当PLC运行时，CPU就要执行用户程序中的操作。但是CPU不可能同时执行多个操作，只能分时地一个操作一个操作地执行。PLC利用系统软件在其内部建立了输入输出映像区，当PLC的CPU执行用户程序时，从输入映像区中读取输入信号的状态，进行相应的操作。

当CPU执行完第一个操作后，将操作结果输出到输出映像区，然后再执行第二个操作，操作结果送到输出映像区。在程序执行过程中，PLC并不读取输入信号的真正状态，执行结果也并没有输出到PLC外部。只有当程序执行到结束指令(END)时，将输出映像区中执行结果向PLC外部输出一次，将输入信号的状态读取一次送到输入映像区。

对输入输出信号的这一操作过程称为I/O刷新。I/O刷新完成后，CPU再从用户程序的第一条指令开始，进行下一次程序执行。PLC的这种工作方式被称为扫描方式。

PLC的扫描周期包括上电后初始处理、共同处理、上位链接服务、外设服务、运算处理、I/O刷新。

在60年代，汽车生产流水线的自动控制系统基本上都是由继电器控制装置构成的。当时汽车的每一次改型都直接导致继电器控制装置的重新设计和安装。

随着生产的发展，汽车型号更新的周期愈来愈短，这样，继电器控制装置就需要经常地重新设计和安装，十分费时，费工，费料，甚至阻碍了更新周期的缩短。为了改变这一现状，美国通用汽车公司在1969年公开招标，要求用新的控制装置取代继电器控制装置，并提出了十项招标指标，即：

(1). 编程方便，现场可修改程序;

(2). 维修方便，采用模块化结构;

(3). 可靠性高于继电器控制装置;

(4). 体积小于继电器控制装置;

(5). 数据可直接送入管理计算机;

(6). 成本可与继电器控制装置竞争;

(7). 输入可以是交流115V;

(8). 输出为交流115V，2A以上，能直接驱动电磁阀，接触器等;

(9). 在扩展时，原系统只要很小变更;

(10). 用户程序存储器容量至少能扩展到4K。

1969年，美国数字设备公司(DEC)研制出第一台PLC，在美国通用汽车自动装配线上试用，获得了成功。这种新型的工业控制装置以其简单易懂，操作方便，可靠性高，通用灵活，体积小，使用寿命长等一系列优点，很快地在美国其他工业领域推广应用。

到1971年，已经成功地应用于食品，饮料，冶金，造纸等工业。这一新型工业控制装置的出现，也受到了世界其他国家的高度重视。1971日本从美国引进了这项新技术，很快研制出了日本第一台PLC。1973年，西欧国家也研制出它们的第一台PLC。我国从1974年开始研制。于1977年开始工业应用。

dcs和plc的设计原理区别较大，plc是由继电器控制原理发展起来的，它以存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和运算等操作的指令;并通过数字输入和输出操作，来控制各类机械或生产过程。用户编制的控制程序表达了生产过程的工艺要求，并事先存入plc的用户程序存储器中。

运行时按存储程序的内容逐条执行，以完成工艺流程要求的操作。plc的cpu内有指示程序步存储地址的程序计数器，在程序运行过程中，执行一步该计数器自动加1，程序从起始步(步序号为零)起依次执行到最终步(通常为end指令)，然后再返回起始步循环运算。

plc每完成一次循环操作所需的时间称为一个扫描周期。不同型号的plc，循环扫描周期在1微秒到几十微秒之间。程序计数器这样的循环操作，这是dcs所没有的。这也是使plc的冗余不如dcs的原因。dcs是在运算放大器的基础上得以发展的。把所有的函数和过程变量之间的关系都做成功能块(有的dcs系统称为膨化块)。

dcs和plc的表现的主要差别是在开关量的逻辑解算和模拟量的运算上，即使后来两者相互有些渗透，但是还是有区别。80年代以后，plc除逻辑运算外，控制回路用的算法功能已经大大加强，但 plc用梯形图编程，模拟量的运算在编程时不太直观，编程比较麻烦。但在解算逻辑方面，表现出快速的优点，在微秒量级，解算1k逻辑程序不到1毫秒。

