PLC知識綜述：電機工程師必讀！

PLC知識綜述：電機工程師必讀！

一、PLC的定義與分類

PLC，即可程式邏輯控制器，是新一代通用工業控制裝置。它以微處理器為基礎，集電腦技術、自動控制技術、通訊技術於一體。 PLC 專為工業環境而設計，採用控制製程和使用者的「自然語言」進行易於理解的程式設計。它們的特點是簡單、易於操作、可靠性高。

PLC由繼電器順序控制發展而來，以微處理器為核心，是一種多功能的自動控制裝置。讓我們深入了解一下具體情況：

1. 定義

PLC 是專為工業應用而設計的數位電子系統。它利用可程式記憶體來儲存邏輯運算、順序控制、定時、計數和算術等操作的指令。透過與數位和類比輸入和輸出連接，PLC 可以控制各種機械設備和生產過程。 PLC及其周邊設備旨在與工業控制系統無縫整合並促進功能擴展。

2. 分類

PLC 產品種類繁多，具有不同的規格和性能。它們根據結構形式、功能差異和 I/O 點數進行大致分類。

2.1 依結構形式分類

PLC依結構形式可分為整體式和模組化式。

(1) 一體式PLC

整合式 PLC 將電源、CPU 和 I/O 介面等組件容納在單一機櫃內。它們以其結構緊湊、尺寸小和經濟實惠而聞名。小型PLC通常採用這種整體結構。一體化PLC由具有不同I/O點的基本單元（也稱為主單元）和擴展單元組成。基本單元包含CPU、I/O介面、用於連接I/O擴充單元的擴充連接埠、用於連接程式設計器或EPROM寫入器的介面。另一方面，擴充單元僅包含 I/O 和電源組件，沒有 CPU。基本單元和擴充單元通常透過扁平電纜連接。一體式PLC還可以配備特殊功能單元，例如類比單元和位置控制單元，以擴展其功能。

(2) 模組化PLC

模組化PLC的每個組件都有單獨的模組，例如CPU模組、I/O模組、電源模組（有時整合在CPU模組內）和各種功能模組。這些模組安裝在框架或背板上。模組化PLC的優點在於配置靈活，可以依需求選擇不同的系統規模。它們還易於組裝、擴展和維護。中大型PLC一般採用模組化結構。

此外，一些 PLC 結合了整體式和模組化類型的特點，形成所謂的堆疊式 PLC。在堆疊式PLC中，CPU、電源、I/O介面等零件都是透過電纜連接的獨立模組，可逐層堆疊。這種設計不僅提供靈活的系統配置，而且尺寸緊湊。

2.2 按功能分類

根據其功能能力，PLC可分為三類：低階、中端和高階。

(1)低階PLC

低階PLC具備邏輯運算、定時、計數、移位、自我診斷、監控等基本功能。它們還可能包括有限量的類比輸入/輸出、算術運算、資料傳輸和比較以及通訊功能。這些PLC主要用於涉及邏輯控制、順序控製或少量類比控制的單機控制系統。

(2)中檔PLC

中端PLC除了具有低階PLC的功能外，在類比量輸入輸出、算術運算、資料傳輸與比較、數制轉換、遠端I/O、子程式、通訊組網等方面提供了更強的能力。有些還具有中斷控制和PID控制功能，使其適用於複雜的控制系統。

(3)高階PLC

高階PLC除了具有中檔PLC的功能外，還包括有符號算術運算、矩陣計算、位元邏輯運算、平方根計算和其他特殊功能運算等進階功能。它們還具有表創建和表傳輸功能。高階PLC具有增強的通訊和網路功能，可實現大規模製程控製或形成分散式網路控制系統，從而實現工廠自動化。

2.3 依I/O點數分類

根據I/O點數的不同，PLC可分為小型、中型和大型三類。

(1)小型PLC

小型 PLC 的 I/O 點少於 256 個，具有單一 CPU，並使用 8 位元或 16 位元處理器。它們的使用者記憶體容量通常低於 4KB。

(2)中型PLC

中型PLC具有256至2048個I/O點，採用雙CPU，用戶記憶體容量範圍為2KB至8KB。

(3)大型PLC

大型PLC擁有超過2048個I/O點，利用多個CPU，並配備16位元或32位元處理器。它們的用戶記憶體容量範圍從​​8KB到16KB。

在全球範圍內，PLC產品可分為三大區域類型：美國、歐洲和日本。美國和歐洲的PLC技術各自獨立，產品差異明顯。日本PLC技術是從美國引進的，繼承了美國PLC的某些特點，但專注於小型PLC。美國和歐洲的 PLC 以其中型和大型產品而聞名，而日本 PLC 則以其小型產品而聞名。

