主 编：黄云龙副主编：郁 炜 吴国强审 阅：陈国定制 作：廖东进 出 版：科学出版社 2007 年 1 月

《可编程控制器》

教育部普通高等教育

“十一五”国家级规划教材

第 1 章 可编程控制器概论

1.1 可编程控制器的产生、特点、现状和发展趋势

1.2 PLC的基本结构和工作原理

1.3 PLC的主要性能指标

1.4 PLC的编程语言

本章要点 1 ．理解可编程控制器的基本结构，掌握可编程控制器

的工作原理、了解 PLC 的编程语言。 2 ．了解 PLC 的主要技术性能指标、扫描工作方式和

PLC 的响应时间。

本章难点 1 ．可编程控制器基本结构的理解。 2 ．各种编程语言的理解。 3 ．扫描工作方式和响应时间的理解。

1.1 可编程控制器的产生、特点、现状和发展趋势

本节主要介绍 PLC 的产生 PLC 的特点 PLC 的现状 PLC 的发展趋势

可编程控制器（ Programmable Controller ）简称 PC(PLC)

1.1.1 PLC 的产生 1968 年美国通用汽车公司（ GM ）提出了研制新型逻辑顺序控制装置的十项招标指标：

① 编程方便，可现场修改程序；② 维修方便，采用模块化结构；③ 可靠性高于继电器控制装置；④ 体积小于继电器控制装置；⑤ 数据可直接送入管理计算机；⑥ 成本可与继电器控制装置竞争；⑦ 输入可以是交流 115V ；⑧ 输出为交流 115V ， 2A 以上，能直接驱动电磁阀，接触器等；⑨ 在扩展时，原系统只要很小变更；⑩ 用户程序存储器容量至少能扩展到 4K 。

这些要求实际上提出了将继电器控制的简单易懂、使用方便、价格低的优点与计算机的功能完善、灵活性、通用性好的优点结合起来，将继电接触控制的硬连线逻辑转变为计算机的软件逻辑编程的设想。

1.1.2 PLC 的特点定义：可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境而设计。它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令并通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外围设备，都按易于与工业系统联成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。

PLC 的主要特点是：1 ．可靠性高，抗干扰能力强

PLC 是专为工业环境设计的，其可靠性高，抗干扰能力强，其平均故障间隔时间可达 5 年以上，主要体现在：

① 对元器件进行严格筛选和老化， I/O 接口电路采用光电隔离；② 结构上考虑耐热、防潮、防尘和抗震的要求；③ 硬件上采用隔离、屏蔽、滤波和接地等措施；④ 软件上采用数字滤波等抗干扰和故障诊断措施；⑤ 工作方式采用循环扫描方式。

2 ．功能完善 PLC除基本逻辑处理功能外，配合特殊的功能模块可用于数字控制领域，并可实现与上位机的通讯。 3 ．易操作

① 程序输入和更改方便；② 多种程序设计语言可供使用；③ 自诊断功能使维修方便。

4 ．灵活性和可扩展性强 PLC 的灵活性表现在下列三个方面：

① 采用的编程语言有梯形图、布尔助记符、菜单图、功能模块图和语言描述编程语言，只要掌握其中一种语言就可以进行编程；② 根据应用规模的不断扩展，即可进行容量的扩展、功能的扩展、应用和控制范围的扩展；③ 设计、编程和安装的工作量减少，易实现过程监视和控制。

1.1.3 PLC 的现状PLC 产品可按地域分成三大流派：

美国产品：代表性厂商有 A-B 公司、通用电气（ GE ）公司、莫迪康（ MODICON ）公司、德州仪器（ TI ）公司、西屋公司等。其中A-B 公司是美国最大的 PLC 制造商，其产品约占美国 PLC市场的一半。 欧洲产品：代表性厂商有德国的西门子（ SIEMENS ）公司、 AEG 公司、法国的 TE 公司是欧洲著名的 PLC 制造商。德国的西门子的电子产品以性能精良而久负盛名。在中、大型 PLC 产品领域与美国的 A-B 公司齐名。 日本产品：日本的小型 PLC最具特色，在小型机领域中颇具盛名，某些用欧美的中型机或大型机才能实现的控制，日本的小型机就可以解决。在开发较复杂的控制系统方面明显优于欧美的小型机，所以格外受用户欢迎。日本有许多 PLC 制造商，如三菱、欧姆龙、松下、富士、日立、东芝等，在世界小型 PLC市场上，日本产品约占有 70％的份额。

