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1. PLC 概述 第三章
武汉软件工程职业学院课程 Created by kairry
第 3 章 可编程控制器 PLC
【概述】
1968 年美国通用汽车公司（GM），为了适应汽车型号的不断更新，生产工艺不断变化的需要，实现小批量、多
品种生产，希望能有一种新型工业控制器，它能做到尽可能减少重新设计和更换继电器控制系统及接线，以降低成
本，缩短周期。GM 公司提出的替代继电器控制系统的新型控制器的十项要求指标：
1、编程简单、现场可修改程序； 6、可将数据直接送入计算机；
2、维护方便、采用插件式结构； 7、可直接使用 115V 交流输入电压；
3、可靠性高于继电器控制系统； 8、输出采用 115V 交流电压，能直接驱动电磁阀、交流接触器等；
4、体积小于继电器控制系统； 9、通用性强，扩展方便;
5、数据可以直接送入计算机； 10、能存储程序，存储器容量可以扩展到 4KB。
1969 年美国数字设备公司（DEC）根据这一设想，研制出世界上第一台可编程序控制器。并应用于汽车自动装
配生产线。它以存储的控制程序替代了继电控制，主要用于顺序控制，只能完成逻辑运算、定时、计数等控制功能。
故称可编程序逻辑控制器（Programmable Logical Controller，PLC）
。
20 世纪 70 年代未至 80 年代初，可编程序控制器的处理速度大大提高，不仅可以进行逻辑控制，而且可以对模
拟量进行控制。美国电器制造协会（NEMA）将可编程序控制器命名为 PC（Programmable Controller） 。
20 世纪 80 年代以来，以 16 位和 32 位微处理器为核心的可编程序控制器得到迅猛发展。这时的 PLC 具有了高
速计数、中断技术、PID 调节和数据通信等功能。
1987 年，国际电工委员会（IEC）定义：
“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统， 专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，
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，并通过数字式和模拟式的输入
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，都应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” 。
可编程控制器由于其诞生的设想就决定了其如下特点：
² 无触点免配线，可靠性高，抗干扰能力强
² 环境要求低，适应性强。
² 通用性强，使用方便，控制程序可变，具有很好的柔性。
² 系统设计周期短，安装、调试、维修工作量少，维护方便。
² 体积小，重量轻，能耗低。
自从第一台 PLC 出现以后，日本、德国、法国等也相继开始研制 PLC，并得到了迅速的发展。各国 PLC 都有自
己的特色。 欧洲：西门子（Siemens） 法国的 TE（Telemecanique）
；
美国：AB（Allen‐Bradley）、GE（General Electric）
日本：三菱电机（Mitsubishi Electric） 欧姆龙（OMRON）
、 、日本富士（FUJI）
目前，国内市场还有韩国、台湾、大陆等众多 PLC 产品。
可编程控制器 PLC 在现代工业自动化控制中是最值得重视的先进控制技术。 PLC 已成为工业控制三大支柱 （PLC、
CAD/CAM、ROBOT）之一，在机械、化工、石油、冶金、电力、轻工、电子、纺织、食品、交通、文娱等行业得到
广泛应用。
可编程控制器的分类：
1）按 I/O 点数分和存储器容量分
Ø 小型 PLC——I/O 点数在 256 点以下，用户程序存储器容量在 2K 步以下。其中 I/O 点数小于 64 点的 PLC 又称为
超小型或微型 PLC。型号有日本松下电工 FP1 型、日本三菱 FX 系列和日本欧姆龙 C40P 等。
Ø 中型 PLC——I/O 点数在 256～2048 点之间， 用户程序存储器容量在 2K～8K 步之间。 型号有日本三菱的 A1 系列、
日本日立公司的 H‐200、美国 AB 公司的 PLC2/80 等。
