhè）種整體結構（gòu）。一體化PLC由基本（běn）單（dān）元(也稱為主機)和具有不同I/O點的（de）擴展單元組成。基本單元具有CPU、I/O接口、連接到（dào）I/O擴展單元的擴展端口和連接到編程器或EPROM寫入器的（de）接（jiē）口等。擴展單元隻有I/O和電源（yuán），沒有CPU。基本單元和擴展（zhǎn）單元通常由扁平電纜連接。一般來說，整體式PLC還可以配備特殊的功能單（dān）元，如模擬單元和（hé）位（wèi）置控製（zhì）單元，以便擴展其功能。

(2)模塊化PLC

模塊化（huà）PLC是將PLC的各個組成部分分成幾（jǐ）個獨立的模塊，如CPU模塊、I/O模塊、電源（yuán）模塊(有的包含在CPU模塊中)以及各種（zhǒng）功能模塊。模塊化（huà）PLC由框架或基板和各種模塊組成，模塊安裝在框架（jià）或基（jī）板的插座上，如（rú）圖所示。這種模塊化PLC的（de）特點是配置（zhì）靈活，可根（gēn）據需要選擇不同規模（mó）的係（xì）統，易於組裝、擴展和維護。大中型PLC一般采用模塊化結構。

還有一些PLC結合了一體化和模塊化的特（tè）點，形成所謂的堆疊（dié）式PLC。堆疊式PLC的CPU、電（diàn）源、I/O接口是（shì）獨立的模塊（kuài），但通過電（diàn）纜（lǎn）連接，每個模（mó）塊可以逐層堆疊。這（zhè）樣，不僅（jǐn）係（xì）統可以靈活（huó）配置，而（ér）且體（tǐ）積可以做得很小。

2.按功能分類

根據PLC功能（néng）的不同，PLC可分為低檔、中檔、高檔三（sān）大類。

(1)低檔PLC

低端（duān）PLC具（jù）有邏（luó）輯運（yùn）算、定時、計數、移位、自診斷、監控等基本功能。它還可以具有少量模擬輸（shū）入/輸出、算術運算、數據傳輸和比較（jiào）、通信（xìn）等功能。主（zhǔ）要用於具有邏輯控製、順序控製或少量模擬控製的單機控製係（xì）統。

(2)中檔PLC

除了低檔PLC的功能外，中檔PLC還具有強大的模擬（nǐ）輸入/輸出、算術運算、數據傳輸和比較、數（shù）字係統轉換、遠程（chéng）I/O、子程序和通信聯網功能。有的還可（kě）以添加中斷（duàn）控（kòng）製、PID控製等功（gōng）能，適用於複雜的控製係統。

(3)高檔PLC

高檔PLC除（chú）了具有中檔PLC的功能外，還增加了有符號算術運算、矩陣運算、位邏輯運算、平方（fāng）根運算等特殊功（gōng）能，製表、傳表功能。高檔PLC具有更強的通訊聯網功能，可用於大（dà）型過程控製或構成分布式網絡控製係統，從而實現工廠自動（dòng）化。

3.根據輸入輸（shū）出點分類

根據PLC的I/O點數，PLC可分（fèn）為小（xiǎo）型、中型和（hé）大型（xíng）三（sān）類。

(1)小型PLC

小型PLC的I/O點（diǎn）少於256個，單CPU和8位或16位處理器，用（yòng）戶內存容量少於4KB。比如:三菱FX0S係（xì）列。

(2)中型PLC

中型PLC的（de）I/O點數為256 ~ 2048，具有雙CPU，用戶內存容量為2 ~ 8 KB。

(3)大型PLC

大型PLC具有（yǒu）2048個以上的I/O點，多個CPU和16位或32位處理器（qì），用戶存儲容量為8 ~ 16 KB。

在世界範圍內，PLC產品按地域可分為三派，一派是美國產品，一派是歐洲產品，一派是日本產品（pǐn）。美國和歐洲的PLC技術都是孤立自主研發的，所以美（měi）國和歐洲（zhōu）的PLC產品有（yǒu）明顯的區別。而日本的PLC技術是（shì）從美國引進的，對美國的（de）PLC產品有一定的繼承性，但日本的（de）主要產品定位在小型PLC上。美歐以大中型（xíng）PLC聞名，日（rì）本（běn）以小型（xíng）PLC聞名。

