第1講－可編程控制器的基本原理第2講－STEP7編程軟件第3講－PLC指令系統介紹第4講－IEC61131-3編程語言標準第5講－現場總線第6講－WinCC組態軟件培訓計劃12/10/20221第1講－可編程控制器的基本原理培訓計劃12/10/20PLC的發明和發展過程

PLC（可編程控制器）是上個世紀60年代發展起來的一種新型自動化控制裝置。最早是用于替代傳統的繼電器控制裝置，功能上只有邏輯計算、計時、計數以及順序控制等，而且只能進行開關量控制。因此，其英文原名為“ProgrammableLogicController”，簡稱PLC，中文稱“可編程邏輯控制器”。后來，隨著技術的進步，其控制功能已經遠遠超出邏輯控制的范疇，其名稱也就改為“ProgrammableController”，簡稱PC。但PC又容易與個人計算機“PersonalComputer”的簡稱PC產生混淆，所以近年來人們又傾向于使用PLC這一簡稱，中文仍然稱“可編程控制器”。

12/10/20222PLC的發明和發展過程PLC（可編程控制器）是PLC的發明過程

上個世紀60年代，由于美國汽車工業需要進行大規模的技術改造和設備更新，由傳統的繼電器控制裝置來進行控制，不僅體積龐大，故障率高，柔性差，不靈活，耗能，而且調試困難，可靠性也差．１９６８年由美國通用汽車公司提出使用新一代控制器的設想．從用戶的角度考慮，該公司對新一代控制器提了１０點要求，為各大公司提供了明確的開發目標．次年，就由美國DEC（數字設備公司）首先研制成功第一臺可編程邏輯控制器PDP-14．差不多同時，美國MODICON公司也研制出084控制器．它們的問世，引起了全世界的矚目，美國的其他公司和西歐，日本等工業發達國家，也相繼研究開發出類似的產品．12/10/20223PLC的發明過程上個世紀60年代，由于美國汽車PLC的發展過程由于PLC吸取微電子技術和計算機技術的最新成果，因此，發展十分迅速，從單機自動化到整條生產線的自動化，乃至整個工廠的生產自動化，從柔性制造系統，工業機器人到大型分散型控制系統，PLC均擔當著重要角色。

PLC技術代表了當今電氣程序控制的最先進水平。通過PLC與各種單元自動化裝置（例如，智能儀表、數字化傳動裝置、智能的液壓和氣動閥組等）以及現場總線、計算機網絡系統，構成了車間和工廠自動化的完整體系。12/10/20224PLC的發展過程由于PLC吸取微電子技術和計算機技PLC的應用范圍廣泛可編程控制器應用非常廣泛，近年來對國內進行的調查，在各個領域應用分布大致如下：鋼鐵和有色冶金＿35％汽車和機械制造＿20%輕工，食品，包裝，造紙＿16%化工，石油，工藝過程＿13%交通運輸，礦山＿7%能源，電站，泵站，水處理＿7%科研試驗，教學＿2%12/10/20225PLC的應用范圍廣泛可編程控制器應用非常廣泛，近年來對國內進PLC發明之前傳統控制裝置的缺點

在PLC發明之前，在工業控制的順序控制領域內，常常采用諸如繼電器，鼓式開關，紙帶閱讀器等機械，電氣式器件作為控制元件，尤其是控制繼電器，在離散制造過程控制領域內，成為＂開關控制系統＂中最廣泛使用的器件．但是，隨著工業現代化的發展，生產規模越來越大，勞動生產率及產品質量的要求在不斷提高，對于控制系統的可靠性也提出了更高的要求，原有＂繼電器控制系統＂已不適應需要，究其原因是：動作緩慢，壽命短，可靠性差，體積大，耗電多，設計制造周期長，程序修改費時，不能實現與計算機對話12/10/20226PLC發明之前傳統控制裝置的缺點在PLC發明之前，在工業控在工業控制領域需要一種新的控制器

到60年代后期，雖然小型計算機已日趨完善，應用領域也在不斷擴大，但小型計算機用于開關控制系統，又顯然存在著＂大馬拉小車＂的狀態，這是由于小型計算機：編程復雜，要求有較高水平的編程人員和操作人員，需要配套非標準的外部接口，對環境和現場條件的要求過高，功能過剩，機器資源未能充分利用，造價高昂。12/10/20227在工業控制領域需要一種新的控制器到60年代后期，雖然PLC適合于新的控制要求

需要與可能，促使人們尋求新的出路，PLC即應運而生．它首先應用于美國的汽車工業，這時的PLC，用了固態（集成）電路來代替繼電器邏輯電路，用存儲器電路中的存儲數位（程序）來代替繼電器系統的布線，以程序來規定邏輯關系；用固態I/O電路來檢測按鈕和限位開關的信號，給出輸出以控制電機和其它執行機構．

12/10/20228PLC適合于新的控制要求需要與可能，促使人們尋求新的PLC控制器具有一些新的特點

這時的PLC系統已開始具有如下一些特點：環境適應性較強，可以使用于車間現場,有較高的可靠性和診斷能力，維修容易,基本能適應不同的制造過程所需，柔性度有了較大提高，只要改變系統中的程序即可改變控制邏輯，而無需改造或更換控制硬件等．12/10/20229PLC控制器具有一些新的特點這時的PLC系統已開始具有如微處理器開始引入PLC領域

自1976年以來，微處理器開始引入PLC領域，大大加強了PLC的作用，使PLC由簡單地代替繼電器電路，而發展為先進的控制裝置．當今PLC具有采集與處理大量數據，完成數學運算，與其它智能器件通信的能力，以及具有先進的人－機對話手段（如鍵盤，CRT和語音對話）,近年來由于現場總線理念的出現和相關標準的建立，以及產品的迅速發展，PLC成為現場總線的一個重要組成部分，進一步擴大了PLC的應用領域．12/10/202210微處理器開始引入PLC領域自1976年以來，微處理器PLC的應用迅速得到擴大

由于PLC同時提高了功能和柔性度，使其應用迅速增長，并普及到許多其它離散零件制造工業領域．以及隨后又擴展到批量生產和連續生產過程有關的工業領域．隨著CIMS（計算機集成制造系統）的發展，PLC當前還被人們用于工廠通信網絡之中，與其它智能控制器和計算機系統一起，成為計算機綜合控制系統中的重要組成部分，特別是單元級和工作站級．12/10/202211PLC的應用迅速得到擴大由于PLC同時提高了功能和柔PLC的發展經歷了三個階段

第一階段：開發的PLC容量較小，I/O點數小于120點．用戶存儲區容量在2KB左右，掃描速率為20—50ms/KB,指令較為簡單，只有邏輯運算，計時，計數等，編程語言采用簡單的語句表語言．使用上，主要用來作開關量控制．第二階段：PLC的容量有所擴展，I/O點數從512點至1024點，用戶程序存儲區擴展到8KB以上，速率也有提高，掃描速率達到5—6ms/KB,指令功能除了基本的邏輯運算，計時，計數外，還增加了算術運算指令，比較指令，以及模擬量處理指令等，輸入／輸出類型也由純開關量I/O，擴展為帶模擬量的I/O．編程語言除了使用語句表外，還可以使用梯形圖編程語言．12/10/202212PLC的發展經歷了三個階段第一階段：開發的PLC容量較小PLC的發展經歷了三個階段

