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基本原理

• 扫描工作方式：PLC 采用循环扫描的工作方式。当 PLC 投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样阶段、用户程序执行阶段和输出刷新阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC 的 CPU 以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。
• 输入采样：在输入采样阶段，PLC 以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入 I/O 映象区中的相应的单元内。输入采样结束后，转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 映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果需要采集输入信号，必须在输入采样阶段进行。
• 程序执行：在用户程序执行阶段，PLC 总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序（梯形图）。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统 RAM 存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在 I/O 映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。
• 输出刷新：当扫描用户程序结束后，PLC 就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU 按照 I/O 映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是 PLC 的真正输出。

硬件组成

• 处理单元（CPU）：是 PLC 的核心部分，它就像人的大脑一样，负责整个 PLC 的运算、控制和协调工作。CPU 主要由控制器、运算器和寄存器组等组成。控制器用于控制 PLC 的各个部件协调工作，它从内存中读取指令，经过译码后产生各种控制信号，以指挥运算器、存储器和输入输出接口等部件完成相应的操作。运算器则用于对数据进行算术运算和逻辑运算，它在控制器的控制下，从内存中读取数据，进行相应的运算后，再将结果写回内存。寄存器组用于暂时存放运算过程中的数据、中间结果和地址等信息，它为运算器和控制器提供了快速的数据存储和访问功能。不同类型和规格的 PLC，其 CPU 的性能和功能也有所不同。一般来说，高性能的 CPU 具有更高的运算速度、更大的内存容量和更强的处理能力，能够满足更复杂的工业控制任务的需求。
• 存储器：用于存储程序和数据，是 PLC 的重要组成部分。根据存储内容和功能的不同，PLC 的存储器可分为系统程序存储器、用户程序存储器和数据存储器等。系统程序存储器用于存放 PLC 的系统程序，系统程序是由 PLC 制造商编写的，用于控制 PLC 的运行和管理其资源的程序。系统程序存储器一般采用只读存储器（ROM）或可擦除可编程只读存储器（EPROM）等，这些存储器的特点是存储的信息在断电后不会丢失，从而保证了 PLC 系统程序的稳定性和可靠性。用户程序存储器用于存放用户根据实际控制任务编写的应用程序，用户程序是 PLC 实现特定控制功能的关键。用户程序存储器一般采用随机存取存储器（RAM）或电可擦除可编程只读存储器（EEPROM）等。采用 RAM 作为用户程序存储器的优点是读写速度快，便于用户对程序进行调试和修改；缺点是存储的信息在断电后会丢失，因此需要配备电池等后备电源来保证在断电情况下程序不丢失。采用 EEPROM 作为用户程序存储器的优点是存储的信息在断电后不会丢失，不需要配备后备电源，使用方便；缺点是读写速度相对较慢，且写入次数有限，因此在程序调试和修改过程中可能会受到一定的限制。数据存储器用于存放 PLC 运行过程中的各种数据，如输入输出信号的状态、中间运算结果、定时器和计数器的当前值等。数据存储器一般采用随机存取存储器（RAM），其特点是读写速度快，能够满足 PLC 对数据快速存储和访问的需求。