常見的（de）PLC如下表（biǎo）所示:

PLC的功能和應用（yòng）領域

PLC是（shì）綜（zōng）合繼電器接觸器控製和計算機靈活方便（biàn）的優點而設（shè）計製造開發的，使PLC具有（yǒu）許多（duō）其他控製器無法比擬的特點。

1.1的（de）功能。可編程（chéng）邏輯（jí）控製器(Programmable Logic Controller)

PLC是基於微（wēi）處理器的通用工業自動控製裝置（zhì），它集計算機技術、自動控製技術和通信技術於一體。它具有可靠性高、體積小、功能強、程序設（shè）計（jì）簡單、靈活、維護方便等一係（xì）列優點。因此被廣泛應用於冶金、能源、化工、交通、電力（lì）等領域，成為現代工業控（kòng）製的三大支柱(PLC、機器（qì）人、CAD/CAM)。根據PLC的特點，其功能形式可以歸納（nà）為以下幾種類型。

(1)開關量的邏輯（jí）控製

PLC具有強大（dà）的邏輯運算能力，可以實現各種簡單和複雜的邏輯控製（zhì）。這是PLC最基本、最（zuì）廣泛的應（yīng）用領域，取代了傳統的繼電器接觸器控（kòng）製。

(2)模擬控製

PLC中有（yǒu）A/D和D/A轉換模塊。A/D模塊可以轉換溫度、壓力、流量、速度等模擬量。就地轉換成數字量，再由PLC中（zhōng）的（de）微處理器處理(微（wēi）處（chù）理器隻能處（chù）理數字量)然後控製；或者可以通過D/A模塊轉（zhuǎn）換成模擬（nǐ）量，然後（hòu）控製被控對象，這（zhè）樣PLC就可以控製模擬量了。

(3)過程控（kòng）製

現代大中型PLC一般都配有PID控（kòng）製模塊（kuài），可以（yǐ）進行閉（bì）環過程控製。當控製過程中某一變量出（chū）現偏差時，PLC可以根據PID算法（fǎ）計（jì）算出正確的輸出，進而控製和調整生產過程，使該（gāi）變量保持在設定值（zhí）。目前（qián）很（hěn）多小型PLC也有PID控製功能。

(4)計（jì）時和計數控製

PLC具（jù）有強大的定時和計數功能，它可以為用戶提供幾十個甚至幾百上千個定時器和計數器。定時時間和計數值可（kě）以由用戶在編寫用戶程序時（shí）任意設定，也可以由操作員在工業現（xiàn）場通過編程器設定（dìng），從而實現定（dìng）時和計數的控製。如果用戶需要對頻率較高的信號進行計數，可以選擇高速計數模（mó）塊。

(5)順序控製

在（zài）工（gōng）業控製中，可采用PLC步進指（zhǐ）令編程或移位寄存器編程來實現順序控製。

(6)數據處理

現代PLC不僅能進行算術運算、數（shù）據傳輸、排序和（hé）查表，還能（néng）進行數（shù）據比較、數（shù）據轉換、數（shù）據通信、數據顯示和打印等。它具有很強的數據處理能力。

(7)通信和（hé）聯網

大多數現代PLC采用通信和網絡技術，並具有RS-232或RS-485接口，可用於遠程（chéng）I/O控（kòng）製。多個PLC可以聯網並相互通信，外（wài）部設備可以與一個或（huò）多個可編程控（kòng）製器的信號處理單元交換程（chéng）序和數據，例如程序傳輸、數據文件（jiàn）傳輸、監控（kòng）和診斷。通信接口或通信處理器根據（jù）標準硬件接口或專有通（tōng）信協議完成程序和數據的（de）傳輸（shū）。

2.2的應用領域。可編程邏輯控（kòng）製器(Programmable Logic Controller)

目前，PLC已廣泛應（yīng）用於國內外各（gè）個行業，如鋼鐵、石油、化工、電（diàn）力、建材、機械製造（zào）、汽車、紡織、交通、環保、文化娛樂等。用法大致可以（yǐ）概括如下。

