PLC系列硬件分类、选型和使用图解，适合初学者

可编程控制器是一种设计用于工业环境的数字计算操作系统电子系统。它采用可编程存储器存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算的操作指令，并通过数字和模拟输入和输出来控制各种类型的机械或设备。可编程控制器及其相关外围设备的设计应遵循易于与工业控制系统形成为一体、易于扩展其功能的原则。PLC产品种类繁多，规格不同，性能各异。PLC通常根据其结构形式、功能差异和I/O点数进行粗略分类。根据PLC的结构形式，PLC可分为整体式和模块化式两大类。根据PLC功能的不同，PLC可分为低端、中端和高端三类。根据PLC的I/O点数量，PLC可分为小型、中型和大型三类。

可编程控制器是一种设计用于工业环境的数字计算操作系统电子系统。 它采用可编程存储器存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算的操作指令，并通过数字和模拟输入和输出来控制各种类型的机械或设备。 生产过程。 可编程控制器及其相关外围设备的设计应遵循易于与工业控制系统形成为一体、易于扩展其功能的原则。

PLC的分类

PLC产品种类繁多，规格不同，性能各异。 PLC通常根据其结构形式、功能差异和I/O点数进行粗略分类。

1、按结构形式分类

根据PLC的结构形式，PLC可分为整体式和模块化式两大类。

(1) 集成PLC

集成PLC将电源、CPU、I/O接口等部件集成到一个机箱中，如图所示。 具有结构紧凑、体积小、价格低等特点。 小型PLC一般采用这种整体结构。 一体化PLC由具有不同I/O点的基本单元（又称主机）和扩展单元组成。 基本单元具有CPU、I/O接口、与I/O扩展单元连接的扩展端口以及与编程器或EPROM写入输入设备连接的接口等； 扩展单元只有I/O和电源，没有CPU。 基本单元和扩展单元一般采用扁平电缆连接。 集成PLC一般可配备特殊功能单元，如模拟量单元、位置控制单元等，以扩展其功能。

(2) 模块化PLC

模块化PLC将PLC的各个组成部分分成若干个独立的模块，如CPU模块、I/O模块、电源模块（有的包含在CPU模块中）和各种功能模块。 模块化PLC由框架或基板和各种模块组成。 模块安装在框架或底板的插座上，如图所示。 这种模块化PLC的特点是配置灵活，可以根据需要配备不同规模的系统。 它还易于组装、易于扩展和维护。 大中型PLC一般采用模块化结构。

还有一些PLC结合了整体式和模块化类型的特点，形成所谓的堆叠式PLC。 堆叠式PLC的CPU、电源、I/O接口等也是独立的模块，但它们之间通过电缆连接，各模块可以逐层堆叠。 这样，不仅可以灵活配置系统，而且可以使系统变得紧凑。

2、按功能分类

根据PLC功能的不同，PLC可分为低端、中端和高端三类。

(1)低端PLC

低端PLC具有逻辑运算、定时、计数、移位、自诊断、监控等基本功能。 它还可以具有少量的模拟量输入/输出、算术运算、数据传输和比较以及通信功能。 主要用于逻辑控制、顺序控制或少量模拟量控制的单机控制系统。

(2)中档PLC

中档PLC除了具有低端PLC的功能外，还具有强大的模拟量输入/输出、算术运算、数据传输与比较、数字转换、远程I/O、子程序和通讯联网功能； 有的还可以增加中断控制、PID控制等功能，适合复杂的控制系统。

(3)高端PLC

高端PLC除了具有中档PLC的功能外，还增加了有符号算术运算、矩阵运算、位逻辑运算、平方根运算等特殊功能功能、制表和表传送功能。 高端PLC具有更强的通讯和网络功能，可用于大规模过程控制或组成分布式网络控制系统，实现工厂自动化。