第三階段：進入80年代以來，隨著大規模和超大規模集成電路等微電子技術的迅猛發展，以16位和32位微處理器構成的PLC得到驚人的發展，其功能遠遠超出了上述兩階段的產品．使PLC在概念，設計，性能／價格比以及應用方面都有了新的突破．這一階段的產品向大型和小型兩個方向發展．大型產品的I/O點數，超出4000點，有些產品達到8000個I/O點，用戶存儲區容量超過32KB，配置有各種智能模塊（例如，溫度控制模塊，軸定位模塊，過程控制模塊等）和通信模塊，掃描速率也大大提高，達到0.47ms/KB。12/10/202213PLC的發展經歷了三個階段第三階段：進入80年代以來，PLC的發展經歷了三個階段第三階段PLC的指令功能，除了基本的邏輯運算，計時，計數，順序控制外，還有算術浮點運算指令，PID調節功能指令，圖形組態功能指令，網絡和通信指令等．編程語言普遍采用梯形圖語言，同時也使用語句表和順序功能圖語言（典型的有GRAFCET語言）．為了提高系統的可靠性，設計上考慮了容錯技術和冗余技術等．這一階段的小型產品向超小型化和加強型功能發展，有16點I/O，24點I/O的整體型小型PLC，在小型PLC上配置模擬量I/O，通信口，高速計數，指令上也設置有算術運算，比較指令以及PID調節指令．小型PLC使用的手握式編程器使用大面積液晶顯示器，也可以用梯形圖和GRAFCET語言進行編程．12/10/202214PLC的發展經歷了三個階段第三階段PLC的指令功能，除了基PLC的軟件也得到進一步的改進

這一階段PLC的軟件設計也有很大改進，普遍實現了軟件模塊化設計，在PLC產品上提供大量的通用和專用軟件功能模塊，用戶通過簡單的功能調用就可實現復雜的控制任務，給使用帶來極大的方便．使用的編程器越來越完善，專用編程器實際上已經是一臺個人計算機，可以實現離線編程或在線編程及監控，程序打印以及程序固化，實現圖形組態，可以聯網（即掛在PLC網絡上）。有些編程器還可以使用高級語言。12/10/202215PLC的軟件也得到進一步的改進這一階段PLC的軟件設PLC已經成為控制領域的最重要手段

除了專用編程器外，很多PLC可以使用通用的筆記本電腦實現編程，開發一些專用軟件，充分利用個人計算機的能力，完成各種高級的編程功能，省卻了專用編程器，既便于推廣又節省投資．隨著技術的進步，PLC的功能越來越強，應用范疇越來越廣，與其它工業控制機，例如，分散型控制系統（DCS）的界限已經不十分明顯，很多以往必須由分散型控制系統來完成的控制，現在用PLC都能實現，因此在應用上＂交錯＂已經成為普遍現象．12/10/202216PLC已經成為控制領域的最重要手段除了專用編程器外，PLC的定義和硬件、軟件的基本構成

根據IEC標準，給PLC下的定義：

它是在工業環境中使用的數字操作的電子系統，它使用可編程存儲器內部儲存用戶設計的指令，這些指令用來實現特殊的功能，諸如邏輯運算，順序操作，定時，計數以及算術運算和通過數字或模擬輸入／輸出來控制各種類型的機械或過程。12/10/202217PLC的定義和硬件、軟件的基本構成根據IEC標準，給PLC控制器的特點1.控制程序可變，具有很好的柔性，在生產工藝流程改變或生產設備更新的情況下，不必改變PLC的硬設備，只需改變程序就可滿足要求．因此，除單機控制外，PLC在柔性制造單元（FMC）,柔性制造系統（FMS），以致工廠自動化（FA）中也被大量采用．2.具有高度可靠性，適用于工業環境，PLC產品的平均故障間隔時間（MTBF）一般可達到5年以上，因此是一種高度可靠的工業產品，大大提高了生產設備的運行效率．PLC不要求專用設備的機房，這為工業現場的大量直接使用提供了方便．12/10/202218PLC控制器的特點1.控制程序可變，具有很好的柔性PLC控制器的特點

3.功能完善現代PLC具有數字和模擬量輸入／輸出，邏輯和算術運算，定時，計數，順序控制，PID調節，各種智能模塊，遠程I/O模塊，通信，人－機對話，自診斷，記錄和圖形顯示，組態等功能．除了適用于離散型開關量控制系統外，現在也能應用于連續的流程控制系統，從而使設備的控制水平大大提高。12/10/202219PLC控制器的特點3.功能完善現代PLC具有數字和PLC控制器的特點4.易于掌握，便于維修，由于PLC使用編程器進行編程和監控，使用人員只需掌握工程上通用的梯形圖語言（或語句表，流程圖）就可進行用戶程序的編制和測試．因此，即使不太懂得計算機的操作人員，也能掌握和使用PLC．也由于PLC有完善的自診斷功能，輸入／輸出均有明顯的指示，在線監控軟件的功能很強，因此，很容易進行維修，能很快查找出故障的原因．PLC本身高可靠性也保證了故障的幾率是很低的．體積小，省電，與傳統的控制系統相比，PLC的體積很小，一臺收錄機一樣大小的PLC具有相當于三個1.8m高繼電器控制柜的功能．PLC消耗的電能只是傳統控制系統的1/3至1/2。12/10/202220PLC控制器的特點4.易于掌握，便于維修，由于PLPLC控制器的特點5.價格低廉隨著集成電路芯片功能的提高，價格的降低，可編程控制器硬件的價格也一直不斷地在下降．根據最近市場統計，國外小型PLC平均每一個I/O點為14-20美元，中型PLC折算每個I/O點為20-35美元，大型PLC折算每個I/O點為40-80美元．雖然PLC的軟件價格在系統中所占的比重在不斷提高，但由于縮短了整個工程項目的設計，編程和投運費用以及縮短了整個投運周期，因此，使用PLC的總造價是低廉的，而且還呈不斷下降的趨勢．12/10/202221PLC控制器的特點5.價格低廉隨著集成電路芯片功PLC的硬件體系12/10/202222PLC的硬件體系12/10/202222PLC的工作原理

PLC控制的對象是“過程”或“機械”，由傳感器采集“過程”或“機械”的信息，送入PLC的輸入單元，經PLC的中央處理單元處理，結果通過PLC的輸出單元驅動執行機構，由執行機構控制“過程”或“機械”達到預期的目的．圖2.1還表示了PLC的外部設備接口與外部設備之間的聯系．主要的外部設備有編程器（編程器上配置有顯示單元），HMI人－機接口，并行打印機，其它PLC或上位計算機．從原理上講，PLC是計算機的一種，因此，它也由中央處理器，中央存儲器和接口三部分組成．12/10/202223PLC的工作原理PLC控制的對象是“過程”或“機械”，由傳PLC的中央處理單元（CPU）的結構

12/10/202224PLC的中央處理單元（CPU）的結構12/10/20222PLC的中央處理單元（CPU）的結構中央處理單元的核心是中央處理器．中央處理器包含指令計數器，指令存儲器和地址寄存器，變址和基址寄存器，累加器和通用寄存器．除了中央處理器外，還有中央存儲器，中央存儲器劃分成數據，程序和監控三部分．數據部分包含有輸入變量，中間變量和輸出變量的映像區．監控部分存放PLC的監控程序，用戶程序區存放若干個用戶的應用程序塊．12/10/202225PLC的中央處理單元（CPU）的結構中央處理單元的核心是中央CPU和中央存儲器

