1.2 PLC的分類和工作原理

1.2.1 PLC的分類

隨著PLC的發展和應用領域的擴展，PLC的種類越來越多，可從不同的角度進行分類，如結構、I/O點、功能、生產廠家等。

（1）按結構形式分類

PLC根據結構形式的不同可分為整體式PLC、組合式PLC和疊裝式PLC三種。

① 整體式PLC 整體式PLC是將CPU、I/O接口、存儲器、電源等部分全部固定安裝在一塊或幾塊印制電路板上，使之成為統一的整體。當控制點數不符合要求時，可連接擴展單元，以實現較多點數的控制。這種PLC體積小巧，目前小型、超小型PLC多采用這種結構，如圖1-11所示。

② 組合式PLC 組合式PLC的CPU、I/O接口、存儲器、電源等部分都是以模塊形式按一定規則組合配置而成（因此也稱為模塊式PLC）。這種PLC可以根據實際需要進行靈活配置，目前中型或大型PLC多采用組合式結構，如圖1-12所示。

③ 疊裝式PLC 疊裝式PLC是一種集合了整體式PLC的結構緊湊、體積小巧和組合式PLC的I/O點數搭配靈活于一體的PLC，如圖1-13所示。這種PLC將CPU（CPU和一定的I/O接口）獨立出來作為基本單元，其他模塊為I/O模塊作為擴展單元，且各單元可一層層地疊裝，連接時使用電纜進行單元之間的連接即可。

（2）按I/O點數分類

I/O點數是指PLC可接入外部信號的數目，I指PLC可接入輸入點的數目，O指PLC可接入輸出點的數目，I/O點則指PLC可接入的輸入點、輸出點的總數。

PLC根據I/O點數的不同可分為小型PLC、中型PLC和大型PLC三種。

① 小型PLC 小型PLC是指I/O點數在24～256點之間的小規模PLC，如圖1-14所示，這種PLC一般用于單機控制或小型系統的控制。

② 中型PLC 中型PLC的I/O點數一般在256～2048點之間，如圖1-15所示，這種PLC不僅可對設備直接進行控制，同時還可用于對下一級的多個可編程控制器進行監控，一

般用于中型或大型系統的控制。

③ 大型PLC 大型PLC的I/O點數一般在2048點以上，如圖1-16所示。這種PLC能夠進行復雜的算數運算和矩陣運算，可對設備進行直接控制，同時還可用于對下一級的多個可編程控制器進行監控，一般用于大型系統的控制。

（3）按功能分類

PLC根據功能的不同可分為低檔PLC、中檔PLC和高檔PLC三種。

① 低檔PLC 具有簡單的邏輯運算、定時、計算、監控、數據傳送、通信等基本控制功能和運算功能的PLC稱為低檔PLC。這種PLC工作速度較低，能帶動I/O模塊的數量也較少。

圖1-17為低檔PLC實物外形。

② 中檔PLC 中檔PLC除具有低檔PLC的控制功能外，還具有較強的控制功能和運算能力，如比較復雜的三角函數、指數和PID運算等，同時還具有遠程I/O、通信聯網等功能，這種PLC工作速度較快，能帶動I/O模塊的數量也較多。

圖1-18為中檔PLC實物外形。

③ 高檔PLC 高檔PLC除具有中檔PLC的功能外，還具有更為強大的控制功能、運算功能和聯網功能，如矩陣運算、位邏輯運算、平方根運算及其他特殊功能函數運算等，這種PLC工作速度很快，能帶動I/O模塊的數量也很多。

圖1-19為高檔PLC實物外形。

（4）按生產廠家分類

PLC的生產廠家較多，如美國的AB公司、通用電氣公司，德國的西門子公司，法國的TE公司，日本的歐姆龍、三菱、富士等公司，都是目前市場上非常主流且極具有代表性的生產廠家。圖1-20為不同生產廠家生產的PLC實物外形。

1.2.2 PLC如何工作

PLC是一種以微處理器為核心的可編程控制裝置，由電源電路提供所需工作電壓，是專門為大中型工業用戶現場的操作管理而設計的，它采用可編程的存儲器，用以在其內部存儲執行邏輯運算、順序控制、定時/計數和算術運算等操作指令，并通過數字式或模擬式的輸入、輸出接口，控制各種類型的機械或生產過程。

圖1-21為PLC的整機工作原理示意圖。

（1）PLC用戶程序的輸入

PLC的用戶程序是由工程技術人員通過編程設備（簡稱編程器）輸入的，如圖1-22所示。

（2）PLC內部用戶程序的編譯過程

圖1-23為PLC內部用戶程序的編譯過程。將用戶編寫的程序存入PLC后，CPU會向存儲器發出控制指令，從程序存儲器中調用解釋程序將編寫的程序進一步編譯，使之成為PLC認可的編譯程序。