我国 PLC 产品 : 我国有许多厂家、科研院所从事 PLC 的研制与开发，如中国科学院自动化研究所的 PLC-0088 ，北京联想计算机集团公司的 GK-40 ，上海机床电器厂的 CKY-40 ，上海起重电器厂的 CF-40MR/ER ，苏州电子计算机厂的 YZ-PC-001A ，原机电部北京机械工业自动化研究所的 MPC-00l/20 、 KB-20/40 ，杭州机床电器厂的 DKK02 ，天津中环自动化仪表公司的 DJK-S-84/86/480 ，上海自立电子设备厂的 KKI 系列，上海香岛机电制造有限公司的 ACMY-S80 、 ACMY-S256 ，无锡华光电子工业有限公司（合资）的 SR-10 、 SR-20/21 等。

1.1.4 PLC 的发展趋势 目前， PLC 技术正在不断地向综合性的工业控制发展。随着科学技术的迅速发展，未来 PLC 将朝两极化、多功能、智能化和网络化的模式方向发展。

1 ．向高速度、大容量方向发展2 ．向超大型、超小型两个方向发展

3 ． PLC 大力开发智能模块，加强联网通信能力4 ．增强外部故障的检测与处理能力5 ．编程语言多样化

1.2 PLC 的基本结构和工作原理1.2.1 PLC 的基本结构

中央处理单元（ CPU ）

它按照 PLC 系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据。检查电源、存储器、 I/O 以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。

存储空间：① 系统程序存储区 : 存放着相当于计算机操作系统的系统程序 ② 系统 RAM 存储区（包括I/O映象区以及各类软设备 )

③ 用户程序存储区：存放用户编制的用户程序

PLC 存储空间 电源部分

存储器类型 ： ① RAM ② EPROM ③ EEPROM

1.2.2 PLC 的工作原理

早期的 PLC 与传统由继电器接触器构成的控制装置的区别：（ 1）继电器控制装置采用硬逻辑并行运行的方式（ 2） PLC的 CPU则采用顺序逻辑扫描用户程序的运行方式 考虑到继电器控制装置各类触点的动作时间一般在 100ms以上，而 PLC

扫描用户程序的时间一般均小于 100ms，因此， PLC采用了一种不同于一般微型计算机的运行方式——扫描技术。

（ 3）扫描技术 工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三

个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间， PLC的 CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。

PLC 的扫描工作周期

第n-1个扫描周期

输出刷新

输入采样 用户执行程序

第n个扫周期

第n+1个扫描周期

输入采样

输出采样

① 输入采样阶段 PLC 以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入 I/O

映象区中的相应单元内。输入采样结束后，转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映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。

PLC 的扫描工作周期

第n-1个扫描周期

输出刷新

输入采样 用户执行程序

第n个扫周期

第n+1个扫描周期

输入采样

输出采样

PLC顺序依次地扫描用户程序（梯形图），然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统 RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在 I/O 映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。

② 用户程序执行阶段

PLC 的扫描工作周期

第n-1个扫描周期

输出刷新

输入采样 用户执行程序

第n个扫周期

第n+1个扫描周期

输入采样

输出采样

当扫描用户程序结束后， PLC 就进入输出刷新阶段。 CPU按照 I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是 PLC的真正输出。