(1)開關量的邏輯控製

這是PLC最基本也是最廣泛的應用領域（yù）。它取代了傳（chuán）統的繼電器（qì）電路，實現（xiàn）了邏（luó）輯控製和順序控製。既可用於單台設備的控製，也可用於多機群（qún）控和自動化生產線，如注塑機、印刷機、訂書機、組合（hé）機床、磨床、包裝（zhuāng）生產線、電鍍流水線等。

(2)模擬（nǐ）控製

在工業生（shēng）產過程中，有許（xǔ）多連續變化的量，如溫度、壓力、流量（liàng）、液位、速度等，都是模擬量。為了使PLC處理模擬量，必須實現模擬（nǐ）量和數字量之間的A/D轉換和D/A轉換。PLC廠商生產（chǎn）配套的A/D和（hé）D/A轉換（huàn）模塊，使PLC可以用於模擬控製。

(3)運（yùn）動控製

PLC可用於控製圓周運動或直線運動。從控製機構的配置來看，早期是直（zhí）接用於開關I/O模（mó）塊連接（jiē）位置傳感器和執行器。現在（zài）一般采用專用的運動控製模（mó）塊，可以驅動步進電機或（huò）伺服電機的單軸或多軸位置控製模塊。世界各大PLC廠（chǎng）商的（de）產品幾乎都具有運動（dòng）控製功能，廣泛應用於各種機器、機床、機器人、電（diàn）梯等場合。

(4)過程控（kòng）製（zhì）

過程控製是指對溫（wēn）度、壓力、流量等模擬量的閉（bì）環控製，廣泛應（yīng）用於冶金、化工、熱處理、鍋爐（lú）控製等場合。PLC作為工業控製計算機，可以編製各種（zhǒng）控製算法程序，完成閉環控製。PID調節是一般閉環控製係統中廣泛使用的（de）調節方法。大中型PLC都有PID模塊，目前很多小型PLC也有這個（gè）功能模塊。一般PID處理是運行一個特殊的PID子程（chéng）序。

(5)數據處理

現代PLC具有數學運算(包（bāo）括（kuò）矩陣運算、函數運算和邏輯運算)、數（shù）據傳輸、數據轉換、排序、查表和位操作等功能。它可以完成數據采（cǎi）集、分析和處理。這些（xiē）數據可以與存儲在存（cún）儲器中的參考值進行比較，從（cóng）而完成某些控製操作；它也可以通過通信功能傳輸到其他智能設備，或（huò）者它們可以被打印和製成表格。數據處理一般用於大（dà）型控製係統，如無人（rén）駕駛柔性製（zhì）造係統；也可用於過（guò）程控製係統，如造紙、冶金、食品等（děng）行業的一些大型控製係統。

(6)通信和聯網

PLC的通信包括PLC之間（jiān）的通信和PLC與其他（tā）智（zhì）能設（shè）備之（zhī）間的通信。隨著計算機控製的發展，工廠自動化網絡發展迅速。各PLC廠商都非常重視（shì）PLC的通信功能，紛紛推出自己（jǐ）的網絡係統。新（xīn）生產（chǎn）的PLC都有通訊（xùn）接口，通訊非常方便。都推出了自（zì）己的網絡係統。新（xīn）生產的PLC都有通訊接口（kǒu），通訊非常方便。

PLC的基（jī）本結構和工作原理

PLC作為一種工業控製計算機，其結構與普通計算機相似。但由於場合和目的不同，在結構上也有一些差異。

1.1的硬件組成。可編程邏輯控製器(Programmable Logic Controller)

PLC硬件係統的基本結構如下:

PLC主機由CPU、存儲器(EPROM、RAM)、輸入/輸出單元、外圍I/O接口（kǒu）、通信接口和電源組成。對於集成PLC，這些組件都在同（tóng）一個機櫃中。對於模塊化PLC，每個組件都是獨立封裝的，稱為一個模塊（kuài），每（měi）個模塊通過一個機架和一根電纜連接在一起。主機（jī）的（de）各個部分通過電源總線（xiàn）、控製總線、地址（zhǐ）總線和數據總線連接。根據實際控製對象的（de）需要，配備一定的（de）外部設備，形成（chéng）不同的PLC控製係統。常用的外部設備包括編程器、打印機、EPROM寫入器等。PLC可配置通（tōng）信（xìn）模塊，與上位機和其他PLC進行通信，形成PLC的分布（bù）式控製係（xì）統。

