Transcript 第2章PLC软硬件组成及工作原理

第二章 PLC软、硬件组成及工作原理
2.1 PLC概述




2.1.1 PLC的定义
2.1.2 发展趋势
2.1.3 PLC与其他工业系统的比较
2.1.4 PLC的特点及应用领域
2.1.1 PLC的定义
 在PLC的发展历程中，有过几个不同的名称：
 可 编 程 序 矩 阵 控 制 器 PMC （ Programmable Matrix
Controller）
 可 编 程 序 顺 序 控 制 器 PSC （ Programmable Sequence
Controller）
 可编程序逻辑控制器PLC（Programmable Logic Controller）
 可编程序控制器PC（Programmable Controller）
 1969年美国数字设备公司（DEC）根据招标的要求，研制出
世界上第一台可编程序控制器，并在GM公司汽车生产线上
首次应用成功。
 1980年美国电气制造商协会（NEMA）正式将其命名为编程
序控制器（Programmable Controller），简称 PC。
2.1.2 PLC的定义
 1969年美国数字设备公司（DEC）根据招标的要求，研制出世
界上第一台可编程序控制器，并在GM公司汽车生产线上首次应
用成功。
 1980年美国电气制造商协会（NEMA）正式将其命名为编程序控
制器（Programmable Controller），简称 PC。
 国际电工委员会（IEC）于1982年11月、1985年1月、1987年2
月三次为PLC下定义，最终确定为：“可编程序控制器是一种
数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它
采用可编程序的存储器，用来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命令，并通过数字式
模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。有关
外围设备，都应按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩
充功能的原则而设计”。
2.1.2 PLC的产生与发展趋势
 1. PLC的产生与发展
 1968年，美国最大的汽车制造商通用汽车公司（GM），为了适应汽
车型号不断更新的需要，提出了十条技术指标在社会上公开招标，
制造一种新型的工业控制装置。这些功能是：
 （1）容易编程
 （2）维修方便，采用模块式结构
 （3）可靠性高于继电-接触器控制系统
 （4）体积小于继电-接触器控制系统
 （5）具备与计算机通信的功能
 （6）成本具有竞争性
 （7）输入输出电源使用市电（115V）
 （8）输出为115V/2A，驱动电磁阀和接触器
 （9）通用性强，能在恶劣环境下工作
 （10）存储设备可扩充至4K个存储字节
2.1.2 PLC的产生与发展趋势
 1. PLC的产生与发展
1969年美国研制出世界上第一台 PLC以后，日本、德
国、法国等国相继研制了各自的PLC。此阶段产品的主
要特点是CPU由中小规模的数字集成电路构成，存储器
为磁芯存储器；控制功能简单，只能完成定时、计数及
逻辑功能。为继电-接触器的替代品。
70年代中期，PLC进入了实用化阶段。70年代末和80年
代初，PLC进入了成熟阶段。主要特点：采用CPU微处理
器，存储器变为半导体存储器，具有数据处理能力，能
实现对模拟量的控制，软件上开发出了自诊断功能，可
靠性进一步提高。
2.1.2 PLC的产生与发展趋势
 80年代中期：CPU开始采用8位/16位微处理器，数据处
理能力和速度大大提高 ，PLC开始具备一定的通信能
力，为PLC的分散控制、集中管理奠定了重要基础；软
件开发出了面向对象的梯形图语言和逻辑助记符语言，
为PLC的普及使用提供了必要条件。
 80年代中期至90年代中期：超大规模集成电路促使PLC
完全计算机化，CPU开始使用32位机；数学运算、数据
处理能力大大提高，增加了运动控制、模拟量PID控制
网络通信功能，体积进一步减小，可靠性进一步加强。
 20世纪90年代中期至今：CPU使用16位/32位微处理器，