（3）PLC用戶程序的執行過程

用戶程序的執行過程為PLC工作的核心內容，如圖1-24所示。

為了更清晰地了解PLC的工作過程，將PLC內部等效為三個功能電路，即輸入電路、運算控制電路和輸出電路，如圖1-25所示。

① PLC的輸入電路 輸入電路主要為輸入信號采集部分，其作用是將被控對象的各種控制信息及操作命令轉換成PLC輸入信號，然后送給運算控制電路部分。

PLC輸入電路根據輸入端電源類型不同主要有直流輸入電路和交流輸入電路兩種。

a.直流輸入電路 例如，圖1-26為典型PLC中的直流輸入電路。該電路主要由電阻器R1、R2和電容器C、光耦合器IC、發光二極管LED等構成。其中R1為限流電阻，R2與C構成濾波電路，用于濾除輸入信號中的高頻干擾；光耦合器起到光電隔離的作用，防止現

場的強電干擾進入PLC中；發光二極管用于顯示輸入點的狀態。

b.交流輸入電路 PLC交流輸入電路與直流輸入電路基本相同，外接交流電源的大小根據不同CPU類型有所不同（可參閱相應的使用手冊）。

例如，圖1-28為典型PLC交流輸入電路。該電路中，電容器C2用于隔離交流強電中的直流分量，防止強電干擾損壞PLC。另外，光耦合器內部為兩個方向相反的發光二極管，任意一個發光二極管導通都可以使光耦合器中光敏晶體管導通并輸出相應信號。狀態指示燈也采用了兩個反向并聯的發光二極管，光耦合器中任意一只二極管導通都能使狀態指示燈點亮（直流輸入電路也可以采用該結構，外接直流電源時可不用考慮極性）。

② PLC的運算控制電路 運算控制電路以內部的CPU為核心，按照用戶設定的程序對輸入信息進行處理，然后將處理結果送至輸出電路，再由輸出電路輸出控制信號。這個過程實現了算術運算和邏輯運算等多種處理功能。

③ PLC的輸出電路 輸出電路即開關量的輸出單元，由PLC輸出接口電路、連接端子和外部設備及功能部件構成，CPU完成的運算結果由該電路提供給被控負載，用以完成PLC主機與工業設備或生產機械之間的信息交換。

PLC的輸出電路根據輸出電路所用開關器件不同，主要有晶體管輸出電路、晶閘管輸出電路和繼電器輸出電路三種。

a.晶體管輸出電路 晶體管輸出電路是指PLC內部電路輸出的控制信號，經由晶體管構成的輸出接口電路、PLC輸出接線端子后，送至外接的執行部件，用以輸出開關量信號，執行相應動作。例如，圖1-29為典型PLC的晶體管輸出電路。該電路主要由光耦合器IC、狀態指示燈LED、輸出晶體管VT、保護二極管VD、熔斷器FU等構成。其中，熔斷器FU

用于防止PLC外接設備或功能部件短路時損壞PLC。

b.晶閘管輸出電路 晶閘管輸出電路是指PLC內部電路輸出的控制信號，經由晶閘管構成的輸出接口電路、PLC輸出接線端子，送至外接的執行部件，用以輸出開關量信號，執行相應動作，如圖1-30所示。

c. 繼電器輸出電路 繼電器輸出電路是指PLC內部電路輸出的控制信號，經由繼電器構成的輸出接口電路、PLC輸出接線端子，送至外接的執行部件，用以輸出開關量信號，執行相應動作，如圖1-31所示。

（4）PLC電源電路的供電過程

在PLC整個工作過程中，PLC中的電源始終為各部分電路提供工作所需的電壓，以確保PLC工作的順利進行。

圖1-32為PLC的電源供電電路，該電路主要是將外加的交流電壓或直流電壓轉換成微處理器、存儲器、I/O電路等部分所需要的工作電壓。

（5）PLC的工作方式

PLC的工作方式采用不斷循環的順序掃描工作方式（串行工作方式），如圖1-33所示。CPU從第一條指令開始執行程序，按順序逐條地執行用戶程序直到用戶程序結束，然后返回第一條指令開始新的一輪掃描，如此周而復始不斷循環。當然，整個過程是在系統軟件控制下進行的，順次掃描各輸入點的狀態，按用戶程序進行運算處理（用戶程序按先后順序存放），然后順序向輸出點發出相應的控制信號。