PLC的定位分類及工作原理應用領域

PLC的定義

可編程控製器(PLC)是一種數字操作（zuò）電子係統，是專為工業環境中的應用而設計的。它采用可編程存儲器，用於存儲（chǔ）邏輯運算、順序控製、定時、計數和算術運算等操作指令（lìng），通過（guò）數字和模擬（nǐ）輸入輸出控製各種類型的機械或生產過程。可編（biān）程控製器及相關外圍設備（bèi）應按照易（yì）於與工業控製係統（tǒng）形成一個整體並（bìng）擴展其（qí）功能（néng）的原則進行（háng）設計。

PLC的分類

PLC產品種類繁（fán）多，規格性能也各不相同（tóng）。PLC一般根據其結構、功能和I/O點的不同進行分類。

1.根據結構形式分類（lèi）

根據PLC的結構，PLC可（kě）分為整體式和模塊化。

(1)集成（chéng）PLC

集成PLC是將電源、CPU、I/O接口等部件組裝在（zài）一個（gè）機箱內，如圖所（suǒ）示。具有結構緊湊、體積（jī）小、價格低的特（tè）點（diǎn）。一般小（xiǎo）型PLC都采用（yòng）這種整體結構。一（yī）體化PLC由（yóu）基本單元(也稱為主機)和具有不同I/O點的擴展單（dān）元組成。基本單元具有CPU、I/O接口、連接到I/O擴展單元的擴展端口和連（lián）接到編程器或EPROM寫入器的接口等。擴展單元隻有I/O和電源，沒（méi）有CPU。基（jī）本單元和擴（kuò）展單元通（tōng）常由扁平電（diàn）纜連接。一般（bān）來說，整體式（shì）PLC還可以配備特殊的功能單元，如模擬單元和位置控製單元，以便擴展其功（gōng）能。

(2)模塊化PLC

模塊化PLC是將PLC的各個組成部分分成幾個獨立的模（mó）塊，如CPU模塊、I/O模塊、電源（yuán）模塊（kuài）(有的包含在CPU模塊中)以及各種功能模塊。模塊化PLC由框架或基板和各種模塊組（zǔ）成，模塊安裝在框架或基板的插座上，如圖所（suǒ）示（shì）。這種模塊化PLC的特點是配置靈活，可根據（jù）需要選擇不（bú）同規（guī）模（mó）的係統，易於組裝、擴展和維護。大中型PLC一般采用模塊化結構。

還（hái）有一些PLC結合了一體（tǐ）化（huà）和模塊化的特點，形成所謂的堆疊式PLC。堆疊式PLC的CPU、電源、I/O接口是獨立的模塊，但通過電纜連接，每個模（mó）塊可以逐層堆疊。這樣，不僅係統可以靈活配置，而（ér）且體積可以（yǐ）做得很小。

2.按功能分類

根據PLC功能的（de）不同，PLC可分為低檔、中（zhōng）檔、高檔三大類。

(1)低檔（dàng）PLC

低端PLC具有邏輯運算、定時、計數、移位、自（zì）診斷、監控等基本功能。它還可以具有少量模擬輸入/輸（shū）出、算術運算、數據傳輸和比較、通信等功能。主要用於具（jù）有邏輯控製、順序控製或少量模擬控製的單機控製係統。

(2)中檔PLC

除（chú）了低檔PLC的功能（néng）外，中檔PLC還具有強大的模（mó）擬輸入/輸出、算術運算、數據傳輸和比較、數字係統轉換、遠程I/O、子程序和通信聯（lián）網功能。有的還可以添加中斷控製、PID控製等功（gōng）能，適用於複雜的控製（zhì）係統。

(3)高檔PLC

高檔PLC除了具（jù）有中檔PLC的（de）功能外，還增加了有符號算術運算、矩陣（zhèn）運算、位邏輯運算、平方根運算等特殊（shū）功能，製表、傳表功能。高檔PLC具有更強的通訊聯網功能，可用於大型過程控製或構成分布式網絡控製係統，從而實（shí）現工廠自動化。

