第第 22 章 章 可编程序控制器基础知识可编程序控制器基础知识

第第 2 2 章 可编程序控制器基础知识章 可编程序控制器基础知识 学习说明：学习说明： 本章是学习 PLC 的入门知识，因此对初学者来说显得特别重要。重

点掌握：什么是 PLC？ PLC 与其它控制装置的区别？ PLC 的工作机制？

本章内容：本章内容： 2.1 概述 2.2 PLC 系统与继电器系统比较 2.3 PLC 组成 2.4 PLC 工作原理 2.5 PLC 特点与分类 2.6 PLC 的发展趋势

2.1 2.1 概述概述2.1.1 2.1.1 什么是什么是 PLCPLC？？

可编程序控制器（ Programmble Controller ）简称 PC或PLC

■ ■ 是一种工业是一种工业控制装置控制装置

PLC 是在电器控制技术和计算机技术的基础上开发出来的，并逐渐发展成为 以微处理器 为核心，将自动化技术、计算机技术、通信技术融为一体的新型工业控制装置

2.1 2.1 概述概述2.1.1 2.1.1 什么是什么是 PLCPLC？？■ ■ 定义定义 国际电工委员会（ IEC ）于 1987 年颁布了可编程控制

器标准草案第三稿。在草案中对可编程控制器定义如下： “ 可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为

在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外围设备，都应按易于与工业系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计”。

2.1 2.1 概述概述2.1.1 2.1.1 什么是什么是 PLCPLC？？

◆ ◆ 区别于一般微机控制系统区别于一般微机控制系统◆ ◆ 区别于传统控制装置区别于传统控制装置

近年来，可编程控制器发展很快，几乎每年都推出不少新系列产品，其功能已远远超出了定义的范围。

2.1 2.1 概述概述2.1.2 PLC2.1.2 PLC 的产生与发展的产生与发展■ ■ 世界上第一台世界上第一台 PLCPLC

1969 年由美国数字设备公司（ DEC ）根据美国通用汽车公司（ GM ）的要求研制成功

◆◆ 背景背景：

1968 年美国通用汽车公司（ GM），为了适应汽车型号的不断更新，生产工艺不断变化的需要，实现小批量、多品种生产，希望能有一种新型工业控制器，它能做到尽可能减少重新设计和更换电器控制系统及接线，以降低成本，缩短周期。

2.1 2.1 概述概述2.1.2 PLC2.1.2 PLC 的产生与发展的产生与发展 ◆◆ 设计思想设计思想：吸取继电器和计算机两者的优点

☆ 继电器控制系统体积大、可靠性低、接线复杂、不易更改、查找和排除故障困难，对生产工艺变化的适应性差，但简单易懂、价格便宜；

☆ 计算机功能强大、灵活（可编程）、通用性好，但编程困难；

☆ 采用面向控制过程、面向问题的“自然语言”进行编程，使不熟悉计算机的人也能很快掌握使用。（梯形图）

2.1 2.1 概述概述2.1.2 PLC2.1.2 PLC 的产生与发展的产生与发展◆7070年代初期年代初期： 仅有逻辑运算、定时、计数等顺序控制功能，只是

用来取代传统的继电器控制 , 通常称为可编程逻辑控制器（ Programmable Logic Controller）

◆ 7070 年代中期年代中期： 微处理器技术应用到 PLC 中，使 PLC 不仅具有逻

辑控制功能，还增加了算术运算、数据传送和数据处理等功能 ◆8080年代以后年代以后：随着大规模、超大规模集成电路等微电子技术的迅

速发展， 16 位和 32 位微处理器应用于 PLC 中，使 PLC 得到迅速发展。 PLC 不仅控制功能增强，同时可靠性提高，功耗、体积减小，成本降低，编程和故障检测更加灵活方便，而且具有通信和联网、数据处理和图象显示等功能。

2.1 2.1 概述概述2.1.2 PLC2.1.2 PLC 的产生与发展的产生与发展

◆ 近年来近年来 PLCPLC 发展迅速发展迅速

PLC 集三电（电控、电仪、电传）为一体、性能价格比高、高可靠性的特点，已成为自动化工程的核心设备。

PLC 成为具备计算机功能的一种通用工业控制装置，其使用量高居首位。

PLC 成为现代工业自动化的三大技术支柱（ PLC 、机器人、 CAD/CAM ）之一。

2.1 2.1 概述概述2.1.2 PLC2.1.2 PLC 的产生与发展的产生与发展

就全世界自动化市场的过去、现在和可以预见的未来而言， PLC 仍然处于一种核心地位。在最近出现在美国、欧洲和国内有关探讨 PLC 发展的论文中，这个结论是众口一词的，尽管对 PLC 的未来发展有着许多不同的意见。

在全球经济不景气的时候， PLC 的市场销售仍然坚挺；PC 控制有了引人注目的进展，但毕竟只能对高端的 PLC

产品形成竞争；小型、超小型 PLC 的发展势头令人刮目相看； PLC和 PC 控制在今后可能相互融合。

2.1 2.1 概述概述2.1.2 PLC2.1.2 PLC 的产生与发展的产生与发展 PLCPLC 三大流派三大流派 自从第一台 PLC 出现以后，日本、德国、法国等也相继开始研制 PLC ，并得到了迅速的发展。各国 PLC都有自己的特色。

