1.2 PLC的分类和工作原理

1.2.1 PLC的分类

随着PLC的发展和应用领域的扩展，PLC的种类越来越多，可从不同的角度进行分类，如结构、I/O点、功能、生产厂家等。

（1）按结构形式分类

PLC根据结构形式的不同可分为整体式PLC、组合式PLC和叠装式PLC三种。

① 整体式PLC 整体式PLC是将CPU、I/O接口、存储器、电源等部分全部固定安装在一块或几块印制电路板上，使之成为统一的整体。当控制点数不符合要求时，可连接扩展单元，以实现较多点数的控制。这种PLC体积小巧，目前小型、超小型PLC多采用这种结构，如图1-11所示。

② 组合式PLC 组合式PLC的CPU、I/O接口、存储器、电源等部分都是以模块形式按一定规则组合配置而成（因此也称为模块式PLC）。这种PLC可以根据实际需要进行灵活配置，目前中型或大型PLC多采用组合式结构，如图1-12所示。

③ 叠装式PLC 叠装式PLC是一种集合了整体式PLC的结构紧凑、体积小巧和组合式PLC的I/O点数搭配灵活于一体的PLC，如图1-13所示。这种PLC将CPU（CPU和一定的I/O接口）独立出来作为基本单元，其他模块为I/O模块作为扩展单元，且各单元可一层层地叠装，连接时使用电缆进行单元之间的连接即可。

（2）按I/O点数分类

I/O点数是指PLC可接入外部信号的数目，I指PLC可接入输入点的数目，O指PLC可接入输出点的数目，I/O点则指PLC可接入的输入点、输出点的总数。

PLC根据I/O点数的不同可分为小型PLC、中型PLC和大型PLC三种。

① 小型PLC 小型PLC是指I/O点数在24～256点之间的小规模PLC，如图1-14所示，这种PLC一般用于单机控制或小型系统的控制。

② 中型PLC 中型PLC的I/O点数一般在256～2048点之间，如图1-15所示，这种PLC不仅可对设备直接进行控制，同时还可用于对下一级的多个可编程控制器进行监控，一

般用于中型或大型系统的控制。

③ 大型PLC 大型PLC的I/O点数一般在2048点以上，如图1-16所示。这种PLC能够进行复杂的算数运算和矩阵运算，可对设备进行直接控制，同时还可用于对下一级的多个可编程控制器进行监控，一般用于大型系统的控制。

（3）按功能分类

PLC根据功能的不同可分为低档PLC、中档PLC和高档PLC三种。

① 低档PLC 具有简单的逻辑运算、定时、计算、监控、数据传送、通信等基本控制功能和运算功能的PLC称为低档PLC。这种PLC工作速度较低，能带动I/O模块的数量也较少。

图1-17为低档PLC实物外形。

② 中档PLC 中档PLC除具有低档PLC的控制功能外，还具有较强的控制功能和运算能力，如比较复杂的三角函数、指数和PID运算等，同时还具有远程I/O、通信联网等功能，这种PLC工作速度较快，能带动I/O模块的数量也较多。

图1-18为中档PLC实物外形。

③ 高档PLC 高档PLC除具有中档PLC的功能外，还具有更为强大的控制功能、运算功能和联网功能，如矩阵运算、位逻辑运算、平方根运算及其他特殊功能函数运算等，这种PLC工作速度很快，能带动I/O模块的数量也很多。

图1-19为高档PLC实物外形。

（4）按生产厂家分类

PLC的生产厂家较多，如美国的AB公司、通用电气公司，德国的西门子公司，法国的TE公司，日本的欧姆龙、三菱、富士等公司，都是目前市场上非常主流且极具有代表性的生产厂家。图1-20为不同生产厂家生产的PLC实物外形。

1.2.2 PLC如何工作

PLC是一种以微处理器为核心的可编程控制装置，由电源电路提供所需工作电压，是专门为大中型工业用户现场的操作管理而设计的，它采用可编程的存储器，用以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指令，并通过数字式或模拟式的输入、输出接口，控制各种类型的机械或生产过程。

图1-21为PLC的整机工作原理示意图。

（1）PLC用户程序的输入

PLC的用户程序是由工程技术人员通过编程设备（简称编程器）输入的，如图1-22所示。

（2）PLC内部用户程序的编译过程

图1-23为PLC内部用户程序的编译过程。将用户编写的程序存入PLC后，CPU会向存储器发出控制指令，从程序存储器中调用解释程序将编写的程序进一步编译，使之成为PLC认可的编译程序。

