一、PLC的产生及定义
20世纪60年代前，继电器控制在工业控制中一直占主导地位，但是，继电器控制系统依靠硬连线逻辑构成系统，接线复杂，故障率高，且对生产工艺变化的适应性差。1969年，美国数字公司（DEC）将计算机和继电器控制系统结合起来，设计出一种专为工业环境下应用的以微处理芯片为核心的新型工业控制装置，即可编程控制器。
1985年国际电工委员会（IEC）对可编程控制器做了如下定义：可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，是专为在工业环境下应用而设计的工业计算机。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、计数及运算等操作的指令，并通过数字式模拟式的输入和输出，控制各种类型机械的生产过程。
【信息提示】
表2.1.1 PLC与继电器控制装置的区别
【信息提示】
初期的PLC仅具备逻辑控制、定时、计数等功能，随着微电子技术和计算机技术应用到PLC中，使其不仅具有逻辑控制功能，还增加了运算数据、传送和处理等功能，成为具有计算机功能的可编程工业控制装置（Programmable Controller），简称PC。但有时为了与个人计算机（Personal Computer）区别，将其简称为PLC。
二、PLC的类型
（一）按I/O点数分类
表2.1.2 PLC按I/O点数分类表
（二）按结构形式分类
PLC按其结构形式可分为整体式和模块式（积木式）。
整体式又称为单元式或箱体式，即将PLC的所有部件（如CPU、I/O部件等）集中装在一个机箱内。整体式结构紧凑、体积小、价格低，一般中小型PLC均采用整体式。整体式PLC由基本单元和扩展单元组成，有的还配备有特殊功能单元，如位置控制单元等，使PLC的功能得以扩展。
模块式又称为积木式，由框架和各种模块（如CPU模块、I/O模块、电源模块和各种功能模块等）组成，模块插在插座上。整体式结构配置灵活、装配方便，便于扩展与维修，在大中型PLC中采用。
有的PLC将整体式和模块式结合起来，称为叠装式PLC。
图2.1.1 PLC的结构形式
（三）按功能分类
表2.1.3 PLC按功能分类表
三、PLC的硬件组成
PLC基本单元的硬件配置与一般的微型计算机装置类似，主要由中央处理单元（CPU）、存储器、输入单元、输出单元、电源、编程器或上位机等构成。PLC扩展单元内只有输入输出单元和电源。基本单元和扩展单元之间可用电缆连接。
图2.1.2 PLC基本单元硬件组成结构图
（一）中央处理单元（CPU）
中央处理单元是系统的控制中枢，其主要功能是接收并存储从编程器或上位机输入的用户程序和数据，检查电源、存储器、输入输出以及警戒定时器的状态，诊断用户程序的语法错误。
PLC常用的CPU主要采用通用微处理器、单片机或双极型位片式微处理器。在小型PLC中，大多采用8位微处理器和单片机；在中型PLC中，大多采用16位微处理器和单片机；在大型PLC中，大多采用高速位片机。
（二）存储器
PLC存储器分为三个区域，系统程序存储区、用户程序存储区和系统RAM存储区。
PLC系统程序存储区用于存放由PLC制造厂家编写并固化的系统程序，包括监控程序、功能子程序、管理程序、系统诊断程序等，用来控制PLC本身的运行，使PLC具有识别、判断和运算能力。
PLC用户程序存储区用于存放PLC的使用者根据工业现场的生产过程和工艺要求编写的用户程序。用户程序通过编程器或上位机输入。
PLC系统RAM存储区是I/O映像寄存器、逻辑线圈、计数器以及定时器等各类软设备的存储区。
（三）输入/输出单元（I/O单元）
I/O单元是PLC与现场的I/O设备或其他外设之间的连接部件。PLC通过输入单元把工业设备或生产过程的状态、信息读入主机，通过用户程序的运算与操作，把结果通过输出单元输出给执行机构。输入单元可对输入信号进行滤波、隔离和电平转换等处理。输出单元具有隔离PLC内部电路和外部执行元件的作用，还具有功率放大作用。
