1?可編程序控制器的定義、 歷史和發展趨勢?可編程序控制器的分類與特點?可編程序控制器的基本結構（ 中央處理單元、 存儲器、 輸入/輸出模塊、 電源模塊、 接口 與外設）?可編程序控制器的工作原理（ 輸入采樣、 程序執行、 輸出處理）2可編程序控制器（ ） 簡稱為PC， 但是由于個人計算機（ ） 也簡稱為PC， 為了 區別， 同時由于早期的可編程序控制器只是具有邏輯控制功能， 因此人們仍習慣稱可編程序控制器為PLC（ ） 。1982年國際電工委員會在頒布可編程序控制器標準草案中所作的定義為： 可編程序控制器是一種專為在工業環境下應用而設計的數字運算操作的電子系統。 它采用一種可編程序的存儲器， 在其內部存儲執行邏輯運算、 順序控制、 定時、 計數和算術運算等操作的指令， 通過數字或模擬式的輸入/輸出來控制各種類型的機械設備或生產過程。 可編程序控制器及其有關設備應按易于與工業系統連成一個整體和具有擴充功能的原則進行設計。6.1 3220世紀60年代中期， 美國通用汽車公司（GM） 為適應生產工藝不斷更新的需要， 提出了 一種設想： 把計算機的功能完善、 通用靈活等優點和繼電器控制系統的簡單易懂、 操作方便、價格低廉等優點結合起來。
并由此提出了 新型電氣控制的10條招標要求， 其中包括： 工作特性比繼電器控制系統可靠； 占位空間比繼電器控制系統小； 價格上能與繼電器控制系統競爭；必須易于編程； 易于在現場變更程序； 便于使用、 維護、 維修； 能直接推動電磁閥、 電動機起動器及與此相當的執行機構；能向中央數據處理系統直接傳輸數據等。 美國數字設備公司（DEC） 根椐這一招標要求， 于1969年研制成功了 第一臺可編程序控制器PDP-14， 并在汽車自動裝配線上試用成功。4這項新技術的使用， 在工業界產生了 巨大的影響。 從此可編程序控制器在世界各地迅速發展起來。 1971年， 日本從美國引進了 這項新技術， 并很快研制成功了 日本第一臺可編程序控制器。 1973年～1974年， 德國、 法國也相繼研制成功了 他們的可編程序控制器。 我國從1974年開始研制， 1977年研制成功了 以一位微處理器為核心的可編程序控制器， 并開始應用于工業生產控制。從第一臺PLC誕生至今， PLC大致經歷了 四次更新換代。第一代PLC， 多數用1位機開發， 采用磁芯存儲器存儲， 僅具有邏輯控制、 定時、 計數功能。
5第二代PLC， 使用了 8位微處理器及半導體存儲器， 其產品逐步系列化， 功能也有所增強， 已能實現數字運算、 傳送、 比較等功能。第三代PLC， 采用了 高性能微處理器及位片式CPU， 工作速度大幅度提高， 同時促使其向多功能和聯網方向發展， 并具有較強的自診斷能力。第四代PLC， 不僅全面使用16位、 32位微處理器作為CPU， 內存容量也更大。 可以直接用于一些規模較大的復雜控制系統； 編程語言除了 可使用傳統的梯形圖、 流程圖等外， 還可使用高級語言； 外設也更多樣化。現在， PLC已廣泛應用于工業控制的各個領域， PLC技術、 機器人技術、 CAD/CAM技術共同構成了 工業自動化的三大支柱。 在本書中， 將以應用較廣泛的日本OMRON公司的C系列P型和H型PLC為背景機， 介紹PLC的原理和應用。63由于工業生產對自動控制系統需求的多樣性， PLC的發展方向有兩個：一是朝著小型、 簡易、 價格低廉方向發展。 單片機技術的發展， 促進了 PLC向緊湊型發展， 體積減小， 價格降低，可靠性不斷提高。 這種小型的PLC可以廣泛取代繼電器控制系統， 應用于單機控制和小型生產線的控制， 如OMRON公司的C20、 C20P、 C28P、 C40P、 C60P、 C20H、 C40H等。