PLC中的CPU是用來完成對某些不同類型的信息進行操作的單元．這些操作包括信息的轉移，信息的轉換（碼的轉換，數字的轉換），計算，同步，譯碼等．中央處理器（Processor）是CPU中的智能機構（電腦）．它是用來控制程序指令的操作的，處理器本身由若干種寄存器組成．寄存器是由邏輯電路組成的高速半導體存儲器（暫存器），它用來暫時存放數據，外部信息或中間運算結果和對它們進行操作。12/10/202226CPU和中央存儲器PLC中的CPU是用來完成對某些不PLCCPU內部的主要的寄存器1.內部寄存器只能在計算機內部進行存取，允許內部的管理和控制操作．程序計數器有時也稱做“程序指針”，它始終包含有當前正在執行指令的地址，在每一條指令執行結束時，指針的值將被修改，自動地加1．只有在執行跳轉指令時是例外．指針將被放置新的下一條執行指令的地址．2.指令存儲器由“程序指針”所指向的中央存儲器中的當前指令的操作碼（Operationcode），被送至指令寄存器．經過譯碼，在時鐘脈沖控制下，指令寄存器將執行指令：從中央存儲器轉移信息到通用寄存器或取相反過程．對于執行的是跳轉指令，如果命令是正向跳動＋n，則執行指令的結果是強迫程序計數器增量加n．12/10/202227PLCCPU內部的主要的寄存器1.內部寄存器只能在計PLCCPU內部的主要的寄存器3.地址寄存器在指令寄存器取得操作碼（OC）的同時，地址寄存器取得同一指令的操作數地址（Operandaddress）．在一般情況下，地址寄存器涉及的就是操作數的地址，但在轉移指令的情況下，由它決定信息轉移的途徑．例如，在執行向前跳動＋n的指令時，地址寄存器就包含數據值＋n，執行指令是將程序計數器的內容與地址寄存器的內容相加，再送回程序計數器．12/10/202228PLCCPU內部的主要的寄存器3.地址寄存器在指令寄PLCCPU內部的主要的寄存器4.狀態寄存器狀態寄存器是用來設置狀態位的．某個狀態位決定于處理器對某一事件將予以考慮或不予考慮，例如，對中斷優先權的禁止或屏蔽．5.通用寄存器通用寄存器是用戶在編制應用程序時可以使用的一組寄存器，它們中的某些是非常特殊的，另一些則是一般的寄存器，它的數量和組織取決于PLC設計者的選擇．12/10/202229PLCCPU內部的主要的寄存器4.狀態寄存器狀態寄存PLCCPU內部的主要的寄存器6.變址寄存器變址寄存器包含一潛在的基地址，當采用變址尋址方式時，是將預先存放在變址寄存器中的絕對基地址，與地址寄存器中存放的操作數地址（OA）部分相加，得到指令中所要存取信息的地址．這樣一種技術可以擴展尋址的范圍．與地址寄存器有限的地址長度相比可擴展至更大的范圍，但執行指令時間較長．7.累加器寄存器它是用來執行CPU的指令的，對PLC來說，這些指令典型的有按＂位＂執行和按＂字＂執行．對某些PLC類型，只有單一的累加器，＂位＂是作為＂字＂的一個位來處理的，對另一些PLC系統，邏輯運算和數字運算是分開在不同的累加器進行的．12/10/202230PLCCPU內部的主要的寄存器6.變址寄存器變址寄存PLC的存儲器系統處理PLC系統信息的存儲器通常分為兩大部分：中央存儲器和大容量存儲器（硬盤，軟磁盤，磁帶，Flashmemory等）．大容量存儲器一般作為PLC的外部設備．中央存儲器有很高的存取速度，但由于價格較昂貴，限制了它的使用容量；大容量存儲器雖然存取速度較慢，但由于價格相對便宜，適于儲存大容量數據．中央存儲器在PLC的內部，一般由三部分組成．由于對存取速度有要求，所以都采用半導體存儲器，常用的半導體存儲器有靜態RAM，EPROM和E2PROM．12/10/202231PLC的存儲器系統處理PLC系統信息的存儲器通常分為兩大部分PLC的存儲器系統1.中央存儲器的數據部分主要用作輸入變量，輸出變量，中間變量的映像區，因為在PLC的運行過程中，這部分變量是不斷變化的，所以都是采用隨機存取存儲器（一般為靜態RAM）構成的．2.監控程序或操作系統，是PLC設計者為了給用戶使用PLC提供方便，其功能是對PLC及其外設進行資源管理，同時使PLC的用戶編制應用程序時，可以使用級別較高的語言（例如，語句表，梯形圖或SFC控制圖形語言等）．一般監控程序或操作系統都是駐留在中央存儲器中的，例如，固化在中央存儲器的EPROM上，有一些PLC使用較大的操作系統，則除了駐留在中央存儲器上的軟件外，還有一部分軟件放在外設的大容量存儲器中．12/10/202232PLC的存儲器系統1.中央存儲器的數據部分主要用作輸入變量PLC的存儲器系統3.中央存儲器中的用戶應用軟件是用戶針對不同的控制任務，用PLC編程語言編制的應用程序，放置在中央存儲器的用戶存儲器區．有些用戶存儲區可以放置若干個應用程序塊．由于應用程序在調試過程中要不斷修改，又希望在掉電或正常關機時，這部分程序不會丟失，因此，在中央存儲器中常用帶后備電池的CMOSRAM作用戶存儲器區．也可以用E2PROM存放應用程序．如果應用程序經調試后，不再需要改變，這部分程序可以固化在EPROM中12/10/202233PLC的存儲器系統3.中央存儲器中的用戶應用軟件是用戶針對PLC的尋址方式

在CPU與中央存儲器交換信息的過程中，很重要的一點是存儲器的尋址，發展尋址技術的目的是在鍵入數據時增加靈活性，使更為安全和得到更大地址范圍．PLC系統中使用的尋址方式有以下幾種：1.立即數尋址：這種尋址方式的操作數直接放置在指令的地址場中．這種尋址方法，對簡單的計算，例如，計算用戶程序的地址是很方便的．2.相對尋址：在指令的地址場中包含的是正的或負的整數，用它與現行地址（例如，程序計數器的值）代數相加，得到指令的操作數的有效地址．這種尋址方式在執行轉移指令，條件轉移指令或循環指令（LOOP）時是非常有用的．12/10/202234PLC的尋址方式在CPU與中央存儲器交換信息的過程中，很PLC的尋址方式3.間接尋址：這種尋址方式的指令的地址場包含的是操作數所在單元的地址（即指令的操作數有效地址的地址），用這種尋址方式，可以擴展可尋址存儲器的范圍．4.變址或基址尋址：在變址寄存器或通用寄存器中，預先放置一基地址，將此與指令操作數地址場的內容（偏移量）代數相加得到指令操作數的有效地址．5.組合尋址：上面所提到的某些尋址方式可組合起來形成新的尋址方式，例如，相對變址尋址等．12/10/202235PLC的尋址方式3.間接尋址：這種尋址方式的指令的地址場與尋址方法有關的指令的結構