运算速度更快、功能更强能使用多种编程语言。
2.1.2 PLC的产生与发展趋势
 2. PLC的国内外发展状况及主要产品厂家
 美国PLC发展得最快：
 1984年有48家，生产150多种PLC；
 1987年有63家，生产243种PLC；
 1996年有70余家，生产近300种PLC。
 著名厂家有A—B（Allen－Bradley）艾伦一布拉德利公
司，MODICON莫迪康公司，GE－FSNUC公司，TI（Texas
Instrument）德州仪器公司，WESTHOUSE Electric西屋
电气公司，IPM（International Parallel Machines）
国际并行机器公司等。
2.1.2 PLC的产生与发展趋势
 欧洲PLC的厂家有60余家:
 西门子（Siemens）于1973年研制出第一台PLC。
 金钟默勒 （Klockner Moeller Gmbh），AEG，
 法国的TE(Telemecanique）(施耐德）
 瑞士的Selectron公司等。
 1971年，日本从美国引进PLC技术，由日立公司研制成功
日本第一台PLC。
 日本生产PLC的厂家有40余家：
 三 菱 电 机 (MITSUBISHI) ， 欧 姆 龙 (OMRON), 富 士 电 机
（Fuji Electric）,东芝（TOSHIBA）, 光洋（KOYO),松
下电工（MEW）,和泉（IDEC）, 安川等公司。
2.1.2 PLC的产生与发展趋势
 我国在70年代末和80年代初开始引进PLC。我国早期独立
研制PLC的单位有：
 北京机械工业自动化研究所，上海工业自动化仪表研究
所，大连组合机床研究所，成都机床电器研究所，中科
院北京计算机所及自动化所，长春一汽，上海起重电器
厂，上海香岛机电公司，以上诸单位都没有形成规模化
生产。
 合资企业有辽宁无线电二厂引进德国西门子技术生产PLC；
无锡电器和日本光洋合资生产的 PLC; 中美合资的厦门
A—B公司生产的PLC；上海香岛机电公司引进技术生产的
PLC; 上海OMRON公司; 西安Siemens公司等。
2.1.2 PLC的产生与发展趋势
 3. PLC的发展趋势
 PLC两个发展方向一是向小型化、微型化发展；二是向大
型化、网络化、多功能方向发展。主要体现：
 （1）向高速度、大存储容量方向发展（CPU处理速度ns级；
内存2M字节）
 （2）向多品种方向发展和提高可靠性(超大型和超小型）
 （3）产品更加规范化、标准化（硬件、软件兼容的PLC）
 （4）分散型、智能型、与现场总线兼容的I／0
 （5）加强联网和通信的能力
 （ 6 ） 控 制 的 开 放 和 模 块 化 的 体 系 结 构 OMAC （ open
Modular Architecture for Control）
2.1.2 PLC的产生与发展趋势
主要著名品牌：
 美国A－B公司（Allen－Bradley）
 德国西门子公司（Siemens）




法国的TE（Telemecanique）(施耐德）
日本欧姆公司（OMRON）
日本三菱电机株式会社（MITSUBISHI）
日本富士电机株式会社（Fuji Electric）
 日本东芝公司（TOSHIBA）
 日本的光洋电子（KOYO）和中国的华光电子(CKE）
 日 本 松 下 电 工 株 式 会 社 （ MEW ） ： （ Matsushita
Electric Works Ltd）
2.1.3 PLC与其他工业控制系统的比较
 1. 与继电-接触器控制系统的比较
 （1）灵活性和可扩展性。继电系统灵活性和可扩展性差，
继电器触点数目有限，PLC系统有软件和硬件构成，要改
变控制功能只需要修改控制软件即可，其软继电器触点理
论上可使用无数次，灵活性和可扩展性极佳。
 （2）可靠性和可维护性
 （3）控制速度和稳定性
 分别为ms级和s级
 （4）延时的可靠精度和可调性
 （5）设计与施工
 （6）系统价格
2.1.3 PLC与其他工业控制系统的比较
 可编程控制器与工业控制计算机（简称工业PC机）都是用来进行
工业控制，但二者相比仍有不同。
 （1）硬件方面
 工业PC机是由通用微型计算机推广应用发展起来的，通常由微型
计算机生产厂家开发生产，在硬件方面具有标准总线结构，各种
