可编程控制器（PLC）简介

1.PLC 的概念

可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）是20 世纪60年代末发展起来的一种新型自动控制装置，早期主要用于替代传统的继电器——接触器顺序逻辑控制装置，功能上只有逻辑运算、定时、计数以及顺序控制等，而且只能进行开关量控制。随着技术的进步，PLC 的控制功能已远远超出逻辑控制的范畴，发展成为一种功能强大的工业控制计算机，并被正式命名为“Programmable Controller”，简称PC。但为了与个人计算机（Personal Computer）相区别，所以仍沿用原先的简称，即PLC。

对于微型和小型PLC （I/O 点数小于128 点），一般将基本的功能电路部分制成可单独安装的主机，而扩展功能电路制成单独安装的模块，通过线缆与主机连接。中型以上PLC（I/O 点数大于或等于129 点）的功能电路制成具有统一插槽和尺寸的标准模块，并提供具有不同数量插槽的安装底板，在插槽中可插接不同功能的模块。

2.PLC 的硬件

PLC 实质上是一种工业控制计算机应用系统。在硬件上，PLC 由CPU、存储器、输入/输出单元、电源、编程器等组成，一般采用总线结构。

（1）CPU

CPU 是系统的核心，完成全部运算和控制任务。PLC 常用的CPU为通用微处理器、单片机或位片式微处理器。

（2）存储器

存储器主要用于存放系统程序、用户程序和工作数据。系统程序由生产厂家固化到ROM 中，用户程序存放在特定的RAM 中，这些RAM 用备用锂电池进行掉电保护。对于不经常变动的用户程序，可固化在PLC 提供的EPROM 模块（盒）中。PLC 还设有随机存储的RAM，称工作数据存储区，用于PLC 工作时临时的数据存储。在工作数据存储区有输入/输出（I/O）数据映像区，有定时器和计数器的设定值和当前值存放区等。

（3）I/O 单元

I/O 单元是CPU 与被控对象或其他外部设备的连接部件，是PLC 有别于其他计算机应用系统的特色部分。它能提供各种操作电平、驱动能力和多个I/O 点，并采用光电耦合器件和小型继电器与外部隔离，具有消除抖动、多级滤波电路等抗干扰措施。每个I/O 点上均装有指示状态的发光二极管和接线端子，便于监视运行状态和配线。I/O 单元一般采用模块或插板结构，可靠性高，价格低，便于维修和系统重组。

典型的I/O 单元有以下几种。

①直流开关量输入单元。输入器件的类型可为接近开关、按钮、选择开关、继电器等。输入单元的电源由PLC 内部提供，典型值为DC 24 V。

②直流开关量输出单元。直流开关量输出单元由大功率晶体管作为输出驱动级，具有无触点、响应速度快（ns 级）、寿命长、输出可调等特点，特别适用于高频电路。

③交流开关量输入单元。输入器件的类型同直流开关量输入单元，但需由外部提供供电电源，典型值为AC 115 V 或者AC 230 V。

④交流开关量输出单元。交流开关量输出单元采用双向晶闸管作为输出驱动级，负载的供电电源由外部供给，正常值为AC 115～230 V，具有耐压高、负载电流大、响应速度快（μs 级）等特点。

⑤继电器输出单元。继电器输出单元采用微型继电器作为输出驱动级，输出形式是继电器的触点，既可驱动直流负载，也可驱动交流负载，负载电压范围大，响应速度为ms 级。

⑥模拟量输入单元（A/D 单元）。模拟量输入单元用于将输入的模拟量信号转换成PLC 所能处理的数字量信号。按输入模拟量的形式可将输入单元分成电压型和电流型两类，输入信号范围有±50 mV、±1 V、±10 V、0～5 V、±20 mA、4～20 mA 等多种。

⑦模拟量输出单元（D/A 单元）。模拟量输入单元用于将PLC 的数字信号转换成模拟信号输出。按输出模拟量的形式可分成电压型和电流型两类，输出信号范围有±10 V、0～5 V、±20 mA、4～20 mA 等多种。

另外，还有各种协议（RS-232、RS-485、RS-422 等）的通信单元可供选用。

（4）扩展接口

扩展接口用于PLC 主机与扩展单元模块之间的连接。

（5）智能I/O 单元(www.xing528.com)

智能I/O 单元自身有单独的CPU，能够通过驻留在单元上的程序完成某种专用功能。它和主CPU 并行运行，大大提高了PLC 的运行速度和效率。智能I/O 单元一般做成扩展模块，通过扩展接口与PLC 主机连接。

（6）电源

电源单元负责提供PLC 内部以及输入单元所需要的直流电源。

（7）编程器

编程器用于用户程序的编制、编辑、调试和运行监视，还可用于调用和显示PLC 的一些内部状态和系统参数。编程器有手持式和高功能两种，通过专用接口与PLC 相连。

3.PLC 的软件

PLC 的软件包括系统程序和用户程序。

（1）系统程序

系统程序决定PLC 的功能。系统程序主要包括监控程序、编译程序及诊断程序等。监控程序又称管理程序，主要用于整个PLC 系统管理；编译程序用来把程序语言翻译成机器语言；诊断程序用来诊断机器故障。系统程序由生产厂家提供，并固化到ROM 中，对用户是不透明的，不能由用户存取，也不需要用户干预。

（2）用户程序

用户程序是用户针对要解决的控制问题用PLC 编程语言编制的应用程序。

4.PLC 的用户程序执行过程

PLC 的用户程序执行过程实际上是一种按用户程序的顺序进行扫描处理、周期循环执行的过程，该过程可分为三个阶段，即输入采样、程序执行和输出刷新，如图2-6-1 所示。

图2-6-1　PLC 的用户程序执行过程

（1）输入采样

在输入采样阶段，PLC 以扫描方式将所有输入端子的输入信号状态（ON 或OFF）读入到输入映像寄存器中寄存起来，称为对输入信号的采样。不在输入采样阶段时，即使输入状态变化，输入映像寄存器的内容也不会改变。

（2）程序执行

在程序执行阶段，PLC 对用户程序按顺序进行扫描。每扫描到一条指令时，就将所需要的输入点状态或其他元件的状态分别从输入映像寄存器或其他元件对应的内部寄存器中读出，然后进行相应的逻辑或算术运算，再将运算结果存入专用寄存器。在扫描程序输出指令时，则将相应的运算结果存入输出映像寄存器。

（3）输出刷新

在输出刷新阶段，将输出映像寄存器中的状态转存到输出锁存电路，再经输出端子输出信号去驱动被控对象，这就是PLC 的实际输出。

PLC 重复地执行上述三个阶段，每重复一次就是一个工作周期，工作周期的长短与程序的长短、执行每条指令所需时间和执行其他任务（包括输入采样、输出刷新、硬件自检等）所用时间有关。