二是朝著大型、 高速、 多功能方向發展。 大型的PLC一般為多微處理器系統，有較大的存儲能力和功能強勁的輸入/輸出接口。 通過豐富的智能外設接口可編程序控制器的工作原理是， 可以實現流量、 溫度、 壓力、 位置等閉環控制； 通過網絡接口， 可級連不同類型的PLC和計算機， 從而組成控制范圍很大的局域網絡， 適用于大型的自動化控制系統。76.1.2 1PLC的種類很多， 其功能、 內存容量、 控制規模、 外形等方面差異較大， 因此PLC的分類標準也不統一， 但仍可按其I/O點數、 結構形式、 實現功能進行大致的分類。（1）按I/O點數分類。 PLC按I/O的總點數分類可分為： 小于256點的為小型機， 257~2 048點的為中型機， 超過2 048點的為大型機。（2） 按結構形式分類。 PLC按硬件的結構形式可分為整體式PLC和組合式PLC。 整體式PLC的CPU、 存儲器、 I/O接口安裝在同一機體內， 其結構緊湊、 體積小、 價格低， 但靈活性較差。 組合式PLC在硬件上具有較高的靈活性， 其模塊可以像拼積木一樣進行組合， 構成不同控制規模和功能的PLC， 因此又被稱為積木式PLC。8（ 3） 按實現的功能分類。
按照PLC所能實現的功能的不同， 可將PLC分為低檔、 中檔和高檔三類。 低檔機具有邏輯運算、 定時、 計數、 移位、 自診斷、 監控等基本功能和一定的算術運算、 數據傳送、 比較、 通信和模擬量處理功能。中檔機除具有低檔機的功能以外， 還具有較強的算術運算、數據傳送、 比較、 通信、 子程序、 中斷處理和回路控制功能。 高檔機則在中檔機的基礎之上加強了 帶符號數的運算、矩陣運算以及函數、 表格、 CRT顯示、 打印等功能。一般來說， 低檔機多為小型PLC， 采用整體結構； 中檔機可為大、 中、 小型PLC， 且中、 小型PLC多為整體結構，大、 中型PLC為組合式結構。 高檔機多為大型PLC， 采用組合式結構。 目前， 得到廣泛應用的多是中、 低檔機。92PLC作為一種新型的控制裝置與傳統的繼電器控制系統相比具有時間響應快、 控制精度高、 可靠性好、 控制程序可隨工藝改變、 易與計算機連接、 維修方便、 體積小、重量輕和功耗低等諸多高品質與功能。PLC是在按鈕開關、 限位開關和其他傳感器等發出的監控輸入信號作用下進行工作的。 輸入信號作用于用戶程序便產生輸出信號， 而這些輸出信號可直接控制外部的控制系統， 如電動機、 接觸器、 電磁閥、 指示燈等。
PLC和計算機雖都具有中央處理單元、 存儲器、 輸入/輸出接口， 都可以接CRT、 打印機， 都使用軟件， 但在許多方面仍存在著較大差異， 其差異見表6.1。