• 输入输出接口（I/O 接口）：是 PLC 与工业现场设备之间进行信息交换的桥梁。工业现场的各种信号，如按钮、开关、传感器等发出的信号，需要通过输入接口转换为 PLC 能够识别和处理的数字信号；而 PLC 处理后的控制信号，如继电器、接触器、电磁阀等的驱动信号，需要通过输出接口转换为能够驱动工业现场设备的模拟信号或数字信号。输入接口一般由光电耦合器、输入缓冲器和输入地址译码器等组成。光电耦合器用于将工业现场的输入信号与 PLC 内部的电路进行电气隔离，以防止外部干扰信号进入 PLC 内部，影响其正常工作。输入缓冲器用于暂时存放输入信号，以便 PLC 能够在合适的时间对其进行读取和处理。输入地址译码器用于对输入信号的地址进行译码，以确定输入信号在 PLC 内部的存储位置。输出接口一般由输出锁存器、输出驱动电路和输出地址译码器等组成。输出锁存器用于暂时存放 PLC 处理后的控制信号，以便在合适的时间将其输出到工业现场设备。输出驱动电路用于将输出锁存器输出的控制信号进行功率放大，以提供足够的驱动能力来驱动工业现场设备。输出地址译码器用于对输出信号的地址进行译码，以确定输出信号在 PLC 内部的存储位置。根据不同的应用需求，PLC 的输入输出接口可以分为数字量输入输出接口、模拟量输入输出接口和特殊功能输入输出接口等。数字量输入输出接口用于连接数字量信号的输入输出设备，如按钮、开关、继电器、接触器等。模拟量输入输出接口用于连接模拟量信号的输入输出设备，如传感器、变送器、调节阀等。特殊功能输入输出接口用于连接具有特殊功能的输入输出设备，如高速计数器、脉冲输出模块、通信模块等。
• 电源模块：为 PLC 的各个部件提供稳定的工作电源，是保证 PLC 正常运行的重要组成部分。PLC 的电源模块一般采用开关电源，它具有体积小、重量轻、效率高、可靠性强等优点，能够满足 PLC 在不同工业环境下的工作需求。开关电源的工作原理是将输入的交流电通过整流电路转换为直流电，然后通过开关管的高频开关动作，将直流电转换为高频脉冲电压，再通过变压器将高频脉冲电压转换为所需的输出电压，后通过整流滤波电路将输出的高频脉冲电压转换为稳定的直流电输出。为了保证 PLC 的稳定运行，电源模块通常具有多种保护功能，如过流保护、过压保护、欠压保护、短路保护等。当电源模块检测到输出电流或电压超过设定值时，会自动采取保护措施，如切断输出电源或降低输出电压等，以防止电源模块和 PLC 的其他部件受到损坏。此外，一些高端的 PLC 电源模块还具有电源监控和诊断功能，能够实时监测电源的工作状态和性能指标，并将相关信息反馈给 PLC 的控制系统，以便操作人员及时了解电源的工作情况，发现并排除潜在的故障隐患，保证 PLC 的可靠运行。
• 通信接口：用于实现 PLC 与其他设备之间的通信，如与上位机（如工控机、计算机等）、其他 PLC、智能仪表、变频器等设备之间的通信。通过通信接口，PLC 可以与其他设备进行数据交换、信息共享和协同控制，从而实现更复杂的工业自动化控制任务。PLC 的通信接口一般采用标准的通信协议和接口形式，常见的通信协议包括 RS - 232、RS - 485、Modbus、Profibus、Ethernet 等，常见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、网络接口（如 Ethernet 接口等）等。不同的通信协议和接口形式具有不同的特点和适用范围，用户可以根据实际应用需求选择合适的通信协议和接口形式来实现 PLC 与其他设备之间的通信。例如，RS - 232 通信协议是一种常用的串行通信协议，它具有传输距离短（一般不超过 15 米）、传输速率低（一般不超过 20kbps）等特点，适用于近距离、低速的数据通信场合，如 PLC 与计算机之间的通信、PLC 与智能仪表之间的通信等。RS - 485 通信协议是一种改进的串行通信协议，它具有传输距离长（一般可达 1200 米）、传输速率高（一般可达 10Mbps）等特点，适用于远距离、高速的数据通信场合，如多个 PLC 之间的通信、PLC 与变频器之间的通信等。Modbus 通信协议是一种应用广泛的工业标准通信协议，它具有开放性好、兼容性强、易于实现等特点，适用于不同厂家生产的 PLC、智能仪表、变频器等设备之间的通信。Profibus 通信协议是一种用于工业自动化领域的现场总线通信协议，它具有传输速率高、实时性强、可靠性好等特点，适用于对实时性和可靠性要求较高的工业自动化控制场合，如工厂自动化生产线、过程控制系统等。Ethernet 通信协议是一种基于以太网技术的网络通信协议，它具有传输速率高（一般可达 100Mbps 或 1000Mbps）、开放性好、兼容性强等特点，适用于对传输速率和开放性要求较高的工业自动化控制场合，如工业物联网、远程监控系统等。