●欧洲：西门子（ Siemens ）； 法国的 TE（ Telemecanique）

●美国： A-B（ Allen-Bradly）、 GE（ General Electric）

●日本：三菱电机（ Mitsubishi Electric ）、 欧姆龙（ OMRON ）、 FUJI （日本主要发展中小型 PLC ，其小型机性能先进，结构紧凑，价格便宜）

目前国内市场还有韩国、台湾等 PLC 产品

2.1 2.1 概述概述2.1.2 PLC2.1.2 PLC 的产生与发展的产生与发展

■■ 我国我国 PLCPLC 发展情况发展情况 在 70年代末和 80年代初，我国随国外成套设备、专用设

备引进了不少国外的 PLC。

我国不少科研单位和工厂在研制和生产 PLC ，如辽宁无线电二厂、无锡华光电子公司、上海香岛电机制造公司、厦门 A-B公司等。

在传统设备改造和新设备设计中， PLC 的应用逐年增多，取得良好效果。 PLC 在我国的应用越来越广泛。

2.1 2.1 概述概述2.1.2 PLC2.1.2 PLC 的产生与发展的产生与发展■■我国我国 PLCPLC 发展情况发展情况 目前，国内 PLC生产厂家有 30余家，并有迹象显示，更多的来自

于原 PLC 应用的技术人员准备加入到小型 PLC开发的行列。但在目前上市的众多 PLC 产品中，还没有形成规模化的生产和名牌产品。

从技术角度来看，国内外的小型 PLC差距正在缩小。如无锡信捷、兰州全志等公司生产的微型 PLC 已经比较成熟，有些国产 PLC （如和利时、科迪纳）已经拥有符合 IEC标准的编程软件、支持了现场总线技术等。

面对国际厂商数十年的规模化生产和市场管理经验，国内厂商更多地只停留在小批量生产和维系生存的起步阶段，离真正批量生产、市场化经营乃至创建品牌还有很长的路要走。与此同时，国产 PLC 的低价优势也正在受到新的挑战。

2.1 2.1 概述概述2.1.2 PLC2.1.2 PLC 的产生与发展的产生与发展 中国 PLC 市场（ 2005年度）

2.1 2.1 概述概述2.1.2 PLC2.1.2 PLC 的产生与发展的产生与发展 PLCPLC 品牌分布情况的原因品牌分布情况的原因： 产品覆盖范围。排在最前的三个品牌有最丰富的产品系列，而且没

有偏重，用户很容易得到恰当的产品；其他品牌如 Fuji， LG则以小型和微型产品为主， GE和 Schneider 以中大型产品为主。虽然 A－ B拥有出色的技术和全面的产品系列，但是高价格使用户却步。

中国市场上的历史。 Siemens， Mitsubishi和 Omron都是在中国市场上传 统 的供应商， 在很多领域占了先机 ， 相 对 应 的 是GE， Schneider （其实 Modicon 进入中国也比较早，但没有完整的销售和服务体系）和 LG 这些后来者虽然市场快速增长，但距先行者仍有一定的差距。

行业分布。某些品牌会侧重于一些行业，如 Schneider 更加注重电力行业， Rockwell 在冶金行业表现出众。

2.1 2.1 概述概述2.1.2 PLC2.1.2 PLC 的产生与发展的产生与发展 20052005 年度年度 PLCPLC市场研究报告表明市场研究报告表明： ①作为目前国内控制市场上的主流控制器， PLC 市场的

国内参与者却需要尴尬地面对这样一个局面，即在高达 31亿的 PLC 市场总需求中，国产 PLC 不到整个市场份额 1％。

②在按照 I/O 数量划分的市场总量中，小型 PLC（ 256点以下）的市场巨大，占据市场总额的 64％，而国产PLC 的市场贡献恰恰就在小型 PLC 的市场中。

2.1 2.1 概述概述2.1.2 PLC2.1.2 PLC 的产生与发展的产生与发展

■ ■预测：预测：中国 PLC 市场在 2008年有望翻番

　　 在最近的经济发展中，中国以其制造业发展的迅猛及范

围的广泛为人瞩目，使 PLC 在某些自动化领域增长超过了

20% 。中国的 PLC 市场在未来的 5年内，将以 14.1% 的

综合年增长率增长。

2.1 2.1 概述概述2.1.2 PLC2.1.2 PLC 的产生与发展的产生与发展 流行新词汇流行新词汇：：可编程自动化控制器可编程自动化控制器 （ Programmable Automation Controller， PAC） PAC源自于 ARC咨询集团市场调查公司，认为： “PLC相当活跃，而且发展良好，具很强的生命力。然

而， PLC这个工业的有效工具正在许多方面不断改变，不断增加其魅力。自动化供应商正不断致力于 PLC 的开发，以迎合市场和特殊用户的需求。功能的增强促使了新系列的系统浮出水面。 PAC 基于开放的工业标准、具多领域功能、通用的开放平台以及高性能” 。

2.1 2.1 概述概述2.1.2 PLC2.1.2 PLC 的产生与发展的产生与发展 GE Fanuc却没有丝毫犹豫，立刻接受了 PAC 的概念，而且在汉诺威展上公开宣布，其新的旗舰控制产品的名称为PACSystems。GE Fanuc 使用了这个名称，表达了其产品综合了传统 PLC和 PC硬件的优点，具有通用编程环境。