1 0比較項目PLC計 算 機工作目的用于機械及過程自動化科學計算、 數據管理、 工業控制工作環境工業現場計算機房、 辦公室、 實驗室工作方式順序掃描方式中斷處理方式表現形態編程器和執行主機共兩套計算機沒有專門的編程器輸入設備控制開關、 傳感器、 編程器、 通信接口、 其他計算機等鍵盤、 磁帶機、 磁盤機、 卡片機、 通信接口輸出設備電磁開關、 電動機、 電磁閥、 電磁繼電器、 報警顯示器、 燈、 加熱器等， 也可接CRT、 打字機CRT、 打字機、 穿孔機、 磁帶機、 磁盤機特殊措施抗干擾措施、 各種動態檢測、 停電保護、 監控功能、 更換I/O模塊不會影響主機工作、 易維護的結構等掉電保護等一般措施使用的軟件一般多用梯形圖符號語言、 操作系統等匯編語言、 BASIC語言、 語言、 語言、 C語言等通用語言對操作人員的要求一般不用學習專門語言、 操作系統等軟件工作者、 計算機工作者或有一定計算機專業基礎的工程技術人員其他①機種多， I/O模塊種類多， 各種配件齊全， 很容易構成系統②設計人員不用再去考慮軟件問題， 因此工程上的應用快、 收益高③系統穩定可靠6.1 PLC1 1PLC采用典型的計算機結構， 由中央處理單元、 存儲器、 輸入/輸出接口電路和其他一些電路組成。
圖6.1為結構示意圖， 圖6.2為邏輯結構示意圖。6.2.1 中央處理單元（CPU） 是PLC的核心部件， 從圖6.2可以看出， 它控制著所有部件的操作。 CPU通過地址總線、 數據總線和控制總線與存儲單元、 輸入輸出（I/O） 接口電路連接。 CPU按掃描方式工作， 掃描從0000地址存放的第一條用戶程序開始， 經過存儲器中各功能程序， 到用戶程序的最后一個地址， 不停地周期性掃描， 每掃描一次， 用戶程序就執行一次。CPU的主要功能包括從存儲器中讀取指令， 執行指令， 準備下一條指令， 處理中斷。1 2圖6.1 可編程序控制器結構示意圖1 3圖6.2 可編程序控制器邏輯結構示意圖1 46.2.2 存儲器用來存放系統程序、 用戶程序、 邏輯變量和一些其他信息。 系統程序是指控制和完成PLC各種功能的程序。 這些程序由PLC制造廠家用微機指令編寫并固化在ROM中。 用戶程序是指使用者根據工程現場的生產過程和工藝要求編寫的控制程序。 用戶程序由使用者輸入到PLC的RAM中， 允許修改， 由用戶啟動運行。1 56.2.3 /輸入/輸出（I/O） 模塊是PLC與現場I/O設備或其他外部設備之間的連接部件。
PLC通過輸入模塊把工業現場的狀態信息讀入， 通過用戶程序的運算與操作， 把結果通過輸出模塊輸出給執行機構。輸出模塊用于把用戶程序的邏輯運算結果輸出到PLC外部， 輸出模塊具有隔離PLC內部電路與外部執行元件的作用， 同時兼有功率放大作用。 輸出模塊常用的形式有晶體管輸出（T型） 、 雙向晶閘管輸出（S型） 和繼電器輸出（R型） 。 使用時要注意： 晶體管輸出型模塊只能帶直流負載， 雙向晶閘管輸出型模塊只能帶交流負載， 繼電器輸出型模塊可帶交/直流負載。1 66.2.4 一般PLC采用AC 220V電源， 也可用直流電源。 交流電源經整流和穩壓向PLC各模塊供電。 歐姆龍C系列P型PLC使用DC 24V工作電源。6.2.5 其他接口包括外存儲器接口、 A/D轉換接口、 D/A轉換接口、 遠程通信接口、 與計算機相連的接口、 與CRT相連的接口等。其他外設包括編程器、 鍵盤、 CRT等。1 76.3.1 圖 6.3所示為 三相異步電動機的起停電路。若改用 歐姆龍C系列P型機實現控制， 按控制要求可設計出 圖 6.4所示的I/O連線圖和圖6.5所示的梯形圖以及相應的指令程序（見指令表6.2） 。