下麵介紹PLC的（de）組成和功能，以便用戶進一步了解PLC的控製原（yuán）理和工作過（guò）程。

(1)中央處理器

CPU是PLC的控製中心，PLC在CPU的控製下有（yǒu）條不紊（wěn）地協調工作（zuò），實現對現場各設備的控製。CPU由微處理器和控製器組成，可以實現邏輯運（yùn）算和數學運算，協調控製係統各部分的工（gōng）作。

控製（zhì）器的作用是控製（zhì）整個微處理器的各個部分有序工作，其基（jī）本（běn）功能是從（cóng）存儲器中讀取並執行指令。

(2)記憶

PLC配有兩種存（cún）儲（chǔ）器，即係統存儲器和用戶存儲器（qì）。內存是用來存儲係統管理程序的，用戶不能訪問和修改這部（bù）分內存的內（nèi）容。用戶使用存儲器來存儲編譯後的應用程序和工作數據狀態。用戶內存中存儲工作（zuò）數據狀態的部分也稱為數據存儲區，包括輸入/輸出數（shù）據映射區、預置數和定時器/計數器當（dāng）前值的數據區、存儲中間結（jié）果的緩衝區。

PLC的存儲器主要包括以下內容:

A.隻讀內存

B.程控隻讀存儲器

C.可擦除可編程隻讀存儲（chǔ）器

D.電可擦（cā）除可編（biān）程隻讀存儲器

E.隨機存取存儲（chǔ）器

(3)輸入/輸出模塊

A.開關輸入模塊

開關輸入（rù）設備是各種開關、按鈕、傳感器等。PLC的輸（shū）入類型通常可以是DC、交流和交流-DC。輸入電路的（de）電源可以由（yóu）外部提供，也（yě）可以由PLC內部提供。

B.開關輸出模塊

輸出模塊的作用是將（jiāng）CPU在執行用戶程序時輸出的TTL電（diàn）平控製（zhì）信號轉換成生產現場需要的信號，可以驅（qū）動（dòng）特定的設備，從而驅動（dòng）執行器的動（dòng）作。

(4)程序員

編程器是PLC的重要外部設備，用於將用戶程序發送到PLC的（de）用戶程序（xù）存儲器中，調試程序，監控程（chéng）序的執行過程。程序員在（zài）結（jié）構上可分為以下三種類型:

A.簡單程序員

B.圖形程（chéng）序員

C.通用計算機程序員

(5)電源

電源單（dān）元的作用是將（jiāng）外部電源(220V交流電源)轉換為內部工作電壓。外部電源通過PLC內部專用的開關式穩壓電源，將交流/DC電源轉換為PLC內（nèi）部電路所需的工作電源（yuán）(5V DC、12V DC、24V DC)，為（wéi）外部輸入元件(如接近開關)提供24V DC電源(僅用於輸入端子)。驅動PLC負載的電源由用戶提供。

(6)外圍接口（kǒu）

外圍電路（lù）用（yòng）於連接手持編程器或其他圖形編程器和文本顯示器，並可通（tōng）過外圍接（jiē）口組成PLC控製網絡。利用PLC PC/PPI電纜或（huò）MPI卡通過（guò）RS-485接口與計（jì）算機連接，可實現編程、監控、聯網等功（gōng）能。

2.軟件組成2。可編程邏（luó）輯控製器（qì）(Programmable Logic Controller)

PLC軟件由係統程序和用戶程序組成。

係統的程序由PLC製造商設計和（hé）編寫，並存儲在PLC的係統存儲器中。用戶不能直接讀取、寫入或更改它。通常，係統程序包括係（xì）統診斷程序、輸（shū）入（rù）處理程（chéng）序、編譯程序、信息傳輸程序（xù）和監控程序。

PLC的用戶程序（xù）是用戶利用PLC的編程語言，根據控製要（yào）求編製（zhì）的程序。在PLC的應用中（zhōng），最重要（yào）的是利用PLC的編程語言編（biān）寫用（yòng）戶程序，達到控製的目的。由於PLC是專門為工業控製開發（fā）的設備，其（qí）主要用戶是電氣技術人員。為了滿足他們的傳統習慣（guàn）和掌握能力，PLC的主要編程語言是（shì）一（yī）種比計算機語言相對簡單、易懂、生（shēng）動的特殊語（yǔ）言（yán）。

