Transcript 第1章PLC的基本工作原理

PLC应用技术
学习内容
● PLC的产生与发展
● PLC的组成及基本工作原理
● PLC的性能、特点及分类
● PLC的应用领域
第1章 PLC基本工作原理
PLC应用技术
学习目标：
●了解PLC的产生原因
●了解PLC的发展过程
●掌握PLC的组成
●掌握PLC的基本工作原理
●理解PLC的性能
●理解PLC的特点
●理解PLC的分类
●理解PLC的控制功能
第1章 PLC基本工作原理
PLC应用技术
1.1 PLC的产生和发展
什么时
间？谁提出
要造PLC？
第1章 PLC基本工作原理
二十世纪六十年代末期，美
国汽车制造工业竞争十分激烈，
为了适应市场从少品种大批量生
产向多品种小批量生产的转变，
为了尽可能减少转变过程中控制
系统的设计制造时间，减少经济
成本，1968年美国通用汽车公司
GM（GenerlMotors）公开招标，
要求用新的控制装置取代生产线
上的继电接触器控制系统。
PLC应用技术
1.1 PLC的产生和发展
1969年美国数字设备公
司DEC（DIGTAL）根据上述
要求，首先研制出了世界上
第一台可编程控制器PDP-14，
用于通用汽车公司的生产线，
取得了满意的效果。
什么时间？谁
最先造出世界上的
第一台PLC？
第1章 PLC基本工作原理
PLC应用技术
~~
继电接触器电动机正反转控制线路
Q
FU
FR
SB3
KM2 KM1
SB1
KM2
KM1
KM1
FR
SB2
M
3~
第1章 PLC基本工作原理
KM2
KM1 KM2
PLC应用技术
~~
PLC电动机正反转控制线路
Q
FU
SB1 SB2 SB3
M+
KM1
0V
M1 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4…
S7-200CPU
KM2
L N
COM0
0.0 0.1 0.2 0.3…
FR
KM2 KM1
M
3~
第1章 PLC基本工作原理
KM1 KM2
PLC应用技术
PLC电动机正反转控制程序
I0.0
I0.1
I0.2
Q0.1
(
Q0.0
I0.1
Q0.0
I0.0
Q0.1
第1章 PLC基本工作原理
I0.2
Q0.0
)
Q0.1
(
)
PLC应用技术
PLC从产生到现在经
历了几代的发展过程？
从PLC产生到现在，已发展到第四代产品。其过程基
本可分为：
第一代PLC（1969～1972年）：大多用一位机开发，
用磁芯存储器存储，只具有单一的逻辑控制功能，机种
单一，没有形成系列化。
第二代PLC（1973～1975年）：采用了8位微处理器及
半导体存储器，增加了数字运算、传送、比较等功能，能实
现模拟量的控制，开始具备自诊断功能，初步形成系列化。
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PLC应用技术
第三代PLC（1976～1983年）：随着高性能微处理器及
位片式CPU在PLC中大量的使用，PLC的处理速度大大提高，
从而促使它向多功能及联网通信方向发展，增加了多种特殊
功能，如浮点数的运算、三角函数、表处理、脉宽调制输出
等，自诊断功能及容错技术发展迅速。
第四代PLC（1983年～现在）：不仅全面使用16位、32
位高性能微处理器，高性能位片式微处理器，RISC(reduced
instruction set computer)精简指令系统CPU等高级CPU，而
且在一台PLC中配置多个微处理器，进行多通道处理，同时
生产了大量内含微处理器的智能模块，使得第四代PLC产品
成为具有逻辑控制功能、过程控制功能、运动控制功能、数
据处理功能、联网通信功能的真正名符其实的多功能控制器。
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PLC应用技术
正是由于PLC具有多种功能，并集三电（电控装
置、电仪装置、电气传动控制装置）于一体，使得
PLC在工厂中备受欢迎，用量高居首位，成为现代工
业自动化的三大支柱（PLC、机器人、CAD/CAM）
之一。
由于PLC的发展，使其功能已经远远超出了逻辑控
制的范围，因而用“PLC”已不能描述其多功能的特点。
1980年，美国电气制造商协会(NEMA)给它起了一个新