机型兼容性强。而PLC则是针对工业顺序控制，由电气控制厂家研
制发展起来的，其硬件结构专用，各个厂家产品不通用，标准化
程度较差。但是PLC的信号采集和控制输出的功率强，可不必再加
信号变换和功率驱动环节，而直接和现场的测量信号及执行机构
对接；在结构上，PLC采取整体密封模板组合形式；在工艺上，对
印刷版、插座、机架都有严密的处理；在电路上，又有一系列的
抗干扰措施。因此，PLC的可靠性更能满足工业现场环境的要求。
2.1.3 PLC与其他工业控制系统的比较
 （2）软件方面
 工业PC机可借用通用计算机丰富的软件资源，对算法复杂，
实时性强的控制任务能较好的适应。PLC在顺序控制的基
础上，增加了PID等控制算法，它的编程采用梯形图语言，
易于被熟悉电气控制线路而不太熟悉微机软件的工厂电气
技术人员所掌握，但是，一般微型计算机的通用软件还不
能直接在PLC上应用，还要经过二次开发。
 （3）使用环境
 （4）工作方式 PLC采用扫描方式工作，有利于实现顺序
控制；工业计算机采用中断方式处理外部信号请求。
 （6）PLC易于掌握，而工业计算机需要专门人员。
2.1.4 PLC的分类
 （1）按 I／O点数分类
 I／O点数小于32为微型PLC；
 I／O点数在32～128为微小型PLC；




I／O点数在128～256为小型PLC；
I／O点九在256～1024为中型PLC；
I／O点数大于1024为大型PLC；
I／O点数在4000以上为超大型PLC。
 以上划分不包括模拟量I／0点数，且划分界限不是固定不
变的。
 （2）按控制性能进行分类
 高档机S7-400、中档机S7-300和低档机S7-200
2.1.4 PLC的分类
 （3）按结构形式分类
 整体式PLC：又称单元式或箱体式。整体式PLC是将电
源、CPU、I／0部件都集中装在一个机箱内。一般小型
PLC采用这种结构。
 模块式PLC：将PLC各部分分成若干个单独的模块，如
CPU模块、I／0模块、电源模块和各种功能模块。模块
式PLC由框架和各种模块组成。模块插在插座上。一般
大、中型PLC采用模块式结构，有的小型PLC也采用这
种结构。
 有的PLC将整体式和模块式结合起来，称为叠装式PLC。
2.1.4 PLC的分类
 模块式
底 板
电源模块
CPU模块
Power in a Small Package!!
IO模块
2.1.5 PLC的特点及应用领域
 ① 可靠性高(平均无故障时间3--5万小时）
 硬件方面主要模块均采用大规模或超大规模集成电路，大
量开关动作由无触点的电子存储器完成，I/O系统设计有
完善的通道保护和信号调理电路；软件方面具有极强的自
检及保护功能。
 ② 编程简单
 可采用电气工程技术人员比较熟悉的梯形图语言，易学易
懂。
 ③ 通用性强
 ④ 体积小、结构紧凑、安装、维护方便
 ⑤ 重量轻、价格低
2.1.5 PLC的特点及应用领域
 主要是PLC的软、硬件体系结构是封闭而不是开放的：如
专用总线、专家通信网络及协议，I/O模板不通用，甚至
连机柜、电源模板亦各不相同。
 编程语言虽多数是梯形图，但组态、寻址、语言结构均
不一致，因此各公司的 PLC互不兼容。
 SIEMENS 等 公 司 已 经 开 发 出 以 个 人 计 算 机 为 基 础 ， 在
Windows平台下，结合IEC1131－3国际标准的新一代开放
体系结构的PLC。
 应用领域
 （1）开关量逻辑控制；（2）运动控制；（3）闭环过程
控制；（4）数据处理；（5）联网通信
2.1.5 PLC的特点及应用领域
 PLC的应用领域
 PLC在工业自动化中起着举足轻重的作用，在国内外已广
泛应 用于机械、冶金、石油、化工、轻工、纺织、电力、
电子、食品、交通等行业。经验表明，80 ％以上的工业
控制可以使用PLC来完成。
 在日本，凡8个以上中间继电器组成的控制系统都已采用
PLC来取代。
2.2 PLC的硬件组成
 本节主要内容包括：
 PLC的硬件组成和工作原理
 PLC的基本组成
 PLC的工作原理
 PLC控制系统主要有CPU模块、输入输出模块、电源模块
和外部设备组成。其结构图可由下图表示。
 小型PLC其各种部件都
是集成在一起的，只有
大中型的PLC其各部分
才会比较明显。
