PLC知识综述：电气工程师必读！

PLC知识综述：电气工程师必读！

一、PLC的定义和分类

PLC，即可编程逻辑控制器，是新一代通用工业控制装置。它以微处理器为基础，集计算机技术、自动控制技术、通信技术于一体。 PLC 专为工业环境而设计，采用面向控制过程和用户​​的“自然语言”进行易于理解的编程。它们的特点是简单、易于操作、可靠性高。

PLC由继电器顺序控制发展而来，以微处理器为核心，是一种多功能的自动控制装置。让我们深入了解一下具体情况：

1. 定义

PLC 是专为工业应用而设计的数字电子系统。它利用可编程存储器来存储逻辑计算、顺序控制、定时、计数和算术等操作的指令。通过与数字和模拟输入和输出连接，PLC 可以控制各种机械设备和生产过程。 PLC及其外围设备旨在与工业控制系统无缝集成并促进功能扩展。

2. 分类

PLC 产品种类繁多，具有不同的规格和性能。它们根据结构形式、功能差异和 I/O 点数进行大致分类。

2.1 按结构形式分类

PLC按结构形式可分为整体式和模块化式。

(1) 一体式PLC

集成式 PLC 将电源、CPU 和 I/O 接口等组件容纳在单个机柜内。它们以其结构紧凑、尺寸小和经济实惠而闻名。小型PLC通常采用这种整体结构。一体化PLC由具有不同I/O点的基本单元（也称为主单元）和扩展单元组成。基本单元包含CPU、I/O接口、用于连接I/O扩展单元的扩展端口以及用于连接编程器或EPROM写入器的接口。另一方面，扩展单元仅包含 I/O 和电源组件，没有 CPU。基本单元和扩展单元通常通过扁平电缆连接。一体式PLC还可以配备特殊功能单元，例如模拟单元和位置控制单元，以扩展其功能。

(2) 模块化PLC

模块化PLC的每个组件都有单独的模块，例如CPU模块、I/O模块、电源模块（有时集成在CPU模块内）和各种功能模块。这些模块安装在框架或背板上。模块化PLC的优点在于配置灵活，可以根据需要选择不同的系统规模。它们还易于组装、扩展和维护。中大型PLC一般采用模块化结构。

此外，一些 PLC 结合了整体式和模块化类型的特点，形成所谓的堆叠式 PLC。在堆叠式PLC中，CPU、电源、I/O接口等部件都是通过电缆连接的独立模块，可以逐层堆叠。这种设计不仅提供灵活的系统配置，而且尺寸紧凑。

2.2 按功能分类

根据其功能能力，PLC可分为三类：低端、中端和高端。

(1)低端PLC

低端PLC具备逻辑运算、定时、计数、移位、自诊断、监控等基本功能。它们还可能包括有限量的模拟输入/输出、算术运算、数据传输和比较以及通信功能。这些PLC主要用于涉及逻辑控制、顺序控制或少量模拟量控制的单机控制系统。

(2)中档PLC

中端PLC除了具有低端PLC的功能外，在模拟量输入输出、算术运算、数据传输与比较、数制转换、远程I/O、子程序、通讯组网等方面提供了更强的能力。有些还具有中断控制和PID控制功能，使其适用于复杂的控制系统。

(3)高端PLC

高端PLC除了具有中档PLC的功能外，还包括有符号算术运算、矩阵计算、位逻辑运算、平方根计算和其他特殊功能运算等高级功能。它们还具有表创建和表传输功能。高端PLC具有增强的通信和网络功能，可以实现大规模过程控制或形成分布式网络控制系统，从而实现工厂自动化。