圖6.3 三相異步電動機的起停電路1 8不難看出， 圖6.5所示的梯形圖與圖6.3(b)所示的繼電器控制電路很相似。 梯形圖是PLC的編程語言。對于使用者來說， 在編制應用程序時， 可不考慮PLC內部的復雜構成和使用的計算機語言， 而把PLC看成是內部具有許多“軟繼電器”組成的控制器， 用提供給使用者的近似于繼電器控制線路圖的梯形圖進行編程。 這些“軟繼電器”的線圈、 動合觸點、 動斷觸點分別用“─〇”、 “”、 “” 來表示。 梯形圖中觸點在左邊， 與左側垂直公共母線（左母線） 相連， 線圈在最右邊， 接右側垂直公共母線， 右母線可以省略。1 9圖6.4 I/O連線圖20圖6.5 梯形圖圖6.6 修改后的梯形圖216.2 地址指令數據--05END(01)—22但要注意， PLC內部的繼電器并不是物理繼電器（硬件繼電器） ， 其實質是存儲器中的某些觸發器。 該觸發器為“1”狀態時， 相當于繼電器得電； 該觸發器為“0”狀態時， 相當于繼電器失電。前面提到， PLC的特點之一是控制程序可隨工藝改變， 當被控制對象、 控制方案和工藝流程改變時， 不需改變PLC硬件， 只需改變程序就可實現不同的控制。
假設根據生產工藝需要， 按下起動按鈕SB2后電動機只需運行1 min就應自行停止， 若遇緊急情況， 可隨時停止電動機運行。 顯然， 若采用繼電器控制， 需要改變圖6.3(b)才能實現。 但若采用PLC控制， 則根本不需改變任何連線和增加任何器件， 只需修改梯形圖和指令程序即可。 修改后的梯形圖和指令程序分別見圖6.6和表6.3。236.3 地址指令數據---#（01）—246.3.2 可編程序控制器實現某一用戶程序的工作過程如圖6.7所示， 可分為三個階段： 輸入采樣階段、 程序執行階段和輸出處理階段。1CPU將全部現場輸入信號如按鈕、 限位開關、 速度繼電器等的狀態（通/斷） 經PLC的輸入端子， 讀入映像寄存器，這一過程稱為輸入采樣或掃描階段。 進入下一階段即程序執行階段時， 輸入信號若發生變化， 輸入映像寄存器也不予理睬， 只有等到下一掃描周期輸入采樣階段時才被更新。
這種輸入工作方式稱為集中輸入方式。25圖6.7 工作過程從0000地址的第一條指令開始， 依次逐條執行各指令， 直到執行到最后一條指令。 PLC執行指令程序時， 要讀入輸入映像寄存器的狀態（ON或OFF， 即1或0） 和其他編程元件的狀態， 除輸入繼電器外， 一些編程元件的狀態隨著指令的執行不斷更新。 CPU按程序給定的要求進行邏輯運算和算術運算，運算結果存入相應的元件映像寄存器， 把將要向外輸出的信號存入輸出映像寄存器， 并由輸出鎖存器保存。 程序執行階段的特點是依次順序執行指令。3CPU將輸出映像寄存器的狀態經輸出鎖存器和PLC的輸出端子， 傳送到外部去驅動接觸器、 電磁閥和指示燈等負載。 這時輸出鎖存器的內容要等到下一個掃描周期的輸出階段到來才會被刷新。 這種輸出工作方式稱為集中輸出方式。27下面以圖6.4和圖6.5中所示的電動機起停控制為例， 說明PLC的工作過程。（1） 輸入采樣階段。 CPU將外設SB1, SB2和FR的狀態經輸入端子0000, 0001, 0002讀入對應的輸入映像寄存器。（2） 程序執行階段。 CPU按表6.2所示的指令表， 逐條執行指令。 執行0000地址指令時， 將輸入映像繼電器0000的數（1或0） 取出， 存入結果寄存器R。 執行0001地址的第二條指令時，將輸出映像繼電器0500的內容與運算結果寄存器中的內容相“或”可編程序控制器的工作原理是，運算結果存入R。 執行0002...