3.1PLC的产生及定义3.1.1PLC的产生20世纪20年代起，人们把各种继电器、定时器、接触器及其触点按一定的逻辑关系连接起来
控制各种生产机械，这就是继电器-接触器控制系统。它结构简单、容易掌握、价格便宜，能满足大部分场合电气顺序逻辑控制的要求，因而在工业
控制领域中一直占据着主导地位。但继电器-接触器控制系统具有以下明显的缺点：设备体积大、可靠性差、动作速度慢、功能弱，难于实现较复
杂的控制，通用性和灵活性较差。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继电器控制系统及接线的工作量，以降低成本，缩短周期。为此，
通用汽车公司提出了一种新颖控制器的十大技术要求，并面向社会进行招标。该十大技术要求归纳为著名的“GM十条”：1、编程方便，且可
以在现场方便地编辑、修改控制程序；2、价格便宜，性价比要高于继电器-接触器控制系统；3、体积要明显小于继电器-接触器控制系
统；4、可靠性要明显高于继电器-接触器控制系统；5、具有数据通信功能，使数据可直接送入管理计算机；6、输入可以是AC
115V（美国电压标准）；7、输出应为AC115V，容量要求在2A以上，可直接驱动接触器、电磁阀等；8、硬件维护方便，
最好采用“插接式”结构；9、扩展时，只需要对原系统进行很小的改动；10、用户程序存储器容量至少可以扩展到4KB。这些要求的实
质内容是提出了将继电器-接触器控制系统的优点与计算机的优点结合起来，将继电器-接触器控制系统的硬连线逻辑转变为计算机的软件逻辑编程
的设想。1969年美国数字设备公司（DEC）根据上述要求，研发出世界上第一台可编程序控制器，并在GM公司汽车生产线上成功应用，这
就是世界上第一台可编程序控制器，型号为PDP-14，人们把它称作可编程序逻辑控制器（ProgrammablelogicCont
roller，简称PLC）。可编程控制器概述3.1.2PLC的定义1987年，国际电工委员会（IEC）定义：可编程序控制器是
一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下的应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来存储执行逻辑运算和顺序控制、定时、计数和算术
运算等操作的指令，并通过数字或模拟的输入/输出接口，控制各种类型的机器设备或生产过程。在IEC的定义中，已经对可编程序控制器的使
用环境（即工业环境）与功能（具有通信与可扩展功能）作了更为明确的要求。简言之，定义规定的可编程序控制器是一种具有通信功能与可扩展输
入/输出接口的工业计算机。此外，PLC与继电器-接触器控制系统、单片机控制系统和传统的集散型控制系统等典型控制系统均有本质的区别
。PLC与其它典型控制系统的区别如下：1、PLC与继电器-接触器控制系统比较：传统的继电器-接触器控制系统是针对一定的生产机
械、固定的生产工艺而设计，采用硬接线方式安装而成，只能进行开关量的控制，一旦改变生产工艺过程，继电器-接触器控制系统必须重新配线，
因而适应性差，体积庞大，安装、维护不方便。由于PLC应用了微电子技术和计算机技术，各种控制功能是通过软件来实现的，只要改变程序，
就可适应生产工艺改变的要求，适应性强。PLC不仅能完成逻辑运算、定时和计数等功能，而且能进行算术运算，因而它既可以进行开关量控制，
又可进行模拟量控制，还能与计算机联网，实现分级控制。2、PLC与单片机控制系统比较：现代PLC的核心就是单片机微处理器。虽然用
单片机做控制部件在成本方面具有优势，但是从单片机到工业控制装置之间毕竟有一个硬件开发和软件开发的过程。虽然PLC也有必不可少的软件
开发过程，但两者所用的语言差别很大，单片机主要使用汇编语言（或C语言）开发软件，所用的语言复杂且易出错，开发周期长。而PLC使用专