二. PLC的功能及應用領域

PLC 結合了繼電器接觸器控制的優點和電腦的彈性。與其他控制器相比，這種獨特的設計賦予了 PLC 許多無與倫比的功能。

1.PLC的功能

PLC作為一種以微處理器為核心，集電腦技術、自動控制技術、通訊技術於一體的通用工業自動控制裝置，具有許多優點。包括可靠性高、體積緊湊、功能強大、程式設計簡單靈活、通用性強、維護方便等。因此，PLC在冶金、能源、化學、交通、發電等領域廣泛應用，與機器人、CAD/CAM一起成為現代工業控制的三大支柱之一。根據PLC的特點，其功能形式可概括如下：

(1) 開關邏輯控制

PLC具有強大的邏輯運算能力，能夠實現各種簡單且複雜的邏輯控制。這是PLC最基本、應用最廣泛的領域，取代了傳統的繼電器接觸器控制。

(2) 模擬控制

PLCs配備A/D和D/A轉換模組。 A/D 模組將現場的類比量（例如溫度、壓力、流量和速度）轉換為數位量。然後由PLC內的微處理器處理這些數字量（因為微處理器只能處理數字量）並隨後用於控制。或者，D/A模組將數位量轉換回類比量來控制受控對象，從而使PLC能夠對類比量進行控制。

(3)過程控制

現代中型和大型 PLC 通常具有 PID 控制模組，可實現閉環製程控制。當控制過程中變數出現偏差時，PLC利用PID演算法計算出正確的輸出，進而調整生產過程，使變數保持在設定值。目前，許多小型PLC也整合了PID控制功能。

(4)定時計數控制

PLC具有強大的計時和計數能力，能夠提供數十個、數百個甚至數千個計時器和計數器。計時時長和計數值可以由使用者在編寫使用者程式時任意設定，也可以由操作人員在現場透過程式設計器任意設定。這使得定時和計數控製成為可能。如果使用者需要對高頻訊號進行計數，可以選擇高速計數模組。

(5)順序控制

在工業控制中，可以透過PLC步進指令或移位暫存器編程來實現順序控制。

(6) 資料處理

現代PLC不僅可以進行算術運算、資料傳送、排序、查詢表等功能，還可以進行資料比較、資料轉換、資料通訊、資料顯示、列印等功能。他們擁有強大的數據處理能力。

(7) 通訊與網絡

大多數現代 PLC 都採用通訊和網路技術，具有用於遠端 I/O 控制的 RS-232 或 RS-485 介面。多個PLC可以聯網並相互通訊。外部設備的訊號處理單元可以與一個或多個可程式控制器交換程式和資料。程式傳輸、資料檔案傳輸、監控和診斷可以透過通訊介面或通訊處理器來實現，通訊介面或通訊處理器利用標準硬體介面或專有通訊協定來促進程式和資料傳輸。

2. PLC的應用領域

目前，PLC在國內外鋼鐵、石油、化學、電力、建材、機械製造、汽車、輕紡、交通、環保、文化娛樂等各行業都廣泛應用。它們的應用大致可分為以下幾類：

(1) 開關邏輯控制

這是PLC最基本、應用最廣泛的領域，取代傳統的繼電器電路，實現邏輯和順序控制。 PLC可用於單機控制，也可用於多機群控和自動化生產線，如注塑機、印刷機、裝訂機、組合工具機、磨床、包裝生產線、電鍍流水線等。

(2) 模擬控制

在工業生產過程中，許多連續變化的量（例如溫度、壓力、流量、液位和速度）都是類比量。為了使PLC能夠處理類比量，必須實現類比量和數位量之間的A/D和D/A轉換。 PLC 製造商生產隨附的 A/D 和 D/A 轉換模組，以促進 PLC 的類比控制應用。

(3)運動控制

可程式邏輯控制器可用於旋轉或直線運動控制。在控制系統配置方面，早期應用直接連接位置感測器和執行器來切換I/O模組。目前普遍採用專用運動控制模組。這些模組可以驅動步進馬達或伺服馬達的單軸或多軸位置控制。全球幾乎所有主要PLC製造商的產品都具有運動控制功能，廣泛應用於各種機械、工具機、機器人、電梯等應用領域。

