PLC问世以来，尽管时间不长，但发展迅速。为了使其生产和发展标准化，美国电气制造商协会NEMA（National Electrical Manufactory Association）经过四年的调查工作，于1984年首先将其正式命名为PC（Programmable Controller），并给PC作了如下定义：

“PC是一个数字式的电子装置，它使用了可编程序的记忆体储存指令。用来执行诸如逻辑，顺序，计时，计数与演算等功能，并通过数字或类似的输入/输出模块，以控制各种机械或工作程序。一部数字电子计算机若是从事执行PC之功能着，亦被视为PC，但不包括鼓式或类似的机械式顺序控制器。”

总之，可编程控制器是一台计算机，它是专为工业环境应用而设计制造的计算机。

它具有丰富的输入/输出接口，并且具有较强的驱动能力。

但可编程控制器产品并不针对某一具体工业应用，在实际应用时，其硬件需根据实际需要进行选用配置，其软件需根据控制要求进行设计编制。

1.2 PLC组成框图

PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同

PLC首先是一台计算机CPU
有大量的输入IO端口
有大量的输出IO端口
针对工业现场高可靠性的要求做了很多的定制

（1）中央处理单元

（CPU）是PLC的控制中枢。

它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。

当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。

为了进一步提高PLC的可靠性，近年来对大型PLC还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。

与通用CPU机编程不同，PLC编程主要监控的是IO端口。

（2）存储器

存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。

PLC常用的存储器类型

（1）RAM （Random Assess Memory）这是一种读/写存储器（随机存储器），其存取速度最快，由锂电池支持。

（2）EPROM（Erasable Programmable Read Only Memory）这是一种可擦除的只读存储器。在断电情况下，存储器内的所有内容保持不变。（在紫外线连续照射下可擦除存储器内容）。

（3）EEPROM（Electrical Erasable Programmable Read Only Memory）这是一种电可擦除的只读存储器。使用编程器就能很容易地对其所存储的内容进行修改。

PLC存储空间的分配

虽然各种PLC的CPU的最大寻址空间各不相同，但是根据PLC的工作原理，其存储空间一般包括以下三个区域：

（1）系统程序存储区

（2）系统RAM存储区（包括I/O映象区和系统软设备等）

（3）用户程序存储区系统程序存储区：在系统程序存储区中存放着相当于计算机操作系统的系统程序。包括监控程序、管理程序、命令解释程序、功能子程序、系统诊断子程序等。由制造厂商将其固化在EPROM中，用户不能直接存取。它和硬件一起决定了该PLC的性能。

（3）电源

PLC的电源在整个系统中起着十分重要得作用。

如果没有一个良好的、可靠得电源系统是无法正常工作的，因此PLC的制造商对电源的设计和制造也十分重视。

一般交流电压波动在+10%（+15%）范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去。

1.3 PLC的功能

随着半导体芯片的指数级进步，个人计算机(PC) 的发展也在不断发展。随着计算机芯片变得更强大、更小、更便宜，工业电脑在自动化行业中越来越受到关注。

工业电脑可以涵盖PLC 提供的监督控制，但具有更多工作负载，例如 HMI、网关、AI 应用程序等。由于GPU、TPU、VPU、NVMe SSD等性能加速器，工业电脑能够执行这些工作负载的整合。能够整合工作负载可减少其在工厂车间内的硬件占用空间。

普通计算机和工业计算机有着非常相似的基本组件，例如CPU、RAM、SSD 和GPU。但是，工业电脑的制造和设计能够承受极端环境条件，从极端温度到冲击和振动暴露。

普通的PC在遇到一些恶劣的环境时会很快出现故障。一些使工业PC极其坚固的设计和制造材料是无风扇设计、一体式机箱和工业级材料。此外，工业电脑用途广泛。

它们不仅支持最新技术，还支持工厂自动化中常见的传统技术，如串口、COM、M12 连接器、DIO、GPIO 等，导致工业PC 的快速增长在制造自动化方面。

逻辑控制
定时控制
计数控制
步进（顺序）控制
PID控制
数据控制：PLC具有数据处理能力。
通信和联网
其它：PLC还有许多特殊功能模块，适用于各种特殊控制的要求，如：定位控制模块，CRT模块。

1.4 PLC与工业PC的区别: 嵌入式 VS 通用式

（1）操作系统

PLC：带有一个实时操作系统，可以持续监控来自连接的IO设备的输入，然后根据其程序执行决策命令。此外，PLC的操作系统(OS) 专为执行与控制相关的任务而设计。PLC通常不需要防病毒程序或注册表清理程序，这会增加操作期间的处理吞吐量。