用的指令系统来编程，简便易学，现场就可以开发调试。与单片机比较，PLC的输入/输出端口更接近现场设备，不需要添加太多的中间部件，这
样节省了用户时间和资金投资。一般说来，单片机控制系统的应用只是为某个特定的产品服务的，单片机控制系统的通用性、兼容性和扩展性都相当
差。3、PLC与传统的集散型控制系统的比较：PLC是由继电器-接触器控制系统发展而来的，而传统的集散控制系统DCS（Dist
ributedControlSystem）是由回路仪表控制系统发展起来的分布式控制系统，它在模拟量处理、回路调节等方面有一定的
优势。PLC随着微电子技术、计算机技术和通信技术的发展，无论在功能上、速度上、智能化模块以及联网通信上，都有很大的提高，并开始与小
型计算机连成网络，构成了以PLC为重要部件的分布式控制系统，现在各类DCS也面临着高端PLC的威胁。由于PLC的技术不断发展，现代
PLC基本上全部具备DCS过去所独有的一些复杂控制功能，且PLC具有操作简单的优势，最重要的一点，就是PLC的价格和成本是DCS系
统所无法比拟的。3.2PLC的发展与应用3.2.1PLC的发展历程PLC技术随着计算机和微电子技术的发展而迅速发展，由最初
的1位机发展为8位机。随着微处理器CPU和微型计算机技术在PLC中的应用，形成了现代意义上的PLC。进入20世纪80年代以来，随着
大规模和超大规模集成电路等微电子技术的迅速发展，以16位和32位微处理器构成的微机化PLC得到了惊人的发展，使PLC在概念、设计、
性能价格比以及应用等方面都有了新的突破。大致总结一下，PLC的发展经历了初级阶段、崛起阶段、成熟阶段、飞速发展阶段和开放性标准化
阶段。1、初级阶段从第一台PLC问世到20世纪70年代中期。这个时期的PLC功能简单，主要完成一般的继电器控制系统的功能，即顺
序逻辑、定时和计数等，编程语言为梯形图。2、崛起阶段从20世纪70年代初期70年代末期。由于PLC在取代继电器控制系统方面的卓
越表现，使得它在电气自动控制领域得到了飞速的发展。这个阶段的PLC在其控制功能方面增强了很多。3、成熟阶段从20世纪80年代初
期到80年代末期。PLC的应用从小规模、小系统发展到大型的控制系统。对这些大规模、多控制器的应用场合，PLC控制系统须具备通信和联
网功能。这个时期的PLC顺应时代要求，在大型的PLC中一般都扩展上了遵守一定协议的通信接口。4、飞速发展阶段从20世纪90年代
初期到90年代末期。由于对模拟量处理功能和网络通信功能的提高，PLC控制系统在过程控制领域也开始大面积使用。随着芯片技术、计算机技
术、通信技术和控制技术的发展，PLC的功能得到了进一步的提高。从20世纪90年代以后，是PLC发展最快的时期，年增长率一直都保持在
30%~40%之间。5、开放性、标准化阶段从20世纪90年代末期以后。其实关于PLC开放性的工作在上世纪80年代就已经展开；但
由于受到各大公司的利益阻挠和技术标准化难度的影响，这项工作进展得并不顺利。所以PLC诞生后的近30年的时间里，各个PLC在通信标
准、编程语言等方面都存在着不兼容的地方，这为在工业自动化中实现互换性、互操作性和标准化都带来了极大的不便。现在随着可编程序控制器国
际标准IEC61131的逐步完善和实施，特别是IEC61131-3标准编程语言的推广，使得PLC真正走入了一个开放性和标准化的时代
。3.2.2PLC的发展趋势PLC总的发展趋势是向高集成度、小体积、大容量、高速度、易使用、高性能、信息化、软PLC、标准化、
与现场总线技术紧密结合等方向发展。1、向小型化、专用化、低成本方向发展2、向大容量、高速度、信息化方向发展3、智能化模块的发
展4、人机界面（接口）的发展5、在过程控制领域的使用以及PLC的冗余特性6、开放性和标准化7、通信联网功能的增强和易用化
8、软PLC的概念9、PAC的概念10、PLC在现场总线控制系统中的位置3.2.3PLC的应用领域初期的PLC主要在以开关量