的名称，叫"programmable controller”，简称PC。由于
PC 这 一 缩 写 在 我 国 早 已 成 为 个 人 计 算 机 (personal
computer)的代名词，为避免造成名词术语混乱，因此在
我国仍沿用PLC表示可编程控制器。
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PLC应用技术
1.2 PLC的组成和基本工作原理
1.2.1 PLC的组成
硬
件
第1章 PLC基本工作原理
+
软
件
PLC应用技术
1.PLC的硬件系统
编程
器接
口
电
源
通信
接口
中央
处理
编
程
器
系
单元
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输入
输出
接口
统
线
I/O扩
展 接
口
总
PLC应用技术
PLC的中央处理单元主要由微处理器CPU、
(一)PLC的硬件系统
存储器ROM/RAM和微处理器I/O接口组成。
⑴微处理器CPU
编程
通信
电
CPU作为整个PLC的核心起着总指挥的作用，
器接
接口
源
是PLC的运算和控制中心。。
口
⑵存储器RAM/ROM
中央
存储器是具有记忆功能的半导体电路，用来
系
统
总
处理
存放系统程序、用户程序、逻辑变量和其它一些
线
信息。
单元
⑶微处理器I/O接口
编
输入
I/O扩
它一般由数据输入寄存器、选通电路和中断
程
输出
展 接
请求逻辑电路构成，负责微处理器及存储器与外
器
接口
口
部设备的信息交换。
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中
央
处
理
单
元
PLC应用技术
输
入
输
出
接
口
电
源
编
程
器
这是PLC与被控设备相连接的接
口电路。
用户设备需输入PLC的各种控制
编程
通信
信号，如限位开关、操作按钮、选
器接
接口
择开关、行程开关以及其它一些传
口
感器输出的开关量或模拟量(要通过
中央
模数变换进入机内)等，通过输入接
口电路将这些信号转换成中央处理
系
统
总
处理
单元能够接收和处理的信号。
线
输出接口电路将中央处理单元送
单元
输入
I/O扩
出的弱电控制信号转换成现场需要
输出
展 接
的强电信号输出，以驱动电磁阀、
接口
口
接触器、电机等被控设备的执行元
件。
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IN
IN
输入LED
COM
直流输入接口电路示意图
第1章 PLC基本工作原理
内
部
电
路
PLC应用技术
IN
IN
～
输入LED
COM
交流输入接口电路示意图
第1章 PLC基本工作原理
内
部
电
路
PLC应用技术
OUT
L
输出LED
内
部
电
路
OUT
L
COM
～
继电器输出接口电路示意图
第1章 PLC基本工作原理
PLC应用技术
OUT
L
输出LED
内
部
电
路
OUT
L
～
COM
双向晶闸管输出接口电路示意图
第1章 PLC基本工作原理
PLC应用技术
输出LED
内
部
电
路
L+
OUT L
OUT
L
COM
晶体管输出接口电路示意图
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PLC应用技术
中小型的PLC输入输出接口都是
编程
通信
与中央处理单元CPU制造在一起的，
电
器接
接口
为了满足被控设备输入输出点数较多
源
口
的要求，常需要扩展数字量输入输出
模块；为了满足模拟量控制的需要，
中央
常需要扩展模拟量输入输出模块，如
系
统
总
处理
A/D、D/A转换模块等；I/O扩展接口
线
就是为连接各种扩展模块而设计的。
单元
编
输入
I/O扩
程
输出
展 接
器
接口
口
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PLC应用技术
I/O扩展接口的连接
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1.PLC的硬件系统
编程
电
器接
源
通 信 接 口 用 于口
PLC 与 计 算
机 、 PLC 、
