可编程序控制器组成与原理
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现在，PLC已广泛应用于工业控制的各个领域，PLC技术、机器人 技术、CAD/CAM技术共同构成了工业自动化的三大支柱。在本书中， 将以应用较广泛的日本OMRON公司的C系列P型和H型PLC为背景
机，介绍PLC的原理和应用。
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第五页，编辑于星期日：二十三点 十三分。
3．可编程序控制器的发展趋势 由于工业生产对自动控制系统需求的多样性，PLC的发展方向
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第三页，编辑于星期日：二十三点 十三分。
这项新技术的使用，在工业界产生了巨大的影响。从此 可编程序控制器在世界各地迅速发展起来。1971年，日本从 美国引进了这项新技术，并很快研制成功了日本第一台可编 程序控制器。1973年～1974年，德国、法国也相继研制成功 了他们的可编程序控制器。我国从1974年开始研制，1977年 研制成功了以一位微处理器MC14500为核心的可编程序控制器，
其他
表6.1 PLC与计算机的比较
PLC
用于机械及过程自动化
计算机 科学计算、数据管理、工业控制
工业现场
计算机房、办公室、实验室
顺序扫描方式
中断处理方式
编程器和执行主机共两套计算机
没有专门的编程器
控制开关、传感器、编程器、通信接口、其他计算机等
键盘、磁带机、磁盘机、卡片机、通信接口
电磁开关、电动机、电磁阀、电磁继电器、报警显示器、灯、加热器等， 也可接CRT、打字机
1982年国际电工委员会在颁布可编程序控制器标准草案中所作的定义为： 可编程序控制器是一种专为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子系 统。它采用一种可编程序的存储器，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，通过数字或模拟式的输入/输出来控制各 种类型的机械设备或生产过程。可编程序控制器及其有关设备应按易于与工业 系统连成一个整体和具有扩充功能的原则进行设计。
（2）按结构形式分类。PLC按硬件的结构形式可分为整体式PLC 和组合式PLC。整体式PLC的CPU、存储器、I/O接口安装在同一机体内， 其结构紧凑、体积小、价格低，但灵活性较差。组合式PLC在硬件上 具有较高的灵活性，其模块可以像拼积木一样进行组合，构成不 同控制规模和功能的PLC，因此又被称为积木式PLC。
1．可编程序控制器的分类
PLC的种类很多，其功能、内存容量、控制规模、外形等方面差异
较大，因此PLC的分类标准也不统一，但仍可按其I/O点数、结构形式、
实现功能进行大致的分类。
（1） 按I/O点数分类。PLC按I/O的总点数分类可分为：小于256
点的为小型机，257~2 048点的为中型机，超过2 048点的为大型机。
PLC和计算机虽都具有中央处理单元、存储器、输入/输出 接口，都可以接CRT、打印机，都使用软件，但在许多方面仍存 在着较大差异，其差异见表6.1。
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比较项目 工作目的 工作环境 工作方式 表现形态 输入设备 输出设备 特殊措施 使用的软件
对操作 人员的要求
第6章 可编程序控制器的组成与原理
内容提要
➢ 可编程序控制器的定义、历史和发展趋势 ➢ 可编程序控制器的分类与特点
➢ 可编程序控制器的基本结构（中央处理单元、存 储器、输入/输出模块、电源模块、接口与外设）
➢ 可编程序控制器的工作原理（输入采样、程序执
行、输出处理）
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掉电保护等一般措施
汇编语言、BASIC语言、FORTRAN语言、 Pascal语言、C语言等通用语言 软件工作者、计算机工作者或有一定计算机 专业基础的工程技术人员
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6.2 可编程序控制器的基本结构
PLC采用典型的计算机结构，由中央处理单元、存储器、输入/输出 接口电路和其他一些电路组成。图6.1为结构示意图，图6.2为逻辑结构示
2．可编程序控制器的特点