居多的电气顺序控制系统中使用，但20世纪90年代后，PLC也被广泛地在流程工业自动化系统中使用，一直到现在的现场总线控制系统，PL
C更是其中的主角，其应用面越来越广。PLC之所以被广泛使用，其主要原因是：1、价格越来越低2、功能越来越强3、与时俱进地发
展PLC应用领域目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、纺织、交通运输、环保等各行各业。随
着其性能价格比的不断提高，应用范围也不断扩大，其用途大致有以下几个方面。1、用于开关量的逻辑控制2、用于模拟量控制3、用于数
字量控制4、用于数据采集5、用于进行监控6、通信联网3.3PLC的特点1、可靠性PLC不需要大量的活动部件和电子元件，
接线大大减少，与此同时，系统的维修简单、维修时间缩短。在硬件设计方面，也采用了一系列提高可靠性的措施。2、易操作性操作方便、编
程方便、维修方便。3、灵活性编程的灵活性、扩展的灵活性、操作的灵活性。4、机电一体化为了使工业生产过程的控制更平稳可靠，优
质高产低耗，对过程控制设备和装置提出了机电一体化，即使仪表、电子及计算机综合，而PLC正是这一要求的产物。3.4PLC的分类
3.4.1按结构形式分类1、整体式（又称“单元式”或“箱体式”）整体式PLC的CPU模块、I/O模块和电源装在一个箱体机壳内
，结构非常紧凑，体积小，价格低，安装方便，但灵活性较差。各种PLC外形图2、模块式（又称“积木式”或“组合式”）大、中型PL
C和部分小型PLC采用模块式结构。模块式PLC用搭积木的方式组成系统，由框架和模块组成。模块插在模块插座上，模块插座焊在框架中的总
线连接板上。3、叠装式PLC叠装式结构是整体式和模块式相结合的产物。把某一系统PLC工作单元的外形都做成外观尺寸一致的，CPU
、I/O及电源也可以作成独立的，不使用模块式PLC中的母板，采用电缆连接各个单元，在控制设备中安装时可以一层层地叠装。3.4.2
按功能分类1、低档机低档机PLC具有逻辑运算、定时、计数等功能，有的还增设模拟量处理、算术处理、数据传送等功能，可实现逻辑、
顺序、定时、技术控制等。2、中档机中档机PLC除具有低档机的功能外，一般有整数和浮点运算、数制转换、PID调节、中断控制及
联网功能，可用于复杂的逻辑运算及闭环控制场合。3、高档机高档机PLC除具有中档机的功能外，还可以函数运算、矩形运算，完成数
据管理工作，有更强的通讯能力，还具有模拟调节、联网通信、监视、记录和打印等功能，使PLC的功能更多更强，能进行智能控制、远程控制、
大规模控制，构成分布式生产过程综合控制管理系统，成为整个工厂的自动化网络。3.4.3按I/O点数分类1、微型机I/O点数小于
100点，内存容量为256B~1KB。2、小型机I/O点数＜256点，用户存储器容量4KB以下。3、中型机I/O点数为
256界~2048点，用户存储器容量2~8KB。4、大型机I/O点数＞2048点；多CPU，16位、32位处理器，用户存储器
容量8~16KB。5、超大型机I/O点数可达几千点，甚至几万点，内存容量为16KB以上。3.5PLC的硬件结构和各部分的作用
PLC种类繁多，但其组成结构和工作原理基本相同。1、中央处理器模块（CPU）中央处理器模块(CPU)一般由控制器、运算器和寄存
器组成，这些电路都集成在一个芯片内。CPU通过数据总线、地址总线和控制总线与存储单元、输入/输出接口电路相连接。PLC中所采用的
CPU随机型不同而异，通常有三种：通用微处理器、单片机和位片式微处理器。CPU主要作用如下：（1）接收从编程器输入的用户程序和
数据，送入存储器储存。（2）用扫描方式接收输入设备的状态信号，并存入相应的数据区。（3）监测和诊断电源、PLC内部电路的工作状
态和用户编程过程中的语法错误等。（4）执行用户程序。（5）根据数据处理的结果，刷新有关标志位的状态和输出映像寄存器表的内容，再
经输出部件实现输出控制、制表打印或数据通信等功能。2、存储器模块PLC的存储器是存放程序及数据的地方，PLC运行所需的程序分