12/10/202236與尋址方法有關的指令的結構12/10/202236PLC中的堆棧

在中央存儲器中，還有一種特殊的應用區，稱為“堆?！保岸褩！笔侵醒氪鎯ζ髦械囊粋€特殊區域，用來存放程序執行過程中的結果或者在子程序調用過程中用來保護“現場”信息，以便子程序結束時能正確地返回．在PLC中使用的“堆棧”主要有兩種形式：一種稱后進先出堆棧（LIFO＿lastinfirstout）,另一種稱先進先出堆棧（FIFO－Firstinfirstout）．圖2.4表示了這兩種“堆?！痹谶M行棧操作時的數據位置．12/10/202237PLC中的堆棧在中央存儲器中，還有一種特殊的應用區，稱為1PLC中的堆棧結構12/10/202238PLC中的堆棧結構12/10/202238PLC中的堆棧結構12/10/202239PLC中的堆棧結構12/10/202239PLCI/O擴展結構

1.整體形非總線結構:80年代，PLC的結構多為組件式，由CPU，I/O及備用模塊等組合而成．現在的小型，微型PLC結構則趨向于將CPU，存儲器與I/O做成一體形結構，整體做成平板薄形，以追求低價格和便于安裝．這種結構的PLC往往采用非總線結構，追求低價格和小型化，其安裝方法也與過去不同，大多安裝到配電盤或機械之中，有的不用外殼，作成插件，以降低售價．12/10/202240PLCI/O擴展結構1.整體形非總線結構:80年代，PLCI/O擴展結構

2.總線形結構大，中型以及一部分小型PLC通常采用總線形方式，可視用戶要求進行組合以滿足不同要求，見圖2.5這種總線結構有多種形式，有采用微機總線，例如VME總線，PC總線，或開發商的專用總線，例如Siemens公司的S5總線等，PLC的I/O總線擴展可以有多種結構方式，主要采用：．并行本地總線．串行遠程通信連接12/10/202241PLCI/O擴展結構2.總線形結構大，中型以及一部分

并行本地總線的PLC結構12/10/202242并行本地總線的PLC結構12/10/202242

串型遠程通信結構的PLC12/10/202243串型遠程通信結構的PLC12/10/202243PLC的I/O模板中央處理器和中央存儲器通過總線與輸入／輸出（I/O）交換信息．PLC以輸入／輸出接口從被控過程采集信息和用來控制被控過程．因此I/O在PLC中起重要作用．工業控制機通常使用在比較惡劣，苛刻的現場環境，這就對I/O提出比較高的要求．盡管I/O摸板的電路并不十分復雜，但PLC用的I/O，工藝都十分考究，對于抑制工業環境帶來的干擾都采取了許多有效措施(要符合EMC電磁兼容性標準)．此外，為了用戶接線和檢查的方便，所有I/O摸板都帶有端子或方便可靠的接插座，以及標志狀態的指示燈．

12/10/202244PLC的I/O模板中央處理器和中央存儲器通過總線與輸入／PLC的工作原理本節用一個最簡單的PLC來說明其工作原理．設有一臺PLC（型號為LEM）,它有6種基本指令，指令見表2.4。表2.4LEMPLC的6種指令：12/10/202245PLC的工作原理本節用一個最簡單的PLC來說明其工作原理．設PLC的工作原理12/10/202246PLC的工作原理12/10/202246PLC的工作原理從指令格式中可以看出指令的地址場包含9位2進制數，允許尋址29=512位．在LEM－PLC中設置128位輸入變量Ui和128位輸出變量Yj，剩下256位保留作為中間變量Xk．因此LEM的數據存儲器（便箋式存儲器）具有512位，以8進制表示時，地址為0(O)至777(O)．圖2.12表示了LEM的數據存儲器組態．

12/10/202247PLC的工作原理從指令格式中可以看出指令的地址場包含9位2PLC的工作原理LEM的中央處理器包含一個程序計數器（P）或稱指令指針（10位寄存器），一個13位指令寄存器（I）和一個邏輯累加器(A),最后還有一個4位后進先出的堆棧LIFD．圖2.13表示執行指令的過程．指令指針執行完當前指令后把指針數加1，指向下一條將執行的指令．現在指令指針中的內容為1000(O)（2進制碼為001000000000）,在程序存儲器（用戶存儲區）中．地址為1000(O)單元處放置有指令IFU3，中央處理器將這條指令取入指令寄存器（I）,這時(I)寄存器的內容為：

12/10/202248PLC的工作原理LEM的中央處理器包含一個程序計數器（PPLC的工作原理12/10/202249PLC的工作原理12/10/202249PLC的工作原理其地址場的內容為000000011轉入地址寄存器（S），并取數據存儲器第3單元（輸入變量U3）的內容送至累加器（A）．這一過程是中央處理器根據指令中的操作碼0001，經譯碼器譯碼后在時鐘的控制下進行的．以上僅僅是執行一條指令的過程．下面說明PLC怎樣使用LIFO堆棧來完成一個梯形圖的梯節或一個布爾代數方程的表達式：12/10/202250PLC的工作原理其地址場的內容為000000011PLC的工作原理

將上述邏輯方程或梯節寫成LEMPLC能執行的程序，其程序表見表2.5。

12/10/202251PLC的工作原理將上述邏輯方程或梯節寫成LEMPLC能PLC的工作原理12/10/202252PLC的工作原理12/10/202252PLC的工作原理12/10/202253PLC的工作原理12/10/202253PLC的工作原理輸入變量，中間變量和輸出變量在數據儲器中的位置如表2.8所示。上面說明了PLC執行一條指令或一個邏輯方程（用梯形圖表示時是一個梯節）的過程．

12/10/202254PLC的工作原理輸入變量，中間變量和輸出變量在數據儲器中的位PLC的工作原理PLC與普通辦公用計算機有一個很大的不同點，就是PLC的程序是自動循環執行的，而普通計算機是按照命令執行程序，程序結束后等待新的命令．后一種工作方式稱異步工作方式．因此，對PLC說來循環是一個十分重要的概念．大部分PLC采用這樣的循環方式，程序一開始，掃描和采集輸入摸板上各輸入變量的數據，然后轉移到中央存儲器的數據區（有時稱為便箋式存儲器或輸入映像區），接著執行用戶的應用程序，把邏輯運算的結果送到便箋式存儲器的輸出映像區，最后將輸出映像區的值送到輸出摸板去控制具體的物理過程．在處理完輸出轉移后，要進行通信程序處理，來完成編程命令或監視命令．然后又回到循環的起始點，掃描和采集輸入摸板．