Ø 大型 PLC——I/O 点数在 2048 点之上，用户程序存储器容量达 8K 步之上。型号有美国 AB 公司的 PLC‐3，I/O 点
数有 8192 个；德国西门子公司 S5‐155U，I/O 点数有 10000 个，具有多个处理器。
2）按结构形式分
Ø 整体式 PLC——将电源、CPU、I/O 接口等部件都集中装在一个机箱内，具有结构紧凑、体积小、价格低等特点。
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Ø 模块式 PLC——将 PLC 各组成部分分别作成若干个单独的模块，如 CPU 模块、I/O 模块、电源模块（有的含在
CPU 模块中）以及各种功能模块。
Ø 叠装式 PLC——叠装式结构集整体式结构的紧凑、体积小、安装方便和组合式结构的 I/O 点搭配灵话、安装整
齐的优点于一身。它也是由各个单元的组合构成。其特点是 CPU 自成独立的基本单元（由 CPU 和一定的 I/O 点
组成） ，其它 I/O 模块为扩展单元。在安装时不用基板，仅用电缆进行单元间的联接，各个单元可以一个个地叠
装。使系统达到配置灵活、体积小巧。
组合式 整体式 叠装式
3）按功能分
Ø 低档 PLC——具有逻辑运算、定时、计数、移位以及自诊断、监控等基本功能，还可有少量模拟量输入／输出、
算术运算、数据传送和比较、通信等功能。
Ø 中档 PLC——具有低档 PLC 功能外，增加模拟量输入/输出、算术运算、数据传送和比较、数制转换、远程 I/O、
子程序、通信联网等功能。有些还增设中断、PID 控制等功能。
Ø 高档 PLC——具有中档机功能外，增加带符号算术运算、矩阵运算、位逻辑运算、平方根运算及其它特殊功能
函数运算、制表及表格传送等。高档 PLC 机具有更强的通信联网功能。
PLC 的性能通常可从一般指标和技术指标来评判。如结构、功能、功耗等一般指标是选用时必须了解的。而技
术指标则包括了具体的一般性能规格和技术参数（如 I/O 数、扫描速度、存储容量、指令系统、特殊功能等） 。
1、 I/O 数——可接收的输入信号和输出信号的总和。点数越大控制规模就越大。
2、 扫描速度——指 PLC 执行用户程序的速度。常以扫描 1KB 用户程序所需时间来衡量（KB/ms） 。
3、 存储容量——指用户程序存储器的容量。
4、 指令系统——指令功能的强弱， 指令的数量多少。 指令功能越强、 数量越多，
PLC 处理能力和控制能力越强。
5、 内部寄存器——其配置与容量是衡量 PLC 性能的一个重要指标。在编制 PLC 程序时，需用到大量的内部元
件来存放变量、中间数据等信息。PLC 的元件种类和数量越多，表示其存储和处理各种信息的能力越强。
6、 特殊功能模块——PLC 厂商新开发的功能，如 A/D 和 D/A 模块、定位控制模块、PID 控制模块等。
3.1 PLC 系统的组成
PLC 生产厂家众多，产品结构各不相同。但系统组成是相同的。即都是由硬件和软件两大部分组成。
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一、PLC 的主要硬件系统
1、中央处理器 CPU
中央处理器是 PLC 的核心部件。起着指挥的作用，其主要功能是：
（1） 编程时接受并存储从编程器输入的用户程序和数据，并能进行修改或更新。
（2） 以扫描方式采集现场输入装置的状态和数据，并存入输入、输出映像寄存器。
（3） 从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经命令解释后，按命令的规定执行用户逻辑或运算，将结果送
入输入/输出映像寄存区或数据寄存器内，待所有的用户程序执行完毕后，将输入/输出寄存区的各输出状态或输出
寄存器内的数据传送到相应的输出装置，实现输出控制。如此循环直到停止运行。
（4） 执行各种诊断程序（诊断电源、PLC 工作状态及编程的语法错误） 。
2、存储器单元
PLC 内部存储器用来存放 PLC 的系统程序，用户程序和逻辑变量及数据信息。
存放系统程序的称系统程序存储器。如监控程序、模块功能子程序、解释程序、故障诊断程序等。
存放用户程序的称用户程序存储器。它包括用于存储用户程序的用户存储器和存储用户数据的数据存储器。
常用的存储器类型有：
² 随机存储器 RAM（Random Assess Memory）RAM 的内容可以随时由 CPU 对它进行读取，写入，任意修
