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基本原理

• 掃描工作方式：PLC 采用循環掃描的工作方式。當 PLC 投入運行后，其工作過程一般分為三個階段，即輸入采樣階段、用戶程序執行階段和輸出刷新階段。完成上述三個階段稱作一個掃描周期。在整個運行期間，PLC 的 CPU 以一定的掃描速度重復執行上述三個階段。
• 輸入采樣：在輸入采樣階段，PLC 以掃描方式依次地讀入所有輸入狀態和數據，并將它們存入 I/O 映象區中的相應的單元內。輸入采樣結束后，轉入用戶程序執行和輸出刷新階段。在這兩個階段中，即使輸入狀態和數據發生變化，I/O 映象區中的相應單元的狀態和數據也不會改變。因此，如果需要采集輸入信號，必須在輸入采樣階段進行。
• 程序執行：在用戶程序執行階段，PLC 總是按由上而下的順序依次地掃描用戶程序（梯形圖）。在掃描每一條梯形圖時，又總是先掃描梯形圖左邊的由各觸點構成的控制線路，并按先左后右、先上后下的順序對由觸點構成的控制線路進行邏輯運算，然后根據邏輯運算的結果，刷新該邏輯線圈在系統 RAM 存儲區中對應位的狀態；或者刷新該輸出線圈在 I/O 映象區中對應位的狀態；或者確定是否要執行該梯形圖所規定的特殊功能指令。
• 輸出刷新：當掃描用戶程序結束后，PLC 就進入輸出刷新階段。在此期間，CPU 按照 I/O 映象區內對應的狀態和數據刷新所有的輸出鎖存電路，再經輸出電路驅動相應的外設。這時，才是 PLC 的真正輸出。