编程语言

• 梯形图（Ladder Diagram，LD）：是一种图形化的编程语言，它沿用了传统继电器控制电路图的形式，具有直观、易懂的特点，非常适合电气工程师和具有一定电气知识的人员使用。在梯形图中，每个逻辑行由左母线、触点、线圈和右母线（部分 PLC 的梯形图中右母线可省略）等组成。左母线代表电源的正极，右母线代表电源的负极（或省略）。触点用于表示逻辑条件，它可以是常开触点、常闭触点或其他特殊类型的触点。常开触点在未被触发时处于断开状态，当被触发时处于闭合状态；常闭触点在未被触发时处于闭合状态，当被触发时处于断开状态。线圈用于表示逻辑结果，它可以是继电器线圈、定时器线圈、计数器线圈等。当线圈的逻辑条件满足时，线圈得电，相应的动作被执行，如继电器触点的闭合或断开、定时器的计时开始或停止、计数器的计数加 1 或减 1 等。梯形图的编程规则一般遵循从上到下、从左到右的顺序进行编写。每个逻辑行中的触点和线圈之间通过逻辑运算进行连接，常见的逻辑运算包括与（AND）、或（OR）、非（NOT）等。通过合理地组合触点和线圈，并运用逻辑运算，可以实现各种复杂的控制逻辑。例如，要实现一个电机的启停控制，可以使用一个常开按钮作为启动信号，一个常闭按钮作为停止信号，一个继电器线圈作为电机的控制输出。将常开按钮和常闭按钮的触点串联后，再与继电器线圈并联，就可以实现电机的启停控制逻辑。当按下启动按钮时，常开按钮的触点闭合，继电器线圈得电，电机开始运行；当按下停止按钮时，常闭按钮的触点断开，继电器线圈失电，电机停止运行。
• 指令表（Instruction List，IL）：是一种类似于汇编语言的文本化编程语言，它由一条条指令组成，每条指令由操作码和操作数两部分组成。操作码用于表示指令的功能，如逻辑运算、数据传输、定时器和计数器控制等；操作数用于表示指令的操作对象，如寄存器、内存地址、常数等。指令表的编程方式相对较为灵活，它可以直接对 PLC 的内部寄存器和内存进行操作，能够实现一些复杂的控制逻辑和算法。但是，指令表的编程方式相对较为抽象，它需要编程人员对 PLC 的内部结构和工作原理有较深入的了解，同时需要具备一定的编程经验和技巧。因此，指令表一般适用于专业的 PLC 编程人员和对编程有较高要求的应用场合。例如，要实现一个简单
  • 的逻辑运算，将两个寄存器中的数据进行相加，并将结果存储到另一个寄存器中，可以使用以下指令表进行编程：
  
  
  收起
  plaintext

  LD R1 ; 将寄存器R1中的数据加载到累加器中 ADD R2 ; 将寄存器R2中的数据与累加器中的数据相加，结果存储在累加器中 ST R3 ; 将累加器中的数据存储到寄存器R3中
  
  
  在上述指令表中，“LD” 表示加载指令，其操作数为寄存器 R1，表示将寄存器 R1 中的数据加载到累加器中；“ADD” 表示加法指令，其操作数为寄存器 R2，表示将寄存器 R2 中的数据与累加器中的数据相加，结果存储在累加器中；“ST” 表示存储指令，其操作数为寄存器 R3，表示将累加器中的数据存储到寄存器 R3 中。通过上述指令表的编程，就可以实现将两个寄存器中的数据进行相加，并将结果存储到另一个寄存器中的逻辑运算。
  