中央
变频器、触摸屏等智
系
处理
能设备之间的连接
，
以实现PLC与智能设备
单元
编
之间的数据传送。 输入
程
输出
器
接口
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通信
接口
统
线
I/O扩
展 接
口
总
PLC应用技术
通信接口的连接
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1.PLC的硬件系统
电
源
中央
用于将编
程器与PLC进 处理
行连接，以实
单元
现编程器对
编
PLC的操作。
程
器
第1章 PLC基本工作原理
编程
器接
口
系
输入
输出
接口
通信
接口
统
线
I/O扩
展 接
口
总
PLC应用技术
1.PLC的硬件系统
电
源
中央
处理
编
程
器
单元
第1章 PLC基本工作原理
编程 编程器用作用户
通信
器接
接口
程序的编制、编辑、调试
口
和监视，还可以通过其键
盘去调用和显示PLC的一
些内部状态和系统参数，
系
统
总
它经过编程器接口与中央
线
处理器单元联系，完成人
机对话操作。
输入
I/O扩
输出
接口
展 接
口
PLC应用技术
通
信
电
缆
液晶显示窗
工作方式开关
指令键
数字键
PLC手持编程器
第1章 PLC基本工作原理
编辑键
PLC应用技术
第1章 PLC基本工作原理
PLC应用技术
第1章 PLC基本工作原理
PLC应用技术
第1章 PLC基本工作原理
PLC应用技术
1.PLC的硬件系统
电
源
编
程
器
编程
通信
器接
接口
口
电源部件将交流电源转
中央
换成供PLC的中央处理器、
系
统
总
处理 存储器等电子电路工作所需
线
要的直流电源，同时还向各
单元
种扩展模块提供24V直流电
输入
I/O扩
源。输出
展 接
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接口
口
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2.PLC的软件组成
PLC由硬件系统组成，由软件系统支持，硬件和
软件共同构成了PLC系统。PLC的软件系统可分为：
系统管理程序
1）系统程序
用户指令解释程序
标准化模块程序
开关量逻辑控制程序
模拟量运算控制程序
2）用户程序
闭环控制程序
工作站初始化程序
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2.PLC的软件组成
1)系统程序
系统程序是用来控制和完成PLC各种功能的程
序，这些程序是由PLC制造厂家用相应 CPU的指令
系统编写的，并固化到ROM中。它包括
●系统管理程序
●用户指令解释程序
●供系统调用的标准程序模块
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PLC应用技术
●系统管理程序
系统管理程序主要功能是运行时序分配管理、
存储空间分配管理和系统自检等 。
●用户指令解释程序
用户指令解释程序将用户编制的应用程序翻译
成机器指令供CPU执行。
●供系统调用的标准程序模块
标准程序模块具有独立的功能，使系统只需调
用输入、输出、特殊运算等程序模块即可完成相应
的具体工作 。
第1章 PLC基本工作原理
PLC应用技术
2.PLC的软件组成
2)用户程序
用户程序是用户根据工程现场的生产过程和工艺要
求、使用PLC生产厂家提供的专门编程语言而自行编制
的应用程序。它包括：
●开关量逻辑控制程序
●模拟量运算控制程序
●闭环控制程序
●工作站初始化程序
第1章 PLC基本工作原理
PLC应用技术
●开关量逻辑控制程序
开关量逻辑控制程序一般采用PLC生产厂商提
供的如梯形图、语句表等编程语言编制。
●模拟量运算控制和闭环控制程序
模拟量运算控制和闭环控制程序是大中型PLC系
统的高级应用程序，通常采用PLC厂商提供的相应程
序模块及主机的汇编语言或高级语言编制。
●工作站初始化程序
工作站初始化程序是用户为PLC系统网络进行数
据交换和信息管理而编制的初化程序，在PLC厂商提
供的通信程序的基础上进行参数设定，一般采用高级
语言实现。