外部设备
接受现
场信号
输
入
接
口
部
件
中央处理单元
（CPU）模块
电源模块
输
出
接
口
部
件
驱动受
控元件
接触器线圈
电磁阀
指示灯
2.2.1 CPU模块
 CPU 模 块 主 要 由 微 处 理 器
（CPU）芯片和存储器组成。
它的功能是不断地采集输
入信号，执行用户程序，
刷新系统的输出。







微处理器
存储器
CPU单元
硬件类型：
（1）通用处理器：8086、80286、80386
（2）单片机芯片：8031、8096
（3）位片式微处理器：AMD-2900
小型PLC多采用8位微处理器或单片机作为CPU
中型PLC多采用16位微处理器或单片机作为CPU
大型PLC多采用高速位片式微处理器
2.2.1 CPU模块
与位片式微处理器相对应的
是单片式微处理器。位片式
微处理器通常只包含算术逻
辑单元 (ALU)、寄存器、多
路选择器和随机存储器等部
件（见图）。
2.2.1 CPU模块
位片式微处理器的运算操作和数据流程，由外部输入的微
指令码控制。当用位片式微处理器构成一个中央处理单元
时，除用一定数量的位片并行联接以扩大字长外，还要配
以控制微指令的微程序序列器和存放微指令的可编程序存
储器等电路。
这样的结构使位片式微处理器有了另一个很突出的特点：
用位片式微处理器构成的中央处理单元的指令系统不是事
先确定的，而是由使用者通过微程序自行编制的。位数可
扩展和指令系统可自行编制这两个特点，使位片式微处理
器具有很大的灵活性。
2.2.1 CPU模块
单片式微处理器采用MOS集成电路制成,而位片式微处理器
则采用双极型集成电路制成。
位片式微处理器的结构和工艺，使其具有高速的特点。但
是，它的集成度较低，成本高而且使用不便。
因此，位片式微处理器主要用于构成大型计算机的中央处
理单元和要求实现高速实时信号处理的各种专用处理器,
这一点正好补充了MOS单片微处理器的不足。
位片式微处理器要求速度高而功耗又为封装所限，因而低
功耗肖特基箝位抗饱和的晶体管-晶体管逻辑电路和发射
极耦合逻辑电路在位片式微处理器技术中占主导地位。
2.2.1 CPU模块




1.中央处理单元（CPU）：
作用：
接收与存储用户由编程器键入的用户程序和数据；
检查编程过程中的语法错误、诊断电源及PLC内部的工作
故障；
 用扫描方式工作，接收来自现场的输入信号，并输入到输
入映像寄存器和数据储存器中；
 在运行方式下，从存储器中逐条读取并执行用户程序，完
成用户程序所规定的逻辑运算、算术运算及数据处理；
 根据运算结果，更新有关标志位的状态，刷新输出映像寄
存器的内容，再经输出部件实现输出控制、打印制表或数
据通信。
2.2.1 CPU模块
 2. 存储器
 存储器的作用是存放系统程序、用户程序和工作状态数
据。系统程序相当于个人计算机的操作系统。
 RAM：存储各种暂存数据、中间结果、用户正调试的程
序。
 ROM：存放监控程序和用户已调试好的程序。
 E2PROM具有非易失性，可以用编程装置对其进行编程，用
来存放用户程序和数据。
 闪 存 （ FLASH ） 具 有 断 电 后 保 护 数 据 的 功 能 ， 作 用 同
E2PROM。
 PLC内存的大小常用RAM构成，为防止电源掉电使RAM
 中的信息丢失，常用锂电池做后备保护
2.2.2
输入/输出模块
 采用光电隔离，实现了PLC的内部电路与外部电路的电
气隔离，减小了电磁干扰。
 输入接口作用：将按钮、行程开关或传感器等产生的信
号，转换成数字信号送入主机。
 输出接口作用：将主机向外输出的信号转换成可以驱动
外部执行电路的信号，以便控制接触器线圈等电器通断
电；另外输出电路也使计算机与外部强电隔离。
 输出三种形式：
 继电器 -- 低速大功率
 可控硅 -- 高速大功率
 晶体管 -- 高速小功率
2.2.2
输入/输出模块
 1. 数字量输入模块——直流输入模块
光电耦合器
输入端子
S
3.3k
5V
内
部
电
路
470
1000PF
COM
滤波
直流电源
COM
发光二极管
2.2.2
输入/输出模块
 分析：
 R1（3.3KΩ）与C1（1000PF）组成RC低通滤波器，抑制输
入信号的高频干扰，R2（470Ω)是C1上的电荷泄放电阻，
当SB断开时，C1上的电荷通过R2泄放。
