可 编 程 控 制 器 原 理 及 应 用
Programmable Logic Controller(PLC)
Programmable Controller(PC)
可编程控制器是在继电器控制和计算机控制的基础上，逐
步发展成以微处理器为核心，把自动化技术、计算机技术、通信
技术融为一体的新型 工业自动控制装置。
§ 1 概 述
一、发展概况
PLC 可编程控制器
二,PLC的品牌产品
三 菱,FX1S,FX1N,FX2N,Q,A系列
日 立,E,EC,EM,EMII,H,EH-150,MICRO-EH系
列
东 芝,EX20 EX40系列
富 士,NB,NJ,NS,SPB系列
松 下,FP0,FP1,FP2,FP2SH,FP3,FPM,FPC、
FP5,
FP10,FP10S,FP10SH系列
欧姆龙,CPM1A,CPM2A,C200H,CQM1,CQM1A,
CJ系列
SIEMENS,SIMATIC S7-200 S7-300 S7-400系列
施 耐 德,Twido系列
通 用,GE-I系列
德洲仪器,TI100系列
LG,K10,K30,K60,K80,K100,K120,K120S
（ E）,
K200,K300,K1000系列
二,PLC的品牌产品
三、主要功能
1.逻辑控制
可编程序控制器具有逻辑运算功能，它设置有“与”、“或
“、“非”等逻辑运算指令，能够描述继电器触点的串联、并联、
串并联、并串联等各种连接。因此它可以代替继电器进行组合逻辑
和顺序逻辑控制。
2,定时控制
可编程序控制器具有定时控制功能。它为用户提供若干个定时
器并设置了定时指令。定时时间可由用户在编程时设定，并能在运
行中被读出与修改，定时时间的最小单位也可在一定的范围内进行
选择，因此，使用灵活，操作方便。
3.计数控制
可编程序控制器具有计数控制功能。它为用户提供若干个计数
器并设置了记数指令。计数值可由用户在编程时设定，并能在运行
中被读出与修改，有些可编程序控制器还设置了加计数、减计数两
种不同的记数方式。
4,A/D,D/A转换
大多数可编程序控制器还具有摸 /数（ A/D）和数 /摸（ D/A）转
换功能，能完成对模拟量的检测与控制。
三、主要功能
5.定位控制
有些可编程序控制器具有步进电动机和伺服电动机控制功能，
能组成开环系统或闭环系统，实现位置控制。
6.通信与联网
有些可编程序控制器具有联网和通信功能，可以进行远程 I/O
控制，多台可编程序控制器之间还可以进行同位链接，还可以与计
算机进行上位链接。由一台计算机和多台可编程序控制器可以组成
“集中管理、分散控制”的分布式控制网络，以完成较大规模的复
杂控制。
三、主要功能
7.数据处理功能
大多数可编程序控制器都具有数据处理功能，能进行数据并行
传送、比较运算； BCD码的加、减、乘、除等运算；还能进行字的
按位“与”、“或”、“异或”、求反、逻辑移位、算术移位、数
据检索、比较、数制转换等操作。
随着科学技术的不断发展，可编程序控制器的功能还在不断拓
宽和增强。
三、主要功能
四、主要特点
1,可靠性高、抗干扰能力强、适用于恶劣工作环境
2,编程简单易学
3,应用灵活方便
4,通用性强
5,具有完善的监视和诊断功能
6,体积小、重量轻、功耗小、安装维护方便、性价比高
1）各种机械行业，可实现设备、自动线的自动化控制；
2）顺序控制、过程控制、位置控制、生产过程的监控和管
理、结合网络技术；
3）数字量、模拟量的数据采集；
五、应用范围
学习要求,
1) 了解可编程控制器的基本结构与基本工作原理
2) 搞清楚 PLC内部等效继电器电路的等效思路
3) 熟悉 PLC的指令系 统
4) 掌握 PLC的编程方法和开发步骤
一,PLC的基本结构
三菱 PC基本单元外形
CPU
存储器
通用串口 扩展接口
电 源
外部设备
（编程器等）
扩展单元、特
殊功能单元等
输
入
状
态
寄
存
器
输
出
状
态
寄
存
器
输
入
接
口
输
出
接
口
现
场
输
入
信
号
现
场
输
出
信
号
PLC基本结构框图
§ 2 可编程控制器的硬件结构与工作原理
2,存储器