12/10/202255PLC的工作原理PLC與普通辦公用計算機有一個很大的不同點，PLC的工作原理下面以一個邏輯控制器為例，進一步說明循環的概念，該控制器的配置如下：．16塊輸入摸板，每塊摸板16個輸入點，總共256個輸入點．．16塊輸出摸板，每塊摸板16個輸出點，總共256個輸出點．．程序存儲器4KB一塊輸入板或輸出板的存取時間為29s，執行1K字程序指令的時間為1.85ms．這樣，整個的循環時間是8.3ms．它是由兩個部分組成的：一部分的輸入／輸出循環時間為32X29＝928s=0.928ms；另一部分的執行程序存儲器用戶程序的時間，最長為4X1.85=7.4ms．圖2.15為PLC循環舉例．圖2.16表示了摸板之間信息交換的過程。圖2.17表示了循環的控制信號定時圖。12/10/202256PLC的工作原理下面以一個邏輯控制器為例，進一步說明循環的概PLC的工作原理12/10/202257PLC的工作原理12/10/202257PLC的工作原理12/10/202258PLC的工作原理12/10/202258PLC的工作原理12/10/202259PLC的工作原理12/10/202259PLC的工作原理圖2.17上的各種信號說明如下：S1：輸入／輸出信號的有效周期。B1：輸入／輸出地址總線信號。S2：來自輸入摸板的應答信號。B2：轉移輸入狀態到便箋式存儲器（輸入／輸出映像）的總線信號。B3：從便箋式存儲器中輸出狀態轉移到緩沖存儲器的總線信號．緩沖存儲器能保證即使在輸出板的電源發生故障的情況下，也能保持住應輸出的信息。12/10/202260PLC的工作原理圖2.17上的各種信號說明如下：12/10/PLC的工作原理S3：來自中央處理單元允許轉移到輸出摸板的時鐘信號。S5：邏輯處理信號。B4：程序存儲器地址總線信號。S6：開始執行指令周期的信號。B5：指令的總線信號。有三種基本因素會影響到PLC的循環結構，它們是：輸入／輸出采集戰略。跳轉指令的應用。有可能存在數值計算。12/10/202261PLC的工作原理S3：來自中央處理單元允許轉移到輸出摸板的時PLC的工作原理還有一種更復雜的情況，就是多處理器結構的PLC，在循環過程中要分配給智能摸板命令和采集信息，智能摸板是自身帶CPU具有特殊功能的摸板，智能摸板的循環和主CPU的循環是并行進行的，但主CPU要向智能摸板發送命令和采集信息。在循環過程中，遇有跳轉指令時（包括無條件和條件跳轉），會改變循環的方向，圖2.18表示了執行程序過程中修整循環的例子。12/10/202262PLC的工作原理還有一種更復雜的情況，就是多處理器結構的PPLC的工作原理12/10/202263PLC的工作原理12/10/202263PLC軟件體系

PLC系統軟件和應用軟件PLC的基本軟件包括系統軟件和應用軟件，如果用一個示意圖來表示的話（見圖2.18）,PLC的硬件處在一個園的核心部分．在硬件外圍有三個環包圍著．第一個環是軟件的操作系統，用它來管理各種硬件資源（存儲器，軟盤驅動，鍵盤．CRT,輸入，輸出等）；第二個環是編程語言的編譯系統；第三個環是應用程序．最外圍是被控制對象．相對PLC講來是外部世界．

12/10/202264PLC軟件體系PLC系統軟件和應用軟件12/10/2PLC軟件體系

在硬件和外部世界之間的三個環就構成了PLC的基本軟件，硬件通過基本軟件實現對外部世界的控制．對基本軟件可以下這樣一個定義：PLC的基本軟件是由一組程序組成，這組程序允許對硬件進行管理，并提供使用方便．這組程序也用來生成和開發應用軟件，通過應用軟件實現對外部世界的控制．12/10/202265PLC軟件體系在硬件和外部世界之間的三個環就構成了PLPLC軟件體系

12/10/202266PLC軟件體系12/10/202266PLC軟件體系

在PLC的結構中，軟件操作系統駐留在PLC的中央存儲器內，并且都加以固化。PLC的語言編譯系統，一般都比較大，通常是以磁盤文件的形式，放置在編程器內，最后生成的應用程序也放置在中央存儲器內．但是需要有后備電池支持，以保證關機時，程序不會丟失。只有在程序經確認沒有錯誤，現場也不需改動的情況下，為了提高運行的安全性才將應用程序進行固化。

12/10/202267PLC軟件體系在PLC的結構中，軟件操作系統駐留在PL第1講－可編程控制器的基本原理第2講－STEP7編程軟件第3講－PLC指令系統介紹第4講－IEC61131-3編程語言標準第5講－現場總線第6講－WinCC組態軟件培訓計劃12/10/202268第1講－可編程控制器的基本原理培訓計劃12/10/20PLC的發明和發展過程

PLC（可編程控制器）是上個世紀60年代發展起來的一種新型自動化控制裝置。最早是用于替代傳統的繼電器控制裝置，功能上只有邏輯計算、計時、計數以及順序控制等，而且只能進行開關量控制。因此，其英文原名為“ProgrammableLogicController”，簡稱PLC，中文稱“可編程邏輯控制器”。后來，隨著技術的進步，其控制功能已經遠遠超出邏輯控制的范疇，其名稱也就改為“ProgrammableController”，簡稱PC。但PC又容易與個人計算機“PersonalComputer”的簡稱PC產生混淆，所以近年來人們又傾向于使用PLC這一簡稱，中文仍然稱“可編程控制器”。

12/10/202269PLC的發明和發展過程PLC（可編程控制器）是PLC的發明過程

上個世紀60年代，由于美國汽車工業需要進行大規模的技術改造和設備更新，由傳統的繼電器控制裝置來進行控制，不僅體積龐大，故障率高，柔性差，不靈活，耗能，而且調試困難，可靠性也差．１９６８年由美國通用汽車公司提出使用新一代控制器的設想．從用戶的角度考慮，該公司對新一代控制器提了１０點要求，為各大公司提供了明確的開發目標．次年，就由美國DEC（數字設備公司）首先研制成功第一臺可編程邏輯控制器PDP-14．差不多同時，美國MODICON公司也研制出084控制器．它們的問世，引起了全世界的矚目，美國的其他公司和西歐，日本等工業發達國家，也相繼研究開發出類似的產品．12/10/202270PLC的發明過程上個世紀60年代，由于美國汽車PLC的發展過程由于PLC吸取微電子技術和計算機技術的最新成果，因此，發展十分迅速，從單機自動化到整條生產線的自動化，乃至整個工廠的生產自動化，從柔性制造系統，工業機器人到大型分散型控制系統，PLC均擔當著重要角色。

PLC技術代表了當今電氣程序控制的最先進水平。通過PLC與各種單元自動化裝置（例如，智能儀表、數字化傳動裝置、智能的液壓和氣動閥組等）以及現場總線、計算機網絡系統，構成了車間和工廠自動化的完整體系。12/10/202271PLC的發展過程由于PLC吸取微電子技術和計算機技PLC的應用范圍廣泛可編程控制器應用非常廣泛，近年來對國內進行的調查，在各個領域應用分布大致如下：鋼鐵和有色冶金＿35％汽車和機械制造＿20%輕工，食品，包裝，造紙＿16%化工，石油，工藝過程＿13%交通運輸，礦山＿7%能源，電站，泵站，水處理＿7%科研試驗，教學＿2%12/10/202272PLC的應用范圍廣泛可編程控制器應用非常廣泛，近年來對國內進PLC發明之前傳統控制裝置的缺點

在PLC發明之前，在工業控制的順序控制領域內，常常采用諸如繼電器，鼓式開關，紙帶閱讀器等機械，電氣式器件作為控制元件，尤其是控制繼電器，在離散制造過程控制領域內，成為＂開關控制系統＂中最廣泛使用的器件．但是，隨著工業現代化的發展，生產規模越來越大，勞動生產率及產品質量的要求在不斷提高，對于控制系統的可靠性也提出了更高的要求，原有＂繼電器控制系統＂已不適應需要，究其原因是：動作緩慢，壽命短，可靠性差，體積大，耗電多，設計制造周期長，程序修改費時，不能實現與計算機對話12/10/202273PLC發明之前傳統控制裝置的缺點在PLC發明之前，在工業控在工業控制領域需要一種新的控制器

到60年代后期，雖然小型計算機已日趨完善，應用領域也在不斷擴大，但小型計算機用于開關控制系統，又顯然存在著＂大馬拉小車＂的狀態，這是由于小型計算機：編程復雜，要求有較高水平的編程人員和操作人員，需要配套非標準的外部接口，對環境和現場條件的要求過高，功能過剩，機器資源未能充分利用，造價高昂。12/10/202274在工業控制領域需要一種新的控制器到60年代后期，雖然PLC適合于新的控制要求