（四）电源
PLC的电源一般为单相交流电源或直流电源。交流供电的PLC机种，要求额定电压为AC100～240V，额定频率为50Hz，电压允许范围为AC85～264V，允许瞬间停电时间为10ms以下。用直流供电的PLC机种，要求输入信号电压为DC24V，输入信号电流为7mA。
（五）编程器或上位机
编程器或上位机的主要任务是输入用户程序、调试用户程序和监控用户程序的执行。小型PLC常用简易编程器，大中型PLC多用上位机或智能CRT编程器。
【信息提示】
随着PLC应用范围的扩大，各PLC生产厂家在提高主机性能的同时，还开发了各种专门用途的智能接口模块，以满足各种工业控制的要求。这些模块包括：高速计数模块、定位控制模块、PID模块、网络模块、中断控制模块、温度传感器输入模块、语言输出模块等。
智能接口模块是一个独立的计算机系统。从模块组成结构上看，它有自己的CPU、系统程序、存储器以及接口电路等。它与PLC基本单元的CPU通过系统总线相连接，进行数据交换，并在CPU模块的协调管理下独立地进行工作。
【信息提示】
PLC的工作过程是一个周期循环扫描的过程。当PLC开始运行时，CPU根据用户程序和系统监控程序的规定，以扫描方式通过输入单元采集现场各输入接点的状态和各种输入数据，并执行某种逻辑运算或数值运算，再通过输出单元更新各输出点的状态，从而控制各种执行机构，实现对生产过程的控制。
图2.1.3 PLC的工作过程
PLC循环扫描的工作过程一般包括五个阶段：
内部处理与自诊断、与外设进行通信处理、输入采样、用户程序执行、输出刷新。
1.内部初始化处理与自诊断：清除I/O映像寄存器中的内容，检测CPU及I/O单元状态；
2.与外设进行通信处理：完成各外设的通信连接，检测是否有中断请求；
3.输入采样：CPU顺序扫描各输入端子，读取其状态，并存入系统RAM存储区的输入映像寄存器。采样结束后，输入映像寄存器被锁存，当进入用户程序执行阶段后，无论输入端子的状态是否发生变化，输入映像寄存器中的内容保持不变，直到下一个扫描周期才能重新采样；
4.用户程序执行：CPU顺序逐条扫描用户梯形图程序，按先上后下、先左后右的顺序对由编程元素构成的控制线路进行逻辑运算，并把运算结果存入系统RAM存储区的输出映像寄存器中；
5.输出刷新：CPU将输出映像寄存器中的状态信息转存到输出锁存器中，刷新其内容，改变输出端子上的状态，然后通过输出驱动电路驱动被控外设（负载）。
PLC这种集中输入采样、集中输出刷新的工作方式虽然在一定程度上降低了系统的响应速度，但从根本上提高了系统的抗干扰能力，使系统的可靠性大大增强。(www.xing528.com)
四、PLC的编程语言
PLC为用户提供了多种编程语言，其中梯形图和语句表是使用最为普遍的两种。
（一）梯形图
梯形图是一种用逻辑运算关系表示的顺序控制电路图。它是在电气工程技术人员最为熟悉的继电器线路图的基础上演变而来的，是PLC主要的编程语言。
图2.1.4 PLC梯形图与继电器线路图比较
从图2.1.4中可以看出，PLC梯形图和继电器线路图的基本表示思想是一致的，但具体表达方法有所区别。继电器线路采用硬件逻辑并行运行方式，而PLC梯形图通过软件实现，方便且修改灵活。
梯形图编程语言有一定的格式，具体如下：
1.每个梯形图网络由多个梯级组成，每个输出元素构成一个梯级，每个梯级可由多个支路组成，每个支路可容纳多个编程元素。每个网络最多允许16条支路；每个支路最多可容纳11个编程元素。
梯形图网络←—梯级←—支路←—编程元素
2.梯形图的绘制遵循“从左向右，由上而下”原则，每一条支路左侧安排输入元素，最右边的必须是输出元素。
图2.1.5 PLC梯形图格式
3.输入元素不论是外部的按钮还是行程开关等，在图形符号上一律用“
”表示常开接点，用“
”表示常闭接点；输出元素的图形符号为“
”。并且每个编程元素都应标示其元件编号，各个PLC生产厂家规定的编程元素的图形符号和编号有所不同。
【信息提示】