系统程序存储区：存放系统软件，固化在 ROM或 EPROM等只
读存储器中。
用户程序存储区：存放用户程序
变量（数据）存储区：存放内
部变量或数据
通常采用低功耗的
CMOS-RAM存储器加
备用电池，可读写
1,中央处理单元 CPU
计算和控制中心。它的性能（位数和主频）决定了 PLC的运
算速度和信息处理量的大小。
3.输入 /输出接口,
是 CPU连接工业现场设备的桥梁。
CPU,
标准电平
弱电
数字量
外部设备,
开关量、模拟量
不同电压等级的交流、直流量
高速、低速信号
远程、本地信号
输入 /输出接口
PC厂家为用户提供各种类型的 I/O接口电路。
直流开关量输入接口电路
光耦的作用,
电气隔离，抗干扰
电平转换
1) 开关量输入接口：将工业现场的开关量信号转变成 CPU能接受
的标准逻辑电平。
(图 )
直流开关量输入接口
交流开关量输入接口
内部直流电源 发光二极管 光电耦合器
输出
方式
2) 开关量输出接口：通过该接口实现对外部设备的驱动控制
继电器输出
晶体管输出
晶闸管输出
继电器输出：输出接口由继电器构成。
晶体管输出：输出接口由晶体管构成。
晶闸管输出：输出接口由晶闸管构成。
适于大功率、低速、交、直流负载
适合于小功率、高速、直流负载
适合于大功率、高速、交流负载
(图 )
继电器输出型接口电路
负载电源由外部提供
继电器输出接口电路
Y0
COM1
晶体管输出接口电路
+5V
+24V
+24V或 +5V
6,编程器,是 PLC的主要外设。用于用户程序的编制、编辑、
调试、检查和监视。
便携式：本身不带 CPU，只能联机编程。体积小、重量轻、
便于生产现场调试。
CRT智能式：带有显示屏的图形编程器，有 CPU，可联机
编程也可脱机编程，可用多种语言编程。
4,扩展接口,是用于扩展 I/O单元或特殊功能单元。
通用微机作为编程器：个人电脑，配上厂家提供的编程
软件和通讯线。有效利用资源。
5,电源,是 PLC的供电电源一般为市电（也有 24V供电的）。
PLC内部设计有电路进行稳压和变换。以适应内部电路的需要。
二,PLC的基本工作原理
PLC的工作方式,循环扫描工作方式
扫描周期：从开始到输出结果完成所
需的时间。一般为几毫秒 ~几十毫秒。
(图 )
开始
自诊断
与编程器通信
读入现场信号
执行用户程序
输出结果
STOP RUN
用
户
程
序
输
入
映
象
寄
存
器
输
出
映
象
寄
存
器
执行用户程序 输出 读入
2, 5 c m
5 0 m / m i n
产品检测传送带如图示，用 PLC来检测产品数量。为确保不漏
检，对 PLC扫描周期有何要求？
产品通过检测点的时间间隔为,T=0.025m/(50m/60s)=30ms,
所以,PLC的扫描周期必须小于 30ms
PLC的分类
按 I/O点数分
小型 PLC：入出总点数 ?256
中型 PLC：入出总点数
256~2048
大型 PLC：入出总点数 >2048
按结构类型分
整体式
模块式（积木式）
按功能分
低档机
中档机
高档机
三,PLC分类、主要技术指标
PLC的主要技术指标
入 /出点数
扫描速度
内存容量
指令条数
内部元件
功能模块
编程语言
§ 3 可编程控制器的 软件和用户环境
一,PLC的软件结构
软件结构 监控程序 用户程序
1,监控程序
监控程序是可编程控制器产品必须包括的部分，由生产厂家
提供。其功能如下,
1）系统管理
运行管理：何时输入、何时输出、何时运算、何时自检、何
时通讯等进行时间上的分配管理。
程序空间的管理：生成用户环境。
系统自检程序：系统出错检验、用户程序语法检验、句法检验
等。
2）用户指令解释程序
编辑程序和解释程序。
3）标准程序和系统调用
2,用户程序
用户 在 PLC提供的编程环境下编制的完成控制功能的程序。
1,用户数据结构
1）位数据
这是一类逻辑量，其值只有,0”或,1”。
2）字数据
其数制、字长有很多形式。单字或双字、十进制（ K）或十六
进制 (H)等。
3）位和字的混合。
二,用户环境
2,PLC的内部等效电路
输入设备 输出设备
CO M
1 ST
KM
X4 0 0
X4 0 7
Y4 3 0
CO M