（3）PLC用户程序的执行过程

用户程序的执行过程为PLC工作的核心内容，如图1-24所示。

为了更清晰地了解PLC的工作过程，将PLC内部等效为三个功能电路，即输入电路、运算控制电路和输出电路，如图1-25所示。

① PLC的输入电路 输入电路主要为输入信号采集部分，其作用是将被控对象的各种控制信息及操作命令转换成PLC输入信号，然后送给运算控制电路部分。

PLC输入电路根据输入端电源类型不同主要有直流输入电路和交流输入电路两种。

a.直流输入电路 例如，图1-26为典型PLC中的直流输入电路。该电路主要由电阻器R1、R2和电容器C、光耦合器IC、发光二极管LED等构成。其中R1为限流电阻，R2与C构成滤波电路，用于滤除输入信号中的高频干扰；光耦合器起到光电隔离的作用，防止现

场的强电干扰进入PLC中；发光二极管用于显示输入点的状态。

b.交流输入电路 PLC交流输入电路与直流输入电路基本相同，外接交流电源的大小根据不同CPU类型有所不同（可参阅相应的使用手册）。

例如，图1-28为典型PLC交流输入电路。该电路中，电容器C2用于隔离交流强电中的直流分量，防止强电干扰损坏PLC。另外，光耦合器内部为两个方向相反的发光二极管，任意一个发光二极管导通都可以使光耦合器中光敏晶体管导通并输出相应信号。状态指示灯也采用了两个反向并联的发光二极管，光耦合器中任意一只二极管导通都能使状态指示灯点亮（直流输入电路也可以采用该结构，外接直流电源时可不用考虑极性）。

② PLC的运算控制电路 运算控制电路以内部的CPU为核心，按照用户设定的程序对输入信息进行处理，然后将处理结果送至输出电路，再由输出电路输出控制信号。这个过程实现了算术运算和逻辑运算等多种处理功能。

③ PLC的输出电路 输出电路即开关量的输出单元，由PLC输出接口电路、连接端子和外部设备及功能部件构成，CPU完成的运算结果由该电路提供给被控负载，用以完成PLC主机与工业设备或生产机械之间的信息交换。

PLC的输出电路根据输出电路所用开关器件不同，主要有晶体管输出电路、晶闸管输出电路和继电器输出电路三种。

a.晶体管输出电路 晶体管输出电路是指PLC内部电路输出的控制信号，经由晶体管构成的输出接口电路、PLC输出接线端子后，送至外接的执行部件，用以输出开关量信号，执行相应动作。例如，图1-29为典型PLC的晶体管输出电路。该电路主要由光耦合器IC、状态指示灯LED、输出晶体管VT、保护二极管VD、熔断器FU等构成。其中，熔断器FU

用于防止PLC外接设备或功能部件短路时损坏PLC。

b.晶闸管输出电路 晶闸管输出电路是指PLC内部电路输出的控制信号，经由晶闸管构成的输出接口电路、PLC输出接线端子，送至外接的执行部件，用以输出开关量信号，执行相应动作，如图1-30所示。

c. 继电器输出电路 继电器输出电路是指PLC内部电路输出的控制信号，经由继电器构成的输出接口电路、PLC输出接线端子，送至外接的执行部件，用以输出开关量信号，执行相应动作，如图1-31所示。

（4）PLC电源电路的供电过程

在PLC整个工作过程中，PLC中的电源始终为各部分电路提供工作所需的电压，以确保PLC工作的顺利进行。

图1-32为PLC的电源供电电路，该电路主要是将外加的交流电压或直流电压转换成微处理器、存储器、I/O电路等部分所需要的工作电压。

（5）PLC的工作方式

PLC的工作方式采用不断循环的顺序扫描工作方式（串行工作方式），如图1-33所示。CPU从第一条指令开始执行程序，按顺序逐条地执行用户程序直到用户程序结束，然后返回第一条指令开始新的一轮扫描，如此周而复始不断循环。当然，整个过程是在系统软件控制下进行的，顺次扫描各输入点的状态，按用户程序进行运算处理（用户程序按先后顺序存放），然后顺序向输出点发出相应的控制信号。