PLC的定位分类及工作原理应用领域

PLC的定义

可编程控制器(PLC)是一种数字操作电子系统，是专为工业环境中的应用而设计的。它采用可编程存储器，用于存储逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作指令，通过数字和模拟输入输出控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及相关外围设备应按照易于与工业控制系统形成一个整体并扩展其功能的原则进行设计。

PLC的分类

PLC产品种类繁多，规格性能也各不相同。PLC一般根据其结构、功能和I/O点的不同进行分类。

1.根据结构形式分类

根据PLC的结构，PLC可分为整体式和模块化。

(1)集成PLC

集成PLC是将电源、CPU、I/O接口等部件组装在一个机箱内，如图所示。具有结构紧凑、体积小、价格低的特点。一般小型PLC都采用这种整体结构。一体化PLC由基本单元(也称为主机)和具有不同I/O点的扩展单元组成。基本单元具有CPU、I/O接口、连接到I/O扩展单元的扩展端口和连接到编程器或EPROM写入器的接口等。扩展单元只有I/O和电源，没有CPU。基本单元和扩展单元通常由扁平电缆连接。一般来说，整体式PLC还可以配备特殊的功能单元，如模拟单元和位置控制单元，以便扩展其功能。

(2)模块化PLC

模块化PLC是将PLC的各个组成部分分成几个独立的模块，如CPU模块、I/O模块、电源模块(有的包含在CPU模块中)以及各种功能模块。模块化PLC由框架或基板和各种模块组成，模块安装在框架或基板的插座上，如图所示。这种模块化PLC的特点是配置灵活，可根据需要选择不同规模的系统，易于组装、扩展和维护。大中型PLC一般采用模块化结构。

还有一些PLC结合了一体化和模块化的特点，形成所谓的堆叠式PLC。堆叠式PLC的CPU、电源、I/O接口是独立的模块，但通过电缆连接，每个模块可以逐层堆叠。这样，不仅系统可以灵活配置，而且体积可以做得很小。

2.按功能分类

根据PLC功能的不同，PLC可分为低档、中档、高档三大类。

(1)低档PLC

低端PLC具有逻辑运算、定时、计数、移位、自诊断、监控等基本功能。它还可以具有少量模拟输入/输出、算术运算、数据传输和比较、通信等功能。主要用于具有逻辑控制、顺序控制或少量模拟控制的单机控制系统。

(2)中档PLC

除了低档PLC的功能外，中档PLC还具有强大的模拟输入/输出、算术运算、数据传输和比较、数字系统转换、远程I/O、子程序和通信联网功能。有的还可以添加中断控制、PID控制等功能，适用于复杂的控制系统。

(3)高档PLC

高档PLC除了具有中档PLC的功能外，还增加了有符号算术运算、矩阵运算、位逻辑运算、平方根运算等特殊功能，制表、传表功能。高档PLC具有更强的通讯联网功能，可用于大型过程控制或构成分布式网络控制系统，从而实现工厂自动化。

3.根据输入输出点分类

根据PLC的I/O点数，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，单CPU和8位或16位处理器，用户内存容量少于4KB。比如:三菱FX0S系列。

(2)中型PLC

中型PLC的I/O点数为256 ~ 2048，具有双CPU，用户内存容量为2 ~ 8 KB。

(3)大型PLC

大型PLC具有2048个以上的I/O点，多个CPU和16位或32位处理器，用户存储容量为8 ~ 16 KB。

在世界范围内，PLC产品按地域可分为三派，一派是美国产品，一派是欧洲产品，一派是日本产品。美国和欧洲的PLC技术都是孤立自主研发的，所以美国和欧洲的PLC产品有明显的区别。而日本的PLC技术是从美国引进的，对美国的PLC产品有一定的继承性，但日本的主要产品定位在小型PLC上。美欧以大中型PLC闻名，日本以小型PLC闻名。

常见的PLC如下表所示:

PLC的功能和应用领域

PLC是综合继电器接触器控制和计算机灵活方便的优点而设计制造开发的，使PLC具有许多其他控制器无法比拟的特点。

1.1的功能。可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller)

PLC是基于微处理器的通用工业自动控制装置，它集计算机技术、自动控制技术和通信技术于一体。它具有可靠性高、体积小、功能强、程序设计简单、灵活、维护方便等一系列优点。因此被广泛应用于冶金、能源、化工、交通、电力等领域，成为现代工业控制的三大支柱(PLC、机器人、CAD/CAM)。根据PLC的特点，其功能形式可以归纳为以下几种类型。

(1)开关量的逻辑控制

PLC具有强大的逻辑运算能力，可以实现各种简单和复杂的逻辑控制。这是PLC最基本、最广泛的应用领域，取代了传统的继电器接触器控制。

(2)模拟控制

PLC中有A/D和D/A转换模块。A/D模块可以转换温度、压力、流量、速度等模拟量。就地转换成数字量，再由PLC中的微处理器处理(微处理器只能处理数字量)然后控制；或者可以通过D/A模块转换成模拟量，然后控制被控对象，这样PLC就可以控制模拟量了。