 采用光电耦合器，防止强电干扰。
S
3.3k
5V
R1
1000PF
C1
R2
内
部
电
路
470
COM
滤波
2.2.2
输入/输出模块
 1. 数字量输入模块——交流输入模块
 C为隔离电容，对于交流相当于短路，R1和R2构成分压电
路，该电路接受外部输入电压时，其工作原理基本与直流
输入模块类同。
S
R1
～
5V
内
部
电
路
R2
R3
COM
C
滤波
2.2.2
输入/输出模块
 2.数字量输出模块——直流输出模块
+5V
内
部
电
路
负载
R2
VL
R3
R1
COM
FU
 输出模块的作用是将内部电平信号转换为外部所需的电
平等级的输出信号，并传给外部负载。根据电源为直流
电可称为直流输出模块。
2.2.2
输入/输出模块
 2.数字量输出模块——交流晶闸管输出模块
负载
VLC
内
部
电
路
R2
~
VL
R1
COM
 采用双向光控晶闸管驱动的。工作原理是：当输出锁存
器的对应位为1时，发光二极管导通发光，使双向晶闸管
触发导通从而使负载得电。
2.2.2
输入/输出模块
 2.数字量输出模块——交直流继电器输出模块
负载
内
部
电
路
K
VL
VD
~
R
COM
 采用固体继电器驱动的。工作原理是：当输出锁存器的
对应位为1时，使线圈得电，常开触点吸合，使负载得
电。带负载能力较强，频率较低。
2.2.2
输入/输出模块
 3. 模拟量输入模块
 模拟量输入模块是把模拟信号转换成PLC的CPU可以处理的
数字量。又称A/D转换模块，一般模拟输入信号都为标准
的传感器信号。模拟量输入模块把模拟信号转换成数字，
一般为12位二进制数。
 4. 模拟量输出模块
 模拟量输出模块是把PLC的CPU要输出的数字量转换成外部
设备需要的模拟量（电压或电流），又称为D/A转换模
块。
 5. 扩展接口模块
 扩展接口模块的作用是扩大PLC的控制规模。
 6. 通信接口模块
2.2.3 电源模块
 把外部供应的电源（一般为单相85～260V、50/60HzAC电
源）变换成系统内部各单元所需的电源（5V和±15VDC电
源)。
 有的电源单元还向外提供24V隔离直流电源，可供开关量
输入单元连接的现场无源开关等使用。
 可编程序控制器的电源一般采用开关式电源，其特点是输
入电压范围宽、体积小、重量轻、效率高、抗干扰性能
好。
2.2.4
各种接口、高性能模块
 便于扩展
 小型机：一体机，有接口可扩展。
2.2.4
各种接口、高性能模块
 中、大型机：模块式，可根据需要在主板上随意组合。
电源模块
CPU模块
底 板
IO模块
2.2.4
各种接口、高性能模块
 编程设备可以是专用的手持
式的编程器；也可以是安装
了专门的编程通讯软件的个
人计算机。
 用户可以通过键盘输入和调
试程序；另外在运行时，还
可以对整个控制过程进行监
控。
 其他外围设备 显示器、操作
面板、打印机等。
PC
FP PROGRAMMER
ST
XWX
AN
YWY
OR
RWR
OT
LWL
NOT
DT/Ld
STK
IX/IY
TM
TSV
CT
CEV
(BIN)
K/H
C
D
E
F
SC
8
9
A
B
(-)
OP
4
5
6
7
SRC

0
1
2
3
READ

ENT
WRT
(HELP) ACLR (DELT)
CLR
CLR
FN/P
FL
2.2.5
PLC的配置
 1. PLC的基本配置
 根据PLC的结构类型，基本配置分为3种：
 （1）整体式结构——S7-200，各组成部分均紧凑的封
装在一个机壳内。
 （2）模块式结构——S7-300/400这种结构的PLC控制点
数比较多、功能比较强。各模块功能是独立的，外形尺
寸一致，安装时将这些框架或基板上即可。
 （3）混合式结构 混合式PLC由PLC主机和扩展模块组
成。其中PLC主机由CPU、存储器、通信电路、基本输入/
输出模块、电源等基本模块组成，相当于一个整体式的
PLC，可以单独完成控制功能。
2.2.5
PLC的配置
 2. PLC的扩展配置
 如果控制系统的输入/输出点数比较多，而控制规律又
不是很复杂，采用大型PLC成本上不经济，可以采用扩
展配置方式，即主机带扩展机的配置。
 （1）近程扩展配置—近程扩展机主要用于扩大控制规