工业PC：可以执行与PLC相同的任务，但其操作系统使它们能够运行PLC无法使用的各种应用程序和程序。有了这些功能，PC不仅仅是控制目的。工业PC可以整合工作负载，从而减少硬件占用空间。然而，通用工业PC 的操作系统（如Windows 和Linux）容易受到网络攻击，但当前的防病毒软件和防火墙已经足够先进，可以降低这种风险。

（2）编程与程序执行

工业PC和PLC之间的下一个区别是程序的开发和执行方式。

PLC通常实现基于扫描的程序执行，而工业PC通常是事件驱动软件。

例如，PLC 软件逻辑在IEC 61131-2 标准中指定，如梯形逻辑或其他专有供应商语言。

相比之下，工业PC使用诸如 C/C++/.NET 等编程语言在众所周知的Windows或Linux操作系统上运行。因此，工业PC由于在开发人员中很受欢迎，因此更容易编程。与需要特殊培训才能学习的梯形逻辑相比，由于C++ 等通用编程语言，它们还可以让系统与更多机器和设备进行交互。

（3）安全

安全性是制造自动化的不利因素之一，如果不认真对待，公司可能会损失巨大。工业系统应该处理两个安全基础。

首先，阻止来自未经授权的外部访问的攻击。

其次，根据用户的权利或指定来限制用户的访问。

过去，众所周知，PLC可以免受恶意软件攻击。然而，一些攻击者开始开发针对PLC的恶意软件，就像Stuxnet 在他们的 Siemens PLC 遭到破坏时发生的情况一样。尽管如此，工业PC也容易受到恶意软件的攻击，需要对软件防病毒或硬件模块进行全面保护。部分工控机利用主板内嵌的TPM（可信平台模块）2.0对数据进行加密。

（4）品质

至于构建质量，PLC和工业PC都设计用于在极端环境中运行。

由于工业PC不同于普通台式计算机或工作站，因此工业PC非常坚固耐用。

以下是工业PC 的一些工业特性：

无风扇设计
宽温度范围
抗冲击和抗振动
高IP等级
可扩展模块
具有传统技术支持的丰富I/O

对于构建质量，PLC和工业PC非常匹配。然而，工业PC因其紧凑的尺寸而胜出。

PLC通常体积庞大，安装选项有限。一些PLC在安装时也会过热，因为它们的散热受阻。

相比之下，工业PC相对较小，并且具有各种安装选项，包括 VESA 安装、机架安装和din导轨选项。此外，部分工业 PC 配备电源点火管理，可部署用于车载应用。

（5）扩展能力

PLC和工业PC都需要控制各种设备以进行控制、监视和通信。因此，PLC和工业PC都配备了多个COM端口和其他I/O功能，包括传统技术。

对于一些常见的工业通信协议是 CANbus、Modbus、Profibus、EtherCAT 和 EhterNET/IP，尽管两者都可以支持这些技术，但大多数 PLC 已经内置了这些技术。

另一方面，工业PC内置有扩展槽以增加其多功能性。因此，工业PC 对它们可以处理的I/O 数量有更高的门槛。

此外，工业PC还具有各种COM端口、LAN、USB和HDMI端口。这些功能使工业PC能够整合来自不同硬件的工作负载，而不仅仅是PLC。例如，工业PC可以自行运行HMI 应用程序，而PLC需要单独的HMI应用程序才能在显示面板上显示任何内容。使工业PC更加特别的是它们能够支持从无线网卡、5G 模块、SSD 存储到 GPU 加速器的无数扩展。

（6）处理能力和存储

由于PLC的微处理器专为专用功能而设计（通用嵌入式系统），因此PLC是用于自动化控制的强大控制器。PLC 可以管理高速I/O，并且可以毫无问题地处理较小的自动化应用程序。

然而，自动化项目变得越来越先进，计算量越来越大。这就是工业PC 的用武之地。工业PC使用更多的存储空间和完整的处理器，例如可以运行计算和存储繁重的应用程序的工作站计算机。此外，借助 GPU、TPU、CPU 和VPU 等性能加速器，工业计算机可以像在与机器视觉应用程序协作的智能装配线上一样执行智能计算。