梯形图中的编程元素不是真的“线圈”与“触点”，而是PLC内部系统RAM存储区中的一位存储单元，可以被程序无限次使用。
当写入该存储单元的逻辑状态为“1”时，表示其相对应的继电器线圈得电、动合触点闭合或动断触点断开；当写入该存储单元的逻辑状态为“0”时，表示其相对应的继电器线圈失电、动合触点断开或动断触点闭合。
（二）语句表（指令表）
语句表是一种与计算机的汇编语言类似的助记符编程方式。指令语句一般由操作码和操作数构成，操作码指定要执行的动作；操作数表明操作对象和数据。多条指令语句的组合构成了语句表，即用户程序。各个PLC生产厂家所用的助记符不完全相同。
表2.1.4 PLC语句表举例
【信息提示】
随着PLC系统结构的不断发展，PLC的功能不断增强，PLC的编程语言也越来越丰富，除了常用的梯形图、语句表之外，还有面向顺序控制的步进功能图、面向过程控制的流程图以及与计算机兼容的高级语言（如BASIC、C语言等）等。一般可以根据需要选用一种或两种进行编程，这些编程语言仅在表示形式上不同，实际上它们是可以相互转换的。多种编程语言的并存、互补与发展是PLC的发展趋势之一。
步进功能图，又称状态转移图，是一种描述顺序控制系统功能的图解表示法，由步（功能块）、转换条件和动作组成。把一个生产过程按照控制动作的先后分解成若干功能块，把这些功能块按先后顺序用箭头串联起来，并给出顺序步的转换条件，即可得到控制系统的步进功能图。
图2.1.6 PLC流程图表示方法举例
【信息提示】
1.PLC的特点
（1）可靠性强，抗干扰能力强。
PLC的平均无故障工作时间一般可达3万～5万小时，环境适应性强，能在工业环境下可靠工作。
（2）通用性强。
各个PLC生产厂家都有各种系列化产品、各种模块供用户选择。用户可以根据控制对象的规模和控制要求，选择合适的PLC产品，组成所需要的控制系统，且扩展方便、组合灵活，使设计、施工简化。
（3）编程简单，控制程序可变，具有很好的柔性。
PLC提供多种适合不同控制对象和不同使用人员的编程语言，尤其是梯形图语言，形象、直观，容易掌握。当生产流程需要改变时，可以现场修改程序，使用方便灵活，具有很好的柔性。
（4）安装维护方便。
PLC体积小，重量轻，结构紧凑，与被控制对象的硬件连接方式简单，接线少，便于安装。PLC具有自诊断、故障报警、故障类型显示等功能，便于操作和维修人员检查，可以通过更换模块插件，迅速排除故障，维护维修简单。
（5）功能强，适应面广。
现代PLC不仅具有逻辑运算、定时、计数、顺序控制等功能，还具有数字和模拟量的输入输出、功率驱动、通信、人机对话、自检和记录显示等功能，既可控制一台生产机械、一条生产线，又可控制一个生产过程。
2.PLC的应用及其发展趋势
PLC已广泛应用于冶金、石油、化工、建材、机械制造、电力、汽车、轻工、环保及文化娱乐等各行各业，其应用领域主要有：
（1）开关量逻辑控制。
PLC能够实现触点和电路的串、并联，代替继电器进行组合逻辑控制、定时控制与顺序逻辑控制。多应用于单台设备的控制，多机群控技术和自动化生产流水线，这是PLC最基本的应用。
（2）闭环过程控制。
PLC可通过模拟量I/O模块，实现模拟量和数字量之间的A/D转换与D/A转换，并对如温度、压力、流量、液位和速度等模拟量实行闭环PID控制。
（3）位置控制。
较高档次的PLC都有位置控制模块，用于控制步进电机或伺服电机，实现对各种机械的位置控制。
（4）监控系统。
用PLC可以构成监控系统，进行数据采集和处理，监控生产过程。
（5）分布控制系统。
通过联网将PLC之间、PLC与其他智能设备之间连接起来，构成“集中管理、分散控制”的分布式控制，形成工厂自动化（FA）网络系统。
PLC的发展日新月异，其发展趋势是：向高速度、大容量方向发展；向超大型、超小型两个方向发展；编程语言多样化；智能模块开发；加强联网通信能力；加强故障的检测与处理能力等等。
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