3. 按I/O点数分类

根据PLC的I/O点数量，PLC可分为小型、中型和大型三类。

(1)小型PLC

小型PLC的I/O点数小于256点，具有单CPU和8位或16位处理器，用户存储器容量小于4KB。 例如：三菱FX0S系列。

(2)中型PLC

中型PLC的I/O点数为256～2048点，双CPU，用户内存容量为2～8KB。

(3)大型PLC

大型PLC具有超过2048个I/O点，多个CPU和16位或32位处理器，用户存储器容量为8至16KB。

在世界范围内，PLC产品按地区可分为三大流派。 一类是美国产品，一类是欧洲产品，一类是日本产品。 美国和欧洲的PLC技术是相互隔离独立研发的，因此美国和欧洲的PLC产品存在明显的差异。 日本的PLC技术是从美国引进的，对美国PLC产品有一定的继承，但日本的主要产品定位于小型PLC。 美国和欧洲以大中型PLC着称，日本则以小型PLC着称。

常见的PLC如表所示。

PLC功能及应用领域

PLC是综合继电接触器控制的优点和计算机的灵活性、方便性而设计、制造和开发的。 这赋予了PLC许多其他控制器无法比拟的特性。

1、PLC的功能

PLC是以微处理器为核心，集计算机技术、自动控制技术和通信技术于一体的通用工业自动控制装置。 其可靠性高、体积小、功能强、编程简单、灵活、通用性强。 具有易于维护等一系列优点，广泛应用于冶金、能源、化工、交通、电力等领域，成为现代工业控制（PLC、机器人和CAD/CAM）的三大支柱之一。 ）。 根据PLC的特点，其功能形式可归纳为以下几种。

(1)开关逻辑控制

PLC具有强大的逻辑运算能力，可以实现各种简单和复杂的逻辑控制。 这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代了传统继电器接触器的控制。

(2)模拟量控制

PLC配有A/D和D/A转换模块。 A/D模块可以将现场的温度、压力、流量、速度等模拟量转换为数字量，然后由PLC中的微处理器处理（微处理器只能处理数字量），然后控制; 或者通过D/A模块将其转换为模拟量，然后对被控对象进行控制，从而使PLC能够对模拟量进行控制。

(3)过程控制

现代大中型PLC一般都配有PID控制模块，可以进行闭环过程控制。 当控制过程中某个变量出现偏差时，PLC可以根据PID算法计算出正确的输出，进而控制和调整生产过程，使变量保持在设定值。 目前，许多小型PLC也具有PID控制功能。

(4)定时计数控制

PLC具有较强的定时、计数功能。 它可以为用户提供数十个甚至数百个或数千个定时器和计数器。 定时时间和计数值可以由用户在编写用户程序时任意设定，也可以由操作人员在工业现场通过编程器设定，从而实现定时和计数控制。 如果用户需要对更高频率的信号进行计数，可以选择高速计数模块。

(5)顺序控制

在工业控制中，可以采用PLC步进指令编程或移位寄存器编程来实现顺序控制。

(6)数据处理

现代PLC不仅可以进行算术运算、数据传送、排序和查表操作，还可以进行数据比较、数据转换、数据通讯、数据显示和打印等，具有很强的数据处理能力。

(7) 通讯与网络

大多数现代PLC采用通信和网络技术，并具有RS-232或RS-485接口用于远程I/O控制。 多台PLC可以联网并相互通信，外部设备与一台或多台可编程控制器的信号处理单元之间可以实现程序传输、数据文件传输、监控和诊断等程序和数据交换。 通信接口或通信处理器根据标准硬件接口或专有通信协议完成程序和数据的传输。

2、PLC的应用领域

目前，PLC已广泛应用于国内外钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、纺织、交通、环保、文化娱乐等各个行业。 其用法大致可归纳为以下几类。

(1)开关量逻辑控制

这是PLC最基本、最广泛的应用领域。 它取代了传统的继电器电路，实现逻辑控制和顺序控制。 它可用于单台设备的控制，也可用于多机群控和自动化装配线，如注塑机。 、印刷机、装订机、组合机床、磨床、包装生产线及电镀线等。

(2)模拟量控制

在工业生产过程中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等，这些都是模拟量。 为了使PLC能够处理模拟量，必须实现模拟量与数字量之间的A/D转换和D/A转换。 PLC生产厂家均生产配套的A/D、D/A转换模块，使PLC能够用于模拟量控制。