PLC作为一种新型的控制装置与传统的继电器控制系统相比具有 时间响应快、控制精度高、可靠性好、控制程序可随工艺改变、易与 计算机连接、维修方便、体积小、重量轻和功耗低等诸多高品质与功 能。
PLC是在按钮开关、限位开关和其他传感器等发出的监 控输入信号作用下进行工作的。输入信号作用于用户程序便 产生输出信号，而这些输出信号可直接控制外部的控制系统， 如电动机、接触器、电磁阀、指示灯等。
有两个： 一是朝着小型、简易、价格低廉方向发展。单片机技术的发展，
促进了PLC向紧凑型发展，体积减小，价格降低，可靠性不断提高。这
种小型的PLC可以广泛取代继电器控制系统，应用于单机控制和小 型生产线的控制，如OMRON公司的C20、C20P、C28P、C40P、 C60P、C20H、C40H等。
二是朝着大型、高速、多功能方向发展。大型的PLC一般
为多微处理器系统，有较大的存储能力和功能强劲的输入/输出接口。 通过丰富的智能外设接口，可以实现流量、温度、压力、位置等闭环
控制；通过网络接口，可级连不同类型的PLC和计算机，从而组成 控制范围很大的局域网络，适用于大型的自动化控制系统。
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6.1.2 可编程序控制器的分类与特点
图6.3 三相异步电动机的起停电路
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不难看出，图6.5所示的梯形图与图6.3(b)所示的继电
器控制电路很相似。梯形图是PLC的编程语言。对于使用
者来说，在编制应用程序时，可不考虑PLC内部的复杂构成
和使用的计算机语言，而把PLC看成是内部具有许多“软继
电器”组成的控制器，用提供给使用者的近似于继电器控制线路
图的梯形图进行编程。这些“软继电器”的线圈、动合触点、动
Hale Waihona Puke 断触点分别用“─〇”、“”、“
” 来表示。梯形
图中触点在左边，与左侧垂直公共母线（左母线）相连，线圈在
最右边，接右侧垂直公共母线，右母线可以省略。
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图6.4 I/O连线图
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CPU的主要功能包括从存储器中读取指令，执行指令，准备下一条指令， 处理中断。
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图6.1 可编程序控制器结构示意图
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图6.2 可编程序控制器逻辑结构示意图
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6.2.2 存储器 存储器用来存放系统程序、用户程序、逻辑变量和一些 其他信息。系统程序是指控制和完成PLC各种功能的程序。
抗干扰措施、各种动态检测、停电保护、监控功能、更换I/O模块不会影响 主机工作、易维护的结构等
一般多用梯形图符号语言、操作系统等
一般不用学习专门语言、操作系统等
①机种多，I/O模块种类多，各种配件齐全，很容易构成系统 ②设计人员不用再去考虑软件问题，因此工程上的应用快、收益高 ③系统稳定可靠
CRT、打字机、穿孔机、磁带机、磁盘机
矩阵运算以及函数、表格、CRT显示、打印等功能。 一般来说，低档机多为小型PLC，采用整体结构；中档机可为大、
中、小型PLC，且中、小型PLC多为整体结构，大、中型PLC为组合 式结构。高档机多为大型PLC，采用组合式结构。目前，得到广泛应
用的多是中、低档机。
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第三代PLC，采用了高性能微处理器及位片式CPU，工作速 度大幅度提高，同时促使其向多功能和联网方向发展，并具有 较强的自诊断能力。
第四代PLC，不仅全面使用16位、32位微处理器作为CPU，内
存容量也更大。可以直接用于一些规模较大的复杂控制系统；编程语 言除了可使用传统的梯形图、流程图等外，还可使用高级语言；外设 也更多样化。
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6.3 可编程序控制器的基本工作过程
6.3.1 可编程序控制器应用举例
图6.3所示为三相异步 电动机的起停电路。若改 用欧姆龙C系列P型机实现