它把所有的输入都当成开关量来处理，16位(也有32位的)为一个模拟量。而dcs把所有输入都当成模拟量，1位就是开关量。解算一个逻辑是在几百微秒至几毫秒量级。对于plc解算一个pid运算在几十毫秒，这与dcs的运算时间不相上下。

在接地电阻方面，对plc也许要求不高，但对dcs一定要在几欧姆以下(通常在4欧姆以下)。模拟量隔离也是非常重要的。

相同i/o点数的系统，用plc比用dcs，其成本要低一些(大约能省40%左右)。plc没有专用操作站，它用的软件和硬件都是通用的，所以维护成本比dcs要低很多。如果被控对象主要是设备连锁、回路相对很少，采用plc较为合适。如果主要是模拟量控制、并且函数运算很多，最好采用dcs。

dcs在控制器、i/o板、通讯网络等的冗余方面，一些高级运算、行业的特殊要求方面都要比plc好的多。plc由于采用通用监控软件，在设计企业的管理信息系统方面，要容易一些。

1.plc的定义

plc称为可编程序控制器，它是按照成熟而有效的继电器控制概念和设计思想，利用不断发展的新技术、新电子器件，逐步形成了具有特色的各种系列产品，是一种数字运算操作的专用电子计算机。它是将逻辑运算，顺序控制，时序和计数以及算术运算等控制程序，用一串指令的形式存放到存储器中，然后根据存储的控制内容，经过模拟，数字等输入输出部件，对生产设备和生产过程进行控制的装置。

plc的发展历程1969年dec公司按照gm(美国通用汽车公司)的要求研制了世界上第一台plc并且在gm公司得到成功的应用。此后公司使plc商品化。plc是专门设计出来用于同继电器产品竞争并逐步取代了传统的继电器。plc作为一种工业专用计算机，经历了以下几个发展的历程。

1969-1972为第一阶段，是plc的初期阶段，在该阶段的各厂家的plc差别很大、没有统一的硬件和软件标准、功能简单、专用性强，硬件主要以分离元件为主，体积较大、性能较差、可靠性不高。

1972-1980为第二阶段，在该阶段plc逐步演化为一种专用的工业计算机，可靠性大大提高，成本大幅度降低，面向过程的梯形图和语句表语言面世，系统逐步向标准化过渡，这些都为plc的普及奠定了基础。

1981-至今，iec正式发表了plc的标准，各厂家的plc都向规范化发展。梯形图、语句表、sfc语言已经成熟，同时还有和高级编程语言的接口，其存储能力、运算速度、对模拟量的处理功能已经大大加强，现在的大中型plc已经具有以前dcs所“特有”的经典pid算法、斜坡函数、自适应算法、模糊控制等算法。

2.plc特点和功能

(1)、plc的主要特点。plc的特点是：工作可靠、运行速度快、积木式结构、组合灵活、良好的兼容性、程序编制及生成简单、丰富、网络功能强。

(2)、plc的主要功能。plc系统能很好的完成工业实时顺序控制、条件控制、记数控制、步进控制等功能;能够完成模/数(a/d)、数/模(d/a)转换、数据处理、通讯联网、实时监控等功能。

多年的实践表明，plc耐用、可靠，是专为工厂设计的，具有根据工作环境要求加固的元件，实时扫描实践及故障诊断功能，故障排除简便，深得用户偏爱。

plc如此可靠的原因是一个可执行继电器逻辑、顺序功能图、功能块、结构文本、命令目录或其组合的实时核心或操作系统。若出现故障，其内置安全装置能保持机械受损，且能保持有序、有预见的顺序。

3. plc的发展趋势

有极快的逻辑运算和极强的逻辑控制、顺序控制能力，在离散控制中有无与伦比的可靠性，方便简单易学的编程方法，使其在以离散为主的工业自动化领域中有无可争议的领导地位。

全球工业计算机控制领域，围绕开放与再开放过程控制系统、开放式过程控制软件、开放性数据通信协议，已经发生巨大变革，几乎到处都有plc，但这种趋势也许不会继续发展下去。