2003年 11月 Rockwell宣布，其为 PAC 技术的领导厂商，其产品 Control Logix和 Compact Logix PLC事实上就是 PAC 。他认为，随着不断的发展， PAC将采用大量的方法以处理数据，并具有升级性，而在多项目控制、集成商务系统分析和生命周期成本管理等方面也能大踏步地前进。

是否制造商会将产品名称从 PLC改到 PAC ，还有待观察。

2.1 2.1 概述概述2.1.3 PLC2.1.3 PLC 的应用领域的应用领域 目前， PLC 在国内外已广泛应用冶金、石油、化工、建材、机械制造、电力、汽车、轻工、环保及文化娱乐等各行各业，随着 PLC 性能价格比的不断提高，其应用领域不断扩大。

从 PLC 应用类型看，大致可归纳为以下几个方面：开关量逻辑控制 运动控制 过程控制（ PID闭环控制 ） 数据处理 通信联网（构成DCS、FCS系统）

2.1 2.1 概述概述2.1.3 PLC2.1.3 PLC 的应用领域的应用领域

PLC 的应用范围已从传统的产业设备和机械的自动控制，扩展到以下应用领域：中小型过程控制系统、远程维护服务系统、节能监视控制系统，以及与生活相关的机器、与环境相关的机器，而且有急速的上升趋势。

值得注意的是，随着 PLC、 DCS 相互渗透，二者的界线日趋模糊的时候， PLC 从传统的应用于离散的制造业向应用到连续的流程工业扩展

2.2 P LC2.2 P LC 控制系统与电器控制系统的比较控制系统与电器控制系统的比较2.2.1 2.2.1 电器控制系统组成电器控制系统组成

2.2 P LC2.2 P LC 控制系统与电器控制系统的比较控制系统与电器控制系统的比较2.2.2 2.2.2 PLCPLC 控制系统组成控制系统组成

2.2 P LC2.2 P LC 控制系统与电器控制系统的比较控制系统与电器控制系统的比较2.2.3 2.2.3 PLCPLC 等效电路等效电路 例：三相异步电动机单向运行电器控制系统

输入设备

输出设备

2.2 P LC2.2 P LC 控制系统与电器控制系统的比较控制系统与电器控制系统的比较2.2.3 2.2.3 PLCPLC 等效电路等效电路 三相异步电动机单向运行 PLC 控制系统

2.2 P LC2.2 P LC 控制系统与电器控制系统的比较控制系统与电器控制系统的比较2.2.4 2.2.4 PLCPLC 控制系统与电器控制系统的区别控制系统与电器控制系统的区别

①控制方法上： 硬 ： 软硬 ： 软

②工作方式上： 并行工作方式 ： 串行工作方式并行工作方式 ： 串行工作方式

③控制速度上： 速度 慢 ： 快速度 慢 ： 快

④定时和计数控制上： 精度 低 ： 高精度 低 ： 高

⑤可靠性和可维护性上： 可靠性 低 ： 高可靠性 低 ： 高

FX-PLCFX-PLC

QQ

S7-200 S7-300 S7-400S7-200 S7-300 S7-400

LOGOLOGO

OMROMOMROM

SLC500SLC500

2.3 P LC2.3 P LC 组成组成2.3.1 2.3.1 PLCPLC 组成概述组成概述

◆ PLC 的基本组成与一般的微机系统类似： 是一种以微处理器为核心的、以微处理器为核心的、用于控制的用于控制的特殊计算机

◆ PLC 的基本组成包括硬件与软件硬件与软件两部分 PLCPLC 的硬件：的硬件：中央处理器（ CPU）、存储器、输入接口、 输出接口、通信接口、电源等 PLCPLC 的软件：的软件：系统程序和用户程序

2.3 P LC2.3 P LC 组成组成2.3.1 2.3.1 PLCPLC 组成概述组成概述

编程器写入器

电 源输入单元

输出单元CPU

通信接口

扩展接口

存储器

2.3 P LC2.3 P LC 组成组成2.3.2 PLC2.3.2 PLC 中的中的 CPUCPU 及作用及作用

◆ PLC 中常采用的 CPU 有三类： 1) 通用微处理器通用微处理器（如 Z80、 8086、 80286 等） 2) 单片微处理器单片微处理器（如 8031 、 8096 等） 3) 位片式微处理器位片式微处理器 (如 AMD29W 等 )◆ 小型 PLC ：大多采用 8 位通用微处理器和单片微处理器，

中型 PLC ：大多采用 16 位通用微处理器或单片微处理器

大型 PLC ：大多采用高速位片式微处理器（ 32 位） 小型 PLC 为单单 CPUCPU 系统，系统，中、大型 PLC则大多为双双

CPUCPU或多或多 CPUCPU 系统。系统。对于双 CPU 系统，一般一个为字处字处理器理器，一般采用 8 位、 16 位或 32 位处理器；另一个为位位处理器处理器，采用由各厂家设计制造的专用芯片。

2.3 P LC2.3 P LC 组成组成2.3.2 PLC2.3.2 PLC 中的中的 CPUCPU 及作用及作用◆ CPUCPU 的作用的作用：按系统程序赋予的功能，指挥 PLC 有条不紊地进行工作。归纳起来主要有以下五个方面：

1 ）接收并存储编程器或其它外设输入的用户程序或数据

2 ）诊断电源、 PLC 内部电路故障和编程中的语法错误等

3 ）接收并存储从输入单元（接口）得到现场输入状态或数据4 ）逐条读取并执行存储器中的用户程序，并将运算结果存入 存储器中5 ）根据运算结果，更新有关标志位和输出内容，通过输出接 口实现控制、制表打印或数据通讯等功能