3.根據（jù）輸（shū）入輸出（chū）點分類

根（gēn）據PLC的I/O點數，PLC可分為小型、中（zhōng）型和大型三類。

(1)小型PLC

小型（xíng）PLC的I/O點少於256個，單CPU和8位或16位處理器，用戶內存容量少於4KB。比如:三菱FX0S係列。

(2)中型PLC

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

(3)大型PLC

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

在（zài）世界範圍內，PLC產品按地域可分為三派，一（yī）派是美國產品，一派是歐洲產品，一派是日（rì）本產（chǎn）品。美國和歐洲的PLC技術都是孤立自主研發的，所以美國和歐洲的PLC產品（pǐn）有明顯的區別。而日本的PLC技術是從美國引進的，對美國的PLC產品有一定的繼承性，但日本（běn）的主要產品（pǐn）定（dìng）位在（zài）小型PLC上。美歐（ōu）以大中型PLC聞（wén）名，日本（běn）以小型PLC聞名。

常見的PLC如下表所（suǒ）示（shì）:

PLC的功能和應用領域

PLC是綜合繼電器（qì）接（jiē）觸器控（kòng）製和計算機靈活方便的優點而設（shè）計製造開發的，使PLC具有許多其他控（kòng）製（zhì）器無法比擬（nǐ）的特點。

1.1的功能。可編程（chéng）邏輯控製器(Programmable Logic Controller)

PLC是基於微處理（lǐ）器的通用工業自動控製裝置，它（tā）集計算機（jī）技術、自動控製技術和通信技術於一體。它具有可靠（kào）性高、體積小、功能強、程序設計簡單、靈活、維護方便等一係（xì）列優點。因此被廣泛應（yīng）用於冶金、能源、化工、交通、電力等領域，成為現代工業控製（zhì）的（de）三大支柱（zhù）(PLC、機器（qì）人、CAD/CAM)。根據PLC的特點，其功能形式可以歸納為以下幾種類型。

(1)開關量的邏輯（jí）控（kòng）製

PLC具有（yǒu）強大的邏輯運算能力，可以實（shí）現各（gè）種簡單（dān）和複雜的邏輯控（kòng）製。這是PLC最基本、最廣泛的（de）應（yīng）用領域，取代了傳統的繼電（diàn）器接觸器控（kòng）製。

(2)模擬控製

PLC中（zhōng）有A/D和D/A轉換（huàn）模塊（kuài）。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中的微處理器處理(微處理（lǐ）器隻（zhī）能處理數字量)然後控製；或者可以通過D/A模塊轉換成模擬量，然後控製被控對象，這樣PLC就（jiù）可以控製模擬量了。

(3)過程控製

現（xiàn）代大中型PLC一般（bān）都配（pèi）有PID控製模塊，可以進行閉環過程控製。當控（kòng）製過程中某一變（biàn）量出現偏差時，PLC可以根據PID算法計算出正確的輸出，進而控製和調整生產過程，使該變量保持（chí）在設定（dìng）值。目前很多小型（xíng）PLC也有PID控製功能。

(4)計（jì）時和計數控製

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

(5)順（shùn）序控製

在工業控製中，可采用PLC步進指令（lìng）編程或移（yí）位寄（jì）存器編程來（lái）實現順序控製。

(6)數據處理

現代PLC不僅（jǐn）能進行算術運算、數據傳輸、排序和查（chá）表，還能進行（háng）數據比（bǐ）較、數據轉（zhuǎn）換、數據通信、數（shù）據（jù）顯示和打印等。它具有很強的數據處理能力（lì）。

(7)通（tōng）信和聯（lián）網

大多數（shù）現代（dài）PLC采用通信和網絡技術，並具有RS-232或RS-485接口（kǒu），可用於遠程I/O控製。多個PLC可以聯網（wǎng）並相互通信（xìn），外部（bù）設備可以與一個或多個可編程控製器的信號（hào）處理單元交換程序和數據，例（lì）如程序傳輸、數據（jù）文件傳輸、監控和診斷。通信接口或（huò）通信處理器根據（jù）標準硬件（jiàn）接口或專有通信協議完成程序和數據的傳輸。