需要與可能，促使人們尋求新的出路，PLC即應運而生．它首先應用于美國的汽車工業，這時的PLC，用了固態（集成）電路來代替繼電器邏輯電路，用存儲器電路中的存儲數位（程序）來代替繼電器系統的布線，以程序來規定邏輯關系；用固態I/O電路來檢測按鈕和限位開關的信號，給出輸出以控制電機和其它執行機構．

12/10/202275PLC適合于新的控制要求需要與可能，促使人們尋求新的PLC控制器具有一些新的特點

這時的PLC系統已開始具有如下一些特點：環境適應性較強，可以使用于車間現場,有較高的可靠性和診斷能力，維修容易,基本能適應不同的制造過程所需，柔性度有了較大提高，只要改變系統中的程序即可改變控制邏輯，而無需改造或更換控制硬件等．12/10/202276PLC控制器具有一些新的特點這時的PLC系統已開始具有如微處理器開始引入PLC領域

自1976年以來，微處理器開始引入PLC領域，大大加強了PLC的作用，使PLC由簡單地代替繼電器電路，而發展為先進的控制裝置．當今PLC具有采集與處理大量數據，完成數學運算，與其它智能器件通信的能力，以及具有先進的人－機對話手段（如鍵盤，CRT和語音對話）,近年來由于現場總線理念的出現和相關標準的建立，以及產品的迅速發展，PLC成為現場總線的一個重要組成部分，進一步擴大了PLC的應用領域．12/10/202277微處理器開始引入PLC領域自1976年以來，微處理器PLC的應用迅速得到擴大

由于PLC同時提高了功能和柔性度，使其應用迅速增長，并普及到許多其它離散零件制造工業領域．以及隨后又擴展到批量生產和連續生產過程有關的工業領域．隨著CIMS（計算機集成制造系統）的發展，PLC當前還被人們用于工廠通信網絡之中，與其它智能控制器和計算機系統一起，成為計算機綜合控制系統中的重要組成部分，特別是單元級和工作站級．12/10/202278PLC的應用迅速得到擴大由于PLC同時提高了功能和柔PLC的發展經歷了三個階段

第一階段：開發的PLC容量較小，I/O點數小于120點．用戶存儲區容量在2KB左右，掃描速率為20—50ms/KB,指令較為簡單，只有邏輯運算，計時，計數等，編程語言采用簡單的語句表語言．使用上，主要用來作開關量控制．第二階段：PLC的容量有所擴展，I/O點數從512點至1024點，用戶程序存儲區擴展到8KB以上，速率也有提高，掃描速率達到5—6ms/KB,指令功能除了基本的邏輯運算，計時，計數外，還增加了算術運算指令，比較指令，以及模擬量處理指令等，輸入／輸出類型也由純開關量I/O，擴展為帶模擬量的I/O．編程語言除了使用語句表外，還可以使用梯形圖編程語言．12/10/202279PLC的發展經歷了三個階段第一階段：開發的PLC容量較小PLC的發展經歷了三個階段

第三階段：進入80年代以來，隨著大規模和超大規模集成電路等微電子技術的迅猛發展，以16位和32位微處理器構成的PLC得到驚人的發展，其功能遠遠超出了上述兩階段的產品．使PLC在概念，設計，性能／價格比以及應用方面都有了新的突破．這一階段的產品向大型和小型兩個方向發展．大型產品的I/O點數，超出4000點，有些產品達到8000個I/O點，用戶存儲區容量超過32KB，配置有各種智能模塊（例如，溫度控制模塊，軸定位模塊，過程控制模塊等）和通信模塊，掃描速率也大大提高，達到0.47ms/KB。12/10/202280PLC的發展經歷了三個階段第三階段：進入80年代以來，PLC的發展經歷了三個階段第三階段PLC的指令功能，除了基本的邏輯運算，計時，計數，順序控制外，還有算術浮點運算指令，PID調節功能指令，圖形組態功能指令，網絡和通信指令等．編程語言普遍采用梯形圖語言，同時也使用語句表和順序功能圖語言（典型的有GRAFCET語言）．為了提高系統的可靠性，設計上考慮了容錯技術和冗余技術等．這一階段的小型產品向超小型化和加強型功能發展，有16點I/O，24點I/O的整體型小型PLC，在小型PLC上配置模擬量I/O，通信口，高速計數，指令上也設置有算術運算，比較指令以及PID調節指令．小型PLC使用的手握式編程器使用大面積液晶顯示器，也可以用梯形圖和GRAFCET語言進行編程．12/10/202281PLC的發展經歷了三個階段第三階段PLC的指令功能，除了基PLC的軟件也得到進一步的改進

這一階段PLC的軟件設計也有很大改進，普遍實現了軟件模塊化設計，在PLC產品上提供大量的通用和專用軟件功能模塊，用戶通過簡單的功能調用就可實現復雜的控制任務，給使用帶來極大的方便．使用的編程器越來越完善，專用編程器實際上已經是一臺個人計算機，可以實現離線編程或在線編程及監控，程序打印以及程序固化，實現圖形組態，可以聯網（即掛在PLC網絡上）。有些編程器還可以使用高級語言。12/10/202282PLC的軟件也得到進一步的改進這一階段PLC的軟件設PLC已經成為控制領域的最重要手段

除了專用編程器外，很多PLC可以使用通用的筆記本電腦實現編程，開發一些專用軟件，充分利用個人計算機的能力，完成各種高級的編程功能，省卻了專用編程器，既便于推廣又節省投資．隨著技術的進步，PLC的功能越來越強，應用范疇越來越廣，與其它工業控制機，例如，分散型控制系統（DCS）的界限已經不十分明顯，很多以往必須由分散型控制系統來完成的控制，現在用PLC都能實現，因此在應用上＂交錯＂已經成為普遍現象．12/10/202283PLC已經成為控制領域的最重要手段除了專用編程器外，PLC的定義和硬件、軟件的基本構成

根據IEC標準，給PLC下的定義：

它是在工業環境中使用的數字操作的電子系統，它使用可編程存儲器內部儲存用戶設計的指令，這些指令用來實現特殊的功能，諸如邏輯運算，順序操作，定時，計數以及算術運算和通過數字或模擬輸入／輸出來控制各種類型的機械或過程。12/10/202284PLC的定義和硬件、軟件的基本構成根據IEC標準，給PLC控制器的特點1.控制程序可變，具有很好的柔性，在生產工藝流程改變或生產設備更新的情況下，不必改變PLC的硬設備，只需改變程序就可滿足要求．因此，除單機控制外，PLC在柔性制造單元（FMC）,柔性制造系統（FMS），以致工廠自動化（FA）中也被大量采用．2.具有高度可靠性，適用于工業環境，PLC產品的平均故障間隔時間（MTBF）一般可達到5年以上，因此是一種高度可靠的工業產品，大大提高了生產設備的運行效率．PLC不要求專用設備的機房，這為工業現場的大量直接使用提供了方便．12/10/202285PLC控制器的特點1.控制程序可變，具有很好的柔性PLC控制器的特點