随着软plc(softplc)控制组态软件技术的诞生与进一步完善和发展，安装有softplc组态软件和基于工业pc控制系统的市场份额正在逐步得到增长，这些事实使传统plc供应商在思想上已经发生了戏剧性的变化，他们必须面对现实，在传统plc的技术发展与提高方面做出更加开放的高姿态。

对于控制软件来讲，这是plc控制器的核心，plc供应商正在向工业用户提供开放式的编程组态工具软件，而且对于工业用户表现得非常积极。此外，开放式通信网络技术也得到了突破，其结果是将plc融入更加开放的工业控制行业。

过程控制和管理功能。随着plc、dcs和ipc(工业现场控制用计算机)之间的竞争逐步加强，各plc厂家正在逐步将传统dcs所特有的过程控制功能逐步移植到plc中，使其在过程控制领域能够与dcs进行竞争，这方面plc已经取得了很大的成果。

为了满足生产管理的需要,各plc厂家也在其软件开发上增加了管理软件，通过与其plc 的实时通讯采集现场数据并通过相应的软件完成生产管理所需要的管理功能。

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PLC的功能非常丰富。这主要与它具有丰富的处理信息的指令系统及存储信息的内部器件有关。它的指令多达几十条、几百条，可进行各式各样的逻辑问题的处理，还可进行各种类型数据的运算。凡普通计算机能做到的，它也都可以做到。

它的内部器件，即内存中的数据存储区，种类繁多，容量宏大。I/O继电器，可以用以存储入、出点信息的，少的几十、几百，多的可达几千、几万，以至10几万。这意味着它可进行这么多I/O点的入出信息变换，进行这么大规模的控制。

它的内部种种继电器，相当于中间继电器，数量更多。内存中一个位就可作为一个中间继电器，怎么不多!它的计数器、定时器也很多，是继电电路所望尘莫及的。小小的箱体或模块，其内部定时器、计数器可达成百、成千。这也是因为只要用内存中的一个字，再加一些标志位，即可成为定时器、计数器，所以才那么多。

而且，这些内部器件还可设置成丢电保持的，或丢电不保持的，即上电后予以清零的。以满足不同的使用要求。这些也是继电器件所难以做到的。

它的数据存储区还可用以存储大量数据，几百、几千、几万字的信息都可以存，而且，掉电后还不丢失。PLC还有丰富的外部设备，可建立友好的人机界面，以进行信息交换。可送入程序，送入数据，可读出程序，读出数据。而且读、写时可在图文并茂的画面上进行。数据读出后，可转储，可打印。数据送入可键入，可以读卡入，等等。

PLC还具有通讯接口，可与计算机链接或联网，与计算机交换信息。自身也可联网，以形成单机所不能有的更大的、地域更广的控制系统。

PLC还有强大的自检功能，可进行自诊断。其结果可自动记录。这为它的维修增加了透明度，提供了方便。丰富的功能为PLC的广泛应用提供了可能，同时，也为工业系统的自动化、远动化及其控制的智能化创造了条件。像PLC这样集丰富功能于一身，是别的电控制器所没有的;更是传统的继电控制电路所无法比拟的。

用PLC实现对系统的控制是非常可靠的。这是因为PLC在硬件与软件两个方面都采取了很多措施，确保它能可靠工作。事实上，如果PLC工作不可靠，就无法在工业环境下运用，也就不称其为PLC了。

1·在硬件方面：

PLC的输入输出电路与内部CPU是电隔离。其信息靠光耦器件或电磁器件传递。而且，CPU板还有抗电磁干扰的屏蔽措施。故可确保PLC程序的运行不受外界的电与磁干扰，能正常地工作。

PLC使用的元器件多为无触点的，而且为高度集成的，数量并不太多，也为其可靠工作提供了物质基础。

在机械结构设计与制造工艺上，为使PLC能安全可靠地工作，也采取了很多措施，可确保PLC耐振动、耐冲击。使用环境温度可高达摄氏50多度，有的PLC可高达80--90度。