控制，按控制要求可设计
出图6.4所示的I/O连线图 和图6.5所示的梯形图以及
相应的指令程序（见指令表 6.2）。
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2．可编程序控制器的历史 20世纪60年代中期，美国通用汽车公司（GM）为适应生产工艺不断 更新的需要，提出了一种设想：把计算机的功能完善、通用灵活等 优点和继电器控制系统的简单易懂、操作方便、价格低廉等优点结 合起来。并由此提出了新型电气控制的10条招标要求，其中包括： 工作特性比继电器控制系统可靠；占位空间比继电器控制系统小； 价格上能与继电器控制系统竞争；必须易于编程；易于在现场变更 程序；便于使用、维护、维修；能直接推动电磁阀、电动机起动器 及与此相当的执行机构；能向中央数据处理系统直接传输数据等。 美国数字设备公司（DEC）根椐这一招标要求，于1969年研制成功了第 一台可编程序控制器PDP-14，并在汽车自动装配线上试用成功。
这些程序由PLC制造厂家用微机指令编写并固化在ROM中。用户 程序是指使用者根据工程现场的生产过程和工艺要求编写的控制程
序。用户程序由使用者输入到PLC的RAM中，允许修改，由用 户启动运行。
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6.2.3 输入/输出模块 输入/输出（I/O）模块是PLC与现场I/O设备或其他外部设备 之间的连接部件。PLC通过输入模块把工业现场的状态信息读入， 通过用户程序的运算与操作，把结果通过输出模块输出给执行 机构。 输出模块用于把用户程序的逻辑运算结果输出到PLC外部， 输出模块具有隔离PLC内部电路与外部执行元件的作用，同 时兼有功率放大作用。输出模块常用的形式有晶体管输出 （T型）、双向晶闸管输出（S型）和继电器输出（R型）。使用
并开始应用于工业生产控制。
从第一台PLC诞生至今，PLC大致经历了四次更新换代。 第一代PLC，多数用1位机开发，采用磁芯存储器存储，仅具
有逻辑控制、定时、计数功能。
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第二代PLC，使用了8位微处理器及半导体存储器，其产品逐 步系列化，功能也有所增强，已能实现数字运算、传送、比较等功 能。
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（3）按实现的功能分类。按照PLC所能实现的功能的不同，可 将PLC分为低档、中档和高档三类。低档机具有逻辑运算、定时、计
数、移位、自诊断、监控等基本功能和一定的算术运算、数据传送、 比较、通信和模拟量处理功能。中档机除具有低档机的功能以外，还 具有较强的算术运算、数据传送、比较、通信、子程序、中断处理和 回路控制功能。高档机则在中档机的基础之上加强了带符号数的运算、
时要注意：晶体管输出型模块只能带直流负载，双向晶闸管输出型模 块只能带交流负载，继电器输出型模块可带交/直流负载。
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6.2.4 电源模块 一般PLC采用AC 220V电源，也可用直流电源。交流电源 经整流和稳压向PLC各模块供电。欧姆龙C系列P型PLC使用 DC 24V工作电源。 6.2.5 其他接口及外设 其他接口包括外存储器接口、A/D转换接口、D/A转换接口、 远程通信接口、与计算机相连的接口、与CRT相连的接口等。 其他外设包括编程器、键盘、CRT等。
意图。
6.2.1 中央处理单元 中央处理单元（CPU）是PLC的核心部件，从图6.2可以看出，它控制 着所有部件的操作。CPU通过地址总线、数据总线和控制总线与存储单 元 、 输 入 输 出 （ I/O） 接 口 电 路 连 接 。 CPU 按 扫 描 方 式 工 作 ， 扫 描 从 0000地址存放的第一条用户程序开始，经过存储器中各功能程序，到用 户程序的最后一个地址，不停地周期性扫描，每扫描一次，用户程序就 执行一次。
6.1 可编程序控制器的基本概况
6.1.1 可编程序控制器的历史与发展 1．可编程序控制器的定义
可编程序控制器（Programmable Controller）简称为PC，但是由于 个人计算机（Personal Computer）也简称为PC，为了区别，同时由于早期
的可编程序控制器只是具有逻辑控制功能，因此人们仍习惯称可编程序控制器 为PLC（Programmable Logical Controller）。
