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摘 要：可编程控制器在工业生产中得到广泛应用，本文阐述PLC的组成部分和各部分的作用，扫描工作原理、扫描工作过程及其执行用户程序的过程；提出进行控制系统设计应遵循满足控制要求、经济适用、安全可靠和适当留有余量的基本原则。
关键词：PLC；PLC系统研究
1.可编程控制器的组成和工作原理
1.1可编程控制器的基本结构
（1）中央处理器（CPU）
CPU是PLC的核心，其主要任务是：控制从编程器键入的用户程序和数据的接收与存储；用扫描的方式通过I/O部件接收现场的状态或数据，并存入映像存储器或数据存储器中；诊断PLC内部电路的工作故障和编程中的语法错误。
（2）存储器
PLC的存储器包括系统存储器和用户存储器两部分。系统存储器用来存放由PLC生产厂家的系统程序，并固化在ROM内，用户不能直接更改。它使PLC具有基本的智能，能够完成PLC设计者的各项工作。
（3）用户存储器
用户存储器包括用户程序存储器（程序区）和功能存储器（数据区）两部分。用户程序存储器用来存放用户针对具体控制任务用规定的PLC编程语言编写的各种用户程序。用户存储器容量的大小，关系到用户程序容量的大小和内部器件的多少，是反映PLC性能的重要指标之一。
（4）输入/输出接口
它是PLC与外界连接的接口。输入接口用来接收和采集两种类型的输入信号。
（5）电源
小型整体式可编程序控制器内部有一个开关式稳压电源。
（6）扩展接口
扩展接口用于将扩展单元与基本单元相连，使PLC的配置更加灵活。
（7）通信接口
PLC通过通信接口可以与监视器、打印机、其他的PLC或计算机相连。。
（8）智能I/O接口
为了满足更加复杂的控制功能的需要，PLC配有多种智能I/O接口。
（9）编程器
它的作用是供用户进行程序的编制、编辑、调试和监视。编程器有简易型和智能型两类。
1.2 可编程控制器的工作原理
（1）扫描工作原理
当PLC运行时，是通过执行反映控制要求的用户程序来完成控制任务的，需要执行众多的操作，但CPU不可能同时去执行多个操作，它只能按分时操作（串行工作）方式，每一次执行一个操作，按顺序逐个执行。由于CPU的运算处理速度很快，从宏观上看，PLC外部出现的结果似乎是同时完成的。这种串行工作过程为PLC的扫描工作方式。
（2）扫描工作过程
整个扫描工作过程包括内部处理、通信服务、输入采样、程序执行、输出刷新五个阶段。整个过程扫描执行一遍所需时间称为扫描周期。
（3）执行程序的过程及特点
PLC执行的过程分为三个阶段，即输入采样阶段、程序执行阶段、输出刷新阶段。
a.输入采样阶段
在输入采样阶段，PLC以扫描工作方式顺序对所有输入端的输入状态进行采样，并存入输入映像寄存器中，此时输入映像寄存器被刷新。
b.程序执行阶段
在程序执行阶段，PLC对程序按顺序进行扫描执行。若程序用梯形图来表示，则总是按先上后下，先左后右的顺序进行。当遇到程序跳转命令时，则根据跳转条件是否满足来决定程序是否跳转。
c.输出刷新阶段
当所有程序执行完毕后，进入输出处理阶段。在这一阶段，PLC将输出映像寄存器中与输出有关的状态（输出继电器状态）转存到输出锁存器中，并通过一定方式输出，驱动外部负载。
因此，PLC在一个扫描周期内，对输入状态的采样只在输入采样阶段进行。当PLC进入程序执行阶段后输入端将被封锁，直到下一个扫描周期的输入采样阶段才对输入状态进行重新采样。这种方式称为集中采样，即在一个扫描周期内，集中一段时间对输入状态进行采样。
2.可编程控制器控制系统设计的一般步骤
2.1 可编程控制器系统设计流程图
可编程控制器控制系统设计的流程如图2.1，具体设计步骤如下。
（1）根据设备加工零件工艺过程分析控制要求，需要完成的动作。
（2）根据控制要求确定所需要的用户输入/输出设备，据此确定PLC的I/O点数。
（3）选择PLC。