改，但掉电后，信息丢失。所以 PLC 对 RAM 提供备用锂电池，一般锂电池使用期为 3－5 年左右。用户
程序一般使用 RAM 存储。
² 可擦除只读存储器 EPROM（Erasable Programmable Read Only Menory）ROM 的内容只能读出不能写入，
它的写入需要使用特殊的方法和设备，一旦写入即使掉电也不会消失。主要存放监控程序或已调试好的用
户程序。
² 电擦除只读存储器 EEPROM（Electrical Erasable Programmable Read Only Menory）
3、电源单元
电源单元将外部提供的交流电转换成 PLC 内部正常工作所需的直流电，它是主机的重要组成部分。
4、输入/输出单元
是 PLC 与现场输入输出设备或其他设备之间的连接部件。由 I/O 模块和功能模块组成。类型有：
数字量输入：带光电隔离，有 DC、AC、DC/AC 三种形式。
模拟量输入：接收电压或电流信号，带 A/D 转换。
开关量输出：带光电隔离，有晶体管、晶闸管、继电器三种形式。
模拟量输出：带光电隔离，D/A 转换和信号转换。
智能输入/输出：这种接口其自身带处理器，能在其自身系统程序管理下独立运行，使 PLC 能够处理快速
变化的现场信号，也使 PLC 能够处理完成更多的任务。
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5、接口单元
包括扩展接口、编程接口、存储器接口和通信接口。
6、外部设备
PLC 的外部设备主要有编程器、显示器、打印机、操作面板等。
二、PLC 的软件系统
系统软件由厂家固化在机内，用于维护 PLC 自身运行。包括系统管理软件、用户指令解释软件、标准程序模块
等。
用户软件是由用户针对具体的控制对象，为达到一定的控制目的，应用 PLC 厂家提供的编程语言编制的程序。
3.2 PLC 的基本工作原理
PLC 的核心器件是微处理器，故 PLC 具有许多微计算机的特点，但其工作方式却与微机大不相同。
微型计算机——等待命令工作方式（有命令则转入命令子程序，无则继续扫描等待） 。
PLC——循环扫描工作方式（运行时对用户程序作周期循环扫描，按程序指令序号由低至高，逐条执行直到
结束，再返回第一条开始新一轮扫描，如此周而复始） 。
这里需解释一下何谓扫描工作方式？
当 PLC 运行时，需要进行众多的操作，而 PLC 的 CPU 不可能同时去执行多个操作，每一时刻只能执行一个操
作。解决的办法是采用分时操作原理。即 PLC 对许多需要处理的任务依次按规定顺序进行访问和处理。由于 CPU
的运算处理速度很快，所以从宏观上来看，PLC 外部出现的结果似乎是同时完成的。
每次扫描开始，先执行一次自诊断程序，检查 CPU 等内部硬件。内部处理结束后，
PLC 将继续往下扫描，检查是否有通信请求（与其它智能装置实现通信） ，如果有则进行
相应的处理（比如接受编程器发来的命令，把要显示的状态数据、出错信息送给编程器
显示等） 。
通信服务完毕后进入输入过程，先启动输入单元将现场信号转换成数字信号全部读
入并进行滤波处理，将有效值放入输入映像寄存器。输入刷新完毕即关闭输入端口。可
见 PLC 处理的是映像寄存器内的值，在一个扫描周期内，它不会随现场信号而变。
接下来，PLC 对用户程序进行扫描，逐条执行，并将结果存入相应的内部辅助寄存
器和输出状态寄存器。当完成最后一条指令后即进入输出刷新过程。
所有用户程序指令执行完毕，即将输出状态寄存器的内容依次放入输出映像寄存器，
PLC 的实际输出是将输出映像寄存器的信号送到输出单元，并进行传送校验后启动输出
单元，进行 D/A 转换成现场信号输出给外部执行机构。
【工作原理特点】循环扫描、集中刷新、逐顺执行、现场隔离。
整个过程包括内部处理、通信服务、输入处理、程序执行、输出处理五个阶段，整个过程扫描执行一遍所需的
时间称为扫描周期（典型值为 1～100ms） 。
T =自检时间+读入一点时间×输入点数+程序步数×运算速度+输出一点时间×输出点数
显见、扫描周期与 CPU 运行速度、PLC 硬件配置及用户程序长短及结构有关。扫描周期越长，PLC 的响应速
度越慢，对于要求快速响应的控制系统，就必须考虑 PLC 的响应滞后问题，这也是高速 PLC 的价格比普通的要贵
许多的原因。它是由 PLC 的工作方式（扫描技术）决定了的。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。