3.功能完善現代PLC具有數字和模擬量輸入／輸出，邏輯和算術運算，定時，計數，順序控制，PID調節，各種智能模塊，遠程I/O模塊，通信，人－機對話，自診斷，記錄和圖形顯示，組態等功能．除了適用于離散型開關量控制系統外，現在也能應用于連續的流程控制系統，從而使設備的控制水平大大提高。12/10/202286PLC控制器的特點3.功能完善現代PLC具有數字和PLC控制器的特點4.易于掌握，便于維修，由于PLC使用編程器進行編程和監控，使用人員只需掌握工程上通用的梯形圖語言（或語句表，流程圖）就可進行用戶程序的編制和測試．因此，即使不太懂得計算機的操作人員，也能掌握和使用PLC．也由于PLC有完善的自診斷功能，輸入／輸出均有明顯的指示，在線監控軟件的功能很強，因此，很容易進行維修，能很快查找出故障的原因．PLC本身高可靠性也保證了故障的幾率是很低的．體積小，省電，與傳統的控制系統相比，PLC的體積很小，一臺收錄機一樣大小的PLC具有相當于三個1.8m高繼電器控制柜的功能．PLC消耗的電能只是傳統控制系統的1/3至1/2。12/10/202287PLC控制器的特點4.易于掌握，便于維修，由于PLPLC控制器的特點5.價格低廉隨著集成電路芯片功能的提高，價格的降低，可編程控制器硬件的價格也一直不斷地在下降．根據最近市場統計，國外小型PLC平均每一個I/O點為14-20美元，中型PLC折算每個I/O點為20-35美元，大型PLC折算每個I/O點為40-80美元．雖然PLC的軟件價格在系統中所占的比重在不斷提高，但由于縮短了整個工程項目的設計，編程和投運費用以及縮短了整個投運周期，因此，使用PLC的總造價是低廉的，而且還呈不斷下降的趨勢．12/10/202288PLC控制器的特點5.價格低廉隨著集成電路芯片功PLC的硬件體系12/10/202289PLC的硬件體系12/10/202222PLC的工作原理

PLC控制的對象是“過程”或“機械”，由傳感器采集“過程”或“機械”的信息，送入PLC的輸入單元，經PLC的中央處理單元處理，結果通過PLC的輸出單元驅動執行機構，由執行機構控制“過程”或“機械”達到預期的目的．圖2.1還表示了PLC的外部設備接口與外部設備之間的聯系．主要的外部設備有編程器（編程器上配置有顯示單元），HMI人－機接口，并行打印機，其它PLC或上位計算機．從原理上講，PLC是計算機的一種，因此，它也由中央處理器，中央存儲器和接口三部分組成．12/10/202290PLC的工作原理PLC控制的對象是“過程”或“機械”，由傳PLC的中央處理單元（CPU）的結構

12/10/202291PLC的中央處理單元（CPU）的結構12/10/20222PLC的中央處理單元（CPU）的結構中央處理單元的核心是中央處理器．中央處理器包含指令計數器，指令存儲器和地址寄存器，變址和基址寄存器，累加器和通用寄存器．除了中央處理器外，還有中央存儲器，中央存儲器劃分成數據，程序和監控三部分．數據部分包含有輸入變量，中間變量和輸出變量的映像區．監控部分存放PLC的監控程序，用戶程序區存放若干個用戶的應用程序塊．12/10/202292PLC的中央處理單元（CPU）的結構中央處理單元的核心是中央CPU和中央存儲器

PLC中的CPU是用來完成對某些不同類型的信息進行操作的單元．這些操作包括信息的轉移，信息的轉換（碼的轉換，數字的轉換），計算，同步，譯碼等．中央處理器（Processor）是CPU中的智能機構（電腦）．它是用來控制程序指令的操作的，處理器本身由若干種寄存器組成．寄存器是由邏輯電路組成的高速半導體存儲器（暫存器），它用來暫時存放數據，外部信息或中間運算結果和對它們進行操作。12/10/202293CPU和中央存儲器PLC中的CPU是用來完成對某些不PLCCPU內部的主要的寄存器1.內部寄存器只能在計算機內部進行存取，允許內部的管理和控制操作．程序計數器有時也稱做“程序指針”，它始終包含有當前正在執行指令的地址，在每一條指令執行結束時，指針的值將被修改，自動地加1．只有在執行跳轉指令時是例外．指針將被放置新的下一條執行指令的地址．2.指令存儲器由“程序指針”所指向的中央存儲器中的當前指令的操作碼（Operationcode），被送至指令寄存器．經過譯碼，在時鐘脈沖控制下，指令寄存器將執行指令：從中央存儲器轉移信息到通用寄存器或取相反過程．對于執行的是跳轉指令，如果命令是正向跳動＋n，則執行指令的結果是強迫程序計數器增量加n．12/10/202294PLCCPU內部的主要的寄存器1.內部寄存器只能在計PLCCPU內部的主要的寄存器3.地址寄存器在指令寄存器取得操作碼（OC）的同時，地址寄存器取得同一指令的操作數地址（Operandaddress）．在一般情況下，地址寄存器涉及的就是操作數的地址，但在轉移指令的情況下，由它決定信息轉移的途徑．例如，在執行向前跳動＋n的指令時，地址寄存器就包含數據值＋n，執行指令是將程序計數器的內容與地址寄存器的內容相加，再送回程序計數器．12/10/202295PLCCPU內部的主要的寄存器3.地址寄存器在指令寄PLCCPU內部的主要的寄存器4.狀態寄存器狀態寄存器是用來設置狀態位的．某個狀態位決定于處理器對某一事件將予以考慮或不予考慮，例如，對中斷優先權的禁止或屏蔽．5.通用寄存器通用寄存器是用戶在編制應用程序時可以使用的一組寄存器，它們中的某些是非常特殊的，另一些則是一般的寄存器，它的數量和組織取決于PLC設計者的選擇．12/10/202296PLCCPU內部的主要的寄存器4.狀態寄存器狀態寄存PLCCPU內部的主要的寄存器6.變址寄存器變址寄存器包含一潛在的基地址，當采用變址尋址方式時，是將預先存放在變址寄存器中的絕對基地址，與地址寄存器中存放的操作數地址（OA）部分相加，得到指令中所要存取信息的地址．這樣一種技術可以擴展尋址的范圍．與地址寄存器有限的地址長度相比可擴展至更大的范圍，但執行指令時間較長．7.累加器寄存器它是用來執行CPU的指令的，對PLC來說，這些指令典型的有按＂位＂執行和按＂字＂執行．對某些PLC類型，只有單一的累加器，＂位＂是作為＂字＂的一個位來處理的，對另一些PLC系統，邏輯運算和數字運算是分開在不同的累加器進行的．12/10/202297PLCCPU內部的主要的寄存器6.變址寄存器變址寄存PLC的存儲器系統處理PLC系統信息的存儲器通常分為兩大部分：中央存儲器和大容量存儲器（硬盤，軟磁盤，磁帶，Flashmemory等）．大容量存儲器一般作為PLC的外部設備．中央存儲器有很高的存取速度，但由于價格較昂貴，限制了它的使用容量；大容量存儲器雖然存取速度較慢，但由于價格相對便宜，適于儲存大容量數據．中央存儲器在PLC的內部，一般由三部分組成．由于對存取速度有要求，所以都采用半導體存儲器，常用的半導體存儲器有靜態RAM，EPROM和E2PROM．12/10/202298PLC的存儲器系統處理PLC系統信息的存儲器通常分為兩大部分PLC的存儲器系統1.中央存儲器的數據部分主要用作輸入變量，輸出變量，中間變量的映像區，因為在PLC的運行過程中，這部分變量是不斷變化的，所以都是采用隨機存取存儲器（一般為靜態RAM）構成的．2.監控程序或操作系統，是PLC設計者為了給用戶使用PLC提供方便，其功能是對PLC及其外設進行資源管理，同時使PLC的用戶編制應用程序時，可以使用級別較高的語言（例如，語句表，梯形圖或SFC控制圖形語言等）．一般監控程序或操作系統都是駐留在中央存儲器中的，例如，固化在中央存儲器的EPROM上，有一些PLC使用較大的操作系統，則除了駐留在中央存儲器上的軟件外，還有一部分軟件放在外設的大容量存儲器中．12/10/202299PLC的存儲器系統1.中央存儲器的數據部分主要用作輸入變量PLC的存儲器系統3.中央存儲器中的用戶應用軟件是用戶針對不同的控制任務，用PLC編程語言編制的應用程序，放置在中央存儲器的用戶存儲器區．有些用戶存儲區可以放置若干個應用程序塊．由于應用程序在調試過程中要不斷修改，又希望在掉電或正常關機時，這部分程序不會丟失，因此，在中央存儲器中常用帶后備電池的CMOSRAM作用戶存儲器區．也可以用E2PROM存放應用程序．如果應用程序經調試后，不再需要改變，這部分程序可以固化在EPROM中12/10/2022100PLC的存儲器系統3.中央存儲器中的用戶應用軟件是用戶針對PLC的尋址方式