一般来说， PLC的扫描周期还包括自诊断、通讯等，即一个扫描周期等于自诊断、通讯、输入采样、用户程序执行和输出刷新等所有时间的总和。

。

③ 输出刷新阶段

（ 4 ） PLC 的 I/O 响应时间

光电隔离等技术

扫描技术

PLC的 I/O响应比一般微型计算机构成的工业控制系统慢的多，其响应时间至少等于一个扫描周期，一般均大于一个扫描周期甚至更长。

1.3 PLC 的主要性能指标

1 ．输入／输出点数 :2 ．扫描速度 :3 ．存储器容量：

4 ．编程语言： PLC采用梯形图、布尔助记符、菜单图、功能模块图和语言描述等编程语言。不同的 PLC产品可能拥有其中一种、两种或全部的编程方式。5 ．指令功能 指令种类越多，则其软件的功能就越强，使用这些指令完成一定的控制目的就越容易。 此外， PLC的可扩展性、使用条件、可靠性、易操作性及经济性等性能指标也是用户在选择 PLC时须注意的指标。

表示 PLC 组成控制系统时可能的最大规模。扫描速度是指 PLC执行用户程序的速度。包括系统程序存储器、用户程序存储器和数据存储器。程序指令是按“步”存放的，一“步”占用一个地址单元，一个地址单元一般占用两个字节。

1.4 PLC 的编程语言

PLC 中有多种程序设计语言，它们是梯形图语言、布尔助记符语言、菜单图语言、功能模块图语言及结构化语句描述语言等。

梯形图语言和布尔助记符语言是基本程序设计语言，它们通常由一系列指令组成，用这些指令可以完成大多数简单的控制功能。

菜单图语言和语句描述语言是高级的程序设计语言，它可根据需要去执行更有效的操作。

功能模块图语言采用功能模块图的形式，通过软连接的方式完成所要求的控制功能，它不仅在 PLC 中得到了广泛的应用，在集散控制系统的编程和组态时也常常被采用，由于它具有连接方便、操作简单和易于掌握等特点，为广大工程设计和应用人员所喜爱。

1.4.1 梯形图语言

梯形图语言是用梯形图的图形符号来描述程序的一种程序设计语言。这种程序设计语言采用因果关系来描述事件发生的条件和结果。每个梯级是一个因果关系，在梯级中，描述事件发生的条件表示在左面，事件发生的结果表示在右面。

梯形图程序设计语言的特点是：

（ 1）与电气操作原理图相对应，具有直观性和对应性。（ 2）与原有继电器逻辑控制技术相一致，对电气技术人员来说，易于

掌握和学习（ 3）与原有的继电器逻辑控制技术的不同点是，梯形图中的能流（ Po

wer Flow）不是实际意义的电流，内部的继电器也不是实际存在的继电器。因此，应用时需与原有继电器逻辑控制技术的有关概念区别对待。

（ 4）与布尔助记符程序设计语言有一一对应关系，便于相互的转换和程序的检查。

1.4.2 布尔助记符语言

布尔助记符语言是用布尔助记符来描述程序的一种程序设计语言，它与计算机中的汇编语言非常相似，采用布尔助记符来表示操作功能。

布尔助记符程序设计语言具有下列特点： （ 1）采用助记符来表示操作功能，具有容易记忆，便于掌握的特点。（ 2）在编程器的键盘上采用助记符表示，具有便于操作的特点，可在无计算机的场合进行编程设计。（ 3）与梯形图有一一对应关系，其特点与梯形图语言基本类同。

PLC是一种标准的工业设备，经过近 40年的发展，制造厂商众多，产品不断更新，功能不断强大。就其工作原理而言，有许多共同之处。1． PLC是专为工业环境设计的，其可靠性高，功能强大，简便易学，

适用面广。特别适合工程技术人员使用。2． PLC的不断发展和其所具有的一系列优点，使其从简单的开关量控

制发展到模拟量、数字量控制，并不断向多功能、大容量、大规模及网络化等方向发展。3． PLC采用集中采样、集中输出，按顺序循环扫描用户程序的方式工

作。当 PLC 处于正常运行时，它将不断重复扫描过程，其工作过程的中心内容分为输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段。4． PLC的性能指标较多，不同厂家的 PLC产品技术性能各不相同，且

各有特色。常用的主要性能指标有输入／输出点数、扫描速度、存储器容量、编程语言、指令功能与数量、内部元件的种类与数量、特殊功能单元、可扩展能力等。5． PLC采用多种形式的编程语言来编写 PLC的用户程序，其中，梯形图和语句表是最常用的编程语言。

小 结