有的PLC的模块可热备，一个主机工作，另一个主机也运转，但不参与控制，仅作备份。一旦工作主机出现故障，热备的可自动接替其工作。

还有更进一步冗余的，采用三取一的设计，CPU、I/O模块、电源模块都冗余或其中的部分冗余。三套同时工作，最终输出取决于三者中的多数决定的结果。这可使系统出故障的机率几乎为零，做到万无一失。当然，这样的系统成本是很高的，只用于特别重要的场合，如铁路车站的道叉控制系统。

2.在软件方面：

PLC的工作方式为扫描加中断，这既可保证它能有序地工作，避免继电控制系统常出现的'冒险竞争'，其控制结果总是确定的;而且又能应急处理急于处理的控制，保证了PLC对应急情况的及时响应，使PLC能可靠地工作。

为监控PLC运行程序是否正常，PLC系统都设置了'看门狗'(Watchingdog)监控程序。运行用户程序开始时，先清'看门狗'定时器，并开始计时。当用户程序一个循环运行完了，则查看定时器的计时值。若超时(一般不超过100ms)，则报警。严重超时，还可使PLC停止工作。用户可依报警信号采取相应的应急措施。定时器的计时值若不超时，则重复起始的过程，PLC将正常工作。显然，有了这个'看门狗'监控程序，可保证PLC用户程序的正常运行，可避免出现'死循环'而影响其工作的可靠性。

PLC还有很多防止及检测故障的指令，以产生各重要模块工作正常与否的提示信号。可通过编制相应的用户程序，对PLC的工作状况，以及PLC所控制的系统进行监控，以确保其可靠工作。

PLC每次上电后，还都要运行自检程序及对系统进行初始化。这是系统程序配置了的，用户可不干预。出现故障时有相应的出错信号提示。

正是PLC在软、硬件诸方面有强有力的可靠性措施，才确保了PLC具有可靠工作的特点。它的平均无故障时间可达几万小时以上，出了故障平均修复时间也很短，几小时以至于几分钟即可。

曾有人做过为什么要使用PLC的问卷调查。在回答中，多数用户把PLC工作可靠作为选用它的主要原因，即把PLC能可靠工作，作为它的首选指标。

1、PLC的安装

PLC适用于大多数工业现场，但它对使用场合、环境温度等还是有一定要求。控制PLC的工作环境，可以有效地提高它的工作效率和寿命。在安装PLC时，要避开下列场所：

(1)环境温度超过0 ~ 50℃的范围;

(2)相对湿度超过85%或者存在露水凝聚(由温度突变或其他因素所引起的);

(3)太阳光直接照射;

(4)有腐蚀和易燃的气体，例如氯化氢、硫化氢等;

(5)有打量铁屑及灰尘;

(6)频繁或连续的振动，振动频率为10 ~ 55Hz、幅度为0.5mm(峰-峰);

(7)超过10g(重力加速度)的冲击。

小型可编程控制器外壳的4个角上，均有安装孔。有两种安装方法，一是用螺钉固定，不同的单元有不同的安装尺寸;另一种是DIN(德国共和标准)轨道固定。DIN轨道配套使用的安装夹板，左右各一对。在轨道上，先装好左右夹板，装上PLC，然后拧紧螺钉。为了使控制系统工作可*，通常把可编程控制器安装在有保护外壳的控制柜中，以防止灰尘、油污、水溅。

为了保证可编程控制器在工作状态下其温度保持在规定环境温度范围内，安装机器应有足够的通风空间，基本单元和扩展单元之间要有30mm以上间隔。如果周围环境超过55C，要安装电风扇通风。