2.3 P LC2.3 P LC 组成组成2.3.3 PLC2.3.3 PLC 中的存储器中的存储器及作用及作用

◆存储器的作用存储器的作用：

在 PLC 中，存储器主要用于系统程序、用户程序、数据

◆ 存储器的类型存储器的类型：

① 可读 /写操作的随机存储器 RAM

② 只读存储器 ROM、 PROM、 EPROM和 EEPROM

2.3 P LC2.3 P LC 组成组成2.3.3 PLC2.3.3 PLC 中的存储器中的存储器及作用及作用◆◆ 系统程序系统程序 : :

系统程序是完成系统诊断、命令解释、功能子程序调用、管理、逻辑运算、通信及各种参数设定等功能。

系统程序由 PLC 的制造厂家编写的，在 PLC 使用过程中不会变动，它和 PLC 的硬件组成有关，它关系到 PLC 的性能。

系统程序 由制造厂家直接固化在只读存储器ROM、 PROM或 EPROM 中，用户不能访问和修改。

2.3 P LC2.3 P LC 组成组成2.3.3 PLC2.3.3 PLC 中的存储器中的存储器及作用及作用

◆ 用户程序用户程序 ::

● ●用户程序是用户根据控制对象生产工艺及控制的要求而编制的应用程序。它是由 PLC 控制对象的要求而定的，

●● 为了便于读出、检查和修改，用户程序一般存于 CMOS

静态 RAM 中，用锂电池作为后备电源，以保证掉电时不会丢失信息。为了防止干扰对 RAM 中程序的破坏，当用户程序经过运行正常，不需要改变，可将其固化在 EPROM 中。

●●现在有许多 PLC直接采用 EEPROM 作为用户存储器。

2.3 P LC2.3 P LC 组成组成2.3.3 PLC2.3.3 PLC 中的存储器中的存储器及作用及作用 PLC 的编程语言（ IEC61131-3 中的 5种 PLC 基本语言）●●顺序功能图（ SFC ）：不仅仅是一种语言，更是一种组

织控制程序的图形化方式。 ● ●梯 形 图（ L D ）：以图形方式表达触点和线圈以及 特殊指令块的梯级。●●指 令 表（ I L ）：类似汇编程序的基于文本的语言

与其相对应的是 LD。●●结 构 文 本（ S T ）：类似 Pascal 的基于文本的语言

● ●功 能 块 图（ FBD ）：一种对应于线路图的图形语言。 FBD广泛地用于过程工业。

2.3 P LC2.3 P LC 组成组成2.3.3 PLC2.3.3 PLC 中的存储器中的存储器及作用及作用◆ 工作数据工作数据 ::

● ●工作数据工作数据是 PLC 运行过程中经常变化、经常存取的一些数据。它们存放在 RAM 中，以适应随机存取的要求。

●●在 PLC 的工作数据存储器中，设有存放输入 /输出继电器、辅助继电器、定时器、计数器等逻辑器件的存储区，这些器件的状态都是由用户程序的初始设置和运行情况而确定的。根据需要，部分数据在掉电时用后备电池维持其现有的状态，这部分在掉电时可保存数据的存储区域称为保持数据区。

2.3 P LC2.3 P LC 组成组成2.3.3 PLC2.3.3 PLC 中的存储器中的存储器及作用及作用

◆ 系统程序和工作数据与用户无直接联系

◆ 在 PLC 产品样本或使用手册中所列存储器的形式及容量是指用户程序存储器用户程序存储器。

◆ 当 PLC 提供的用户存储器容量不够用，许多 PLC 还提供有存储器扩展功能。

2.3 P LC2.3 P LC 组成组成2.3.4 PLC2.3.4 PLC 中的输入中的输入 //输出接口输出接口及作用及作用

◆ 输入输入 // 输出接口输出接口通常也称 I / O I / O 单元或单元或 I / O I / O 模块，模块，是 PLC

与工业生产现场之间的连接通道。

● ●PLCPLC 输入接口输入接口 ---------- 可以检测被控对象的各种数据，用这

些数据作为 PLC 对被控制对象进行控制的依据

●● PLCPLC 输出接口输出接口 ----------将处理结果送给被控制对象，以实现

控制目的

2.3 P LC2.3 P LC 组成组成2.3.4 PLC2.3.4 PLC 中的输入中的输入 //输出接口输出接口及作用及作用◆ I / O I / O 接口的作用：接口的作用： ● ●电平转换功能：由于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 的处理的信号是标准电平信号。

●●光电隔离和滤波功能，以提高 PLC 的抗干扰能力 ●●通常还有状态指示，工作状况直观，便于维护

◆ I / O I / O 接口的类型接口的类型： ●●开关量输入 /输出接口 ● ●模拟量输入 /输出接口

2.3 P LC2.3 P LC 组成组成2.3.4 PLC2.3.4 PLC 中的输入中的输入 //输出接口输出接口及作用及作用◆ ◆ 开关量输入开关量输入 // 输出接口输出接口 ●常用开关量输入接口开关量输入接口： ①直流输入接口、②交流输入接口、 ③交 /直流输入接