为系统程序及用户程序，存储器也分为系统存储器（EPROM）和用户存储器（RAM）两部分。（1）系统存储器。系统存储器用来存放生产
厂家编写的系统程序，并固化在只读存储器ROM内，用户不能更改。（2）用户存储器。用户存储器包括用户程序存储区和数据存储区两部分。
3、输入/输出（I/O）模块输入/输出（I/O）模块是PLC与工业控制现场各类信号连接的部分，起着PLC与被控对象间传递输入
/输出信息的作用。输入接口输出接口4、电源模块PLC的电源模块把交流电源转换成供CPU、存储器等电子电路工作所需要的直流电源
，使PLC正常工作。PLC的电源部件有很好的稳压措施，因此对外部电源的稳定性要求不高，一般允许外部电源电压的额定值在+10%～-
15%的范围内波动。有些PLC的电源模块还能向外提供24V（DC）稳压电源，用于对外部传感器供电。为了防止在外部电源发生故障的
情况下，PLC内部程序和数据等重要信息的丢失，PLC用锂电池做停电时的后备电源。台式专用编程器编程器个人计算机：安
装编程软件简易型：只能联机编程手持式智能型：可联机、脱机5、外部设备（1）编程器。PLC的特点是它的程序是可以改变的，可方便地
加载程序，也可方便地修改程序。（2）其它外部设备。PLC还配有生产厂家提供的其它一些外部设备：外部存储器打印机EPROM写入器3
.6PLC的工作原理3.6.1PLC控制系统的组成PLC是一种存储程序控制器。存储程序控制是将控制逻辑以程序语言的形式存
放在存储器中，通过执行存储器中的程序实现系统的控制要求。这样的控制系统称为存储程序控制系统。在存储程序控制系统中，控制程序的修改不
需要改变控制器内部的接线（硬件），而只需通过编程器（或编程软件）改变程序存储器中的某些程序语言的内容。可编程控制器的工作原理PLC
控制系统的基本结构框图PLC的等效电路（1）输入回路输入回路是由外部输入电路、PLC输入端子（COM是输入公共端）和输入继电器
组成。一个输入端子对应一个等效电路中的输入继电器，它可提供任意一个动合和动断触点，供PLC内部控制电路编程使用。由于输入继电器反映
输入信号的状态，因此习惯上经常将两者等价使用。输入回路可用PLC电源模块提供的直流电压。（2）内部控制回路内部控制回路是由用户
程序形成。它的作用是按照程序规定的逻辑关系，对输入信号和输出信号的状态进行运算、处理和判断，然后得到相应的输出。（3）输出回路
输出回路是由与内部电路隔离的输出继电器的外部动合触点、输出端子（COM是输出公共端）和外部电路组成，用来驱动外部负载。3.6.2
PLC循环扫描的工作过程PLC从最初存储地址所存放的第一条用户程序开始，在无中断或跳转的情况下，按存储地址序号递增的方向顺序逐条
执行用户程序，直到END指令结束，然后再从头开始执行，并周而复始地重复，直到停机或从运行（RUN）切换到停止（STOP）工作状态。
PLC每扫描完一次程序就构成一个扫描周期。PLC采用循环扫描控制程序的工作方式（串联工作方式），即在PLC的工作过程中，如果某
一个软继电器的线圈接通，该线圈的所有动合和动断触点，并不一定都会立即工作，只有CPU扫描到该触点时才会动作（动合触点闭合，动断触点
断开）。1、PLC的两种工作状态PLC有两种工作状态，即运行（RUN）状态与停止（STOP）状态。运行状态是执行应用程序。停
止状态一般用于程序的编制与修改。2、用户程序的循环扫描过程PLC的工作过程，与CPU的操作方式有关。CPU有STOP方式和RU
N方式两个操作方式。在扫描周期内，STOP方式和RUN方式的主要差别在于RUN方式下执行用户程序，而在STOP方式下不执行用户程序
。输入处理阶段程序执行阶段输出处理阶段PLC顺序读入所有输入端子的状态，并将读入的信息存入内存中所对应的输入映像寄存器。根据P
LC梯形图程序的扫描原则，按先左后右，先上后下的步序，逐句扫描，执行程序。将输出映像寄存器中的状态，转存到输出锁存器，通过隔离电路