A.圖形指（zhǐ）令結構

B.顯式變量常數（shù）

C.簡化程序結構

D.簡化應用軟件的生成過程

E.加強調試手段。

PLC的基本工（gōng）作原理

PLC掃描的工作（zuò）模式主要分為三個階段，即輸入采樣階段、用戶程序執行階段和輸出刷新階段。如圖所示。

1.輸入采樣級

在輸入采樣階段，PLC通過掃（sǎo）描依次讀入所有的輸（shū）入狀（zhuàng）態和數據，並存儲在I/O圖像區的相應單元中（zhōng）。輸（shū）入采樣後，進入用（yòng）戶（hù）程序執行和輸出刷新階段。在這兩個階段中，即使輸入狀態和數據發生變化，I/O映射（shè）區中相應單元的狀態（tài）和數據也不會發生變化。因（yīn）此，如果輸入信號是脈衝信（xìn）號（hào），則脈衝信號的（de）寬度必須大於一個掃（sǎo）描（miáo）周期，以確保在任何情況下都可（kě）以讀取（qǔ）輸入。

2.用戶程序（xù）執行階段

在用戶程序執行階段，PLC總是從上到下掃描用戶程序(梯形圖（tú）)。掃描每個梯形圖時，總是先（xiān）掃描梯（tī）形圖左側觸點組成的控製電路，按（àn）照先（xiān）左後右（yòu）、先上後下的順序對觸（chù）點組成的（de）控製電（diàn）路進（jìn）行邏輯（jí）運算。然（rán）後，根據邏輯運算的結果（guǒ），刷新（xīn）係（xì）統RAM存儲區中邏輯線圈對應位的狀態或I/O映射區中輸出線圈對應位的狀態，或者（zhě）確定是否執行梯形（xíng）圖中指（zhǐ）定的特殊功能指令。即在用戶程序（xù）執行過程中，隻有I/O映像區中輸入點的狀態和（hé）數據不會發（fā）生變化，而I/O映像區或係統ram存儲區中其他輸出點和軟設備的狀態和數據可（kě）能會發生變（biàn）化（huà），最上麵梯形圖的程序執行結果會（huì）在最（zuì）下麵使用這些線圈或數據的梯形圖中發（fā）揮作用；相（xiàng）反，對於底部的梯形圖，邏輯線圈的刷新狀態或數據隻能作用於頂部的梯形（xíng）圖，直到（dào）下一（yī）個掃描周期。

3.輸出刷新（xīn）階（jiē）段

用戶程序掃描完成後（hòu），PLC進入輸出刷新階（jiē）段。在此期間，CPU根據I/O鏡像區中相應的狀態和數據刷新所有的輸出鎖存電路，然後通過輸出電路驅動相應的外（wài）設。這（zhè）時候（hòu）才是PLC真正的輸出。

輸入/輸出（chū）滯後現象

從PLC的工作過程中，可以總結出（chū）以下結論:

1.當通過掃描執行程序時，輸入/輸出信（xìn）號之間的邏輯關係原則上是滯後的。掃描（miáo）周期（qī）越長，滯後越嚴（yán）重（chóng）。

2.掃描周期不僅包括（kuò）輸入采樣階段、用戶程序執（zhí）行階段和輸出刷新階段（duàn）占用的時間，還包括係統管理操作占用的時間。其中，程序的（de）執行時間與程序的（de）長度（dù）和指令操作的複雜（zá）程度有（yǒu）關（guān），其他基本不變。掃描周期通常為納秒。

3.當在第n次掃描中執行程序時，基於它的輸入數據（jù）是該掃描（miáo）周期中采樣（yàng）階段（duàn）的掃描值X。基於它的輸（shū）出數據包（bāo）括上（shàng）次掃（sǎo）描的輸出值Y(n-1)和本次掃描的輸出值Yn。n是發（fā）送到輸出端的信號，這是這次執行所有操作後的最（zuì）終結果Yn。

4.輸入（rù）/輸出響（xiǎng）應滯後不僅與掃描模（mó）式有關，還與編程安排有關。