口 ●常用开关量输出接口开关量输出接口： ①继电器输出接口：： 响应速度慢、动作频率低，可驱动交流或直流负载 ②晶体管输出接口：： 响应速度快、动作频率高，只能用于驱动直流负载 ③晶闸管输出接口： 响应速度快、动作频率高， 只能用于驱动交流负载

2.3 P LC2.3 P LC 组成组成2.3.4 PLC2.3.4 PLC 中的输入中的输入 //输出接口输出接口及作用及作用◆ 模拟量输入模拟量输入 // 输出接口输出接口 ●模拟量输入接口（ A/D接口） 分辨率（ 8 位、 10 位、 12 位等）、量化误差、偏移误差、满刻度误差、线性度、精度等

许多 PLC 还有与热电阻或热电偶配套使用的 A/D接口

●模拟量输出接口（ D/A接口） 分辨率（ 8 位、 10 位、 12 位等）、精度、线性度、稳定时间等

2.3 P LC2.3 P LC 组成组成2.3.4 PLC2.3.4 PLC 中的输入中的输入 //输出接口输出接口及作用及作用◆ 输入输入 // 输出（输出（ I/OI/O ））点数点数：

● ● PLCPLC的的 I / OI / O 点数点数是指 PLC的 I/O接口所能接受的输入信

号个数和输出信号个数的总和。

● ● I/O 点数是选择 PLC 的重要依据之一

●●当 I/O 点数不够时，可通过 PLC的 I/O扩展接口对系统

进行扩展

2.3 P LC2.3 P LC 组成组成2.3.5 PLC2.3.5 PLC 中的通信接口中的通信接口及作用及作用◆ PLCPLC配有各种通信接口与外部设备连接配有各种通信接口与外部设备连接

● 与打印机连接，可将过程信息、系统参数等输出打印 ● 与监视器连接，可将控制过程图像显示出来 ● 与 P L C 连接，组成多机系统或连成网络，实现更大规模控制 ● 与计算机连接，组成多级分布式控制系统，控制与管理相结合 ● 与人机界面（触摸屏）连接 ● 与智能接口模块连接。智能接口模块是一独立的计算机系统，它

有自己的 CPU 、系统程序、存储器以及与 PLC 系统总线相连的接口 ， PLC 的智能接口模块种类很多，如：高速计数模块、闭环控制模块、运动控制模块、中断控制模块等。

● 与编程器连接

2.3 P LC2.3 P LC 组成组成2.3.6 PLC2.3.6 PLC 中的扩展接口中的扩展接口及作用及作用

◆ 扩展接口扩展接口（是用于连接护展单元的接口）。

当 PLC基本单元 I/O 点数不能满足要求时，可通过扩展

接口连接扩展单元以增加系统的 I/O 点数

2.3 P LC2.3 P LC 组成组成2.3.6 PLC2.3.6 PLC 中的扩展接口中的扩展接口及作用及作用 通信与扩展接口的连接实例通信与扩展接口的连接实例

2.3 P LC2.3 P LC 组成组成2.3.7 PLC2.3.7 PLC 中的电源中的电源及作用及作用◆ PLC配有开关式稳压电源，以提供内部电路使用。 与普通电源相比， PLC 电源的稳定性好、抗干扰能力强。

因此，对于电网提供的电源稳定度要求不高，一般允许电源电压在其额定值±15%的范围内波动。

◆ 许多 PLC 还向外提供直流 24V 稳压电源，用于对外部传感 器供电。

◆ 电源的容量

2.3 P LC2.3 P LC 组成组成2.3.8 PLC2.3.8 PLC 编程器编程器及作用及作用

◆ 编程器的作用编程器的作用：：是编辑、调试、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、维护 PLC 不可缺少的设备。

