可编程控制器基本概念和工作原理

2-1 什么是 PLC？它与电气控制、微机控制相比主要优点是什么？

答：可编程控制器简称 PLC，是在电器控制技术和计算机技术的基础上开发出来的，并逐

渐发展成为 以微处理器为核心，将自动化技术、计算机技术、通信技术融为一体的新型工

业控制装置。

定义：可编程控制器（PLC）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，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产

过程。可编程控制器及其有关外围设备，都应按易于与工业系统联成一个整体，易于扩充其

功能的原则设计。

PLC 可直接应用于工业环境，具有很强的抗干扰能力、广泛的适应能力和广阔的应用范围，

这是区别于一般微机控制系统的重要特征；PLC 采用软件方式实现“可编程”与传统电气

控制装置通过硬件或硬接线的变更来改变程序有本质区别。

2-2 为什么 PLC 软继电器的触点可无数次使用？

答：由于 PLC 所谓的“软继电器”实际上是存储器单元的状态，单元状态为“1”，相当于

继电器接通，单元状态为“0”，相当于继电器断开，所以“软继电器”的触点数量是无限的，

可无数次使用。

2-3 PLC 的硬件由哪几部分组成？各有什么作用？PLC 主要有哪些外部设备？各有什么作

用？

答：PLC 的硬件主要由中央处理器（CPU）、存储器、输入单元、输出单元、通信接口、扩

展接口、电源等部分组成。其中CPU 是 PLC 的核心，按照系统程序赋予的功能，指挥PLC

有条不紊地进行工作；存储器主要用来存放系统程序、用户程序及工作数据；输入单元和输

出单元是连接现场输入/输出设备与 CPU 之间的接口电路，通过输入接口可以检测被控对象

的各种数据，以这些数据作为PLC 对被控对象进行控制的依据，同时PLC 又通过输出接口

将处理结果送给被控制对象，以实现控制目的；通信接口用于与监视器、打印机、其它 PLC、

编程器、上位机等外设连接；扩展接口用于连接扩展单元；PLC 配有开关电源，以供内部

电路使用。

PLC 主要的外部设备很多，如：EPROM 写入器、外存储器、人机接口装置等。EPROM

写入器是用来将用户程序固化到 EPROM 存储器中；外存储器主要是用外部的磁带、磁盘及

用半导体存储器做成的存储盒等来存储 PLC 的用户程序；人机接口装置是用来实现操作人

员与 PLC 控制系统的对话。

2-4 PLC 的软件由哪几部分组成？各有什么作用？

答：PLC 的软件主要由系统程序和用户程序组成。系统程序由 PLC 制造厂商设计编写，并

存入 PLC 的系统存储器中，用户不能直接读写与更改，系统程序一般包括系统诊断程序、

输入处理程序、编译程序、信息传送程序、监控程序等；PLC 的用户程序是用户利用 PLC

的编程语言，根据控制要求编制的程序，用以实现控制目的。

2-5 PLC 主要的编程语言有哪几种？各有什么特点？

答：PLC 编程语言主要由两大类：一是采用字符表达方式的编程语言，二是采用图形符号

表达方式的编程语言。常见的 PLC 编程语言主要由：

1）梯形图语言：以图形方式表达触点和线圈以及特殊指令块的梯级。

2）语句表语言：类似于汇编程序的助记符编程表达方式。

3）逻辑图语言：类似于数字逻辑电路结构的编程语言，由与门、或门、非门、定时器、计

数器、触发器等逻辑符号组成。

4）功能表图语言：又称状态转移图语言，它不仅仅是一种语言，更是一种组织控制程序的

图形化方式，对于顺序控制系统特别适用。

5）高级语言：为了争抢PLC 的运算、数据处理及通信等功能，特别是大型PLC，可采用高

级语言，如 BASIC、C、PASCAL语言等。

2-6 PLC 开关量输出接口按输出开关器件的种类不同，有哪几种形式？各有什么特点？

答：PLC 开关量输出接口按输出开关器件的种类不同，主要有三种类型：继电器输出、晶

体管输出和双向晶闸管输出。继电器输出接口可驱动交流或直流负载，但其响应时间长，动

作频率低；晶体管输出和双向晶闸管输出接口的响应速度快，动作频率高，但晶体管输出只

能用于驱动直流负载，而双向晶闸管输出只能用于驱动交流负载。

2-7 PLC 采用什么样的工作方式？有何特点？

答：PLC 采用扫描工作方式（串行工作方式），特点是当需要执行众多操作时，CPU 不可能

同时去执行多个操作，只能按分时操作方式，每一次执行一个操作，按顺序逐个执行，其执

行用户程序的过程为：从第一条程序开始扫描，在无中断或跳转控制的情况下，按程序存储

顺序的先后，逐条执行用户程序，直到程序结束。然后再从头开始扫描执行，并周而复始地

重复进行。

2-8 什么是 PLC 的扫描周期？其扫描过程分为哪几个阶段，各阶段完成什么任务？

答：整个程序扫描过程执行一遍所需要的时间，称为一个扫描周期。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。

1）内部处理阶段：进行 PLC 自检，检查内部硬件是否正常，对监视定时器（WDT）复位

以及完成其它一些内部处理工作；

2）通信服务阶段：PLC 与其它智能装置实现通信，响应编程器键入的命令，更新编程器的

显示内容等；

3）输入采样阶段：PLC 以扫描工作方式按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；

4）程序执行阶段：PLC 对程序按顺序进行扫描执行，若程序用梯形图表示，则总是按先上

后下，先左后右的顺序执行；

5）输出刷新阶段：PLC 将输出映像寄存器中与输出有关的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。