（4）分配PLC的I/O点，设计I/O连接图。
（5）进行PLC程序设计。
PLC程序设计步骤是：
（1）绘制系统控制流程图。
（2）设计梯形图。
（3）根据梯形图编制程序清单。
（4）将程序键入到PLC的用户存储器中，并检查键入的程序是否正确。
（5）对程序进行调试和修改，直到满足要求为止。
（6）待控制台（柜）及现场施工完成后，就可以进行联机调试。
（7）编制技术文件。
2.2 确定控制对象和控制范围
要应用可编程序控制器，首要任务是详细分析被控对象、控制过程与要求，熟悉零件加工工艺和设备性能参数后列出控制系统的所有功能和指标要求。确定控制对象后，还需要明确可编程序控制器的控制范围。
2.3 可编程序控制器的选择
合理选择PLC，对提高PLC控制系统的技术经济指标起着重要作用。
（1）机型的选择
可编程序控制器机型选择的基本原则应是在功能满足要求的情况下，保证可靠、维护使用方便和最佳的性价比。重点考虑以下几方面：
a.结构合理：对于工艺过程比较固定、环境条件好的场合，选用整体式结构PLC；其余工况则选用模块式结构PLC。 b.功能合理：对于开关量控制的工程项目，不用考虑其控制速度，一般的低档机即能满足要求；对于开关量控制为主、带少量模拟量的工程项目，可选用带A/D、D/A转换、加减运算、数据传送功能的低档机；对于控制比较复杂、控制要求高的工程项目，可选用中高档机型。
c.机型统一：同一企业尽量采用同一品牌的PLC机型，便于备件采购和储备。
d.灵活性：PLC在线和离线编程均可，具有很大的灵活性。
（2）输入/输出的选择
a.可编程序控制器控制系统I/O点数估算。
b.输入输出模块的选择：可编程序控制器输入模块是检测并转换来自现场设备（按钮、限位开关、接近开关等）的高电平信号为机器内部电平信号，模块类型直流有5、12、24、48、60V五种；交流有115V和220V两种。一般由现场设备与模块间的距离来选择电压的大小，距离小选择低电压模块，距离远选择较高电压模块；输出模块的任务是将机器内部的信号电平转换为外部过程的控制信号。
c.内存估计：用户程序所需内存容量受内存利用率、开关量输入输出点数、模拟量输入输出点数及用户的编程水平直接相关。
2.4 可编程控制器控制系统的软件设计分析
PLC的软件可分为系统软件和应用软件两大类。由于PLC的控制功能是以程序的形式体现，所以程序设计是一个重要的环节。一般应用程序设计可分为经验设计法、逻辑设计法、移植设计法、顺序功能图（SFC）设计法等。在工程中，对PLC应用程序的设计方法的使用，因各设计人员技术水平和喜好的不同而有较大的差异。但对于设备改造，由于有现成的电气原理图和现在经过更新电气控制系统的同类机床电气原理图可供参考，因此用得较多的是经验设计法和移植设计法。
（1）经验设计法
经验设计法又叫试凑法，是设计者在熟练掌握一些常见的典型电路基础上，根据被控对象对控制的要求，将实际控制问题分解成典型控制电路，不断修改和完善梯形图直到满足控制要求。此方法适合一些比较简单的或与某些典型程序相类似的控制系统。
（2）移植设计法
又称为“翻译法”。主要用于采用PLC改造继电接触器控制系统，或在熟悉继电接触器控制系统的前提下设计PLC应用程序等场合。
2.5 总装统调
可编程序控制器构成控制系统的最后一个设计步骤就是总装统调。用户程序在总装统调前必须进行模拟调试，用装在可编程序控制器上的模拟开关模拟输入信号的状态，用输出点的指示灯模拟被控对象，检查程序正确后方可把可编程序控制器接到系统里进行总装统调。
结论
本文介绍了可编程控制器的组成、工作原理以及可编程控制系统设计的基本原则，进行PLC控制系统设计应按照确定控制对象和范围、选择PLC型号、软硬件设计、总装统调后投入运行的步骤进行，最后根据应用实际提出了系统设计和安装的注意要点。
参考文献
[1]陈立定.电气控制与可编程控制器的原理及其应用[M].北京：机械工业出版社， 2004， 6.