模，在主机上使用模块，除CPU模块外，均可在扩展机
上使用。
 （2）当有部分现场信号比较集中，而又与其他现场信号
相距较远时，可采用远程扩展方式。远程扩展机主要用
于扩大控制距离。I/O模块和部分功能模块可在远程机上
使用，远程站上需要电源模块。
2.3
PLC的软件系统
 2.3.1 PLC的系统程序
 系统程序有PLC制造者采用汇编语言编写的，固化与ROM
型系统程序存储器中，用于控制PLC本身的运行，用户
不能更改。包括下述三部分：
 （1）系统管理程序——系统程序最重要的部分，整个
都由它主管：运行管理、存储空间管理、系统自检。
 （2）用户指令解释和编辑程序——解释程序将用户程
序编译成相应的一串机器码语言，然后通过CPU完成任
务，为提高解释速度，用户程序是以内码形式存放的。
 （3）标准程序模块和系统调用 这部分是由许多独立
的程序块组成的，各自完成不同的功能，如有些完成输
入、输出功能，有些完成运算功能等。
2.3
PLC的软件系统
 2.3.2 PLC的用户程序
 用户程序又称为应用程序，是用户为完成某一控制任务
而利用PLC的编程语言编制的程序。存储在系统程序指
定的存储区域内。
 与微机的编程一样，用户程序需要一个编程环境、一个
程序结构和一个编程方法。
 （1）用户环境——由系统程序生成，包括数据结构、
用户元件区、用户程序存储区、用户参数等。
 （2）用户程序结构
 线性程序、分块程序、结构化程序。
 （3）用户的编程语言
 梯形图、语句表、功能块图。
2.4
PLC的工作原理
 2.4.1 接线程序控制与存储程序控制
 继电-接触器控制系统是通过电器元件的固定接线来实
现控制逻辑，完成控制任务的。见下图，只有S1和S2两
个开关都闭合后，灯HL1才能亮；HL1亮2s后，HL2亮。
V1+
V1- V2+
V2-
K1
S1
S2
S3
K2
KT1
S3
HL1
K1
KT1
K1
HL2
K2
2.4
PLC的工作原理
 2.4.1 接线程序控制与存储程序控制
 在PLC控制系统中，用户根据控制要求编制出相应的控制
程序，并写入PLC的程序存储器中，控制系统运行时，PLC
依次读取程序存储器中的程序语句，对其内容进行解释并
加以执行，PLC将执行的结果输出给相应的设备。
I0.0
I0.1
I0.2
Q0.0
V2+ V2-
V1+ V1-
HL1
S1
Q0.0
I0.2
T1
#2s
T1
Q0.1
S2
S3
PLC
HL2
2.4
PLC的工作原理
 PLC控制系统的软继电器的解释
 （1）输入部分：外部输入信号由外部输入电路，PLC输
入接线端子和“输入继电器”组成。
 理解：外部输入信号经PLC接线端子去驱动输入继电器的
线圈，每个输入端子与其相同编号的输入继电器有唯一
确定的对应关系。
 当外部的输入元件处于接通状态时，对应的输入继电器
线圈得电，在程序中其常开触点闭合，常闭触点断开，
编程时应注意“输入线圈”只能由外部信号驱动，不能
在程序内部用指令来驱动，因此，在用户编程的梯形图
中，只能出现“输入继电器”的触点，而不应出现“输
入继电器”的线圈。
2.4
PLC的工作原理
 PLC控制系统的软继电器的解释
 实质：见输入模板图当外部输入信号的状态为“1”或
“0” 对应D触发器为“1”或“0”
 当外部输入信号是闭合回路时对应的D中为“1”，相当
于常开触点闭合（接通 ）
 当外部输入信号是断开回路时对应的D中为“0”，相当
于常开触点断开。
 故在梯形图中可取用无数次常开或常闭触点，即可以提
供任意多个动合或动断触点供PLC控制电路编程使用。
 结论：PLC中的输入继电器是“软继电器”，它本质上
是存储单元，用于存储单元可无限次的读取，所以有无
数对常开常闭触点供编程时使用。
2.4
PLC的工作原理
 （2）内部控制电路：由用户程序形成，即用软继电器代
替硬继电器的控制逻辑，由梯形图语言编制。梯形图由触
点、线圈或功能方框等构成，画梯形图时，从左母线开
始，经过触点、线圈（或功能方框）终止于右母线（s7200右母线省略）。读梯形图时，可把左母线看作是提供
能量的母线，触点闭合可以使能流流过，触点断开，阻止
能流流过，线圈代表逻辑输出的结果，实际上，并不存在
这种能流，只是为仿继电器的读法而已。
I0.0
I0.1