硬件組成

• 處理單元（CPU）：是 PLC 的核心部分，它就像人的大腦一樣，負責整個 PLC 的運算、控制和協調工作。CPU 主要由控制器、運算器和寄存器組等組成。控制器用于控制 PLC 的各個部件協調工作，它從內存中讀取指令，經過譯碼后產生各種控制信號，以指揮運算器、存儲器和輸入輸出接口等部件完成相應的操作。運算器則用于對數據進行算術運算和邏輯運算，它在控制器的控制下，從內存中讀取數據，進行相應的運算后，再將結果寫回內存。寄存器組用于暫時存放運算過程中的數據、中間結果和地址等信息，它為運算器和控制器提供了快速的數據存儲和訪問功能。不同類型和規格的 PLC，其 CPU 的性能和功能也有所不同。一般來說，高性能的 CPU 具有更高的運算速度、更大的內存容量和更強的處理能力，能夠滿足更復雜的工業控制任務的需求。
• 存儲器：用于存儲程序和數據，是 PLC 的重要組成部分。根據存儲內容和功能的不同，PLC 的存儲器可分為系統程序存儲器、用戶程序存儲器和數據存儲器等。系統程序存儲器用于存放 PLC 的系統程序，系統程序是由 PLC 制造商編寫的，用于控制 PLC 的運行和管理其資源的程序。系統程序存儲器一般采用只讀存儲器（ROM）或可擦除可編程只讀存儲器（EPROM）等，這些存儲器的特點是存儲的信息在斷電后不會丟失，從而保證了 PLC 系統程序的穩定性和可靠性。用戶程序存儲器用于存放用戶根據實際控制任務編寫的應用程序，用戶程序是 PLC 實現特定控制功能的關鍵。用戶程序存儲器一般采用隨機存取存儲器（RAM）或電可擦除可編程只讀存儲器（EEPROM）等。采用 RAM 作為用戶程序存儲器的優點是讀寫速度快，便于用戶對程序進行調試和修改；缺點是存儲的信息在斷電后會丟失，因此需要配備電池等后備電源來保證在斷電情況下程序不丟失。采用 EEPROM 作為用戶程序存儲器的優點是存儲的信息在斷電后不會丟失，不需要配備后備電源，使用方便；缺點是讀寫速度相對較慢，且寫入次數有限，因此在程序調試和修改過程中可能會受到一定的限制。數據存儲器用于存放 PLC 運行過程中的各種數據，如輸入輸出信號的狀態、中間運算結果、定時器和計數器的當前值等。數據存儲器一般采用隨機存取存儲器（RAM），其特點是讀寫速度快，能夠滿足 PLC 對數據快速存儲和訪問的需求。
• 輸入輸出接口（I/O 接口）：是 PLC 與工業現場設備之間進行信息交換的橋梁。工業現場的各種信號，如按鈕、開關、傳感器等發出的信號，需要通過輸入接口轉換為 PLC 能夠識別和處理的數字信號；而 PLC 處理后的控制信號，如繼電器、接觸器、電磁閥等的驅動信號，需要通過輸出接口轉換為能夠驅動工業現場設備的模擬信號或數字信號。輸入接口一般由光電耦合器、輸入緩沖器和輸入地址譯碼器等組成。光電耦合器用于將工業現場的輸入信號與 PLC 內部的電路進行電氣隔離，以防止外部干擾信號進入 PLC 內部，影響其正常工作。輸入緩沖器用于暫時存放輸入信號，以便 PLC 能夠在合適的時間對其進行讀取和處理。輸入地址譯碼器用于對輸入信號的地址進行譯碼，以確定輸入信號在 PLC 內部的存儲位置。輸出接口一般由輸出鎖存器、輸出驅動電路和輸出地址譯碼器等組成。輸出鎖存器用于暫時存放 PLC 處理后的控制信號，以便在合適的時間將其輸出到工業現場設備。輸出驅動電路用于將輸出鎖存器輸出的控制信號進行功率放大，以提供足夠的驅動能力來驅動工業現場設備。輸出地址譯碼器用于對輸出信號的地址進行譯碼，以確定輸出信號在 PLC 內部的存儲位置。根據不同的應用需求，PLC 的輸入輸出接口可以分為數字量輸入輸出接口、模擬量輸入輸出接口和特殊功能輸入輸出接口等。數字量輸入輸出接口用于連接數字量信號的輸入輸出設備，如按鈕、開關、繼電器、接觸器等。模擬量輸入輸出接口用于連接模擬量信號的輸入輸出設備，如傳感器、變送器、調節閥等。特殊功能輸入輸出接口用于連接具有特殊功能的輸入輸出設備，如高速計數器、脈沖輸出模塊、通信模塊等。
• 電源模塊：為 PLC 的各個部件提供穩定的工作電源，是保證 PLC 正常運行的重要組成部分。PLC 的電源模塊一般采用開關電源，它具有體積小、重量輕、效率高、可靠性強等優點，能夠滿足 PLC 在不同工業環境下的工作需求。開關電源的工作原理是將輸入的交流電通過整流電路轉換為直流電，然后通過開關管的高頻開關動作，將直流電轉換為高頻脈沖電壓，再通過變壓器將高頻脈沖電壓轉換為所需的輸出電壓，后通過整流濾波電路將輸出的高頻脈沖電壓轉換為穩定的直流電輸出。為了保證 PLC 的穩定運行，電源模塊通常具有多種保護功能，如過流保護、過壓保護、欠壓保護、短路保護等。當電源模塊檢測到輸出電流或電壓超過設定值時，會自動采取保護措施，如切斷輸出電源或降低輸出電壓等，以防止電源模塊和 PLC 的其他部件受到損壞。此外，一些高端的 PLC 電源模塊還具有電源監控和診斷功能，能夠實時監測電源的工作狀態和性能指標，并將相關信息反饋給 PLC 的控制系統，以便操作人員及時了解電源的工作情況，發現并排除潛在的故障隱患，保證 PLC 的可靠運行。
• 通信接口：用于實現 PLC 與其他設備之間的通信，如與上位機（如工控機、計算機等）、其他 PLC、智能儀表、變頻器等設備之間的通信。通過通信接口，PLC 可以與其他設備進行數據交換、信息共享和協同控制，從而實現更復雜的工業自動化控制任務。PLC 的通信接口一般采用標準的通信協議和接口形式，常見的通信協議包括 RS - 232、RS - 485、Modbus、Profibus、Ethernet 等，常見的接口形式包括串行接口（如 RS - 232 接口、RS - 485 接口等）、并行接口、網絡接口（如 Ethernet 接口等）等。不同的通信協議和接口形式具有不同的特點和適用范圍，用戶可以根據實際應用需求選擇合適的通信協議和接口形式來實現 PLC 與其他設備之間的通信。例如，RS - 232 通信協議是一種常用的串行通信協議，它具有傳輸距離短（一般不超過 15 米）、傳輸速率低（一般不超過 20kbps）等特點，適用于近距離、低速的數據通信場合，如 PLC 與計算機之間的通信、PLC 與智能儀表之間的通信等。RS - 485 通信協議是一種改進的串行通信協議，它具有傳輸距離長（一般可達 1200 米）、傳輸速率高（一般可達 10Mbps）等特點，適用于遠距離、高速的數據通信場合，如多個 PLC 之間的通信、PLC 與變頻器之間的通信等。Modbus 通信協議是一種應用廣泛的工業標準通信協議，它具有開放性好、兼容性強、易于實現等特點，適用于不同廠家生產的 PLC、智能儀表、變頻器等設備之間的通信。Profibus 通信協議是一種用于工業自動化領域的現場總線通信協議，它具有傳輸速率高、實時性強、可靠性好等特點，適用于對實時性和可靠性要求較高的工業自動化控制場合，如工廠自動化生產線、過程控制系統等。Ethernet 通信協議是一種基于以太網技術的網絡通信協議，它具有傳輸速率高（一般可達 100Mbps 或 1000Mbps）、開放性好、兼容性強等特點，適用于對傳輸速率和開放性要求較高的工業自動化控制場合，如工業物聯網、遠程監控系統等。