  
  • 功能块图（Function Block Diagram，FBD）：是一种基于图形化符号的编程语言，它采用了类似于数字电路逻辑图的形式，通过将各种功能块连接起来，实现对系统功能的描述和控制。在功能块图中，每个功能块都代表一个特定的功能或操作，如逻辑运算、算术运算、数据处理、定时器和计数器控制等。每个功能块都有输入端口和输出端口，输入端口用于接收外部输入信号或其他功能块的输出信号，输出端口用于输出功能块的处理结果或控制信号。功能块之间通过连线进行连接，连线表示信号的传输路径，它将一个功能块的输出端口与另一个功能块的输入端口连接起来，从而实现功能块之间的信号传递和数据处理。功能块图的编程方式具有直观、易懂、形象的特点，它非常适合具有一定数字电路知识和系统设计经验的人员使用。通过功能块图的编程方式，编程人员可以更加清晰地表达系统的功能和逻辑关系，同时也可以更加方便地对系统进行调试和维护。例如，要实现一个简单的电机控制逻辑，当按下启动按钮时，电机开始运行；当按下停止按钮时，电机停止运行。同时，当电机运行时，指示灯亮起；当电机停止时，指示灯熄灭。可以使用以下功能块图进行编程：
  
  
  
  
  
  

  +-----------------+ +-----------------+ +-----------------+ | Start |------>| AND1 |------>| Motor | | Button | | | | | +-----------------+ +-----------------+ +-----------------+ | Stop |------>| AND2 |------>| Indicator | | Button | | | | | +-----------------+ +-----------------+ +-----------------+ | Motor |------>| NOT1 |------>| AND2 | | Status | | | | | +-----------------+ +-----------------+ +-----------------+
  
  
  在上述功能块图中，“Start Button” 表示启动按钮功能块，它的输出信号连接到 “AND1” 功能块的一个输入端口；“Stop Button” 表示停止按钮功能块，它的输出信号连接到 “AND2” 功能块的一个输入端口；“AND1” 功能块表示逻辑与运算功能块，它的两个输入端口分别连接 “Start Button” 功能块的输出信号和 “NOT1” 功能块的输出信号，它的输出信号连接到 “Motor” 功能块的输入端口；“AND2” 功能块表示逻辑与运算功能块，它的两个输入端口分别连接 “Stop Button” 功能块的输出信号和 “NOT1” 功能块的输出信号，它的输出信号连接到 “Indicator” 功能块的输入端口；“Motor” 功能块表示电机控制功能块，它的输入端口连接 “AND1” 功能块的输出信号，它的输出信号连接到 “NOT1” 功能块的输入端口；“Indicator” 功能块表示指示灯控制功能块，它的输入端口连接 “AND2” 功能块的输出信号；“NOT1” 功能块表示逻辑非运算功能块，它的输入端口连接 “Motor” 功能块的输出信号，它的输出信号分别连接 “AND1” 功能块和 “AND2” 功能块的另一个输入端口。通过上述功能块图的编程，就可以实现一个简单的电机控制逻辑，当按下启动按钮时，电机开始运行；当按下停止按钮时，电机停止运行。同时，当电机运行时，指示灯亮起；当电机停止时，指示灯熄灭。
  
  
  • 顺序功能图（Sequential Function Chart，SFC）：是一种描述控制系统顺序控制过程的图形化编程语言，它采用了状态转移图的形式，将控制系统的工作过程分解为若干个顺序相连的状态，每个状态都对应着一个特定的动作或任务，通过状态之间的转移来实现控制系统的顺序控制。在顺序功能图中，主要由步、转移、转移条件和动作等元素组成。
    • 步：表示控制系统的一个特定状态，它可以是初始状态、中间状态或结束状态。每个步都有一个编号或名称，用于标识该步在顺序功能图中的位置和作用。初始状态是控制系统开始运行时所处的状态，它通常用双线框表示；中间状态是控制系统在运行过程中经过的各个状态，它们通常用单线框表示；结束状态是控制系统完成预定任务后所处的状态，它通常用与初始状态相同的双线框表示，但内部可以用文字或符号表示结束的原因或条件。
    • 转移：表示从一个步到另一个步的转换过程，它通常用有向线段表示，线段的起点表示当前步，线段的终点表示下一个步。转移的发生需要满足一定的条件，这个条件就是转移条件。