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1.2.2 PLC的基本工作原理
开机
自诊断
PLC经过五个阶段
的工作过程，称为一个
扫描周期，完成一个扫
描周期后，又重新执行
上述过程，扫描周而复
始地进行。
通讯处理
扫描输入
执行程序
刷新输出
第1章 PLC基本工作原理
PLC应用技术
开机
自诊断
通讯处理
扫描输入
执行程序
刷新输出
第1章 PLC基本工作原理
每次扫描用户程序
之前，都先执行故障
自诊断程序。自诊断
内容为I／0部分、存
储器、CPU等，发现
异常停机显示出错。
若自诊断正常，继续
向下扫描。
PLC应用技术
开机
自诊断
通讯处理
扫描输入
执行程序
刷新输出
第1章 PLC基本工作原理
PLC检查是否有与编程
器、计算机等的通信请求，
若有则进行相应处理，如
接收由编程器送来的程序、
命令和各种数据，并把要
显示的状态、数据、出错
信息等发送给编程器进行
显示。如果有与计算机等
的通信请求，也在这段时
间完成数据的接受和发送
任务。
PLC应用技术
开机
自诊断
通讯处理
扫描输入
执行程序
刷新输出
第1章 PLC基本工作原理
PLC的中央处
理 器 对各个 输 入
端 进 行扫描 ， 将
所 有 输入端 的 状
态 送 到输入 映 象
寄存器。
PLC应用技术
开机
自诊断
通讯处理
扫描输入
执行程序
刷新输出
第1章 PLC基本工作原理
中 央 处 理 器 CPU
将逐条执行用户指令
程序，即按程序要求
对数据进行逻辑、算
术运算，再将正确的
结果送到输出状态寄
存器中。
PLC应用技术
开机
自诊断
通讯处理
扫描输入
执行程序
当所有的指令执行
完毕时，集中把输出映
象寄存器的状态通过输
出部件转换成被控设备
所能接受的电压或电流
信号，以驱动被控设备。
刷新输出
第1章 PLC基本工作原理
PLC应用技术
PLC经过这五个阶段的工作过程，称为一个扫描
周期，完成一个扫描周期后，又重新执行上述过程，
扫描周而复始地进行。在不考虑第二个因素（通讯处
理）时，扫描周期T的大小为：
T=（读入一点时间×输入点数）+（运算速度
×程序步数）+（输出一点时间×输出点数）+故障诊
断时
显然扫描周期主要取决于程序的长短，一般每秒
钟可扫描数十次以上，这对于工业设备通常没有什么
影响。但对控制时间要求较严格，响应速度要求快的
系统，就应该精确的计算响应时间，细心编排程序，
合理安排指令的顺序，以尽可能减少扫描周期造成的
响应延时等不良影响。
第1章 PLC基本工作原理
PLC应用技术
按钮
按钮
输
入
电
路
输
入
映
象
寄
存
器
程序执行
输入扫描
执行程序
第1章 PLC基本工作原理
（ ）
输
出
映
象
寄
存
器
输出刷新
输
出
电
路
接触器
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1.3 PLC的性能、特点及分类
1.3.1 PLC的性能指标
1.I/O总点数
I/O总点数是衡量PLC接入信号和可输出信号的
数量。PLC的输入输出有开关量和模拟量两种。其中
开关量用最大I/O点数表示，模拟量用最大I/O通道
数表示。
2.存储器容量
存储器容量是衡量可存储用户应用程序多少的
指标，通常以字或K字为单位。一般的逻辑操作指令
每条占1个字，定时器、计数器移位操作等指令占2
个字，而数据操作指令占2~4个字。
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3.编程语言
编程语言是可编程控制器厂家为用户设计的用
于实现各种控制功能的编程工具，它有多种形式，
常见的是梯形图编程语言及语句表编程语言，另还
有逻辑图编程语言、布耳代数编程语言等。
4.扫描时间
扫描时间是指执行1000条指令所需要的时间。
一般为10ms左右，小型机可能大于40ms。
5.内部寄存器的种类和数量
内部寄存器的种类和数量是衡量PLC硬件功能的
一个指标。它主要用于存放变量的状态、中间结果、
数据等，还提供大量的辅助寄存器如定时器/计数器、
移位寄存器、状态寄存器等，以便用户编程使用。
第1章 PLC基本工作原理
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6.通讯能力