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

目前，PLC已廣（guǎng）泛應用於國內外各個（gè）行業，如鋼鐵、石油、化工（gōng）、電力（lì）、建材、機械製造、汽車、紡（fǎng）織（zhī）、交通（tōng）、環保、文化娛（yú）樂等。用法大致可以概括如下。

(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。它取代了傳統的繼（jì）電器電路，實現了邏輯控製和順序控製。既可用於（yú）單台設備的控製，也可用於多機群控和自動化生產線，如注塑機、印刷機、訂書機、組合機床、磨床（chuáng）、包裝生（shēng）產線、電鍍流水線等。

(2)模擬控製

在工業生產過程中（zhōng），有（yǒu）許多連續變化的量，如溫度、壓力、流量、液位、速度等，都是模擬量。為了使PLC處理模擬量，必須實現模擬量和數字量之間的A/D轉換和D/A轉換。PLC廠商生產（chǎn）配（pèi）套的A/D和D/A轉（zhuǎn）換模塊，使PLC可以用於模擬（nǐ）控製。

(3)運動控製

PLC可用於控製圓周運動或直線（xiàn）運（yùn）動。從控製機構的配置來看，早期是直接用於開關I/O模塊連（lián）接位置傳感器和執行器（qì）。現在一般采用專用的運（yùn）動控製模（mó）塊，可以驅動步進電機或伺服電機的單軸或多軸位置控製（zhì）模塊（kuài）。世界各大PLC廠商的（de）產品幾乎都具有運動控（kòng）製功（gōng）能，廣泛應用（yòng）於各種機器、機床、機器人、電（diàn）梯等場合。

(4)過程控製

過程控製是指對溫度、壓力、流（liú）量等模（mó）擬量的閉環控製，廣泛（fàn）應用於冶（yě）金（jīn）、化（huà）工、熱處理、鍋爐控製等場合（hé）。PLC作（zuò）為工業控製計算機，可以編製各種控製算法程序，完成閉環控製。PID調節是一般閉環控製係統中廣（guǎng）泛使用的調（diào）節方法。大中型PLC都有PID模塊（kuài），目前很多小型PLC也（yě）有這個功能模塊。一般PID處（chù）理是運行一個特（tè）殊的PID子程序。

(5)數據處理

現代PLC具有數學（xué）運算(包括矩陣運算、函數運算和邏輯運算（suàn）)、數據傳輸、數據轉換、排序（xù）、查表和位操作等功能。它可以完成（chéng）數據采集、分析和處理。這些數據（jù）可以與存儲在存儲器中的參考值進行比較，從（cóng）而完成某些控製操作；它也（yě）可以通過通信功能（néng）傳輸到其（qí）他智能設備，或者（zhě）它們（men）可以被打（dǎ）印和製成（chéng）表（biǎo）格。數據處理一般用於大型控製係統，如無人駕駛柔性製造係統（tǒng）；也可用於過程控製係統，如（rú）造紙（zhǐ）、冶金、食品等行（háng）業的一些大型（xíng）控製係統。

(6)通信和聯網

PLC的通信包括PLC之間的（de）通信和PLC與（yǔ）其他智（zhì）能設備之間的通信。隨著計算機控（kòng）製的發展，工廠自動化網絡發展迅（xùn）速。各PLC廠商都非（fēi）常重視PLC的通信功能，紛紛推（tuī）出自己的（de）網絡係統。新生產的PLC都有通訊接口，通訊非常方便。都推出（chū）了自（zì）己的（de）網絡係統。新生產的PLC都有通訊接口，通訊非常方便。

PLC的基本結構和工作原理

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（hé）目的不（bú）同，在結構上（shàng）也有一些差異。

1.1的硬件組成。可編程（chéng）邏輯（jí）控製（zhì）器(Programmable Logic Controller)

PLC硬件係統的（de）基本結構如下:

PLC主機由（yóu）CPU、存儲器(EPROM、RAM)、輸入/輸出單元（yuán）、外圍I/O接口、通信接口和電源組（zǔ）成。對於集成PLC，這些（xiē）組件都在（zài）同一個機櫃中。對於模（mó）塊化PLC，每個組件都是獨立封（fēng）裝的，稱為（wéi）一個模塊，每個模塊通過一個機架和一根電纜連接在一起。主機的（de）各個部分通過電源總線、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需要，配備一定的外部設備，形成不同的PLC控製係統。常用的外部設備包括編（biān）程器（qì）、打印機、EPROM寫入器等。PLC可配置通（tōng）信模塊，與上位機（jī）和（hé）其他PLC進行通信（xìn），形成PLC的分布式控製係統。

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

(1)中（zhōng）央處理器

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

控製器的作用是控製（zhì）整個微（wēi）處（chù）理器的各個部分有序（xù）工作（zuò），其基本功能是從存儲器中讀取並執行指令。

(2)記憶

PLC配有（yǒu）兩種存儲器，即係統（tǒng）存儲（chǔ）器和用戶存儲器。內存是用（yòng）來存儲係統管（guǎn）理程序的，用戶不能訪問和修改（gǎi）這部分內存的內容。用（yòng）戶使用（yòng）存儲器來存儲編譯後的應用程序和工作數據狀態（tài）。用戶內存中存儲（chǔ）工作數據狀態的部分也稱為數據存儲區，包括輸入/輸出數據映射區、預置數和定時器/計（jì）數器當前值的數（shù）據區、存儲中間結果的緩衝區（qū）。

PLC的存儲器主要包括以下（xià）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器

D.電可擦除可編程（chéng）隻讀存儲器

E.隨機存取存儲器（qì）

(3)輸入/輸出模（mó）塊

A.開關輸入模塊

開關輸入設備是各種（zhǒng）開關、按鈕、傳感器等。PLC的輸入類型通常可以（yǐ）是DC、交流和交流-DC。輸入電路的電源可以由外部提供，也可以由PLC內部提供。

B.開關輸出（chū）模塊

輸出模塊的作用是將CPU在執行用戶程序時輸出的TTL電平（píng）控製信（xìn）號轉換成生產現場需要（yào）的信號，可以驅動特定（dìng）的設備，從而驅（qū）動執行器（qì）的動作。

(4)程序員

編程器是PLC的重要外部（bù）設備，用於將用戶程序發（fā）送到PLC的用戶程序存儲器中，調試程序，監（jiān）控程序的執行過程。程序（xù）員在結構上可分為（wéi）以下三種類型（xíng）:

A.簡單程序員

B.圖形程序員

C.通用計算機程序員

(5)電源

電源單元（yuán）的作用是將外部電源(220V交流電（diàn）源)轉（zhuǎn）換為內部工（gōng）作電壓。外部電（diàn）源（yuán）通過PLC內部專用的開關式（shì）穩壓電源，將交流/DC電源轉換為PLC內部電路所需的工作電源(5V DC、12V DC、24V DC)，為外部輸入元件(如接近（jìn）開關)提供24V DC電源（yuán）(僅用於輸入端子)。驅動PLC負載的（de）電源由用戶提供。

(6)外圍接口

外圍電路用於連接手持編程器或其他圖形編程器（qì）和文本顯示器，並可通（tōng）過外圍接口組成PLC控製網絡。利用PLC PC/PPI電纜或MPI卡通過RS-485接口與計算機連（lián）接（jiē），可實現（xiàn）編程、監控、聯網等功能。

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

PLC軟件由係統程序和用戶程（chéng）序組成。

係統的程序由PLC製造商設計和編寫，並存儲在（zài）PLC的係統（tǒng）存儲器中。用戶（hù）不能直接讀取、寫入或更改它。通常，係統（tǒng）程序包括係統診斷（duàn）程序、輸（shū）入處理程序、編譯（yì）程序、信息傳輸程序和監（jiān）控程序。