机，介绍PLC的原理和应用。
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3．可编程序控制器的发展趋势 由于工业生产对自动控制系统需求的多样性，PLC的发展方向
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这项新技术的使用，在工业界产生了巨大的影响。从此 可编程序控制器在世界各地迅速发展起来。1971年，日本从 美国引进了这项新技术，并很快研制成功了日本第一台可编 程序控制器。1973年～1974年，德国、法国也相继研制成功 了他们的可编程序控制器。我国从1974年开始研制，1977年 研制成功了以一位微处理器MC14500为核心的可编程序控制器，
其他
表6.1 PLC与计算机的比较
PLC
用于机械及过程自动化
计算机 科学计算、数据管理、工业控制
工业现场
计算机房、办公室、实验室
顺序扫描方式
中断处理方式
编程器和执行主机共两套计算机
没有专门的编程器
控制开关、传感器、编程器、通信接口、其他计算机等
键盘、磁带机、磁盘机、卡片机、通信接口
电磁开关、电动机、电磁阀、电磁继电器、报警显示器、灯、加热器等， 也可接CRT、打字机
1982年国际电工委员会在颁布可编程序控制器标准草案中所作的定义为： 可编程序控制器是一种专为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子系 统。它采用一种可编程序的存储器，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，通过数字或模拟式的输入/输出来控制各 种类型的机械设备或生产过程。可编程序控制器及其有关设备应按易于与工业 系统连成一个整体和具有扩充功能的原则进行设计。
（2）按结构形式分类。PLC按硬件的结构形式可分为整体式PLC 和组合式PLC。整体式PLC的CPU、存储器、I/O接口安装在同一机体内， 其结构紧凑、体积小、价格低，但灵活性较差。组合式PLC在硬件上 具有较高的灵活性，其模块可以像拼积木一样进行组合，构成不 同控制规模和功能的PLC，因此又被称为积木式PLC。
1．可编程序控制器的分类
PLC的种类很多，其功能、内存容量、控制规模、外形等方面差异
较大，因此PLC的分类标准也不统一，但仍可按其I/O点数、结构形式、
实现功能进行大致的分类。
（1） 按I/O点数分类。PLC按I/O的总点数分类可分为：小于256
点的为小型机，257~2 048点的为中型机，超过2 048点的为大型机。
PLC和计算机虽都具有中央处理单元、存储器、输入/输出 接口，都可以接CRT、打印机，都使用软件，但在许多方面仍存 在着较大差异，其差异见表6.1。
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比较项目 工作目的 工作环境 工作方式 表现形态 输入设备 输出设备 特殊措施 使用的软件
对操作 人员的要求
第6章 可编程序控制器的组成与原理
内容提要
➢ 可编程序控制器的定义、历史和发展趋势 ➢ 可编程序控制器的分类与特点
➢ 可编程序控制器的基本结构（中央处理单元、存 储器、输入/输出模块、电源模块、接口与外设）
➢ 可编程序控制器的工作原理（输入采样、程序执
行、输出处理）
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掉电保护等一般措施
汇编语言、BASIC语言、FORTRAN语言、 Pascal语言、C语言等通用语言 软件工作者、计算机工作者或有一定计算机 专业基础的工程技术人员
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6.2 可编程序控制器的基本结构
PLC采用典型的计算机结构，由中央处理单元、存储器、输入/输出 接口电路和其他一些电路组成。图6.1为结构示意图，图6.2为逻辑结构示
2．可编程序控制器的特点
PLC作为一种新型的控制装置与传统的继电器控制系统相比具有 时间响应快、控制精度高、可靠性好、控制程序可随工艺改变、易与 计算机连接、维修方便、体积小、重量轻和功耗低等诸多高品质与功 能。
PLC是在按钮开关、限位开关和其他传感器等发出的监 控输入信号作用下进行工作的。输入信号作用于用户程序便 产生输出信号，而这些输出信号可直接控制外部的控制系统， 如电动机、接触器、电磁阀、指示灯等。