2.3 按I/O点数分类

根据I/O点数的不同，PLC可分为小型、中型和大型三类。

(1)小型PLC

小型 PLC 的 I/O 点少于 256 个，具有单个 CPU，并使用 8 位或 16 位处理器。它们的用户内存容量通常低于 4KB。

(2)中型PLC

中型PLC具有256至2048个I/O点，采用双CPU，用户内存容量范围为2KB至8KB。

(3)大型PLC

大型PLC拥有超过2048个I/O点，利用多个CPU，并配备16位或32位处理器。它们的用户内存容量范围从8KB到16KB。

在全球范围内，PLC产品可分为三大区域类型：美国、欧洲和日本。美国和欧洲的PLC技术各自独立，产品差异明显。日本PLC技术是从美国引进的，继承了美国PLC的某些特点，但专注于小型PLC。美国和欧洲的 PLC 以其中型和大型产品而闻名，而日本 PLC 则以其小型产品而闻名。

二. PLC的功能及应用领域

PLC 结合了继电器接触器控制的优点和计算机的灵活性。与其他控制器相比，这种独特的设计赋予了 PLC 许多无与伦比的功能。

1.PLC的功能

PLC作为一种以微处理器为核心，集计算机技术、自动控制技术、通信技术于一体的通用工业自动控制装置，具有诸多优点。包括可靠性高、体积紧凑、功能强大、程序设计简单灵活、通用性强、维护方便等。因此，PLC在冶金、能源、化工、交通、发电等领域得到广泛应用，与机器人、CAD/CAM一起成为现代工业控制的三大支柱之一。根据PLC的特点，其功能形式可概括如下：

(1) 开关逻辑控制

PLC具有强大的逻辑计算能力，能够实现各种简单和复杂的逻辑控制。这是PLC最基本、应用最广泛的领域，取代了传统的继电器接触器控制。

(2) 模拟控制

PLCs配备A/D和D/A转换模块。 A/D 模块将现场的模拟量（例如温度、压力、流量和速度）转换为数字量。这些数字量然后由PLC内的微处理器处理（因为微处理器只能处理数字量）并随后用于控制。或者，D/A模块将数字量转换回模拟量来控制受控对象，从而使PLC能够对模拟量进行控制。

(3)过程控制

现代中型和大型 PLC 通常具有 PID 控制模块，可实现闭环过程控制。当控制过程中变量出现偏差时，PLC利用PID算法计算出正确的输出，从而调整生产过程，使变量保持在设定值。目前，许多小型PLC还集成了PID控制功能。

(4)定时计数控制

PLC具有强大的计时和计数能力，能够提供数十个、数百个甚至数千个定时器和计数器。计时时长和计数值可以由用户在编写用户程序时任意设定，也可以由操作人员在现场通过编程器任意设定。这使得定时和计数控制成为可能。如果用户需要对高频信号进行计数，可以选择高速计数模块。

(5)顺序控制

在工业控制中，可以通过PLC步进指令或移位寄存器编程来实现顺序控制。

(6) 数据处理

现代PLC不仅可以进行算术运算、数据传送、排序、查表等功能，还可以进行数据比较、数据转换、数据通信、数据显示、打印等功能。他们拥有强大的数据处理能力。

(7) 通讯与网络

大多数现代 PLC 都采用通信和网络技术，具有用于远程 I/O 控制的 RS-232 或 RS-485 接口。多个PLC可以联网并相互通信。外部设备的信号处理单元可以与一个或多个可编程控制器交换程序和数据。程序传输、数据文件传输、监控和诊断可以通过通信接口或通信处理器来实现，通信接口或通信处理器利用标准硬件接口或专有通信协议来促进程序和数据传输。

2. PLC的应用领域

目前，PLC在国内外钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通、环保、文化娱乐等各个行业得到广泛应用。它们的应用大致可分为以下几类：

(1) 开关逻辑控制

这是PLC最基本、应用最广泛的领域，取代传统的继电器电路，实现逻辑和顺序控制。 PLC可用于单机控制，也可用于多机群控和自动化生产线，如注塑机、印刷机、装订机、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。

(2) 模拟控制

在工业生产过程中，许多连续变化的量（例如温度、压力、流量、液位和速度）都是模拟量。为了使PLC能够处理模拟量，必须实现模拟量和数字量之间的A/D和D/A转换。 PLC 制造商生产随附的 A/D 和 D/A 转换模块，以促进 PLC 的模拟控制应用。