为了避免其他外围设备的电干扰，可编程控制器应尽可能远离高压电源线和高压设备，可编程控制器与高压设备和电源线之间应留出至少200mm的距离。

当可编程控制器垂直安装时，要严防导线头、铁屑等从通风窗掉入可编程控制器内部，造成印刷电路板短路，使其不能正常工作甚至永久损坏。

2、电源接线

PLC供电电源为50Hz、220V±10%的交流电。

FX系列可编程控制器有直流24V输出接线端。该接线端可为输入传感(如光电开关或接近开关)提供直流24V电源。

如果电源发生故障，中断时间少于10ms，PLC工作不受影响。若电源中断超过10ms或电源下降超过允许值，则PLC停止工作，所有的输出点均同时断开。当电源恢复时，若RUN输入接通，则操作自动进行。

对于电源线来的干扰，PLC本身具有足够的抵制能力。如果电源干扰特别严重，可以安装一个变比为1:1的隔离变压器，以减少设备与地之间的干扰。

3、接地

良好的接地是保证PLC可工作的重要条件，可以避免偶然发生的电压冲击危害。接地线与机器的接地端相接，基本单元接地。如果要用扩展单元，其接地点应与基本单元的接地点接在一起。

为了抑制加在电源及输入端、输出端的干扰，应给可编程控制器接上专用地线，接地点应与动力设备(如电机)的接地点分开。若达不到这种要求，也必须做到与其他设备公共接地，禁止与其他设备串联接地。接地点应尽可能*近PLC。

4、直流24V接线端

使用无源触点的输入器件时，PLC内部24V电源通过输入器件向输入端提供每点7mA的电流。

PLC上的24V接线端子，还可以向外部传感器(如接近开关或光电开关)提供电流。24V端子作传感器电源时，COM端子是直流24V地端。如果采用扩展船员，则应将基本单元和扩展单元的24V端连接起来。另外，任何外部电源不能接到这个端子。

如果发生过载现象，电压将自动跌落，该点输入对可编程控制器不起作用。

每种型号的PLC的输入点数量是有规定的。对每一个尚未使用的输入点，它不耗电，因此在这种情况下，24V电源端子向外供电流的能力可以增加。

5 输入接线

PLC一般接受行程开关、限位开关等输入的开关量信号。输入接线端子是PLC与外部传感器负载转换信号的端口。输入接线，一般指外部传感器与输入端口的接线。

输入器件可以是任何无源的触点或集电极开路的NPN管。输入器件接通时，输入端接通，输入线路闭合，同时输入指示的发光二极管亮。

输入端的一次电路与二次电路之间，采用光电耦合隔离。二次电路带RC滤波器，以防止由于输入触点抖动或从输入线路串入的电噪声引起PLC误动作。

若在输入触点电路串联二极管，在串联二极管上的电压应小于4V。若使用带发光二极管的舌簧开关，串联二极管的数目不能超过两只。

另外，输入接线还应特别注意以下几点：

(1)输入接线一般不要超过30m。但如果环境干扰较小，电压降不大时，输入接线可适当长些。

(2)输入、输出线不能用同一根电缆，输入、输出线要分开。

(3)可编程控制器所能接受的脉冲信号的宽度，应大于扫描周期的时间。

6 输出接线

(1)可编程控制器有继电器输出、晶闸管输出、晶体管输出3种形式。

(2)输出端接线分为独立输出和公共输出。当PLC的输出继电器或晶闸管动作时，同一号码的两个输出端接通。在不同组中，可采用不同类型和电压等级的输出电压。但在同一组中的输出只能用同一类型、同一电压等级的电源。

(3)由于PLC的输出元件被封装在印制电路板上，并且连接至端子板，若将连接输出元件的负载短路，将烧毁印制电路板，因此，应用熔丝保护输出元件。

(4)采用继电器输出时，承受的电感性负载大小影响到继电器的工作寿命，因此继电器工作寿命要求长。

(5)PLC的输出负载可能产生噪声干扰，因此要采取措施加以控制。

此外，对于能使用户造成伤害的危险负载，除了在控制程序中加以考虑之外，还应设计外部紧急停车电路，使得可编程控制器发生故障时，能将引起伤害的负载电源切断。

交流输出线和直流输出线不要用同一本电缆，输出线应尽量远离高压线和动力线，避免并行。