简易编程器 专用编程器专用编程器 ◆ 编程器编程器 智能编程器

通用编程系统：通用编程系统： PCPC上配专用编程软件包上配专用编程软件包

2.3 P LC2.3 P LC 组成组成2.3.8 PLC2.3.8 PLC 编程器编程器及作用及作用

2.3 P LC2.3 P LC 组成组成2.3.8 PLC2.3.8 PLC 写入器写入器及作用及作用

◆ 写入器写入器 : 是用来将用户程序固化到 EPROM存储器中的一种 PLC外部设备。

◆ 为了使调试好用户程序不易丢失，经常用 EPROM

写入器将 PLC内 RAM保存到 EPROM 中。

2.4 PLC2.4 PLC 工作原理工作原理

2.4 PLC2.4 PLC 工作原理工作原理2.4.1 2.4.1 扫描工作方式扫描工作方式

★ 当 PLC 运行时，需要进行众多的操作

★而 PLC的 CPU 不可能同时去执行多个操作， 每一刻只能执行一个操作 。

2.4 PLC2.4 PLC 工作原理工作原理2.4.1 2.4.1 扫描工作方式扫描工作方式 ★ 解决的办法：采用分时操作原理

★由于 CPU 的运算处理速度很快，所以从宏观上来看，

PLC 外部出现的结果似乎是同时完成的。

★这种分时操作的方法称为扫描工作方式扫描工作方式

2.4 PLC2.4 PLC 工作原理工作原理2.4.1 2.4.1 扫描工作方式扫描工作方式

★ 例如：用户程序的执行（用户程序的扫描工作过程）

扫描是从第一条程序开始，在无中断或跳转控制的情扫描是从第一条程序开始，在无中断或跳转控制的情

况下，按程序存储顺序的先后，逐条执行执行程序，直到况下，按程序存储顺序的先后，逐条执行执行程序，直到

程序结束。然后再从头开始扫描执行，并周而复始地重复程序结束。然后再从头开始扫描执行，并周而复始地重复

进行。进行。

2.4 PLC2.4 PLC 工作原理工作原理2.4.2 PLC2.4.2 PLC 的扫描工作过程的扫描工作过程

检查检查 CPUCPU 等内部硬件，对监视定等内部硬件，对监视定时器（时器（ WDTWDT ））复位以及其它工作 复位以及其它工作

与其它智能装置（如编程器、与其它智能装置（如编程器、计算机等）实现通信计算机等）实现通信 按顺序对所有输入端的状态进按顺序对所有输入端的状态进行采样，并存入相应寄存器行采样，并存入相应寄存器对用户程序扫描执行 ，并将结对用户程序扫描执行 ，并将结果存入相应的寄存器果存入相应的寄存器将寄存器中与输出有关状态，转到将寄存器中与输出有关状态，转到输出锁存器，输出驱动外部负载输出锁存器，输出驱动外部负载

2.4 PLC2.4 PLC 工作原理工作原理2.4.2 PLC2.4.2 PLC 的扫描工作过程的扫描工作过程

★ ★ 整个过程包括内部处理、通信服整个过程包括内部处理、通信服务、输入处理、程序执行、输出处务、输入处理、程序执行、输出处理五个阶段理五个阶段

★ ★ 整个过程扫描执行一遍所需的时整个过程扫描执行一遍所需的时间称为间称为扫描周期扫描周期

★ ★ 扫描周期与扫描周期与 CPUCPU 运行速度、运行速度、 PLCPLC硬件配置及用户程序长短硬件配置及用户程序长短有关。有关。

★ ★ 典型值为典型值为 11～～ 100100msms

2.4 PLC2.4 PLC 工作原理工作原理2.4.3 PLC2.4.3 PLC 执行程序的过程执行程序的过程

2.4 PLC2.4 PLC 工作原理工作原理2.4.4 PLC2.4.4 PLC 扫描工作方式的特点扫描工作方式的特点

★ 集中采样： 在一个扫描周期中，对输入状态的采样只在输入处理阶段进行。当 PLC进入程序处理阶段后输入端将被封锁，直到下一个扫描周期的输入处理阶段才对输入状态进行重新采样。

★集中输出： 在用户程序中如果对输出结果多次赋值，则最后一次有效。在一个扫描周期内，只在输出处理阶段才将输出状态从输出映象寄存器中输出，对输出接口进行刷新。在其它阶段里输出状态一直保存在输出映象寄存器中。

2.4 PLC2.4 PLC 工作原理工作原理2.4.4 PLC2.4.4 PLC 扫描工作方式的特点扫描工作方式的特点 ((集中采样、集中输出的优集中采样、集中输出的优

点点 ))

★ ★ 提高了抗干扰能力，增强了系统可靠性提高了抗干扰能力，增强了系统可靠性

PLC 工作时大多数时间与外部输入 / 输出设备隔离，从根本上提高了系统的抗干扰能力，增强了系统的可靠性。

2.4 PLC2.4 PLC 工作原理工作原理2.4.4 PLC2.4.4 PLC 扫描工作方式的特点扫描工作方式的特点 ((集中采样、集中输出的缺集中采样、集中输出的缺

点点 ))

★ ★ 降低了系统的响应速度降低了系统的响应速度

PLC 输入／输出响应滞后：当 PLC 输入端输入信号发生变化到 PLC 输出端对该输入变化作出反应，需要一段时间。对一般的工业控制，这种滞后是完全允许的。

注意：注意：这种响应滞后不仅是由于 PLC扫描工作方式造成，更主要是 PLC 输入接口滤波环节带来的输入延迟和输出接口中驱动器件动作时间带来输出延迟，还与程序设计有关。

★ 对于小型 PLC: I/O 点数较少、用户程序较短

一般采用集中采样、集中输出集中采样、集中输出的工作方式

★ 而对于大中型 PLC: I/O 点数较多，控制功能强，用户程序较长，为提高系统响应速度，采用定期定期采样、定期输出方式采样、定期输出方式或中断输入、输出方式中断输入、输出方式以及采用智能 I/O 接口等多种方式

2.4 PLC2.4 PLC 工作原理工作原理2.4.4 PLC2.4.4 PLC 扫描工作方式的特点扫描工作方式的特点

2.5 2.5 P LCP LC 的分类及特点的分类及特点

2.5 2.5 P LCP LC 的分类及特点的分类及特点 3.5.1 3.5.1 PLCPLC 的分类的分类

PLC 一般可从其 I/O 点数、结构形式和功能三方面进行分类：

2.5 2.5 P LCP LC 的分类及特点的分类及特点 2.5.1 PLC2.5.1 PLC 的分类的分类（按（按 I/OI/O 点数分类）点数分类）根据 PLC的 I/O 点数， PLC 分为小型、中型和大型三类。1 ）小型小型 PLCPLC I/O 点数为 256点以下的为小型 PLC