程序语句顺序会影响扫描周期 PLC 的输入/输出响应时间——指外部输入信号发
生变化的时刻起至它控制的相关外部输出信号发生变化
的时刻之间的间隔。
该时间包括输入滤波时间、输出模块机械滞后、扫
描周期等因素。
目前，对于大中型 PLC，由于 I/O 点数较多，控制功能
强，用户程序较长，为提高系统响应速度，采用定期采
样、定期输出方式或中断输入、输出方式以及采用智能
I/O 接口等多种方式。
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5. PLC 概述 第三章
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下图说明了用户程序执行阶段扫描工作过程
3.3 PLC 的编程语言
所谓程序编制，就是用户根据控制对象的要求，利用 PLC 厂家提供的程序编制语言，将一个控制要求描述出来
的过程。不同的厂家的 PLC 有不同的编程语言，但 IEC（国际电工委员会）公布的 PLC 编程语言标准目前仅五种。
最常用的编程语言是梯形图语言和指令语句表语言（助记符语言） ，且两者常常联合使用。
1）梯形图（Ladder Diagram. LAD）
这是使用最多的 PLC 编程语言。因与继电器电路很相似，具有直观易懂的特点，很容易被熟悉继电器控制的电
气人员所掌握，特别适合于数字量逻辑控制。
梯形图由触点、线圈和用方框表示的指令构成。触点代表逻辑输入条件，线圈代表逻辑运算结果，常用来控制
指示灯，开关和内部的标志位等。指令框用来表示定时器、计数器或数学运算等附加指令。
在程序中，最左边是主信号流，信号流总是从左向右流动的。该语言不适合于编写大型控制程序。
2）顺序功能图（Seauential Fuction Chart. SFC）
这是位于其它编程语言之上的图形语言，用来编制顺序控制的程序（如：机械手控制程序） 。编写时，工艺过
程被划分为若干个顺序出现的步，每步中包括控制输出的动作，从一步到另一步的转换由转换条件来控制，特别适
合于生产制造过程。
3）语句表（Statement List. STL）
是一种类似于微机汇编语言的一种文本编程语言，由多条语句组成一个程序段。语言表适合于经验丰富的程序
员使用，可以实现某些梯形图不能实现的功能。
4）功能块图（Function Block Diagram. FBD）
功能块图使用类似于布尔代数的图形逻辑符号来表示控制逻辑，一些复杂的功能用指令框表示，适合于有数字
电路基础的编程人员使用。功能块图用类似于与门、或门的框图来表示逻辑运算关系，方框的左侧为逻辑运算的输
入变量，右侧为输出变量，输入、输出端的小圆圈表示“非”运算，方框用“导线”连在一起，信号自左向右。
5）结构化文本（Structured Text. ST）
结构化文本是为 IEC61131－3 标准创建的一种专用的高级编程语言。与梯形图相比，它实现复杂的数学运算，
编写的程序非常简洁和紧凑。
3.3.1 梯形图编程语言的特点
梯形图是在原继电器—接触器控制系统的继电器梯形图基础上演变而来的一种图形语言。是目前用得最多的
PLC 编程语言。
梯形图表示的并不是一个实际电路而只是一个控制程序， 其间的连线表示的是它们之间的逻辑关系，即所谓“软
接线”
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6. PLC 概述 第三章
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【注意】“软继电器”并非真实的物理实体。其实质是每个“软继电器”仅对应 PLC 存储器中映像寄存器的一个存
储单元中。该位状态为“1”时，对应的继电器线圈接通，其常开触点闭合、常闭触点断开；状态为“0”时，对应
的继电器线圈不通，其常开、常闭触点保持原态。因“软继电器”的实质就是存储单元， “软继电器”常开、常闭
触点即是取用存储单元的状态。所以，“软继电器”的触点是无限制的。
梯形图的逻辑解算按从左到右、自上而下的顺序进行。解算的结果可即刻被后面的逻辑所利用。但要明确，逻
辑运算是根据元件映像寄存器中的状态，而不是根据运算瞬间外部输入信号的状态来进行的。
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