通讯能力是指可编程控制器与可编程控制器、可
编程控制器与计算机之间的数据传送及交换能力，它
是工厂自动化的必备基础。目前生产的可编程控制器
不论是小型机还是中大型机，都配有一至两个、甚至
更多个通讯端口。
7.智能模块
智能模块是指具有自己的CPU和系统的模块。
它作为PLC中央处理单元的下位机，不参与PLC的
循环处理过程，但接受PLC的指挥，可独立完成某
些特殊的操作。如常见的位置控制模块、温度控制
模块、PID控制模块、模糊控制模块等等。
第1章 PLC基本工作原理
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1.3.2 PLC的特点
模块结构
多功能性
可靠性
PLC
的
特点
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易编程性
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1.3.3 PLC的分类
按
安
装
结
构
分
一体式
小型机
模块式
中型机
叠装式
大型机
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按
点
数
功
能
分
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1.根据其外形和安装结构分
1）一体式结构(单元式)
单元式结构的特点是结构非常紧凑。它把可编程控
制器的三大组成部分都装在一个金属或塑料外壳之中，
即它将所有的电路都装入一个模块内，构成一个整体。
这样，体积小，成本低，安装方便。为了达到输入／输
出点数灵活配置及易于扩展的目的，某一系列的产品通
常都由不同点数的基本单元和扩展单元构成。
第1章 PLC基本工作原理
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2）模块式结构
模块式可编程控制器采用搭积木的方式组成系统，
在一个机架上插上CPU、电源、I／O模块及特殊功能
模块，构成一个总I／O点数很多的大规模综合控制系
统。
第1章 PLC基本工作原理
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3）叠装式
以上两种结构各有特色。前者结构紧凑，安装方便，
体积小巧，易于与机床、电控柜相联成一体，但由于其
点数有搭配关系，加之各单元尺寸大小不一致，因此不
易安装整齐。后者点数配置灵活，又易于构成较多点数
的大系统，但尺寸较大，难于与小型设备相联。为此，
有些公司开发出叠装式结构的PLC，它的结构也是各种
单元、CPU自成独立的模块，但安装不用机架，仅用电
缆进行单元间联接，且各单元可以一层层地叠装。这样，
既达到了配置灵活的目的，又可以做得体积小巧。
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2.按点数、功能分
1）小型PLC
小型PLC又称为低档PLC。这类PLC的规模较小，
它的输入输出点数一般从20点到128点。其中输入输出
点数小于64点的PLC又称为超小型机。用户存储器容量
小于2KB，具有逻辑运算、定时、计数、移位及自诊断、
监控等基本功能，有些还有少量的模拟量I/O、算术运
算、数据传送、远程I/O和通信等功能，可用于开关量
控制、定时／计数控制、顺序控制及少量模拟量控制等
场合，通常用来代替继电器—接触器控制，在单机或小
规模生产过程中使用。
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PLC应用技术
2）中型PLC
中型PLC的I/O点数通常在120点至512点之间，用户程序
存储器的容量为2KB～8KB，除具有小型机的功能外，还具有
较强的模拟量I/O、数字计算、过程参数调节如比例、积分、
微分(PID)调节、数据传送与比较、数制转换、中断控制、
远程I/O及通信联网功能。适用于既有开关量又有模拟量的
较为复杂的控制系统，如大型注塑机控制、配料和秤重等中
小型连续生产过程控制
第1章 PLC基本工作原理
PLC应用技术
3）大型PLC
大型PLC又称为高档PLC，I/O