（其中 I/O 点数小于 64 点的为超小型或微型 PLC）

2 ）中型中型 PLCPLC I/O 点数为 256点以上、 2048点以下的为中型 PLC

3 ）大型大型 PLCPLC I/O 点数为 2048以上的为大型 PLC

（其中 I/O 点数超过 8192 点的为超大型 PLC）

这个分类界限不是固定不变的，它随 PLC 的发展而变化。

2.5 2.5 P LCP LC 的分类及特点的分类及特点 2.5.1 PLC2.5.1 PLC 的分类的分类（（按结构形式分类按结构形式分类）） 根据 PLC 的结构形式，可将 PLC 分为整体式和模块式两类。

1 ）整体式PLC 将电源、 CPU、 I/O 接口等部件都集中装在一个机箱内， 具有结构紧凑、体积小、价格低的特点。

整体式 PLC由不同 I/O 点数的基本单元（又称主机）和扩展单元组成。基本单元内有 CPU、 I/O接口、与 I/O扩展单元相连的扩展口，以及与编程器或 EPROM写入器相连的接口等。扩展单元内只有 I/O 和电源等，没有 CPU 。基本单元和扩展单元之间一般用扁平电缆连接。整体式 PLC 一般还可配备特殊功能单元，如模拟量单元、位置控制单元等，使其功能得以扩展。

小型 PLC 一般采用这种整体式结构。

2.5 2.5 P LCP LC 的分类及特点的分类及特点 2.5.1 PLC2.5.1 PLC 的分类的分类（（按结构形式分类）按结构形式分类）

2 ）模块式PLC 将 PLC 各组成部分分别作成若干个单独的模块，如 CPU 模块、 I/O 模块、电源模块（有的含在 CPU 模块中）以及各种功能模块。

模块式由框架或基板和各种模块组成。模块装在框架或基板的插座上。这种模块式 PLC 的特点是配置灵活，可根据需要选配不同模块组成一个系统，而且装配方便，便于扩展和维修。

大、中型 PLC 一般采用模块式结构。

2.5 2.5 P LCP LC 的分类及特点的分类及特点 2.5.1 PLC2.5.1 PLC 的分类的分类（（按结构形式分类）按结构形式分类）

3 ）叠装式叠装式 PLCPLC 还有一些 PLC将整体式和模块式的特点结合起来。

叠装式 PLC其 CPU 、电源、 I/O接口等也是各自独立的模块，但它们之间是靠电缆进行联接，并且各模块可以一层层地叠装。这样，不但系统可以灵活配置，还可做得体积小巧。

2.5 2.5 P LCP LC 的分类及特点的分类及特点 2.5.1 PLC2.5.1 PLC 的分类的分类（按功能分类）（按功能分类）

11 ）低档）低档 PLCPLC 具有逻辑运算、定时、计数、移位以及自诊断、监控等基本功能，还可有少量模拟量输入／输出、算术运算、数据传送和比较、通信等功能。主要用于逻辑控制、顺序控制或少量模拟量控制的单机系统 22 ）中档）中档 PLCPLC 具有低档 PLC 功能外，具有较强的模拟量输入 /输出、算术运算、数据传送和比较、数制转换、远程I/O 、子程序、通信联网等功能。有些还增设中断、 PID 控制等功能 33 ）高档）高档 PLCPLC 具有中档机功能外，增加带符号算术运算、矩阵运算、位逻辑运算、平方根运算及其它特殊功能函数运算、制表及表格传送等。高档 PLC 机具有更强的通信联网功能，可用于大规模过程控制或构成分布式网络控制系统，实现工厂自动化。

22.5 .5 P LCP LC 的分类及特点的分类及特点 2.5.2 2.5.2 PLCPLC 的特点的特点

PLC 技术之所以高速发展，除了工业自动化的客观需要外，主要是因为它具有许多独特的优点。它较好地解决了工业领域中普遍关心的可靠、安全、灵活、方便、经济等问题。

① 可靠性高、抗干扰能力强可靠性高、抗干扰能力强 ② 编程简单、使用方便编程简单、使用方便

③ 功能完善、通用性强功能完善、通用性强

④ 设计安装简单、维护方便设计安装简单、维护方便

⑤ 体积小、重量轻、能耗低体积小、重量轻、能耗低

2.5.2 2.5.2 PLCPLC 的特点的特点①可靠性高、抗干扰能力强可靠性高、抗干扰能力强

可靠性高、抗干扰能力强是可靠性高、抗干扰能力强是 PLCPLC 最重要的特点之一。最重要的特点之一。 PLCPLC的平均无故障时间可达几十万个小时 。的平均无故障时间可达几十万个小时 。 ★硬件方面： I/O接口采用采用光电隔离，有效地抑制了外部干扰源的影响；对供电电源及线路采用多种形式的滤波，从而消除或抑制了高频干扰；对 CPU 等重要部件采用良好的导电、导磁材料进行屏蔽，以减少空间电磁干扰；对有些模块设置了联锁保护、自诊断电路等。

★软件方面：采用扫描工作方式，减少了外界的干扰；设有故障检测和自诊断程序，能对系统硬件电路等故障实现检测和判断；当由干扰引起故障时，能立即将当前重要信息加以封存，禁止任何不稳定的读写操作，一旦正常后，便可恢复到故障发生前的状态，继续原来的工作。

2.5.2 2.5.2 PLCPLC 的特点的特点② 编程简单、使用方便编程简单、使用方便

目前，各种 PLC都采用梯形图语言为第一编程语言，是，它是一种面向生产、面向用户的编程语言。梯形图与电器控制线路图相似，形象、直观，不需要掌握计算机知识，很容易让广大工程技术人员掌握。当生产流程需要改变时，可以现场改变程序，使用方便、灵活。