Y4 3 7
Y4 3 0
T4 5 0
M100
X4 0 0
Y4 3 0
电源
输出继电器逻辑控制输入继电器
X4 0 1
Y4 3 0
SB
1) 输入部分：等效输入继电器。
2) 逻辑控制部分：由用户程序实现的逻辑关系。构成逻辑电
路的元件是等效编程元件。
3) 输出部分：等效输出继电器。
X 4 0 0
C O M
X 4 0 1
X 4 0 7
Y 4 3 0
C O M
Y 4 3 7
SB
KM
三菱 F系列 PLC的基本情况
日本三菱的早期产品，小型机，整体式结构，包括：基本单元，
扩展单元、特殊单元三种。
3,PLC的元件
用户可以使用的输入输出接口、内部存储单元 —— 统称元件。
型号表示方法
入出总点数
M(基本单元 )
E（扩展单元）
输出类型 R－继电器输出 T－晶体管输出
S－晶闸管输出
电源种类
V－ 100/110V交流
E－ 220/240V交流
D－ 24V直流
FX2N— 1 2 3 4 －
FX2N--48MR主要技术指标
输入、输出点总数,48
功耗,25VA
定时器,16个
计数器, 16个
辅助继电器,192个（ 64
个有掉电保护）
内存,890字
运算速度,45us/步序
（平均）
指令,20条
输出形式：继电器输出
编程元件
1,输入继电器（ X0~X7,X10~X17,X20~X27,… ）
注意,元件编号采用八进制
输入继电器线圈由外部信号驱动，触点可无限次使用。
2,输出继电器（ Y0~Y7,Y10~Y17,Y20~Y27, … ）
主要用于将内部逻辑结果传递到外部负载，每一输出继
电器仅有一常开触点连到输出端子供外部负载用，同时
也有软触点可无限次使用。
3.辅助继电器 (M)
编号从 M0开始
十进制编码
通用型和掉电保护型两种
辅助继电器仅供内部使用
4,定时器（ T）
编号从 T0开始；
十进制编码
定时器按定时时钟的不同进行分组
延时时间由设定的 K值大小确定
定时器做计时功能
5,计数器 (C)
编号从 C0开始；
十进制编码
分加计数、减计数和双向计数器
分掉电保护和通用型两种
计数值由设定的 K值大小确定
可对外部事件或内部脉冲进行计数。
6.特殊辅助继电器 (M)
M8000：运行监视
当 PLC处于运行状态时,M8000自动为, 1”；反之,
M8000 为, 0”
M8002：产生初始化脉冲
PLC的第一个扫描周期内,M8002为, 1”，以后为, 0”。
M8000
M8002
M8012：以周期为 100ms循环通断
M8030：锂电池电压下降到一定值时 M8030为, 1”
M8033,PLC停止运行时输出保持
M8034：若使 M8034为, 1”将起到禁止全部输出的
作用
M8012
7,状态元件 (S)
编号从 S0开始；
十进制编码
分初始状态元件、原位状态元件、通用状态元件和保
持状态元件
状态元件是步进顺序控制的重要元件。
8,指针（ P/I）
编号从 0开始
十进制编码
调用指令和跳转用分支指正 P，中断程序使用中断指针 I
9,数据寄存器（ D）
编号从 0开始
十进制编码
分通用寄存器、掉电保护寄存器以及文件寄存器
Programmable Logic Controller(PLC)
Programmable Controller(PC)
可编程控制器是在继电器控制和计算机控制的基础上，逐
步发展成以微处理器为核心，把自动化技术、计算机技术、通信
技术融为一体的新型 工业自动控制装置。
§ 1 概 述
一、发展概况
PLC 可编程控制器
二,PLC的品牌产品
三 菱,FX1S,FX1N,FX2N,Q,A系列
日 立,E,EC,EM,EMII,H,EH-150,MICRO-EH系
列
东 芝,EX20 EX40系列
富 士,NB,NJ,NS,SPB系列
松 下,FP0,FP1,FP2,FP2SH,FP3,FPM,FPC、
FP5,
FP10,FP10S,FP10SH系列
欧姆龙,CPM1A,CPM2A,C200H,CQM1,CQM1A,
CJ系列
SIEMENS,SIMATIC S7-200 S7-300 S7-400系列
施 耐 德,Twido系列