（7）成本

简而言之，PLC和工业PC的成本比较是PLC对于较小的应用成本较低，而工业PC的初始成本较高。然而，随着应用程序变得越来越复杂和计算量越来越大，PLC的累积成本可能会超过工业PC。虽然PLC的初始成本较便宜，但当需要额外的计算能力或外围设备时，价格会呈指数增长。相比之下，工业PC 的初始成本更高，但在需要升级计算能力和可扩展性时成本要低得多。

（8）如何选择工业PC与PLC

当您为工业自动化系统选择可编程控制器时，PLC和工业PC都有自己的位置。

PLC更适合运行具有严格功能的小型自动化系统。此外，PLC坚固耐用、经济高效且高度安全，适用于工业部署。

另一方面，工业PC非常适合对计算和存储有高需求的解决方案。对于需要控制器多功能性的复杂任务，工业PC的总拥有成本(TCO) 较低。

PLC是安全的，因为它们没有无线连接，而工业PC也因为当今的网络安全软件而同样安全，而工业标准的硬件非常可靠。

一些应用程序可以在其操作中同时使用PLC 和工业PC 来相互平衡成本和收益。

归根结底，这取决于您的制造过程中实施了哪些功能。

1.5 PLC的发展阶段

虽然PLC问世时间不长，但是随着微处理器的出现，大规模，超大规模集成电路技术的迅速发展和数据通讯技术的不断进步，PLC也迅速发展，其发展过程大致可分三个阶段：

（1）早期的PLC（60年代末—70年代中期）

早期的PLC一般称为可编程逻辑控制器。这时的PLC多少有点继电器控制装置的替代物的含义，其主要功能只是执行原先由继电器完成的顺序控制，定时等。它在硬件上以准计算机的形式出现，在I/O接口电路上作了改进以适应工业控制现场的要求。装置中的器件主要采用分立元件和中小规模集成电路，存储器采用磁芯存储器。另外还采取了一些措施，以提高其抗干扰的能力。

在软件编程上，采用广大电气工程技术人员所熟悉的继电器控制线路的方式—梯形图。因此，早期的PLC的性能要优于继电器控制装置，其优点包括简单易懂，便于安装，体积小，能耗低，有故障指使，能重复使用等。其中PLC特有的编程语言—梯形图一直沿用至今。

（2）中期的PLC（70年代中期—80年代中，后期）

在70年代，微处理器的出现使PLC发生了巨大的变化。美国，日本，德国等一些厂家先后开始采用微处理器作为PLC的中央处理单元（CPU）。这样，使PLC得功能大大增强。

在软件方面，除了保持其原有的逻辑运算、计时、计数等功能以外，还增加了算术运算、数据处理和传送、通讯、自诊断等功能。

在硬件方面，除了保持其原有的开关模块以外，还增加了模拟量模块、远程I/O模块、各种特殊功能模块。并扩大了存储器的容量，使各种逻辑线圈的数量增加，还提供了一定数量的数据寄存器，使PLC得应用范围得以扩大。

（3）近期的PLC（80年代中、后期至今）

进入80年代中、后期，由于超大规模集成电路技术的迅速发展，微处理器的市场价格大幅度下跌，使得各种类型的PLC所采用的微处理器的当次普遍提高。而且，为了进一步提高PLC的处理速度，各制造厂商还纷纷研制开发了专用逻辑处理芯片。这样使得PLC软、硬件功能发生了巨大变化。

1.6 PLC的分类

（1）小型PLC

小型PLC的I/O点数一般在128以下，

其特点是体积小、结构紧凑，整个硬件融为一体，除了开关量I/O以外，还可以连接模拟量I/O以及其他各种特殊功能模块。它能执行包括逻辑运算、计时、计数、算术运算、数据处理和传送、通讯联网以及各种应用指令。

（2）中型PLC

中型PLC采用模块化结构，其I/O点数一般在256~1024点之间。

I/O的处理方式除了采用一般PLC通用的扫描处理方式外，还能采用直接处理方式，即在扫描用户程序的过程中，直接读输入，刷新输出。它能联接各种特殊功能模块，通讯联网功能更强，指令系统更丰富，内存容量更大，扫描速度更快。

（3）大型PLC

一般I/O点数在1024点以上的称为大型PLC。

大型PLC的软、硬件功能极强。具有极强的自诊断功能。通讯联网功能强，有各种通讯联网的模块，可以构成三级通讯网，实现工厂生产管理自动化。大型PLC还可以采用三CPU构成表决式系统，使机器的可靠性更高。

第2章 PLC的特点

2.1 高可靠性

（1）所有的I/O接口电路均采用光电隔离，使工业现场的外电路与PLC内部电路之间电气上隔离。

（2）各输入端均采用R-C滤波器，其滤波时间常数一般为10~20ms.