同时， PLC 编程器的操作和使用也很简单。这也是PLC获得普及和推广的主要原因之一。

许多 PLC 还针对具体问题，设计了各种专用编程指令及编程方法，进一步简化了编程。

2.5.2 2.5.2 PLCPLC 的特点的特点③ 功能完善、通用性强功能完善、通用性强

现代 PLC 不仅具有逻辑运算、定时、计数、顺序控制等功能，而且还具有 A/D和 D/A转换、数值运算、数据处理、 PID 控制、通信联网以等许多功能。

同时，由于 PLC 产品的系列化、模块化，有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，可以组成满足各种要求的控制系统。

2.5.2 2.5.2 PLCPLC 的特点的特点④ 设计安装简单、维护方便设计安装简单、维护方便

由于 PLC 用软件代替了传统电气控制系统的硬件，控制柜的设计、安装接线工作量大为减少。

PLC 的用户程序大部分可在实验室进行模拟调试，缩短了应用设计和调试周期。

在维修方面，由于 PLC 的故障率极低，维修工作量很小；而且 PLC 具很强的自诊断功能，如果出现故障，可根据 PLC上指示或编程器上提供的故障信息，迅速查明原因，维修极为方便。

2.5.2 2.5.2 PLCPLC 的特点的特点⑤体积小、重量轻、能耗低体积小、重量轻、能耗低

PLC 结构紧凑、体积小、能耗低，因而是实现机电一体化的理想控制设备

2.6 PLC2.6 PLC 的发展趋势 的发展趋势 2.6.1 2.6.1 向高速度、大容量方向发展向高速度、大容量方向发展

为了提高 PLC 的处理能力，要求 PLC 具有更好的响应速度和更大的存储容量。目前，有的 PLC 的扫描速度可达0.1ms/k步左右。 PLC 的扫描速度已成为很重要的一个性能指标。

在存储容量方面，有的 PLC 最高可达几十兆字节。为了扩大存储容量，有的公司已使用了磁泡存储器或硬盘。

2.6 PLC2.6 PLC 的发展趋势的发展趋势2.6.2 2.6.2 向超大型、超小型两个方向发展向超大型、超小型两个方向发展

当前中小型 PLC 比较多，为了适应市场的多种需要，今后 PLC 要向多品种方向发展，特别是向超大型和超小型两个方向发展。

现已有 I/O 点数达 14336 点的超大型 PLC ，其使用 32 位微处理器，多 CPU并行工作和大容量存储器，功能强。

小型 PLC由整体结构向小型模块化结构发展，使配置更加灵活，为了市场需要已开发了各种简易、经济的超小型微型 PLC ，最小配置的 I/O 点数为 8～ 16 点，以适应单机及小型自动控制的需要，如三菱公司 α 系列PLC 、西门子公司的 LOGO 系列 PLC 。

2.6 PLC2.6 PLC 的发展趋势的发展趋势2.6.3 2.6.3 大力开发智能模块，加强联网与通信能力大力开发智能模块，加强联网与通信能力

为满足各种控制系统的要求，不断开发出许多功能模块，如高速计数模块、温度控制模块、远程 I/O 模块、通信和人机接口模块等。这些带 CPU 和存储器的智能 I/O 模块，既扩展了 PLC 功能，又使用灵活方便，扩大了 PLC 应用范围。

加强 PLC 联网与通信的能力，是 PLC 技术进步的潮流。 PLC 的联网与和通信有两类：① PLC 之间联网通信，各 PLC生产厂家都有自己的专有联网手段；② PLC 与计算机之间的联网通信，一般 PLC都有专用通信模块与计算机通信。

为了加强联网与和通信能力， PLC生产厂家之间也在协商制订通用的通信标准，以构成更大的网络系统。

2.6 PLC2.6 PLC 的发展趋势的发展趋势2.6.4 2.6.4 增强外部故障的检测与处理能力增强外部故障的检测与处理能力

根据统计资料表明：在 PLC 控制系统的故障中， CPU占 5%， I/O接口占 15% ，输入设备占 45% ，输出设备占 30% ，线路占 5% 。

前二项共 20% 故障属于 PLC 的内部故障，它可通过PLC 本身的软、硬件实现检测、处理；

而其余 80% 的故障属于 PLC 的外部故障。 PLC生产厂家都致力于研制、发展用于检测外部故障的专用智能模块，进一步提高系统的可靠性

2.6 PLC2.6 PLC 的发展趋势的发展趋势2.6.5 2.6.5 编程语言多样化编程语言多样化

在 PLC 系统结构不断发展的同时， PLC 的编程语言也越来越丰富，功能也不断提高。

除了大多数 PLC 使用的梯形图语言外，为了适应各种控制要求，出现了面向顺序控制的步进编程语言、面向过程控制的流程图语言、与计算机兼容的高级语言（ BASIC、 C语言等）等。多种编程语言的并存、互补与发展是 PLC 进步的一种趋势。

第第 33部分 部分 可编程控制器基础知识可编程控制器基础知识

3.1 概述3.2 PLC 系统与继电器系统比较3.3 PLC 组成3.4 PLC基本工作原理3.5 PLC 特点与分类3.6 PLC 发展趋势

整体式整体式PLCPLC

模块式模块式PLCPLC

第第 22 章 章 可编程序控制器基础知识可编程序控制器基础知识