I0.2
Q0.0
V2+ V2-
V1+ V1-
I0.0
I0.1
Q0.0
I0.2
I0.2
Q0.0
HL1
S1
Q0.0
I0.2
T1
#2s
T1
Q0.1
S2
S3
PLC
T1
#2s
HL2
T1
Q0.1
2.4
PLC的工作原理
 （3）输出部分（以继电器输出型PLC为例）由在PLC内部且
与内部控制电路隔离的输出继电器的外部动合触点、输出
接线端子和外部驱动电路组成，用于驱动外部负载，输出
继电器线圈的通断状态只能在程序内部用指令驱动。PLC内
部控制电路中有许多输出继电器，每个输出继电器除了有
为内部控制电路提供编程用的任意多个动合 、动断触点
外，还为外部负载电路提供了一个实际的动合触点与外部
接线端子相连，驱动外部负载，负载电路必须由外部电源
提供。
 问题：
 1、梯形图中的常开、常闭触点是现场的物理开关触点吗？
 2、梯形图中的输出线圈是物理线圈吗？
2.4
PLC的工作原理
 PLC与继电器控制的比较：
 PLC的程序控制中，广泛应用梯形图，并使用简单的指令系统 将梯形图
变成PLC能接受的程序，由编程器键入PLC内部的用户存储器，为了便于
应用和推广，梯形图与继电器控制图有许多类似之处，同时，由于PLC
的结构、工作原理与继电器控制系统截然不同，故二者又存在许多差
异。
 相同之处：
 （1）电路结构形式基本相同；
 （2）梯形图大致沿用了继电器控制电路元件符号，仅个别处有些不
同；
 （3）信号输入/输出形式及控制的功能相同。
 不同之处：
 （1）组成器件不同：继电器控制线路是由许多真正的硬件继电器组
成，而梯形图则由许多“软继电器”组成，它们实质是存储器中的每一
个触发器，硬件继电器易磨损，而“软继电器”无磨损现象。
2.4
PLC的工作原理
 （2）工作方式不同：在继电器控制线路中，当电源接通时，线路
中各继电器都处于受制约状态，即该吸合的继电器都同时吸合，不
该吸合的继电器都因受某种条件限制不能吸合；在梯形图的控制线
路中,图中各软继电器都处于周期性循环扫描接通中，受同一条件
制约的各个继电器的动作次序由程序扫描顺序决定。
 （3）触点数量不同：硬继电器的触点数量有限，用于控制的继电
器的触点一般只有4～8对，而梯形图中每只软继电器供编程使用的
触点数量有无限对，因为存储器中的触发器状态（电平）可去用任
意次。
 （4）编程方式不同：在继电器控制线路中，为了达到某种控制目
的，要求安全可靠，节约触点使用量，因此设置了许多制约关系连
锁环节。在梯形图中，用于是扫描工作方式，不存在几个并列支路
同时动作的因素，大大简化了电路的设计。
2.4
PLC的工作原理
 PLC控制系统等效电路图
2.4
PLC的工作原理
 PLC的工作原理——建立I/O映像区
 I/O映象区的大小与系统控制的
规模有关。
 输入点总有输入映象区的某一位
与之相对应
 PLC工作时，将采集到的输入信号状态存放在输入映象区
对应的位上；将运算的结果存放到输出映象区对应的位
上。PLC在执行用户程序时所需“输入继电器”、“输出
继电器”的数据取用于I/O映象区，而不直接与外部设备
发生关系 。
2.4.2 PLC的循环扫描工作过程
初初初
清除内部继电器区，复位定时器等，并进行自诊
断，对电源、PLC内部电路、用户程序的语法进
行检查。
CPU初 初 初
定期检查用户程序存储器、I/O单元的连接、I/O
总线是否正常，定期复位监控定时器WDT
初初初初初初
PLC之间以及PLC与PC之间； PLC与其他带
微处理器的智能装置通信
初初初初初初初
编程器、终端设备、彩色图形显示器、打印机
初初初初初初
以扫描的方式按顺序逐句扫描处理，运算结果
存入输出映象区对应位中
初初初初初初初初
扫描的方式输入信号的状态存入输入映象区；
结果存入输出映象区，直至传送到外部被控设
备。
2.4.2 PLC的循环扫描工作过程
对用户编程者来说，没有必要了解PLC系统的动作过程，但对PLC在运
行状态执行用户指令的动作过程比了解。
可编程序控制器对用户程序进行循环扫描可分为三个阶段进
行，即输入采样阶段，程序执行阶段和输出刷新阶段。
初初初初初初
初初初初初初
输
入
端
子
初
初
初
初
初
初
初
初初初初初初
初初初初初初
初 初
初 初
初初初初初初
初
初