(3)过程控制

现代大中型PLC一般都配有PID控制模块，可以进行闭环过程控制。当控制过程中某一变量出现偏差时，PLC可以根据PID算法计算出正确的输出，进而控制和调整生产过程，使该变量保持在设定值。目前很多小型PLC也有PID控制功能。

(4)计时和计数控制

PLC具有强大的定时和计数功能，它可以为用户提供几十个甚至几百上千个定时器和计数器。定时时间和计数值可以由用户在编写用户程序时任意设定，也可以由操作员在工业现场通过编程器设定，从而实现定时和计数的控制。如果用户需要对频率较高的信号进行计数，可以选择高速计数模块。

(5)顺序控制

在工业控制中，可采用PLC步进指令编程或移位寄存器编程来实现顺序控制。

(6)数据处理

现代PLC不仅能进行算术运算、数据传输、排序和查表，还能进行数据比较、数据转换、数据通信、数据显示和打印等。它具有很强的数据处理能力。

(7)通信和联网

大多数现代PLC采用通信和网络技术，并具有RS-232或RS-485接口，可用于远程I/O控制。多个PLC可以联网并相互通信，外部设备可以与一个或多个可编程控制器的信号处理单元交换程序和数据，例如程序传输、数据文件传输、监控和诊断。通信接口或通信处理器根据标准硬件接口或专有通信协议完成程序和数据的传输。

2.2的应用领域。可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller)

目前，PLC已广泛应用于国内外各个行业，如钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、纺织、交通、环保、文化娱乐等。用法大致可以概括如下。

(1)开关量的逻辑控制

这是PLC最基本也是最广泛的应用领域。它取代了传统的继电器电路，实现了逻辑控制和顺序控制。既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控和自动化生产线，如注塑机、印刷机、订书机、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，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位、速度等，都是模拟量。为了使PLC处理模拟量，必须实现模拟量和数字量之间的A/D转换和D/A转换。PLC厂商生产配套的A/D和D/A转换模块，使PLC可以用于模拟控制。

(3)运动控制

PLC可用于控制圆周运动或直线运动。从控制机构的配置来看，早期是直接用于开关I/O模块连接位置传感器和执行器。现在一般采用专用的运动控制模块，可以驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。世界各大PLC厂商的产品几乎都具有运动控制功能，广泛应用于各种机器、机床、机器人、电梯等场合。

(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，广泛应用于冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合。PLC作为工业控制计算机，可以编制各种控制算法程序，完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系统中广泛使用的调节方法。大中型PLC都有PID模块，目前很多小型PLC也有这个功能模块。一般PID处理是运行一个特殊的PID子程序。

(5)数据处理

现代PLC具有数学运算(包括矩阵运算、函数运算和逻辑运算)、数据传输、数据转换、排序、查表和位操作等功能。它可以完成数据采集、分析和处理。这些数据可以与存储在存储器中的参考值进行比较，从而完成某些控制操作；它也可以通过通信功能传输到其他智能设备，或者它们可以被打印和制成表格。数据处理一般用于大型控制系统，如无人驾驶柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品等行业的一些大型控制系统。

(6)通信和联网

PLC的通信包括PLC之间的通信和PLC与其他智能设备之间的通信。随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展迅速。各PLC厂商都非常重视PLC的通信功能，纷纷推出自己的网络系统。新生产的PLC都有通讯接口，通讯非常方便。都推出了自己的网络系统。新生产的PLC都有通讯接口，通讯非常方便。

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相似。但由于场合和目的不同，在结构上也有一些差异。

1.1的硬件组成。可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller)

PLC硬件系统的基本结构如下:

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。对于集成PLC，这些组件都在同一个机柜中。对于模块化PLC，每个组件都是独立封装的，称为一个模块，每个模块通过一个机架和一根电缆连接在一起。主机的各个部分通过电源总线、控制总线、地址总线和数据总线连接。根据实际控制对象的需要，配备一定的外部设备，形成不同的PLC控制系统。常用的外部设备包括编程器、打印机、EPROM写入器等。PLC可配置通信模块，与上位机和其他PLC进行通信，形成PLC的分布式控制系统。

下面介绍PLC的组成和功能，以便用户进一步了解PLC的控制原理和工作过程。

(1)中央处理器

CPU是PLC的控制中心，PLC在CPU的控制下有条不紊地协调工作，实现对现场各设备的控制。CPU由微处理器和控制器组成，可以实现逻辑运算和数学运算，协调控制系统各部分的工作。

控制器的作用是控制整个微处理器的各个部分有序工作，其基本功能是从存储器中读取并执行指令。

(2)记忆

PLC配有两种存储器，即系统存储器和用户存储器。内存是用来存储系统管理程序的，用户不能访问和修改这部分内存的内容。用户使用存储器来存储编译后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，包括输入/输出数据映射区、预置数和定时器/计数器当前值的数据区、存储中间结果的缓冲区。