有两个： 一是朝着小型、简易、价格低廉方向发展。单片机技术的发展，
促进了PLC向紧凑型发展，体积减小，价格降低，可靠性不断提高。这
种小型的PLC可以广泛取代继电器控制系统，应用于单机控制和小 型生产线的控制，如OMRON公司的C20、C20P、C28P、C40P、 C60P、C20H、C40H等。
二是朝着大型、高速、多功能方向发展。大型的PLC一般
为多微处理器系统，有较大的存储能力和功能强劲的输入/输出接口。 通过丰富的智能外设接口，可以实现流量、温度、压力、位置等闭环
控制；通过网络接口，可级连不同类型的PLC和计算机，从而组成 控制范围很大的局域网络，适用于大型的自动化控制系统。
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6.1.2 可编程序控制器的分类与特点
图6.3 三相异步电动机的起停电路
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第十七页，编辑于星期日：二十三点 十三分。
不难看出，图6.5所示的梯形图与图6.3(b)所示的继电
器控制电路很相似。梯形图是PLC的编程语言。对于使用
者来说，在编制应用程序时，可不考虑PLC内部的复杂构成
和使用的计算机语言，而把PLC看成是内部具有许多“软继
电器”组成的控制器，用提供给使用者的近似于继电器控制线路
图的梯形图进行编程。这些“软继电器”的线圈、动合触点、动
Hale Waihona Puke 断触点分别用“─〇”、“”、“
” 来表示。梯形
图中触点在左边，与左侧垂直公共母线（左母线）相连，线圈在
最右边，接右侧垂直公共母线，右母线可以省略。
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第十八页，编辑于星期日：二十三点 十三分。
图6.4 I/O连线图
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第十九页，编辑于星期日：二十三点 十三分。
CPU的主要功能包括从存储器中读取指令，执行指令，准备下一条指令， 处理中断。
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第十一页，编辑于星期日：二十三点 十三分。
图6.1 可编程序控制器结构示意图
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第十二页，编辑于星期日：二十三点 十三分。
图6.2 可编程序控制器逻辑结构示意图
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第十三页，编辑于星期日：二十三点 十三分。
6.2.2 存储器 存储器用来存放系统程序、用户程序、逻辑变量和一些 其他信息。系统程序是指控制和完成PLC各种功能的程序。
抗干扰措施、各种动态检测、停电保护、监控功能、更换I/O模块不会影响 主机工作、易维护的结构等
一般多用梯形图符号语言、操作系统等
一般不用学习专门语言、操作系统等
①机种多，I/O模块种类多，各种配件齐全，很容易构成系统 ②设计人员不用再去考虑软件问题，因此工程上的应用快、收益高 ③系统稳定可靠
CRT、打字机、穿孔机、磁带机、磁盘机
矩阵运算以及函数、表格、CRT显示、打印等功能。 一般来说，低档机多为小型PLC，采用整体结构；中档机可为大、
中、小型PLC，且中、小型PLC多为整体结构，大、中型PLC为组合 式结构。高档机多为大型PLC，采用组合式结构。目前，得到广泛应
用的多是中、低档机。
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第三代PLC，采用了高性能微处理器及位片式CPU，工作速 度大幅度提高，同时促使其向多功能和联网方向发展，并具有 较强的自诊断能力。
第四代PLC，不仅全面使用16位、32位微处理器作为CPU，内
存容量也更大。可以直接用于一些规模较大的复杂控制系统；编程语 言除了可使用传统的梯形图、流程图等外，还可使用高级语言；外设 也更多样化。
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6.3 可编程序控制器的基本工作过程
6.3.1 可编程序控制器应用举例
图6.3所示为三相异步 电动机的起停电路。若改 用欧姆龙C系列P型机实现
控制，按控制要求可设计
出图6.4所示的I/O连线图 和图6.5所示的梯形图以及