(4)過程控制

過程控制是指對溫度、壓力、流量等類比量的閉迴路控制。在冶金、化工、熱處理、鍋爐控制等領域有廣泛的應用。 PLC作為工業控制計算機，可透過程式設計實現多種控制演算法，實現閉環控制。 PID控制是閉環控制系統中常用的調節方法。中型和大型PLC都配備了PID模組，目前許多小型PLC也配備了此功能模組。 PID 處理通常涉及執行專用的 PID 子程式。

(5) 資料處理

現代PLC具有數學運算（包括矩陣計算、函數計算、邏輯運算）、資料傳輸、資料轉換、排序、查詢表格和位元操作等功能。他們可以執行數據採集、分析和處理。這些數據可以與記憶體中儲存的參考值進行比較，以進行特定的控制操作或透過通訊功能傳輸到其他智慧型裝置。它們也可以被列印和製成表格。資料處理通常用於大規模控制系統，例如無人彈性製造系統，以及製程控制系統，例如造紙、冶金和食品工業。

(6) 通訊與網絡

PLC通訊包括PLC之間以及PLC與其他智慧型設備之間的通訊。隨著電腦控制的發展，工廠自動化網路迅速發展。各PLC廠商都非常重視PLC的通訊能力，並推出了各自的網路系統。最近生產的PLC都附有通訊接口，通訊非常方便。

三． PLC的基本結構和工作原理

PLC作為一種工業控制計算機，其結構與普通計算機有相似之處。然而，由於使用場景和目標不同，會出現差異。

1. PLC的硬體組成

PLC主機的基本結構圖如下圖所示：【圖】

圖中，PLC主機由CPU、記憶體（EPROM、RAM）、輸入/輸出單元、外圍I/O介面、通訊介面及電源組成。對於整體式 PLC，所有這些組件都安裝在同一個機櫃內。在模組化PLC中，每個組件獨立封裝為一個模組，模組之間透過機架和電纜連接。主機內的各個部分透過電源匯流排、控制匯流排、位址匯流排和資料匯流排互連。根據實際控制對象的要求，配置各種外部設備，形成不同的PLC控制系統。

常見的外部設備包括程式設計器、印表機和EPROM寫入器。 PLC還可以配備通訊模組，與上位機和其他PLC進行通信，從而形成PLC的分散式控制系統。

以下對PLC的各個組成部分及其作用進行介紹，幫助使用者更了解PLC的控制原理和工作流程。

(1)CPU

CPU是PLC的控制中心。 PLC在CPU的控制下，協調有序運行，實現對現場各種設備的控制。 CPU由微處理器和控制器組成，可以進行邏輯和數學運算，協調控制系統內部各元件的工作。控制器管理微處理器各部分的有序運作。它的主要功能是從記憶體中讀取指令並執行它們。

(2) 內存

PLC配備兩種類型的記憶體：系統記憶體和使用者記憶體。系統記憶體儲存系統管理程序，使用者無法存取或修改。使用者記憶體儲存已編譯的應用程式和工作資料狀態。使用者記憶體中儲存工作資料狀態的部分也稱為資料儲存區域。它包括輸入/輸出資料映像區、定時器/計數器的預設值和當前值資料區以及用於儲存中間結果的緩衝區。

PLC記憶體主要包括以下類型：

唯讀記憶體 (ROM)

可程式唯讀記憶體 (PROM)

可擦除可程式唯讀記憶體 (EPROM)

電可擦除可程式唯讀記憶體 (EEPROM)

隨機存取記憶體 (RAM)

(3) 輸入/輸出 (I/O) 模組

① 開關量輸入模組

開關輸入設備包括各種開關、按鈕、感應器等。 PLC的輸入類型可以是直流、交流或兩者兼而有之。輸入電路的電源可以由外部提供，或在某些情況下由PLC內部提供。

② 開關量輸出模組

輸出模組將CPU執行用戶程式時輸出的TTL電平控制訊號轉換為生產現場所需的訊號來驅動特定設備，從而驅動執行機構。

(4)程式設計師

程式設計器是PLC必不可少的外部設備。它允許用戶將程式輸入到PLC的用戶程式記憶體中、調試程式以及監視程式的執行。從程式設計上來說，程式設計師可以分為三類：

手持式程式設計器

圖形程式設計器

通用電腦程式設計師

(5)電源

電源單元將外部電源（例如220V AC）轉換為內部工作電壓。外部連接的電源透過PLC內部專用的開關式穩壓器轉換為PLC內部電路所需的工作電壓（如直流5V、±12V、24V）。它還為外部輸入設備（例如接近開關）提供 24V DC 電源（僅適用於輸入點）。驅動PLC負載的電源由...提供