PLC的存储器主要包括以下内容:

A.只读内存

B.程控只读存储器

C.可擦除可编程只读存储器

D.电可擦除可编程只读存储器

E.随机存取存储器

(3)输入/输出模块

A.开关输入模块

开关输入设备是各种开关、按钮、传感器等。PLC的输入类型通常可以是DC、交流和交流-DC。输入电路的电源可以由外部提供，也可以由PLC内部提供。

B.开关输出模块

输出模块的作用是将CPU在执行用户程序时输出的TTL电平控制信号转换成生产现场需要的信号，可以驱动特定的设备，从而驱动执行器的动作。

(4)程序员

编程器是PLC的重要外部设备，用于将用户程序发送到PLC的用户程序存储器中，调试程序，监控程序的执行过程。程序员在结构上可分为以下三种类型:

A.简单程序员

B.图形程序员

C.通用计算机程序员

(5)电源

电源单元的作用是将外部电源(220V交流电源)转换为内部工作电压。外部电源通过PLC内部专用的开关式稳压电源，将交流/DC电源转换为PLC内部电路所需的工作电源(5V DC、12V DC、24V DC)，为外部输入元件(如接近开关)提供24V DC电源(仅用于输入端子)。驱动PLC负载的电源由用户提供。

(6)外围接口

外围电路用于连接手持编程器或其他图形编程器和文本显示器，并可通过外围接口组成PLC控制网络。利用PLC PC/PPI电缆或MPI卡通过RS-485接口与计算机连接，可实现编程、监控、联网等功能。

2.软件组成2。可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller)

PLC软件由系统程序和用户程序组成。

系统的程序由PLC制造商设计和编写，并存储在PLC的系统存储器中。用户不能直接读取、写入或更改它。通常，系统程序包括系统诊断程序、输入处理程序、编译程序、信息传输程序和监控程序。

PLC的用户程序是用户利用PLC的编程语言，根据控制要求编制的程序。在PLC的应用中，最重要的是利用PLC的编程语言编写用户程序，达到控制的目的。由于PLC是专门为工业控制开发的设备，其主要用户是电气技术人员。为了满足他们的传统习惯和掌握能力，PLC的主要编程语言是一种比计算机语言相对简单、易懂、生动的特殊语言。

A.图形指令结构

B.显式变量常数

C.简化程序结构

D.简化应用软件的生成过程

E.加强调试手段。

PLC的基本工作原理

PLC扫描的工作模式主要分为三个阶段，即输入采样阶段、用户程序执行阶段和输出刷新阶段。如图所示。

1.输入采样级

在输入采样阶段，PLC通过扫描依次读入所有的输入状态和数据，并存储在I/O图像区的相应单元中。输入采样后，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映射区中相应单元的状态和数据也不会发生变化。因此，如果输入信号是脉冲信号，则脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，以确保在任何情况下都可以读取输入。

2.用户程序执行阶段

在用户程序执行阶段，PLC总是从上到下扫描用户程序(梯形图)。扫描每个梯形图时，总是先扫描梯形图左侧触点组成的控制电路，按照先左后右、先上后下的顺序对触点组成的控制电路进行逻辑运算。然后，根据逻辑运算的结果，刷新系统RAM存储区中逻辑线圈对应位的状态或I/O映射区中输出线圈对应位的状态，或者确定是否执行梯形图中指定的特殊功能指令。即在用户程序执行过程中，只有I/O映像区中输入点的状态和数据不会发生变化，而I/O映像区或系统ram存储区中其他输出点和软设备的状态和数据可能会发生变化，最上面梯形图的程序执行结果会在最下面使用这些线圈或数据的梯形图中发挥作用；相反，对于底部的梯形图，逻辑线圈的刷新状态或数据只能作用于顶部的梯形图，直到下一个扫描周期。

3.输出刷新阶段

用户程序扫描完成后，PLC进入输出刷新阶段。在此期间，CPU根据I/O镜像区中相应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，然后通过输出电路驱动相应的外设。这时候才是PLC真正的输出。

输入/输出滞后现象

从PLC的工作过程中，可以总结出以下结论:

1.当通过扫描执行程序时，输入/输出信号之间的逻辑关系原则上是滞后的。扫描周期越长，滞后越严重。

2.扫描周期不仅包括输入采样阶段、用户程序执行阶段和输出刷新阶段占用的时间，还包括系统管理操作占用的时间。其中，程序的执行时间与程序的长度和指令操作的复杂程度有关，其他基本不变。扫描周期通常为纳秒。

3.当在第n次扫描中执行程序时，基于它的输入数据是该扫描周期中采样阶段的扫描值X。基于它的输出数据包括上次扫描的输出值Y(n-1)和本次扫描的输出值Yn。n是发送到输出端的信号，这是这次执行所有操作后的最终结果Yn。

4.输入/输出响应滞后不仅与扫描模式有关，还与编程安排有关。