在CPU與中央存儲器交換信息的過程中，很重要的一點是存儲器的尋址，發展尋址技術的目的是在鍵入數據時增加靈活性，使更為安全和得到更大地址范圍．PLC系統中使用的尋址方式有以下幾種：1.立即數尋址：這種尋址方式的操作數直接放置在指令的地址場中．這種尋址方法，對簡單的計算，例如，計算用戶程序的地址是很方便的．2.相對尋址：在指令的地址場中包含的是正的或負的整數，用它與現行地址（例如，程序計數器的值）代數相加，得到指令的操作數的有效地址．這種尋址方式在執行轉移指令，條件轉移指令或循環指令（LOOP）時是非常有用的．12/10/2022101PLC的尋址方式在CPU與中央存儲器交換信息的過程中，很PLC的尋址方式3.間接尋址：這種尋址方式的指令的地址場包含的是操作數所在單元的地址（即指令的操作數有效地址的地址），用這種尋址方式，可以擴展可尋址存儲器的范圍．4.變址或基址尋址：在變址寄存器或通用寄存器中，預先放置一基地址，將此與指令操作數地址場的內容（偏移量）代數相加得到指令操作數的有效地址．5.組合尋址：上面所提到的某些尋址方式可組合起來形成新的尋址方式，例如，相對變址尋址等．12/10/2022102PLC的尋址方式3.間接尋址：這種尋址方式的指令的地址場與尋址方法有關的指令的結構

12/10/2022103與尋址方法有關的指令的結構12/10/202236PLC中的堆棧

在中央存儲器中，還有一種特殊的應用區，稱為“堆?！保岸褩！笔侵醒氪鎯ζ髦械囊粋€特殊區域，用來存放程序執行過程中的結果或者在子程序調用過程中用來保護“現場”信息，以便子程序結束時能正確地返回．在PLC中使用的“堆?！敝饕袃煞N形式：一種稱后進先出堆棧（LIFO＿lastinfirstout）,另一種稱先進先出堆棧（FIFO－Firstinfirstout）．圖2.4表示了這兩種“堆棧”在進行棧操作時的數據位置．12/10/2022104PLC中的堆棧在中央存儲器中，還有一種特殊的應用區，稱為1PLC中的堆棧結構12/10/2022105PLC中的堆棧結構12/10/202238PLC中的堆棧結構12/10/2022106PLC中的堆棧結構12/10/202239PLCI/O擴展結構

1.整體形非總線結構:80年代，PLC的結構多為組件式，由CPU，I/O及備用模塊等組合而成．現在的小型，微型PLC結構則趨向于將CPU，存儲器與I/O做成一體形結構，整體做成平板薄形，以追求低價格和便于安裝．這種結構的PLC往往采用非總線結構，追求低價格和小型化，其安裝方法也與過去不同，大多安裝到配電盤或機械之中，有的不用外殼，作成插件，以降低售價．12/10/2022107PLCI/O擴展結構1.整體形非總線結構:80年代，PLCI/O擴展結構

2.總線形結構大，中型以及一部分小型PLC通常采用總線形方式，可視用戶要求進行組合以滿足不同要求，見圖2.5這種總線結構有多種形式，有采用微機總線，例如VME總線，PC總線，或開發商的專用總線，例如Siemens公司的S5總線等，PLC的I/O總線擴展可以有多種結構方式，主要采用：．并行本地總線．串行遠程通信連接12/10/2022108PLCI/O擴展結構2.總線形結構大，中型以及一部分

并行本地總線的PLC結構12/10/2022109并行本地總線的PLC結構12/10/202242

串型遠程通信結構的PLC12/10/2022110串型遠程通信結構的PLC12/10/202243PLC的I/O模板中央處理器和中央存儲器通過總線與輸入／輸出（I/O）交換信息．PLC以輸入／輸出接口從被控過程采集信息和用來控制被控過程．因此I/O在PLC中起重要作用．工業控制機通常使用在比較惡劣，苛刻的現場環境，這就對I/O提出比較高的要求．盡管I/O摸板的電路并不十分復雜，但PLC用的I/O，工藝都十分考究，對于抑制工業環境帶來的干擾都采取了許多有效措施(要符合EMC電磁兼容性標準)．此外，為了用戶接線和檢查的方便，所有I/O摸板都帶有端子或方便可靠的接插座，以及標志狀態的指示燈．

12/10/2022111PLC的I/O模板中央處理器和中央存儲器通過總線與輸入／PLC的工作原理本節用一個最簡單的PLC來說明其工作原理．設有一臺PLC（型號為LEM）,它有6種基本指令，指令見表2.4。表2.4LEMPLC的6種指令：12/10/2022112PLC的工作原理本節用一個最簡單的PLC來說明其工作原理．設PLC的工作原理12/10/2022113PLC的工作原理12/10/202246PLC的工作原理從指令格式中可以看出指令的地址場包含9位2進制數，允許尋址29=512位．在LEM－PLC中設置128位輸入變量Ui和128位輸出變量Yj，剩下256位保留作為中間變量Xk．因此LEM的數據存儲器（便箋式存儲器）具有512位，以8進制表示時，地址為0(O)至777(O)．圖2.12表示了LEM的數據存儲器組態．

12/10/2022114PLC的工作原理從指令格式中可以看出指令的地址場包含9位2PLC的工作原理LEM的中央處理器包含一個程序計數器（P）或稱指令指針（10位寄存器），一個13位指令寄存器（I）和一個邏輯累加器(A),最后還有一個4位后進先出的堆棧LIFD．圖2.13表示執行指令的過程．指令指針執行完當前指令后把指針數加1，指向下一條將執行的指令．現在指令指針中的內容為1000(O)（2進制碼為001000000000）,在程序存儲器（用戶存儲區）中．地址為1000(O)單元處放置有指令IFU3，中央處理器將這條指令取入指令寄存器（I）,這時(I)寄存器的內容為：

12/10/2022115PLC的工作原理LEM的中央處理器包含一個程序計數器（PPLC的工作原理12/10/2022116PLC的工作原理12/1