关键词：PLC；PLC系统研究
1.可编程控制器的组成和工作原理
1.1可编程控制器的基本结构
（1）中央处理器（CPU）
CPU是PLC的核心，其主要任务是：控制从编程器键入的用户程序和数据的接收与存储；用扫描的方式通过I/O部件接收现场的状态或数据，并存入映像存储器或数据存储器中；诊断PLC内部电路的工作故障和编程中的语法错误。
（2）存储器
PLC的存储器包括系统存储器和用户存储器两部分。系统存储器用来存放由PLC生产厂家的系统程序，并固化在ROM内，用户不能直接更改。它使PLC具有基本的智能，能够完成PLC设计者的各项工作。
（3）用户存储器
用户存储器包括用户程序存储器（程序区）和功能存储器（数据区）两部分。用户程序存储器用来存放用户针对具体控制任务用规定的PLC编程语言编写的各种用户程序。用户存储器容量的大小，关系到用户程序容量的大小和内部器件的多少，是反映PLC性能的重要指标之一。
（4）输入/输出接口
它是PLC与外界连接的接口。输入接口用来接收和采集两种类型的输入信号。
（5）电源
小型整体式可编程序控制器内部有一个开关式稳压电源。
（6）扩展接口
扩展接口用于将扩展单元与基本单元相连，使PLC的配置更加灵活。
（7）通信接口
PLC通过通信接口可以与监视器、打印机、其他的PLC或计算机相连。。
（8）智能I/O接口
为了满足更加复杂的控制功能的需要，PLC配有多种智能I/O接口。
（9）编程器
它的作用是供用户进行程序的编制、编辑、调试和监视。编程器有简易型和智能型两类。
1.2 可编程控制器的工作原理
（1）扫描工作原理
当PLC运行时，是通过执行反映控制要求的用户程序来完成控制任务的，需要执行众多的操作，但CPU不可能同时去执行多个操作，它只能按分时操作（串行工作）方式，每一次执行一个操作，按顺序逐个执行。由于CPU的运算处理速度很快，从宏观上看，PLC外部出现的结果似乎是同时完成的。这种串行工作过程为PLC的扫描工作方式。
（2）扫描工作过程
整个扫描工作过程包括内部处理、通信服务、输入采样、程序执行、输出刷新五个阶段。整个过程扫描执行一遍所需时间称为扫描周期。
（3）执行程序的过程及特点
PLC执行的过程分为三个阶段，即输入采样阶段、程序执行阶段、输出刷新阶段。
a.输入采样阶段
在输入采样阶段，PLC以扫描工作方式顺序对所有输入端的输入状态进行采样，并存入输入映像寄存器中，此时输入映像寄存器被刷新。
b.程序执行阶段
在程序执行阶段，PLC对程序按顺序进行扫描执行。若程序用梯形图来表示，则总是按先上后下，先左后右的顺序进行。当遇到程序跳转命令时，则根据跳转条件是否满足来决定程序是否跳转。
c.输出刷新阶段
当所有程序执行完毕后，进入输出处理阶段。在这一阶段，PLC将输出映像寄存器中与输出有关的状态（输出继电器状态）转存到输出锁存器中，并通过一定方式输出，驱动外部负载。
因此，PLC在一个扫描周期内，对输入状态的采样只在输入采样阶段进行。当PLC进入程序执行阶段后输入端将被封锁，直到下一个扫描周期的输入采样阶段才对输入状态进行重新采样。这种方式称为集中采样，即在一个扫描周期内，集中一段时间对输入状态进行采样。
2.可编程控制器控制系统设计的一般步骤
2.1 可编程控制器系统设计流程图
可编程控制器控制系统设计的流程如图2.1，具体设计步骤如下。
（1）根据设备加工零件工艺过程分析控制要求，需要完成的动作。
（2）根据控制要求确定所需要的用户输入/输出设备，据此确定PLC的I/O点数。
（3）选择PLC。
（4）分配PLC的I/O点，设计I/O连接图。
（5）进行PLC程序设计。
PLC程序设计步骤是：
（1）绘制系统控制流程图。
（2）设计梯形图。
（3）根据梯形图编制程序清单。