，驱动功率放大电路，使输出端子向外界输出控制信号，驱动外部负载。3.6.3PLC用户程序的工作过程PLC通电后，在系统程序的
监控下，周而复始地按一定的顺序对系统内部的各种任务进行查询、判断和执行，这个过程实质上是按顺序循环扫描的过程。1、初始化。PLC上
电后，首先进行系统初始化，清除内部继电器，复位定时器等。2、CPU自诊断。在每个扫描周期都要进入自诊断阶段，对电源、PLC内部电路
、用户程序的语法进行检查，定期复位监控定时器等，以确保系统可靠运行。3、通信信息处理。在每个通信信息处理扫描阶段，进行PLC之间、
PLC与计算机之间及PLC与其它带微处理器的智能装置通信，在多处理器系统中，CPU还要与数字处理器交换信息。4、PLC与外部设备交
换信息。PLC与外部设备连接时，在每个扫描周期内要与外部设备交换信息。用户把应用程序输入到PLC中，PLC与编程器要进行信息交换。
在每个扫描周期都要执行此项任务。5、执行用户程序。PLC在运行状态下，每一个扫描周期都要执行用户程序。执行用户程序时，是以扫描的方
式按顺序逐句扫描处理的，扫描一条执行一条，并把运算结果存入输出映像寄存器对应位置中。6、输入、输出信息处理。PLC在运行状态下，每
一个扫描周期都要进行输入、输出信息处理。以扫描的方式把外部输入信号的状态存入输入映像寄存器，将运算处理后的结果存入输出映像寄存器，
直到传送到外部被控设备为止。PLC周而复始地循环扫描，执行上述整个过程，直至停机。3.6.4PLC工作过程举例说明简单的说，P
LC工作过程是：输入刷新→运行用户程序→输出刷新，再输入刷新→再运行用户程序→再输出刷新……，永不停止循环反复地进行着。简化工作
流程图实际工作流程3.6.5输入、输出延迟响应1、扫描周期PLC在RUN工作模式时，执行一次扫描操作所需时间称为扫描周期，其
典型值为1～100ms。扫描周期与用户程序的长短、指令的种类和CPU执行速度有很大关系。当用户程序较长时，指令执行时间在扫描周期
中占相当大的比例。2、输入、输出滞后时间输入、输出滞后时间又称系统响应时间，是指PLC的外部输入信号发生变化的时刻至它控制的有
关外部输出信号发生变化的时刻之间的时间间隔，它由输入电路滤波时间、输出电路的滞后时间和因扫描工作方式产生的滞后时间这三部分组成。3
.6.6PLC对输入、输出的处理规则根据上述工作特点，可以归纳出PLC在输入/输出处理方面必须遵守的一般原则：1、输入映像寄存器
的数据取决于输入端子板上各输入点在上一刷新期间的接通和断开状态。2、程序执行结果取决于用户程序和输入/输出映像寄存器的内容及其他各元件映像寄存器的内容。3、输出映像寄存器的数据取决于输出指令的计算结果。4、输出锁存器中的数据，由上一次输出刷新期间输出映像寄存器中的数据决定。5、输出端子的接通和断开状态，由输出锁存器决定。思考与练习一、填空题：1、可编程序控制器系统的硬件包括、、、和。2、可编程控制器按硬件的结构类型分类有：、和。3、在编制程序时，可把PLC看成是内部由许多组成的控制器，用近似控制电路的编程语言进行编程。二、简答题：1、PLC可以应用在什么领域？什么领域最适合其应用？2、PLC有什么特点？其与继电器-接触器控制系统、单片机控制系统相比较，有哪些异同之处？3、构成PLC的主要部件有哪些？各部分的主要作用是什么？4、PLC是按什么样的工作方式进行工作的？它的中心工作过程分哪几个阶段？在每个阶段主要完成哪些控制任务？5、PLC有哪几种输出形式，各有什么特点？6、在IEC61131-3国际标准编程语言中，提供了哪些PLC的编程语言？各有什么特点？7、扫描周期主要有哪几部分时间组成？起决定作用的是什么时间？主要受哪些因素影响？8、梯形图与继电器-接触器控制系统的原理图的主要区别是什么？ |
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