1.1 PLC的基本概念与基本结构

可编程控制器（Programmable Controller）是一种重要工业控制计算机，广泛应用于工业生产的各个领域。本节将主要介绍可编程控制器的基本概念和结构，并在此基础上介绍PLC的程序执行过程等内容。

1.PLC的历史

可编程控制器是工业控制领域中自动化技术发展的产物。众所周知，工业生产过程中存在大量顺序控制和安全互锁逻辑控制，在20世纪60年代之前，这些功能是通过气动或电气控制系统实现的，相应的控制系统主要由继电器和计数器等构成。这种系统的主要缺点是体积大，接线复杂和可靠性差，特别是系统适应性差，不易维护和更改。上述缺点不但增加了生产成本，而且严重制约生产效率的进一步提高。为解决这一问题，美国通用汽车公司（GM）提出要设计一种新的系统来代替继电器系统，并于1968年向社会公开招标，同时给出了10条招标指标，即“通用十条”：

（1）编程方便，可现场修改和调试程序；

（2）维护方便，采用模块化结构；

（3）可靠性高于继电器控制系统；

（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系统竞争；

（7）输入可以是115V交流电；

（8）输出为交流115V，输出电流可达2A以上，能直接驱动电磁阀；

（9）扩展时，原系统只需作很小改动；

（10）用户程序存储器容量至少能扩展到4KB。

1969年美国数字设备公司（DEC）根据上述要求研制成功了PDP-14控制器，并在汽车自动装配线上成功使用。这种控制器主要用于顺序控制，并仅能进行逻辑运算，因此被称做可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）。虽然早期的PLC只有简易的逻辑开/关功能，但是这种控制装置以集成电路和电子技术为基础，实现了电气控制的程序化，与继电器控制系统相比使用方便，体积小，易于维护和修改。

2.PLC的定义

随着集成电路、计算机技术和电气控制技术的发展，可编程逻辑控制器PLC逐渐发展成以微处理器为核心的新型工业控制设备，是计算机家族中的一员。鉴于可编程逻辑控制器的功能越来越丰富（如具备高速通信网络和以梯形图方式编程等），早已不限于进行逻辑控制，美国电器制造商协会（NEMA）经过 4 年的调查，于1980 年把它正式命名为可编程控制器（Programmable Controller，PC），但是为了与个人计算机（Personal Computer，PC）相区别，仍将可编程控制器简称为PLC。

PLC自诞生起就进入了快速发展阶段，国际电工委员会（IEC）分别于1982年11月、1985年1月和1987年2月颁布了可编程控制器标准的草案第一稿、第二稿和第三稿，并在草案第三稿中将可编程控制器定义为：“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。并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关外部设备，都应按易于与工业系统连成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。”作为一种应用于工业环境下的计算机，该定义强调了PLC应具有抗干扰性强，适应性好和应用范围广泛的特点，这正是工业控制计算机区别于一般微型计算机的重要特征。

目前，PLC因其具有通用性强，使用方便，适应面广，可靠性高，抗干扰能力强，编程简单等特点，已成为工业控制领域中不可或缺的一种控制装置，具有广阔的市场。

3.PLC的基本结构

作为计算机家族中的一员，PLC的基本结构与一般的微型计算机系统类似，主要由中央处理器（CPU）、存储器、输入/输出设备组成，另外具有电源、A/D和D/A等模块，其基本结构如图1-1所示。

1）CPU与所有微型计算机系统（如通用计算机系统和单片微型计算机系统）相同， CPU是PLC的核心部件，主要包含运算器、控制器和寄存器。控制器控制CPU工作，由CPU读取指令、解释指令及执行指令。运算器用于进行算术、逻辑等运算，其工作由控制器控制完成。另外，CPU内部还有一些寄存器参与运算，并存储运算的中间结果。CPU可以是通用微处理器（如8086、80286和80386等）和单片机（如8051和M6800）等。

CPU按位数可分为8位、16位和32位，通常小型PLC采用价格较低，通用性较好的8位和16位CPU，中型PLC通常采用集成度高，运算速度快，可靠性更高的16位和32位CPU，而大型PLC多采用灵活性强，速度快的高速CPU。另外，小型PLC多采用单CPU，而大型PLC多采用双CPU甚至多CPU系统，在多个CPU中往往有一个是位处理器，其他是字处理器，而位处理器的使用进一步提高了PLC的实时性。