PLC的用戶程序（xù）是用戶（hù）利用PLC的（de）編程語言，根據（jù）控製要求編製的程序。在PLC的應（yīng）用中，最重要的是利用PLC的編程語言編寫用戶程序，達到控製的目的。由於PLC是專門為工業（yè）控製開（kāi）發（fā）的設（shè）備，其主要用戶是電氣技術人員。為了滿足他們的傳統習慣和掌（zhǎng）握能力，PLC的主要編程語言是一種比計算（suàn）機語言相（xiàng）對簡單、易懂、生動的特殊語言。

A.圖形指令結（jié）構

B.顯式變量常數

C.簡化程序結構

D.簡化應用軟件的生（shēng）成過程

E.加強調試手段。

PLC的（de）基（jī）本（běn）工作原理

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

1.輸入采樣（yàng）級

在輸入采樣階段，PLC通過掃描依次讀入所有的輸入狀態（tài）和數據，並存儲（chǔ）在（zài）I/O圖像區的相應單元中。輸入采（cǎi）樣後（hòu），進入用戶程序執（zhí）行和輸出刷新階段。在這兩個階段中，即使輸入狀態（tài）和數（shù）據發（fā）生變化（huà），I/O映射區中相應單元的狀態和數據也不會（huì）發生變化。因此，如果輸入信號是脈衝信號，則脈衝信號的寬度必須大於一個掃（sǎo）描周期，以確保在任何情況下都可以讀取輸入。

2.用戶程序執行階段

在用戶（hù）程序執行階段，PLC總是從上到下掃描用戶程序(梯（tī）形圖)。掃描每個梯形圖時，總是先掃描梯形圖左側觸點（diǎn）組成的控製電路，按照先左後右、先上後下的（de）順序對觸點組成的控製電路進行邏輯運算。然後，根據邏輯運算的結果，刷新係統RAM存儲區中邏輯（jí）線圈對應位（wèi）的狀態或I/O映射區中輸出線圈對應（yīng）位的狀態，或者確定是否執行梯形圖中指定的特殊功能指令（lìng）。即在用戶程序執行過程（chéng）中，隻有I/O映（yìng）像區中輸入（rù）點的狀態和數據不會發生變化，而I/O映像區或係統ram存儲區中其他輸出點和軟設（shè）備的狀態和數據可能會發生變化，最上麵梯形圖的程序執行結果會在最下麵使用這些線圈或數據（jù）的梯形（xíng）圖中發揮作用；相反，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（dǐng）部的梯形圖，直到下一個掃描周（zhōu）期。

3.輸出刷新階段

用戶程序掃描完成後，PLC進入輸出（chū）刷新階段。在此期間（jiān），CPU根據I/O鏡像區中相應的狀態和（hé）數據刷新所（suǒ）有的輸（shū）出（chū）鎖存電路，然後通過輸出電路驅動（dòng）相應的外設。這時候（hòu）才是PLC真正的輸出。

輸入/輸出滯後現象（xiàng）

從PLC的工作過程中，可以（yǐ）總結出以下結（jié）論:

1.當通（tōng）過掃描執（zhí）行程序時，輸入/輸出信號之間的邏（luó）輯關係原則上是滯後的（de）。掃描周期越（yuè）長，滯後越嚴重。

2.掃描周期不僅包括輸入采樣階段、用戶程序執行階段和輸出刷新階段（duàn）占用（yòng）的時間，還包括係統管（guǎn）理操作占用的時間。其中，程序的執行時間與程序的長（zhǎng）度和指令操作的複雜程度有關（guān），其他基本不變。掃描周期通常為納秒。

3.當在第n次（cì）掃描中執行程序時，基於它的輸入數據是該掃描周期中采樣階段的（de）掃描（miáo）值X。基於它的輸出數據包括（kuò）上次掃（sǎo）描（miáo）的輸出值Y(n-1)和本次掃描的輸出（chū）值（zhí）Yn。n是發送到輸出端的信號，這是這次執行所有操作後的（de）最終結果Yn。

4.輸入/輸出響應滯後不僅與掃描模式有關，還與編（biān）程安排有關。