(3)运动控制

PLC可用于控制圆周运动或直线运动。 在控制机构配置方面，早期直接采用开关I/O模块连接位置传感器和执行器。 现在普遍采用专用运动控制模块，可以驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。 。 全球各大PLC厂商的产品几乎都具有运动控制功能，广泛应用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。

(4)过程控制

过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制，广泛应用于冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合。 PLC作为工业控制计算机，可以对各种控制算法进行编程，完成闭环控制。 PID调节是一般闭环控制系统中常用的调节方法。 大中型PLC都有PID模块。 目前很多小型PLC也具有该功能模块。 PID处理通常运行专用的PID子程序。

(5)数据处理

现代PLC具有数学运算（包括矩阵运算、函数运算和逻辑运算）、数据传输、数据转换、排序、查表、位运算等功能，可以完成数据采集、分析和处理。 这些数据可以与内存中存储的参考值进行比较，完成某些控制操作； 它们还可以使用通信功能传输到其他智能设备，或者可以打印和制成表格。 数据处理一般应用于大型控制系统，如无人柔性制造系统； 也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品等行业的一些大型控制系统。

(6)通讯与网络

PLC通信包括PLC之间的通信以及PLC与其他智能设备之间的通信。 随着计算机控制的发展，工厂自动化网络得到迅速发展。 各PLC厂家都非常重视PLC的通讯功能，纷纷推出了自己的网络系统。 新生产的PLC都带有通讯接口，通讯非常方便。 他们纷纷推出了自己的网络系统。 新生产的PLC都带有通讯接口，通讯非常方便。

PLC基本结构及工作原理

PLC作为工业控制计算机，其结构与普通计算机类似； 但由于使用场合和目的不同，结构上也存在一些差异。

1、PLC的硬件组成

PLC硬件系统的基本结构如下

PLC的上位机由CPU、存储器（EPROM、RAM）、输入输出单元、外围I/O接口、通讯接口和电源等组成。 对于单片 PLC，这些组件都位于同一个机箱中。 对于模块化PLC来说，每个组件都是独立封装的，称为模块，每个模块通过机架和电缆连接在一起。 上位机中各部分通过电源总线、控制总线、地址总线和数据总线连接，并根据实际控制对象的需要配备一定的外部设备，形成不同的PLC控制系统。 常用的外部设备有编程器、打印机、EPROM烧写器等。PLC可配置通信模块，与上位机及其他PLC进行通信，构成PLC的集散控制系统。

下面介绍PLC的组成和功能，以便用户进一步了解PLC的控制原理和工作过程。

(1)CPU

CPU是PLC的控制中心。 PLC在CPU的控制下协调有序地工作，控制现场的各种设备。 CPU由微处理器和控制器组成，可以实现逻辑运算和数学运算，协调控制系统内各部分的工作。

控制器的作用是控制整个微处理器的各个部件有序地工作。 它的基本功能是从内存中读取指令并执行。

(2) 内存

PLC设有两种存储器，即系统存储器和用户存储器。 系统内存用于存储系统管理程序。 用户无法访问或修改这部分内存的内容。 用户存储器用于存储编译后的应用程序和工作数据状态。 存储工作数据状态的用户内存部分也称为数据存储区。 它包括输入/​​输出数据映像区、定时器/计数器预置数和当前值的数据区以及存储中间结果的缓冲区。

PLC的存储器主要有以下几种。

(1)只读存储器

(2) 可编程只读存储器

(3) 可擦除可编程只读存储器

(4)电可擦可编程只读存储器

(5)随机存取存储器

(3) 输入/输出(I/O)模块

①开关量输入模块

开关输入设备有各种开关、按钮、传感器等。PLC的输入类型通常可以是直流、交流和交直流。 输入电路的电源可以由外部提供，有的也可以由PLC内部提供。

②开关量输出模块

输出模块的作用是将CPU执行用户程序时输出的TTL电平控制信号转换成生产现场所需的可以驱动特定设备的信号，从而带动执行器动作。

(4)程序员

编程器是PLC的重要外部设备。 编程器可用于将用户程序送入PLC的用户程序存储器、调试程序、监视程序的执行过程。 程序员从结构上可以分为以下三种类型。

(1)简单编程器

(2)图形编程器

(3)通用计算机程序员

(5)电源

电源单元的作用是将外部电源（220V交流电源）转换成内部工作电压。 外接电源通过PLC内部专用的开关稳压电源将AC/DC电源转换成PLC内部电路所需的工作电源（直流5V、±12V、24V），并提供外部输入元件（如为接近开关）提供24V直流电源（仅供输入端子使用）。 驱动PLC负载的电源由用户提供。