（3）各模块均采用屏蔽措施，以防止辐射干扰。

（4）采用性能优良的开关电源。

（5）对采用的器件进行严格的筛选。

（6）良好的自诊断功能，一旦电源或其他软，硬件发生异常情况，CPU立即采用有效措施，以防止故障扩大。

（7）大型PLC还可以采用由双CPU构成冗余系统或有三CPU构成表决系统，使可靠性更进一步提高。

2.2 丰富的I/O接口模块

PLC针对不同的工业现场信号，如：

交流或直流；
开关量或模拟量；
电压或电流；
脉冲或电位；
强电或弱电等。

有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备，如：

按钮；
行程开关；
接近开关；
传感器及变送器；
电磁线圈；
控制阀等直接连接。

另外为了提高操作性能，它还有多种人-机对话的接口模块；

为了组成工业局部网络，它还有多种通讯联网的接口模块，等等。

2.3 采用模块化结构

为了适应各种工业控制需要，除了单元式的小型PLC以外，绝大多数PLC均采用模块化结构。

PLC的各个部件，包括CPU，电源，I/O等均采用模块化设计，由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。

2.4 编程简单易学

PLC的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式，对使用者来说，不需要具备计算机的专门知识，因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。

2.5 安装简单，维修方便

PLC不需要专门的机房，可以在各种工业环境下直接运行。

使用时只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O端相连接，即可投入运行。

各种模块上均有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障。

由于采用模块化结构，因此一旦某模块发生故障，用户可以通过更换模块的方法，使系统迅速恢复运行。

第3章工业现场的设备连接方式

3.1 传统的设备连接方式：配线

传统的自动控制系统采用一对一的I/O连接方式，即每个对象都需要单独和控制器连接，如果信号数量繁多，线路连接就会很复杂，如下图所示：

通过一对一的接线端子（配线架）物理连接PLC控制器的IO口与外设。

3.2 现场总线的连接方式

但随着现场总线技术的出现，这一问题得到很大改善，现场工业设备通过总线的拓扑方式连接。

总线连接方式设计简单，减小后期维护成本，并且由于现场总线的实时性，能较大提高信号传输的准确度，减少传送误差。

第4章工业控制的两种编码模型

4.1 开环模型

开环控制只受输入的影响，无反馈，控制精度和抑制干扰能力较差，比如生活中使用的风扇就可以理解为开环控制系统，设定好挡位，风扇转速就基本是一定的，无反馈，不能根据环境温度自动转速。模型如下图所示：

4.2 闭环模型

闭环控制系统是建立在反馈的基础上，通过输入值和期望值的偏差进行系统控制，可以得到较好的控制性能，比如冰箱的控制系统就是闭环控制系统，它会根据冰箱内实际温度进行调节。

第5章 PLC编程

5.1 PLC可编程逻辑控制器的编程模型

控制器是整个控制系统的核心部件，目前使用最广泛的是可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller，PLC)，PLC是一种在工业上广泛应用的数字运算控制器，基于可编程的存储器，其执行逻辑运算、顺序控制、数学运算等操作，控制各种工业设备。

PLC中一种关键技术：循环、扫描、执行

在一个扫描周期内，PLC执行过程分为三步：输入、计算、输出。系统启动后，PLC会依次扫描系统各个输入点（例如外接传感器），读取各输入点数据，输入的数据按照既定程序进行计算，最终根据计算结果输出相应的控制信号。控制器系统就一直按照用户设定的扫描周期周而复始执行输入、计算、输出。

下面以锅炉的温度调节控制为例来解释为什么循环扫描的执行方式非常适合于工业过程控制。

该温度调节系统的作用是让锅炉内的温度保持稳定，设计的温度调节系统基本原理如上图所示：

在每个扫描周期，PLC会计算设定温度和实际温度之差，然后将温度误差作为PID控制器的输入进行计算，计算结果转换为一定占空比的脉冲输出，进而控制功率模块，最终输出电压控制发热管，保持炉内温度稳定。

PID控制器可以让整个系统达到一定的控制要求（动态误差、静态误差、超调、稳定时间等），让系统调控能够更加快速稳定。

5.2 概述

PLC编程是面向PLC外带的各种IO端口以及对应的设备。

PLC编程是一种数字运算操作的电子系统，专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、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按易于使工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。