(3)运动控制

可编程逻辑控制器可用于旋转或直线运动控制。在控制系统配置方面，早期应用直接连接位置传感器和执行器来切换I/O模块。目前普遍采用专用运动控制模块。这些模块可以驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制。全球几乎所有主要PLC制造商的产品都具有运动控制功能，广泛应用于各种机械、机床、机器人、电梯等应用领域。

(4)过程控制

过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。在冶金、化工、热处理、锅炉控制等领域有着广泛的应用。 PLC作为工业控制计算机，可以通过编程实现多种控制算法，实现闭环控制。 PID控制是闭环控制系统中常用的调节方法。中型和大型PLC都配备了PID模块，目前许多小型PLC也配备了该功能模块。 PID 处理通常涉及运行专用的 PID 子例程。

(5) 数据处理

现代PLC具有数学运算（包括矩阵计算、函数计算、逻辑运算）、数据传输、数据转换、排序、查表和位操作等功能。他们可以执行数据采集、分析和处理。这些数据可以与内存中存储的参考值进行比较，以进行特定的控制操作或通过通信功能传输到其他智能设备。它们也可以被打印和制成表格。数据处理通常用于大规模控制系统，例如无人柔性制造系统，以及过程控制系统，例如造纸、冶金和食品工业。

(6) 通讯与网络

PLC通信包括PLC之间以及PLC与其他智能设备之间的通信。随着计算机控制的发展，工厂自动化网络得到迅速发展。各PLC厂家都非常重视PLC的通讯能力，并推出了各自的网络系统。最近生产的PLC都带有通讯接口，通讯非常方便。

三． PLC的基本结构和工作原理

PLC作为一种工业控制计算机，其结构与普通计算机有相似之处。然而，由于使用场景和目标不同，会出现差异。

1. PLC的硬件组成

PLC主机的基本结构图如下图所示：【图】

图中，PLC主机由CPU、存储器（EPROM、RAM）、输入/输出单元、外围I/O接口、通信接口和电源组成。对于整体式 PLC，所有这些组件都安装在同一个机柜内。在模块化PLC中，每个组件独立封装为一个模块，模块之间通过机架和电缆连接。主机内的各个部分通过电源总线、控制总线、地址总线和数据总线互连。根据实际控制对象的要求，配置各种外部设备，形成不同的PLC控制系统。

常见的外部设备包括编程器、打印机和EPROM写入器。 PLC还可以配备通信模块，与上位机和其他PLC进行通信，从而形成PLC的分布式控制系统。

下面对PLC的各个组成部分及其作用进行介绍，帮助用户更好地了解PLC的控制原理和工作过程。

(1)CPU

CPU是PLC的控制中心。 PLC在CPU的控制下，协调有序运行，实现对现场各种设备的控制。 CPU由微处理器和控制器组成，可以进行逻辑和数学运算，协调控制系统内部各部件的工作。控制器管理微处理器各部分的有序运行。它的主要功能是从内存中读取指令并执行它们。

(2) 内存

PLC配备两种类型的存储器：系统存储器和用户存储器。系统内存存储系统管理程序，用户无法访问或修改。用户存储器存储已编译的应用程序和工作数据状态。用户内存中存储工作数据状态的部分也称为数据存储区域。它包括输入/​​输出数据映像区、定时器/计数器的预设值和当前值数据区以及用于存储中间结果的缓冲区。

PLC存储器主要包括以下类型：

只读存储器 (ROM)

可编程只读存储器 (PROM)

可擦除可编程只读存储器 (EPROM)

电可擦除可编程只读存储器 (EEPROM)

随机存取存储器 (RAM)