2-9 PLC 扫描过程中输入映像寄存器和元件映像寄存器各起什么作用？

答：PLC 扫描过程中，输入映像寄存器的作用是在输入采样阶段，存储所有输入端的输入

状态；元件映像寄存器则是在程序执行阶段存储 PLC 用户程序运算的结果，其内容会随程

序执行的过程而变化，在输出刷新阶段将与输出有关的状态转存到输出锁存器中。

2-10 什么是 PLC 的输入/输出滞后现象？造成这种现象的主要原因是什么？可采取哪些措

施减少输入/输出滞后时间？

答：当 PLC 的输入端输入信号发生变化到 PLC 输出端对该输入变化做出反应，需要一段时

间，这种现象称为 PLC 输入/输出响应滞后。造成这种现象的原因不仅是由于 PLC 扫描工作

方式造成，更主要是 PLC 输入接口的滤波环节带来的输入延迟，以及输出接口中驱动部件

的动作时间带来的输出延迟，同时还与程序设计有关。为了减少输入/输出滞后时间，可以

采用定期采样、定期输出、快速响应模块、高速计数模块以及中断处理、智能I/O 接口等措

施。

2-11 PLC 是如何分类的？按结构形式不同，PLC 可分为哪几类？各有什么特点？

答：PLC 产品种类繁多，对 PLC 的分类，通常根据其结构形式的不同、功能的差异和 I/O

点数的多少等进行大致分类。

按结构形式不同，可将 PLC 分为整体式、模块式和叠装式。

1）整体式 PLC：将电源、CPU、I/O 接口等部件都集中装在一个机箱内， 具有结构紧凑、

体积小、价格低的特点。整体式 PLC 由不同 I/O 点数的基本单元（又称主机）和扩展单元

组成。基本单元内有 CPU、I/O 接口、与 I/O 扩展单元相连的扩展口，以及与编程器或 EPROM

写入器相连的接口等。扩展单元内只有 I/O 和电源等，没有 CPU。基本单元和扩展单元之间

一般用扁平电缆连接。整体式 PLC 一般还可配备特殊功能单元，如模拟量单元、位置控制

单元等，使其功能得以扩展。小型 PLC 一般采用这种整体式结构。

2）模块式 PLC：将 PLC 各组成部分分别做成若干个单独的模块，如CPU 模块、I/O 模块、

电源模块（有的含在CPU 模块中）以及各种功能模块。模块式PLC 由框架或基板和各种模

块组成。模块装在框架或基板的插座上。这种模块式 PLC 的特点是配置灵活，可根据需要

选配不同模块组成一个系统，而且装配方便，便于扩展和维修。大、中型 PLC 一般采用模

块式结构。

3）叠装式 PLC：还有一些 PLC 将整体式和模块式的特点结合起来。叠装式PLC 其 CPU、

电源、I/O 接口等也是各自独立的模块，但它们之间是靠电缆进行联接，并且各模块可以一

层层地叠装。这样，不但系统可以灵活配置，还可做得体积小巧。