(6) 外围接口

外围接口电路用于连接手持编程器或其他图形编程器、文本显示器，并可通过外围接口组成PLC控制网络。 PLC采用PC/PPI电缆或MPI卡通过RS-485接口与计算机连接，可实现编程、监控、联网等功能。

2.PLC的软件组成

PLC的软件由系统程序和用户程序组成。

系统程序由PLC生产厂家设计编写，存储在PLC的系统存储器中。 用户不能直接读取、写入或更改它。 系统程序一般包括系统诊断程序、输入处理程序、编译器、信息传输程序和监控程序。

PLC用户程序是用户根据控制要求，采用PLC编程语言编写的程序。 在PLC的应用中，最重要的是使用PLC编程语言编写用户程序来实现控制目的。 由于PLC是专门为工业控制而开发的设备，其主要用户是电气技术人员。 为了满足他们的传统习惯和掌握能力，PLC的主要编程语言采用了比计算机语言相对简单、易懂、形象的专用编程语言。 语言。

1、图形化指令结构

2. 显式变量常量

3. 简化的程序结构

4、简化应用软件生成流程

5、强化调试手段

PLC的基本工作原理

PLC扫描的工作方式主要分为三个阶段，即输入采样阶段、用户程序执行阶段和输出刷新阶段。 如图所示。

1. 输入采样阶段

在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次读取所有输入状态和数据，并将其存储在I/O映像区的相应单元中。 输入采样完成后，进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映像区中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，则脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，以保证在任何情况下都可以读取输入。

2、用户程序执行阶段

在用户程序执行阶段，PLC总是按照从上到下的顺序扫描用户程序（梯形图）。 扫描每个梯形图时，总是先扫描梯形图左侧的触点组成的控制电路，并按照先左后右、先上的顺序对由触点组成的控制电路进行逻辑运算，然后向下； 然后根据逻辑运算的结果，刷新系统RAM存储区中逻辑线圈对应位的状态，或者刷新I/O映像区中输出线圈对应位的状态，或者判断是否执行梯形图指定的指令。 特殊功能指令。 即用户程序执行过程中，只有I/O映像区中的输入点的状态和数据不会改变，而I/O映像区或系统中的其他输出点和软件设备的状态不会改变。 RAM存储区域不会改变。 并且数据可能会发生变化，上面列出的梯形图的程序执行结果将影响下面列出的任何使用这些线圈或数据的梯形图； 刷新后的逻辑线圈的状态或数据只能对其上面的梯形图生效，直到下一个扫描周期。

3.输出刷新阶段

当用户程序扫描完成后，PLC进入输出刷新阶段。 在此期间，CPU根据I/O映像区相应的状态和数据刷新所有输出锁存电路，然后通过输出电路驱动相应的外设。 此时，才是PLC真正的输出。

输入/输出迟滞

从PLC的工作过程可以总结出以下结论。

·当程序以扫描方式执行时，输入输出信号之间的逻辑关系原则上存在滞后。 扫描周期越长，滞后越大。

·扫描周期除了输入采样阶段、用户程序执行阶段、输出刷新阶段三个主要工作阶段所占用的时间外，还包括系统管理操作所占用的时间。 其中，程序执行时间与程序长度和指令操作的复杂程度有关，其他基本不变。 扫描周期一般在纳秒级。

·执行第n次扫描的程序时，输入数据以扫描值Yn为基础； 发送到输出端的信号n就是本次所有操作完成后的最终结果Yn。

·输入/输出响应滞后不仅与扫描方式有关，还与编程安排有关。

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