初
初
初
初
初
初
初
初
初
初
输
出
端
子
初初初初初初
输
出
2.4.2 PLC的循环扫描工作过程
 PLC的工作过程举例
输入采样阶段
启动
SB1
停止 SB2
FR
每个周期刷新一次
I0.0
I0.0
I0.0
I0.1
I0.1
与常开触点状态
保持一致
I0.2
CPU224
~
KM
Q
Q0.0
Q0.0
L+
随时刷新
输出刷
新阶段
Q0.0
I0.1
I0.2
Q0.0
2.4.2 PLC的循环扫描工作过程
 如果热继电器FR动作（其常闭触点断开）后需要手动复
位，可将FR的常闭触点与接触器的线圈串联，这样，可以
少用一个PLC的输入点，梯形图I0.0、I0.1、I0.2是输入
量，Q0.0是输出量，它们是梯形图的编程元件。
 I0.0与接在输入端子0.0的SB1常开触点相对应，I0.1与接
在输入端子0.1的SB2常开触点相对应，I0.2与接在输入端
子0.1的FR常开触点相对应，Q0.0与接在输出端子0.0的
PLC地输出电路和输出继电器Q的Q0.0相对应；
 梯形图是以指令的形式存储在PLC的用户存储器中，在输
入采样阶段，CPU将SB1、SB2的常开触点的ON/OFF状态读
入响应的输入映像寄存器Ｉ，当外部触点接通时，将
“１”送入Ｉ中，反之存入“０”。
2.4.2 PLC的循环扫描工作过程
 PLC举例分析（续）：
 执行第一条指令时，从Ｉ中的Ｉ0.0中取二进制数，并存
入堆栈的栈顶，执行第二条指令时，从Ｑ的Ｑ0.0中取出
二进制数并与栈顶中的二进制数相或，运算结果存入栈
顶，运算结束后，只保留运算结果，不保留参与运算的
数据。执行第三条指令时，因为是常闭触点，取Ｉ的Ｉ
０.１的二进制数后，将它取反后与前面的运算结果相
“与”，然后存入栈顶，执行第四条指令时，将栈顶中
的二进制数复制到Ｑ的Q0.0中；
 在输出刷新阶段，CPU将各Q中的二进制数送到输出模块
并锁存起来，若Q0.0的二进制数是1，外接的KM线圈将通
电，反之，将断开。
2.4.2 PLC的循环扫描工作过程
 输入、输出延迟响应
 ① 输入电路滤波时间，它由RC滤波电路的时间常数决
定。改变时间常数可调整输入延迟时间。
 ② 输出电路的滞后时间，它与输出电路的输出方式有
关。继电器输出方式的滞后时间为10ms左右；双向晶闸
管输出方式，在接通负载时滞后时间约为1ms，切断负载
时滞后时间小于10ms；晶体管输出方式的滞后时间小于
1ms。
 ③ PLC循环扫描的工作方式
 ④ PLC对输入采样、输出刷新的集中处理方式
 ⑤ 用户程序中语句的安排
输入输出延迟时间——最短响应时间
输入/输出
刷新时间
输出刷新
CPU读输入
最短响应时间=输入延迟时间+一个扫描周期+输出延迟时间
输入输出延迟时间——最长响应时间
输入/输出
刷新时间
CPU读输入
最长响应时间=输入延迟时间+两个扫描时间+输出延迟时间
输入输出延迟时间——最长响应时间
输入端子I0.2
输入采样
Q0.0
输入映象寄存器I0.2
M2.0
输出映象寄存器Q0.0
I0.2
Q0.0
Q0.0
M2.1
程
序
执
行
输出端子Q0.0
位存储器M2.0
位存储器M2.1
输出刷新
输
入
采
样
程
序
执
行
输
出
刷
新
第1周期
输
入
采
样
程
序
执
行
输
出
刷
新
第2周期
输
入
采
样
程
序
执
行
输
出
刷
新
第3周期
2.5 PLC的循环扫描工作过程
2.5 PLC的主要性能指标
 PLC的技术指标有很多种，主要可以从以下几个方面衡量
一个产品的技术性能。
 1.输入/输出（I/O）点数
 2.存储器容量
 3.扫描速度




4.指令种类和条数
5.特殊I/O单元
6.支持软件
7.联网能力和网络通信能力
 8.适应环境能力
小结
 PLC作为一种工作控制标准设备，尽管厂家和种类繁多，
但是他们都具有相同的工作原理 ，使用方法也大同小
异。
 1.PLC是计算机技术与继电-接触器控制技术相结合的产
物。它为工业环境下的应用而设计，可靠性高、使用方
便。
 2.PLC的功能不断增强，使PLC的应用领域不断扩大，使
用方式也更加丰富。
 3.PLC的组成主要有CPU模块、I/O模块、电源模块和外部
设备等，按集中采样、集中输出、按周期循环扫描方式
工作。