2-12 PLC 有什么特点？为什么 PLC 具有高可靠性？

答：PLC 主要特点如下：1）可靠性高、抗干扰能力强；2）编程简单、使用方便；3）功能

完善、通用性强；4）设计安装简单、维护方便；5）体积小、重量轻、能耗低。

PLC 具有高可靠性，主要是它采用了一系列硬件和软件抗干扰措施：

1）硬件方面：I/O 接口采用采用光电隔离，有效地抑制了外部干扰源的影响；对供电电源

及线路采用多种形式的滤波，从而消除或抑制了高频干扰；对 CPU 等重要部件采用良好的

导电、导磁材料进行屏蔽，以减少空间电磁干扰；对有些模块设置了联锁保护、自诊断电路

等。

2）软件方面：采用扫描工作方式，减少了外界的干扰；设有故障检测和自诊断程序，能对

系统硬件电路等故障实现检测和判断；当由干扰引起故障时，能立即将当前重要信息加以封

存，禁止任何不稳定的读写操作，一旦正常后，便可恢复到故障发生前的状态，继续原来的

工作。

2-13 PLC 主要性能指标有哪些？各指标的意义是什么？

答：PLC 主要性能指标有：

1）存储容量：用户程序存储器的容量。

2）I/O 点数：PLC 可以接受的输入信号和输出信号的总和。

3）扫描速度：PLC 执行用户程序的速度。

4）指令的功能与数量：编程指令的功能越强、数量越多，PLC 的处理能力和控制能力也越

强，用户编程也越简单方便，越容易完成复杂的控制任务。

5）内部元件的种类和数量：元件的种类和数量越多，表示PLC 的存储和处理各种信息的能

力越强。

6）特殊功能单元：特殊功能单元种类越多，功能越来越强，使得PLC 控制功能日益扩大。

7）可扩展能力：PLC 可扩展能力包括 I/O 点数的扩展、存储容量的扩展、联网功能的扩展、

各种功能模块的扩展等。

2-14 PLC 控制与电气控制比较，有何不同？

答：PLC 控制与电气控制比较，不同之处主要在以下几方面：

1）从控制方式上看，电气控制主要采用硬件接线方式，触点数量有限，控制系统灵活性和

可扩展性受到限制；而 PLC 控制主要采用软接线方式，其控制逻辑以程序的方式存放在存

储器中，系统功能可通过改变程序来实现，其“软继电器”的触点数量无限，PLC 系统的

灵活性和可扩展性好。

2）从工作方式上看，电气控制采用并行工作方式，而PLC 采用扫描（串行）工作方式。

3）从控制速度上看，电气控制工作频率低，触点还会出现抖动，而PLC 控制速度快，不会

出现触点抖动的问题。

4）从定时和计数控制上看，电气控制容易受环境影响，定时精度不高，而 PLC 控制精度高，

定时范围宽，修改方便，且不受环境影响。

5）从可靠性和可维护性上看，电气控制可靠性和可维护性较差，而PLC 控制寿命长，可靠

性高，且具有自诊断功能，现场调试和维护方便。