(3) 输入/输出 (I/O) 模块

① 开关量输入模块

开关输入设备包括各种开关、按钮、传感器等。PLC的输入类型可以是直流、交流或两者兼而有之。输入电路的电源可以由外部提供，或者在某些情况下由PLC内部提供。

② 开关量输出模块

输出模块将CPU执行用户程序时输出的TTL电平控制信号转换为生产现场所需的信号来驱动特定设备，从而驱动执行机构。

(4)程序员

编程器是PLC必不可少的外部设备。它允许用户将程序输入到PLC的用户程序存储器中、调试程序以及监视程序的执行。从编程上来说，程序员可以分为三类：

手持式编程器

图形编程器

通用计算机程序员

(5)电源

电源单元将外部电源（例如220V AC）转换为内部工作电压。外部连接的电源通过PLC内部专用的开关式稳压器变换为PLC内部电路所需的工作电压（如直流5V、±12V、24V）。它还为外部输入设备（例如接近开关）提供 24V DC 电源（仅适用于输入点）。驱动PLC负载的电源由...提供

(6) 外围接口

外围接口电路连接手持式编程器或其他图形编程器、文本显示器，通过外围接口可以组成PLC控制网络。 PLC可以使用PC/PPI电缆或MPI卡通过RS-485接口与计算机连接，实现编程、监控、联网等功能。

2. PLC的软件组件

PLC软件包括系统程序和用户程序。系统程序由PLC制造商设计编写并存储在PLC的系统存储器中。用户不能直接读取、写入或修改它们。系统程序通常包括系统诊断程序、输入处理程序、编译程序、信息传输程序和监控程序等。

USer程序是用户根据控制要求，用PLC编程语言编写的。在PLC应用中，最关键的就是利用PLC编程语言编写用户程序来实现控制目标。由于 PLC 是专门为工业控制而开发的，因此其主要用户是电气技术人员。为了迎合人们的传统习惯和学习能力，PLC主要采用比计算机语言更简单、更易理解、更直观的专用语言。

图形化指令结构

显式变量和常量

简化的程序结构

简化的应用软件生成过程

增强的调试工具

3. PLC的基本工作原理

PLC扫描过程主要分为三个阶段：输入采样、用户程序执行、输出刷新。如图：【图】

输入采样阶段

在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次读取所有输入状态和数据，并将其存储在I/O映像区的相应单元中。输入采样完成后，流程进入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映像区相应单元中的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则脉冲宽度必须大于一个扫描周期，以保证在任何情况下都可以读取输入。

用户程序执行阶段

在用户程序执行阶段，PLC始终按照自上而下的顺序扫描用户程序（梯形图）。扫描每个梯形图时，首先扫描梯形图左侧的触点组成的控制电路。控制电路按照从左到右、从上到下的顺序进行逻辑运算。然后，根据逻辑运算的结果，刷新逻辑线圈的系统RAM存储区域中对应位的状态，或者刷新输出线圈的I/O映像区域中对应位的状态，或者判断是否执行梯形图指定的特殊功能指令。

即在用户程序执行过程中，只有I/O映像区中的输入点的状态和数据保持不变，而I/O映像区或系统RAM存储区中的其他输出点和软设备的状态和数据可能会发生变化。位于较高位置的梯形图将影响引用这些线圈或数据的较低梯形图的执行结果。反之，下层梯形图中逻辑线圈的状态或数据刷新只会影响下一个扫描周期的上层梯形图。

输出刷新阶段

当用户程序扫描完成后，PLC进入输出刷新阶段。在此阶段，CPU根据I/O映像区中的状态和数据更新所有输出锁存电路，并通过输出电路驱动相应的外设。这标志着PLC的真实输出。

输入/输出滞后现象

从PLC的工作过程可以得出以下结论：

程序以扫描方式执行，导致输入输出信号之间的逻辑关系存在固有的滞后性。扫描周期越长，滞后越严重。

扫描周期除了输入采样、用户程序执行、输出刷新三个主要工作阶段所占用的时间外，还包括系统管理操作所消耗的时间。程序执行所花费的时间与程序长度和指令操作的复杂程度有关，而其他因素则相对恒定。扫描周期通常为毫秒或微秒量级。

在第n次扫描执行期间，所依赖的输入数据是在该扫描周期的采样阶段获得的采样值X。输出数据Y(n)基于来自先前扫描的输出值Y(n-1)和当前输出值Yn。发送到输出端的信号代表本周期执行完所有计算后的最终结果Yn。

输入/输出响应滞后不仅与扫描方法有关，还与程序设计的安排有关。