（4）将程序键入到PLC的用户存储器中，并检查键入的程序是否正确。
（5）对程序进行调试和修改，直到满足要求为止。
（6）待控制台（柜）及现场施工完成后，就可以进行联机调试。
（7）编制技术文件。
2.2 确定控制对象和控制范围
要应用可编程序控制器，首要任务是详细分析被控对象、控制过程与要求，熟悉零件加工工艺和设备性能参数后列出控制系统的所有功能和指标要求。确定控制对象后，还需要明确可编程序控制器的控制范围。
2.3 可编程序控制器的选择
合理选择PLC，对提高PLC控制系统的技术经济指标起着重要作用。
（1）机型的选择
可编程序控制器机型选择的基本原则应是在功能满足要求的情况下，保证可靠、维护使用方便和最佳的性价比。重点考虑以下几方面：
a.结构合理：对于工艺过程比较固定、环境条件好的场合，选用整体式结构PLC；其余工况则选用模块式结构PLC。 b.功能合理：对于开关量控制的工程项目，不用考虑其控制速度，一般的低档机即能满足要求；对于开关量控制为主、带少量模拟量的工程项目，可选用带A/D、D/A转换、加减运算、数据传送功能的低档机；对于控制比较复杂、控制要求高的工程项目，可选用中高档机型。
c.机型统一：同一企业尽量采用同一品牌的PLC机型，便于备件采购和储备。
d.灵活性：PLC在线和离线编程均可，具有很大的灵活性。
（2）输入/输出的选择
a.可编程序控制器控制系统I/O点数估算。
b.输入输出模块的选择：可编程序控制器输入模块是检测并转换来自现场设备（按钮、限位开关、接近开关等）的高电平信号为机器内部电平信号，模块类型直流有5、12、24、48、60V五种；交流有115V和220V两种。一般由现场设备与模块间的距离来选择电压的大小，距离小选择低电压模块，距离远选择较高电压模块；输出模块的任务是将机器内部的信号电平转换为外部过程的控制信号。
c.内存估计：用户程序所需内存容量受内存利用率、开关量输入输出点数、模拟量输入输出点数及用户的编程水平直接相关。
2.4 可编程控制器控制系统的软件设计分析
PLC的软件可分为系统软件和应用软件两大类。由于PLC的控制功能是以程序的形式体现，所以程序设计是一个重要的环节。一般应用程序设计可分为经验设计法、逻辑设计法、移植设计法、顺序功能图（SFC）设计法等。在工程中，对PLC应用程序的设计方法的使用，因各设计人员技术水平和喜好的不同而有较大的差异。但对于设备改造，由于有现成的电气原理图和现在经过更新电气控制系统的同类机床电气原理图可供参考，因此用得较多的是经验设计法和移植设计法。
（1）经验设计法
经验设计法又叫试凑法，是设计者在熟练掌握一些常见的典型电路基础上，根据被控对象对控制的要求，将实际控制问题分解成典型控制电路，不断修改和完善梯形图直到满足控制要求。此方法适合一些比较简单的或与某些典型程序相类似的控制系统。
（2）移植设计法
又称为“翻译法”。主要用于采用PLC改造继电接触器控制系统，或在熟悉继电接触器控制系统的前提下设计PLC应用程序等场合。
2.5 总装统调
可编程序控制器构成控制系统的最后一个设计步骤就是总装统调。用户程序在总装统调前必须进行模拟调试，用装在可编程序控制器上的模拟开关模拟输入信号的状态，用输出点的指示灯模拟被控对象，检查程序正确后方可把可编程序控制器接到系统里进行总装统调。
结论
本文介绍了可编程控制器的组成、工作原理以及可编程控制系统设计的基本原则，进行PLC控制系统设计应按照确定控制对象和范围、选择PLC型号、软硬件设计、总装统调后投入运行的步骤进行，最后根据应用实际提出了系统设计和安装的注意要点。
参考文献
[1]陈立定.电气控制与可编程控制器的原理及其应用[M].北京：机械工业出版社， 2004， 6.