2）存储器 存储器用于存放程序和数据。

按照读/写功能，存储器可分为两种：一是随机存储器RAM（Random Access Memory），可读可写；二是只读存储器ROM（Read Only Memory），只能读不能写。

按照存储功能，PLC存储空间可划分为：系统程序存储区、系统RAM存储区和用户程序存储区。

（1）系统程序存储区：存放系统程序即所谓的系统软件（相当于计算机操作系统软件），是由PLC制造厂家编写的与PLC硬件有关的程序，和硬件一起决定了PLC的性能。它主要完成系统诊断，命令解释，提供PLC运行平台等功能，通常固化到ROM中，用户不能访问和修改。

（2）系统RAM存储区：存放I/O映像区及各类软设备，如逻辑线圈、数据寄存器、计时器、计数器、变址寄存器、累加器等。

（3）用户程序存储区：存放用户编制的程序，不同类型的PLC，其存储容量各不相同。

3）I/O模块 I/O模块又称I/O单元，负责实现I/O信号的扩展，这些数据可以由被控对象通过I/O模块传送给PLC，也可由PLC通过I/O模块传送给被控对象。在数据传输过程中， I/O模块的作用是实现PLC与外部输入和输出设备间不同信号间的电平转换。

4）其他功能模块

（1）A/D、D/A模块：A/D模块主要用于将电压、电流、湿度和温度等模拟信号转换成PLC能够处理的数字量。D/A模块与A/D模块的作用相反，其作用是把PLC内部的数字量转换成电压、电流等模拟信号以控制外部设备，如变频器和温度控制器等。

（2）电源模块：为PLC的各个模块提供工作电源。电源模块的一般输入为AC 220V（有的AC 220V与AC 110V均可以），部分电源模块输入为宽电压范围（AC 86～240V），输出电源电压可以是交流的，也可以是直流的。

（3）通信模块：主要通过通信网络实现PLC之间、PLC与个人计算机间及与其他设备间的信息交换。通信模块实现PLC与各种控制总线或工业以太网的通信，如西门子S7-200CN PLC的CP243-1、CP243-1IT CP241等。通信模块使得PLC与其他计算机系统和被控对象之间形成一个统一的整体，使分散集中的远程控制和信息交换成为可能。

5）PLC的外部设备

（1）编程器，是用户进行PLC程序设计和系统监控的必备设备，可以对PLC在线编程和修改程序。

（2）存储设备，用于永久性地存储用户资料，PLC应用中一般为专用的存储卡。

（3）I/O设备，用于接收输入信号和发送输出信号，如打印机和键盘等。

4.PLC程序的存储和执行过程

作为一种用于工业控制的计算机，PLC与通用的个人计算机有所不同，这主要表现在程序存储方式和程序执行过程两方面。

1）程序存储方式通用个人计算机的内部存储器里只存放少量系统程序，用于系统自检和从外部存储器（如硬盘等）将操作系统（如DOS、Windows和Linux等）程序加载到内部存储器，然后由操作系统进行用户应用程序的管理。而 PLC的用户应用程序可以预先存放在内部存储器上，CPU上电复位后，先由操作系统启动PLC，然后PLC进入运行模式并运行用户应用程序。这种程序存储方式的特点是，断电后 PLC的操作系统程序、用户应用程序和一些数据还保存在内部存储器（是非易失存储器）中，一旦恢复供电PLC就可以重新运行程序。

2）程序执行过程 一般的微型计算机程序在执行时，CPU根据当前程序指针的内容取出指令并执行指令，然后再取出下一条指令并执行，如此循环下去，直到遇到程序结束指令时才停止执行。而PLC采用循环扫描的方式工作，遇到程序结束指令后程序会自动重复执行，其典型的循环扫描周期如图1-2所示。可见PLC在一次上电初始化后，就会重复进行顺序扫描循环，这种循环由操作系统控制完成，是PLC自动化控制系统的基础。该循环扫描过程包含以下主要步骤。

（1）上电初始化：对堆栈指针、工作单元和编程接口进行初始化，并进行PLC工作状态的选择（主要是设置编程状态和运行状态），这部分工作由操作系统完成，并且只进行一次。