相应的指令程序（见指令表 6.2）。
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2．可编程序控制器的历史 20世纪60年代中期，美国通用汽车公司（GM）为适应生产工艺不断 更新的需要，提出了一种设想：把计算机的功能完善、通用灵活等 优点和继电器控制系统的简单易懂、操作方便、价格低廉等优点结 合起来。并由此提出了新型电气控制的10条招标要求，其中包括： 工作特性比继电器控制系统可靠；占位空间比继电器控制系统小； 价格上能与继电器控制系统竞争；必须易于编程；易于在现场变更 程序；便于使用、维护、维修；能直接推动电磁阀、电动机起动器 及与此相当的执行机构；能向中央数据处理系统直接传输数据等。 美国数字设备公司（DEC）根椐这一招标要求，于1969年研制成功了第 一台可编程序控制器PDP-14，并在汽车自动装配线上试用成功。
这些程序由PLC制造厂家用微机指令编写并固化在ROM中。用户 程序是指使用者根据工程现场的生产过程和工艺要求编写的控制程
序。用户程序由使用者输入到PLC的RAM中，允许修改，由用 户启动运行。
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6.2.3 输入/输出模块 输入/输出（I/O）模块是PLC与现场I/O设备或其他外部设备 之间的连接部件。PLC通过输入模块把工业现场的状态信息读入， 通过用户程序的运算与操作，把结果通过输出模块输出给执行 机构。 输出模块用于把用户程序的逻辑运算结果输出到PLC外部， 输出模块具有隔离PLC内部电路与外部执行元件的作用，同 时兼有功率放大作用。输出模块常用的形式有晶体管输出 （T型）、双向晶闸管输出（S型）和继电器输出（R型）。使用
并开始应用于工业生产控制。
从第一台PLC诞生至今，PLC大致经历了四次更新换代。 第一代PLC，多数用1位机开发，采用磁芯存储器存储，仅具
有逻辑控制、定时、计数功能。
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第二代PLC，使用了8位微处理器及半导体存储器，其产品逐 步系列化，功能也有所增强，已能实现数字运算、传送、比较等功 能。
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（3）按实现的功能分类。按照PLC所能实现的功能的不同，可 将PLC分为低档、中档和高档三类。低档机具有逻辑运算、定时、计
数、移位、自诊断、监控等基本功能和一定的算术运算、数据传送、 比较、通信和模拟量处理功能。中档机除具有低档机的功能以外，还 具有较强的算术运算、数据传送、比较、通信、子程序、中断处理和 回路控制功能。高档机则在中档机的基础之上加强了带符号数的运算、
时要注意：晶体管输出型模块只能带直流负载，双向晶闸管输出型模 块只能带交流负载，继电器输出型模块可带交/直流负载。
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第十五页，编辑于星期日：二十三点 十三分。
6.2.4 电源模块 一般PLC采用AC 220V电源，也可用直流电源。交流电源 经整流和稳压向PLC各模块供电。欧姆龙C系列P型PLC使用 DC 24V工作电源。 6.2.5 其他接口及外设 其他接口包括外存储器接口、A/D转换接口、D/A转换接口、 远程通信接口、与计算机相连的接口、与CRT相连的接口等。 其他外设包括编程器、键盘、CRT等。
意图。
6.2.1 中央处理单元 中央处理单元（CPU）是PLC的核心部件，从图6.2可以看出，它控制 着所有部件的操作。CPU通过地址总线、数据总线和控制总线与存储单 元 、 输 入 输 出 （ I/O） 接 口 电 路 连 接 。 CPU 按 扫 描 方 式 工 作 ， 扫 描 从 0000地址存放的第一条用户程序开始，经过存储器中各功能程序，到用 户程序的最后一个地址，不停地周期性扫描，每扫描一次，用户程序就 执行一次。
6.1 可编程序控制器的基本概况
6.1.1 可编程序控制器的历史与发展 1．可编程序控制器的定义
可编程序控制器（Programmable Controller）简称为PC，但是由于 个人计算机（Personal Computer）也简称为PC，为了区别，同时由于早期
的可编程序控制器只是具有逻辑控制功能，因此人们仍习惯称可编程序控制器 为PLC（Programmable Logical Controller）。