随着微处理器、计算机和数字通信技术的飞速发展，计算机控制已扩展到了几乎所有的工业领域。现代社会要求制造业对市场需求作出迅速的反应，生产出小批量、多品种、多规格、低成本和高质量的产品，为了满足这一要求，生产设备和自动生产线的控制系统必须具有极高的可靠性和灵活性，PLC编程正是顺应这一要求出现的，它是以微处理器为基础的通用工业控制装置。

5.3 工作原理

PLC是采用“顺序扫描，不断循环”的方式进行工作的。

即在PLC运行时，CPU根据用户按控制要求编制好并存于用户存储器中的程序，按指令步序号(或地址号)作周期性循环扫描，如无跳转指令，则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直至程序结束，然后重新返回第一条指令，开始下一轮新的扫描，在每次扫描过程中，还要完成对输入信号的采样和对输出状态的刷新等工作。

PLC的一个扫描周期必经输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段。

（1）IO输入采样阶段:

首先,以扫描方式按顺序将所有暂存在输入锁存器中的输入端子的通断状态或输入数据读入，并将其写入各对应的输入状态寄存器中，即刷新输入，随即关闭输入端口，进入程序执行阶段。

（2）程序执行阶段:

按用户程序指令存放的先后顺序扫描执行每条指令，经相应的运算和处理后，其结果再写入输出状态寄存器中，输出状态寄存器中所有的内容随着程序的执行而改变。

（3）IO输出刷新阶段:

当所有指令执行完毕，输出状态寄存器的通断状态在输出刷新阶段送至输出锁存器中，并通过一定的方式(继电器、晶体管或晶间管) 输出，驱动相应输出设备工作。

5.4 编程语言

PLC的用户程序，是设计人员根据控制系统的工艺控制要求，通过PLC编程语言的编制规范，按照实际需要使用的功能来设计的。只要用户能够掌握某种标准编程语言，就能够使用PLC在控制系统中，实现各种自动化控制功能。

根据国际电工委员会制定的工业控制编程语言标准（IEC1131-3），PLC有五种标准编程语言：梯形图语言（LD）、指令表语言（IL）、功能模块语言（FBD）、顺序功能流程图语言（SFC）、结构文本化语言（ST）。这五标准编程语言，十分简单易学。

（1）梯形图语言

梯形图语言是PLC程序设计中最常用的编程语言。

它是与继电器线路类似的一种编程语言。

由于电气设计人员对继电器控制较为熟悉，因此，梯形图编程语言得到了广泛的欢迎和应用。　

梯形图编程语言的特点是：

与电气操作原理图相对应，具有直观性和对应性；
与原有继电器控制相一致，电气设计人员易于掌握。

梯形图编程语言与原有的继电器控制的不同点是：

梯形图中的能流不是实际意义的电流，
内部的继电器也不是实际存在的继电器

应用时，需要与原有继电器控制的概念区别对待。

（2）指令表语言

指令表编程语言是与汇编语言类似的一种助记符编程语言，和汇编语言一样由操作码和操作数组成。在无计算机的情况下，适合采用PLC手持编程器对用户程序进行编制。同时，指令表编程语言与梯形图编程语言图一一对应，在PLC编程软件下可以相互转换，如下图所示：

指令表编程语言的特点是：

采用助记符来表示操作功能，具有容易记忆，便于掌握；
在手持编程器的键盘上采用助记符表示，便于操作，可在无计算机的场合进行编程设计；
与梯形图有一一对应关系，其特点与梯形图语言基本一致；

（3）功能模块图语言

功能模块图语言是与数字逻辑电路类似的一种PLC编程语言。

采用功能模块图的形式来表示模块所具有的功能，不同的功能模块有不同的功能。

功能模块图程序设计语言的特点是：

以功能模块为单位，分析理解控制方案简单容易；
功能模块是用图形的形式表达功能，直观性强，对于具有数字逻辑电路基础的设计人员很容易掌握的编程；
对规模大、控制逻辑关系复杂的控制系统，由于功能模块图能够清楚表达功能关系，使编程调试时间大大减少。

（4）顺序功能流程图语言

顺序功能流程图语言是为了满足顺序逻辑控制而设计的编程语言。

编程时将顺序流程动作的过程分成步和转换条件，根据转移条件对控制系统的功能流程顺序进行分配，一步一步的按照顺序动作。每一步代表一个控制功能任务，用方框表示。在方框内含有用于完成相应控制功能任务的梯形图逻辑。这种编程语言使程序结构清晰，易于阅读及维护，大大减轻编程的工作量，缩短编程和调试时间。用于系统的规模校大，程序关系较复杂的场合。