編程語言

• 梯形圖（Ladder Diagram，LD）：是一種圖形化的編程語言，它沿用了傳統繼電器控制電路圖的形式，具有直觀、易懂的特點，非常適合電氣工程師和具有一定電氣知識的人員使用。在梯形圖中，每個邏輯行由左母線、觸點、線圈和右母線（部分 PLC 的梯形圖中右母線可省略）等組成。左母線代表電源的正極，右母線代表電源的負極（或省略）。觸點用于表示邏輯條件，它可以是常開觸點、常閉觸點或其他特殊類型的觸點。常開觸點在未被觸發時處于斷開狀態，當被觸發時處于閉合狀態；常閉觸點在未被觸發時處于閉合狀態，當被觸發時處于斷開狀態。線圈用于表示邏輯結果，它可以是繼電器線圈、定時器線圈、計數器線圈等。當線圈的邏輯條件滿足時，線圈得電，相應的動作被執行，如繼電器觸點的閉合或斷開、定時器的計時開始或停止、計數器的計數加 1 或減 1 等。梯形圖的編程規則一般遵循從上到下、從左到右的順序進行編寫。每個邏輯行中的觸點和線圈之間通過邏輯運算進行連接，常見的邏輯運算包括與（AND）、或（OR）、非（NOT）等。通過合理地組合觸點和線圈，并運用邏輯運算，可以實現各種復雜的控制邏輯。例如，要實現一個電機的啟停控制，可以使用一個常開按鈕作為啟動信號，一個常閉按鈕作為停止信號，一個繼電器線圈作為電機的控制輸出。將常開按鈕和常閉按鈕的觸點串聯后，再與繼電器線圈并聯，就可以實現電機的啟停控制邏輯。當按下啟動按鈕時，常開按鈕的觸點閉合，繼電器線圈得電，電機開始運行；當按下停止按鈕時，常閉按鈕的觸點斷開，繼電器線圈失電，電機停止運行。
• 指令表（Instruction List，IL）：是一種類似于匯編語言的文本化編程語言，它由一條條指令組成，每條指令由操作碼和操作數兩部分組成。操作碼用于表示指令的功能，如邏輯運算、數據傳輸、定時器和計數器控制等；操作數用于表示指令的操作對象，如寄存器、內存地址、常數等。指令表的編程方式相對較為靈活，它可以直接對 PLC 的內部寄存器和內存進行操作，能夠實現一些復雜的控制邏輯和算法。但是，指令表的編程方式相對較為抽象，它需要編程人員對 PLC 的內部結構和工作原理有較深入的了解，同時需要具備一定的編程經驗和技巧。因此，指令表一般適用于專業的 PLC 編程人員和對編程有較高要求的應用場合。例如，要實現一個簡單
  • 的邏輯運算，將兩個寄存器中的數據進行相加，并將結果存儲到另一個寄存器中，可以使用以下指令表進行編程：
  
  
  收起
  plaintext

  LD R1 ; 將寄存器R1中的數據加載到累加器中 ADD R2 ; 將寄存器R2中的數據與累加器中的數據相加，結果存儲在累加器中 ST R3 ; 將累加器中的數據存儲到寄存器R3中
  
  
  在上述指令表中，“LD” 表示加載指令，其操作數為寄存器 R1，表示將寄存器 R1 中的數據加載到累加器中；“ADD” 表示加法指令，其操作數為寄存器 R2，表示將寄存器 R2 中的數據與累加器中的數據相加，結果存儲在累加器中；“ST” 表示存儲指令，其操作數為寄存器 R3，表示將累加器中的數據存儲到寄存器 R3 中。通過上述指令表的編程，就可以實現將兩個寄存器中的數據進行相加，并將結果存儲到另一個寄存器中的邏輯運算。
  