点数在512点以上，其中I/O点数大
于8192点的又称为超大型PLC，用
户程序存储器容量在8KB以上，除
具有中型机的功能外，还具有较强
的数据处理、模拟调节、特殊功能
函数运算、监视、记录、打印等功
能，以及强大的通信联网、中断控
制、智能控制和远程控制等功能。
由于大型PLC具有比中小型PLC更
强大的功能，因此一般用于大规模
过程控制、分布式控制系统和工厂
自动化网络等场合。
第1章 PLC基本工作原理
PLC应用技术
1.4 PLC的应用领域
1.逻辑量控制
这是PLC最基本的应用领域，可用PLC
取代传统的继电器控制系统，实现逻辑控
制和顺序控制。在单机控制、多机群控和
自动生产线控制方面都有很多成功的应用
实例，如机床电气控制、起重机、皮带运
输机和包装机械的控制、注塑机的控制、
电梯的控制、饮料灌装生产线、家用电器
(电视机、冰箱、洗衣机等)自动装配线的
控制、汽车、化工、造纸、轧钢自动生产
线的控制等。
第1章 PLC基本工作原理
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2.模拟量控制
PLC都具有模拟量处理功能，通过模拟量I／O模块
可对温度、压力、速度、流量等连续变化的模拟量进行
控制，而且编程和使用都很方便。大、中型的PLC还具
有PID闭环控制功能，运用PID子程序或使用专用的智能
PID模块，可以实现对模拟量的闭环过程控制。随着PLC
规模的扩大，控制的回路己从几个增加到几十个甚至上
百个，可以组成较复杂的闭环控制系统。PLC的模拟量
控制功能已广泛应用于工业生产各个行业，例如自动焊
机控制、锅炉运行控制、连轧机的速度和位置控制等都
是典型的闭环过程控制的应用场合。
第1章 PLC基本工作原理
PLC应用技术
第1章 PLC基本工作原理
PLC应用技术
3.运动控制
运动控制是指PLC对直线运动
或圆周运动的控制，也称为位置
控制，早期PLC通过开关量I/O模
块与位置传感器和执行机构的连
接来实现这一功能，现在一般都
使用专用的运动控制模块来完成。
目前，PLC的运动控制功能广泛应
用在金属切削机床、电梯、机器
人等各种机械设备上，典型的如
PLC和计算机数控装置(CNC)组合
成一体，构成先进的数控机床。
第1章 PLC基本工作原理
PLC应用技术
4.数据处理
现代PLC都具有不同程度
的数据处理功能，能够完成
数学运算(函数运算、矩阵运
算、逻辑运算)、数据的移位、
比较、传递、数值的转换和
查表等操作，对数据进行采
集、分析和处理。数据处理
通常用在大、中型控制系统
中，如柔性制造系统、机器
人的控制系统等。
第1章 PLC基本工作原理
PLC应用技术
5.通信联网
通信联网是指PLC与PLC之间、PLC与上位计算机或
其他智能设备间的通信，利用PLC和计算机的RS-232或
RS-422接口、PLC的专用通信模块，用双绞线和同轴电缆
或光缆将它们联成网络，可实现相互间的信息交换，构成
“集中管理、分散控制”的多级分布式控制系统，建立工
厂的自动化网络。
第1章 PLC基本工作原理
PLC应用技术
本章小结
本章介绍了PLC的产生及发展情况，介绍了PLC的基本组成及工作原理、
性能规格、结构类型及控制功能等。
1．PLC的发展过程是随着微型计算机的发展而不断发展的。
2．PLC是以微型计算机为核心辅以输入输出接口电路组成的一种微型计
算机工业控制设备，它主要包括中央处理单元CPU、输入/输出接口、I／0扩
展接口、通讯接口、编程器、电源等几个部分组成。
3．PLC的工作方式区别于微型计算机的工作方式，它是周期扫描工作方
式。在每个扫描周期中，PLC都要按通讯处理、扫描输入、执行程序、输出
刷新的顺序依次不断循环工作。也正是由于PLC的这种“串行”工作方式，
从而大大提高了PLC的抗扰性能。
4．PLC的性能主要包括I/O点数、存储容量、编程语言、扫描时间、内
部寄存器数量及种类、通讯能力、智能模块几方面，它们是选择使用PLC的
依据。
5．PLC的控制功能基本可涵盖自动控制领域，如逻辑量的控制、模拟量
的控制、运动控制、网络通讯控制等等。
6．PLC的种类可按结构类型、点数多少、功能强弱来分类。
第1章 PLC基本工作原理
PLC应用技术
再见！
第1章 PLC基本工作原理