1.1 PLC概念及工作原理

根据国际电工委员会（IEC）于1987年颁布的PLC标准草案第三稿，PLC的定义是：“PLC是一种数字运算操作的电子系统，专门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指令，并通过数字式和模拟式的输入输出，控制各种类型的机械设备或生产过程。PLC及其有关外围设备，都应按易于与工业系统联成一个整体、易于扩充其功能的原则来设计。”

1.1.1 PLC的产生与发展

美国的汽车工业的发展促进了PLC的产生，20世纪60年代，美国通用汽车公司（GM）发现继电器和接触器体积大、噪声大、维护复杂并且可靠性不强，于是提出了著名的“通用十条指标”，即：

1）编程方便，可在现场修改程序；

2）维护方便，最好是插件式；

3）可靠性高于继电器控制柜；

4）体积小于继电器控制柜；

5）可将数据直接送入管理计算机；

6）在成本上可与继电器控制柜竞争；

7）输入为交流115V；

8）输出为交流115V/2A以上，能直接驱动电磁阀、接触器等；

9）在扩展时原有系统改变最少；

10）用户程序存储器至少可扩展到4KB。

按照“通用十条指标”，美国设备公司（DEC）于1969年研制出了第一台控制器，PDP-14。随后，20世纪70年代日本研发出第一台可编程控制器。20世纪70年代末期，可编程逻辑控制器进入了实用化的阶段，人们敏锐地意识到计算机能够引入可编程逻辑控制器，从而使得可编程逻辑控制器的功能大大地加强。20世纪80年代初，西方发达国家在工业生产中广泛应用可编程逻辑控制器。20世纪80年代到90年代这一阶段是可编程逻辑控制器发展最快的时期，年增长率保持在30％～40％。20世纪末期，可编程逻辑控制器发展了大型机和超小型机，诞生了许多特殊功能。

1.1.2 PLC的工作原理

PLC是一种存储程序的控制器，需要根据用户的要求，将编制好的程序通过计算机下载到PLC的用户程序存储器中寄存。PLC的控制功能就是通过运行用户程序实现的。

PLC和微型计算机的运行程序不同，微型计算机运行程序时，是从开始执行到END指令。但是PLC从0号存储地址所存放的第一条用户程序开始，如果没有中断或者跳转的情况下，按存储地址递增的方向顺序逐条执行用户程序，直到结束。当程序执行完一遍后，然后再从头开始执行，并且循环重复，直到停机。PLC的这种工作方式我们称为扫描工作方式。每执行完一遍就是一个扫描周期，即顺序扫描，不断循环。

PLC扫描工作方式分为3个阶段，即输入扫描、程序执行和输出刷新3个阶段。完成上述3个阶段称作一个扫描周期，如图1-1所示。在整个运行期间，可编程逻辑控制器的CPU以一定的扫描速度重复上述3个阶段。

1. 输入扫描

PLC在开始执行程序时，会按顺序将所有输入信号读入输入映像寄存器，这个阶段称为输入扫描，也称为输入采样阶段。PLC在运行程序时，处理输入映像寄存器中的信息。在每一个周期内采样结果不会改变，只有在下一个周期输入扫描阶段才会被刷新。

2. 程序执行

PLC将所有输入状态采集完毕后即开始执行程序，在系统程序的指示下，CPU从用户程序存储区逐条读取用户指令，进行运算处理，把处理结果写入输出映像寄存器中保存。经解释后执行相应动作，产生相应结果，刷新相应的输出映像寄存器，期间需要用到输入映像寄存器、输出映像寄存器的响应状态。

当CPU在系统程序的管理下扫描用户程序时，按照先下后上、先左后右的顺序依次读取梯形图中的指令。当用户程序被完全扫描一遍后，所有的输出映像都被依次刷新，系统将进入下一个阶段，即输出刷新。

3. 输出刷新

在这个阶段，系统程序将输出映像寄存器中的内容传送到输出锁存器中，经过输出接口或输出端子输出，驱动外部负载。输出锁存器一直将状态保持到下一个循环周期，而输出映像寄存器的状态在程序执行阶段是动态的。

PLC信号处理过程如图1-2所示。