  
  • 功能塊圖（Function Block Diagram，FBD）：是一種基于圖形化符號的編程語言，它采用了類似于數字電路邏輯圖的形式，通過將各種功能塊連接起來，實現對系統功能的描述和控制。在功能塊圖中，每個功能塊都代表一個特定的功能或操作，如邏輯運算、算術運算、數據處理、定時器和計數器控制等。每個功能塊都有輸入端口和輸出端口，輸入端口用于接收外部輸入信號或其他功能塊的輸出信號，輸出端口用于輸出功能塊的處理結果或控制信號。功能塊之間通過連線進行連接，連線表示信號的傳輸路徑，它將一個功能塊的輸出端口與另一個功能塊的輸入端口連接起來，從而實現功能塊之間的信號傳遞和數據處理。功能塊圖的編程方式具有直觀、易懂、形象的特點，它非常適合具有一定數字電路知識和系統設計經驗的人員使用。通過功能塊圖的編程方式，編程人員可以更加清晰地表達系統的功能和邏輯關系，同時也可以更加方便地對系統進行調試和維護。例如，要實現一個簡單的電機控制邏輯，當按下啟動按鈕時，電機開始運行；當按下停止按鈕時，電機停止運行。同時，當電機運行時，指示燈亮起；當電機停止時，指示燈熄滅。可以使用以下功能塊圖進行編程：
  
  
  
  
  
  

  +-----------------+ +-----------------+ +-----------------+ | Start |------>| AND1 |------>| Motor | | Button | | | | | +-----------------+ +-----------------+ +-----------------+ | Stop |------>| AND2 |------>| Indicator | | Button | | | | | +-----------------+ +-----------------+ +-----------------+ | Motor |------>| NOT1 |------>| AND2 | | Status | | | | | +-----------------+ +-----------------+ +-----------------+
  
  
  在上述功能塊圖中，“Start Button” 表示啟動按鈕功能塊，它的輸出信號連接到 “AND1” 功能塊的一個輸入端口；“Stop Button” 表示停止按鈕功能塊，它的輸出信號連接到 “AND2” 功能塊的一個輸入端口；“AND1” 功能塊表示邏輯與運算功能塊，它的兩個輸入端口分別連接 “Start Button” 功能塊的輸出信號和 “NOT1” 功能塊的輸出信號，它的輸出信號連接到 “Motor” 功能塊的輸入端口；“AND2” 功能塊表示邏輯與運算功能塊，它的兩個輸入端口分別連接 “Stop Button” 功能塊的輸出信號和 “NOT1” 功能塊的輸出信號，它的輸出信號連接到 “Indicator” 功能塊的輸入端口；“Motor” 功能塊表示電機控制功能塊，它的輸入端口連接 “AND1” 功能塊的輸出信號，它的輸出信號連接到 “NOT1” 功能塊的輸入端口；“Indicator” 功能塊表示指示燈控制功能塊，它的輸入端口連接 “AND2” 功能塊的輸出信號；“NOT1” 功能塊表示邏輯非運算功能塊，它的輸入端口連接 “Motor” 功能塊的輸出信號，它的輸出信號分別連接 “AND1” 功能塊和 “AND2” 功能塊的另一個輸入端口。通過上述功能塊圖的編程，就可以實現一個簡單的電機控制邏輯，當按下啟動按鈕時，電機開始運行；當按下停止按鈕時，電機停止運行。同時，當電機運行時，指示燈亮起；當電機停止時，指示燈熄滅。
  
  
  • 順序功能圖（Sequential Function Chart，SFC）：是一種描述控制系統順序控制過程的圖形化編程語言，它采用了狀態轉移圖的形式，將控制系統的工作過程分解為若干個順序相連的狀態，每個狀態都對應著一個特定的動作或任務，通過狀態之間的轉移來實現控制系統的順序控制。在順序功能圖中，主要由步、轉移、轉移條件和動作等元素組成。
    • 步：表示控制系統的一個特定狀態，它可以是初始狀態、中間狀態或結束狀態。每個步都有一個編號或名稱，用于標識該步在順序功能圖中的位置和作用。初始狀態是控制系統開始運行時所處的狀態，它通常用雙線框表示；中間狀態是控制系統在運行過程中經過的各個狀態，它們通常用單線框表示；結束狀態是控制系統完成預定任務后所處的狀態，它通常用與初始狀態相同的雙線框表示，但內部可以用文字或符號表示結束的原因或條件。
    • 轉移：表示從一個步到另一個步的轉換過程，它通常用有向線段表示，線段的起點表示當前步，線段的終點表示下一個步。轉移的發生需要滿足一定的條件，這個條件就是轉移條件。