(6) 外圍接口

外圍介面電路連接手持式程式設計器或其他圖形程式設計器、文字顯示器，透過外圍介面可組成PLC控製網路。 PLC可使用PC/PPI電纜或MPI卡透過RS-485介面與電腦連接，實現程式設計、監控、連網等功能。

2. PLC的軟體組件

PLC軟體包括系統程式和使用者程式。系統程式由PLC製造商設計編寫並儲存在PLC的系統記憶體中。使用者不能直接讀取、寫入或修改它們。系統程式通常包括系統診斷程序、輸入處理程序、編譯程序、資訊傳輸程序和監控程序等。

USer程式是使用者根據控制要求，用PLC程式語言編寫的。在PLC應用中，最關鍵的就是利用PLC程式語言編寫使用者程式來達成控制目標。由於 PLC 是專門為工業控製而開發的，因此其主要用戶是電氣技術人員。為了迎合人們的傳統習慣和學習能力，PLC主要採用比電腦語言更簡單、更易於理解、更直覺的專用語言。

圖形化指令結構

顯式變數和常數

簡化的程序結構

簡化的應用軟體產生過程

增強的調試工具

3. PLC的基本工作原理

PLC掃描過程主要分為三個階段：輸入取樣、使用者程式執行、輸出刷新。如圖：【圖】

輸入取樣階段

在輸入取樣階段，PLC以掃描方式依序讀取所有輸入狀態和數據，並將其儲存在I/O映像區的相應單元中。輸入取樣完成後，流程進入使用者程式執行和輸出刷新階段。在這兩個階段中，即使輸入狀態和資料發生變化，I/O映像區對應單元中的狀態和資料也不會改變。因此，如果輸入是脈衝訊號，則脈衝寬度必須大於一個掃描週期，以確保在任何情況下都可以讀取輸入。

使用者程式執行階段

在使用者程式執行階段，PLC始終依照自上而下的順序掃描使用者程式（梯形圖）。掃描每個梯形圖時，先掃描梯形圖左側的接點所組成的控制電路。控制電路依照從左到右、從上到下的順序進行邏輯運算。然後，根據邏輯運算的結果，刷新邏輯線圈的系統RAM儲存區域中對應位元的狀態，或是刷新輸出線圈的I/O映像區域中對應位元的狀態，或判斷是否執行梯形圖指定的特殊功能指令。

即在使用者程式執行過程中，只有I/O映像區中的輸入點的狀態和資料保持不變，而I/O映像區或系統RAM儲存區中的其他輸出點和軟體設備的狀態和資料可能會改變。位於較高位置的梯形圖將影響引用這些線圈或資料的較低梯形圖的執行結果。反之，下層梯形圖中邏輯線圈的狀態或資料刷新只會影響下一個掃描週期的上層梯形圖。

輸出刷新階段

當使用者程式掃描完成後，PLC進入輸出刷新階段。在此階段，CPU根據I/O映像區中的狀態和資料更新所有輸出鎖存電路，並透過輸出電路驅動相應的周邊。這標誌著PLC的真實輸出。

輸入/輸出滯後現象

從PLC的工作過程可以得到以下結論：

程式以掃描方式執行，導致輸入輸出訊號之間的邏輯關係存在固有的滯後性。掃描週期越長，滯後越嚴重。

掃描週期除了輸入取樣、使用者程式執行、輸出刷新三個主要工作階段所佔用的時間外，還包括系統管理作業所消耗的時間。程序執行所花費的時間與程序長度和指令操作的複雜程度有關，而其他因素則相對恆定。掃描週期通常為毫秒或微秒量級。

在第n次掃描執行期間，所依賴的輸入資料是在該掃描週期的取樣階段所獲得的取樣值X。輸出資料Y(n)是基於來自先前掃描的輸出值Y(n-1)和目前輸出值Yn。發送到輸出端的訊號代表本週期執行完所有計算後的最終結果Yn。

輸入/輸出響應滯後不僅與掃描方法有關，還與程式設計的安排有關。