（2）循环扫描：这部分由系统程序扫描和用户程序扫描两部分构成，并在PLC运行状态下不断重复执行。

系统程序扫描阶段（CPU自诊断阶段）主要完成以下工作。

➢ 检查PLC硬件状态是否正常。

➢ 检查用户程序是否存在语法错误。

➢ 对监控定时器进行定期复位，监控定时器又称“看门狗”（Watch Dog Timer，WDT），是用于检测程序是否跑飞和是否进入死循环的一种方法。

➢与其他PLC和计算机等网络上的其他设备进行通信。

用户程序扫描阶段由输入扫描、用户程序执行、输出扫描及外部设备服务4部分组成，它们的功能分别如下。

➢ 输入扫描。在输入扫描阶段（又称输入信号采样阶段），PLC以扫描方式顺序读入所有输入模块的数据，即从连接到输入模块的传感器获取数据（该数据表示开关的接通或断开状态等），并将其保存到输入映像存储器中。输入映像存储器中的状态被刷新后，将一直保存到下一个扫描周期才会被重新刷新。在此阶段，用户程序执行、输出扫描及外部设备服务3部分处于禁止状态。

➢用户程序执行。在本阶段用户程序将被顺序执行一遍，在此过程中，CPU首先读取并解释每条指令，然后从输入映像存储器和输出映像存储器中读取输入和输出的状态，并在此基础上完成相应的算术、逻辑等运算，最后把处理结果存入相应的寄存器或输出到数据映像存储器中。

需要注意的是：用户程序检测到的输入状态只是输入状态最近的映像；用户程序运行结果只改变输出映像存储器中的内容，而且只有输出映像存储器中的内容才会真正传送到输出模块（有的系列PLC具有立即输出指令，实现立即更新输出或输入功能）。

➢ 输出扫描。将输出映像存储器中的数据输出到输出锁存寄存器中，输出锁存寄存器对应着物理输出口，这才是PLC的实际输出。

➢ 外部设备服务。在本阶段，PLC与外部设备（如打印机和编程器等）交换信息，还可以进行人机界面的实时信息交换。

5.PLC的分类

鉴于PLC在工业控制领域中的重要作用，有很多公司（如欧姆龙、西门子、三菱、施耐德、松下和LG等）从事PLC的设计生产，因此目前PLC产品种类繁多，且规格和性能也不尽相同。为便于系统的配置及使用，PLC可按3种方式分类，即按结构形式分类，按功能强弱分类和按控制规模分类。

1）按结构形式分类 可分为整体式、模块式（组合式）和叠装式3种。

（1）整体式：PLC的CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等部件组合成一个整体，不可拆卸。这种PLC结构紧凑，体积小，价格低，一般小型PLC采用这种结构。

（2）模块式：PLC由CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架等多个模块按照一定规则组合配置，各模块相对独立，可以拆卸，便于安装、扩展和维护。大、中型PLC一般采用模块式结构，如西门子公司的S7-300系列、S7-400系列PLC都采用这种结构形式。

（3）叠装式：将整体式和模块式的特点结合起来，将相互独立的CPU模块、电源模块、通信模块和一定数量的I/O单元集合在一个机壳内，各模块间通过电缆进行连接，并且各模块可以一层层地叠装。这种结构方式的PLC系统配置灵活，体积较小，安装方便，本书介绍的西门子公司S7-200CN系列PLC就采用这种结构形式。

2）按功能强弱分类 根据PLC功能的不同，可将PLC分为低档、中档和高档3类。低档PLC功能和结构都相对简单，仅具备基本的逻辑运算、定时、计数、自诊断和监控等功能，主要用于单机控制系统，可实现逻辑控制、顺序控制和少量的模拟量控制。中档PLC在低档PLC的基础上增强了模拟量I/O功能，同时具有通信网络、算术运算、数据传送等功能，甚至还具有中断控制和PID控制等复杂控制功能。高档PLC在中档PLC的基础上增强了算术运算功能（如可进行矩阵运算和有符号数运算），另外还支持显示、打印等人机交互功能，适合大规模过程控制。

3）按控制规模分类（按I/O点数分类）控制规模主要指PLC输入（用I表示）和输出（用O表示）的开关量的点数（或个数）和模拟量的路数，但主要按开关量个数计算，因此，通常将模拟量的路数按一路相当于8～16点折算成开关量的点数。

PLC按I/O点数可分为5类：

（1）微型机，I/O点数小于64点；

（2）小型机，I/O点数在256点以下；

（3）中型机，I/O点数在512～2 048点之间；

（4）大型机，I/O点数在2 048点以上；

（5）巨型机，I/O点数可达万点，甚至几万点。