通 用,GE-I系列
德洲仪器,TI100系列
LG,K10,K30,K60,K80,K100,K120,K120S
（ E）,
K200,K300,K1000系列
二,PLC的品牌产品
三、主要功能
1.逻辑控制
可编程序控制器具有逻辑运算功能，它设置有“与”、“或
“、“非”等逻辑运算指令，能够描述继电器触点的串联、并联、
串并联、并串联等各种连接。因此它可以代替继电器进行组合逻辑
和顺序逻辑控制。
2,定时控制
可编程序控制器具有定时控制功能。它为用户提供若干个定时
器并设置了定时指令。定时时间可由用户在编程时设定，并能在运
行中被读出与修改，定时时间的最小单位也可在一定的范围内进行
选择，因此，使用灵活，操作方便。
3.计数控制
可编程序控制器具有计数控制功能。它为用户提供若干个计数
器并设置了记数指令。计数值可由用户在编程时设定，并能在运行
中被读出与修改，有些可编程序控制器还设置了加计数、减计数两
种不同的记数方式。
4,A/D,D/A转换
大多数可编程序控制器还具有摸 /数（ A/D）和数 /摸（ D/A）转
换功能，能完成对模拟量的检测与控制。
三、主要功能
5.定位控制
有些可编程序控制器具有步进电动机和伺服电动机控制功能，
能组成开环系统或闭环系统，实现位置控制。
6.通信与联网
有些可编程序控制器具有联网和通信功能，可以进行远程 I/O
控制，多台可编程序控制器之间还可以进行同位链接，还可以与计
算机进行上位链接。由一台计算机和多台可编程序控制器可以组成
“集中管理、分散控制”的分布式控制网络，以完成较大规模的复
杂控制。
三、主要功能
7.数据处理功能
大多数可编程序控制器都具有数据处理功能，能进行数据并行
传送、比较运算； BCD码的加、减、乘、除等运算；还能进行字的
按位“与”、“或”、“异或”、求反、逻辑移位、算术移位、数
据检索、比较、数制转换等操作。
随着科学技术的不断发展，可编程序控制器的功能还在不断拓
宽和增强。
三、主要功能
四、主要特点
1,可靠性高、抗干扰能力强、适用于恶劣工作环境
2,编程简单易学
3,应用灵活方便
4,通用性强
5,具有完善的监视和诊断功能
6,体积小、重量轻、功耗小、安装维护方便、性价比高
1）各种机械行业，可实现设备、自动线的自动化控制；
2）顺序控制、过程控制、位置控制、生产过程的监控和管
理、结合网络技术；
3）数字量、模拟量的数据采集；
五、应用范围
学习要求,
1) 了解可编程控制器的基本结构与基本工作原理
2) 搞清楚 PLC内部等效继电器电路的等效思路
3) 熟悉 PLC的指令系 统
4) 掌握 PLC的编程方法和开发步骤
一,PLC的基本结构
三菱 PC基本单元外形
CPU
存储器
通用串口 扩展接口
电 源
外部设备
（编程器等）
扩展单元、特
殊功能单元等
输
入
状
态
寄
存
器
输
出
状
态
寄
存
器
输
入
接
口
输
出
接
口
现
场
输
入
信
号
现
场
输
出
信
号
PLC基本结构框图
§ 2 可编程控制器的硬件结构与工作原理
2,存储器
系统程序存储区：存放系统软件，固化在 ROM或 EPROM等只
读存储器中。
用户程序存储区：存放用户程序
变量（数据）存储区：存放内
部变量或数据
通常采用低功耗的
CMOS-RAM存储器加
备用电池，可读写
1,中央处理单元 CPU
计算和控制中心。它的性能（位数和主频）决定了 PLC的运
算速度和信息处理量的大小。
3.输入 /输出接口,
是 CPU连接工业现场设备的桥梁。
CPU,
标准电平
弱电
数字量
外部设备,
开关量、模拟量
不同电压等级的交流、直流量
高速、低速信号
远程、本地信号
输入 /输出接口
PC厂家为用户提供各种类型的 I/O接口电路。
直流开关量输入接口电路
光耦的作用,
电气隔离，抗干扰
电平转换
1) 开关量输入接口：将工业现场的开关量信号转变成 CPU能接受
的标准逻辑电平。
(图 )
直流开关量输入接口
交流开关量输入接口
内部直流电源 发光二极管 光电耦合器
输出
方式
2) 开关量输出接口：通过该接口实现对外部设备的驱动控制
继电器输出
晶体管输出
晶闸管输出
继电器输出：输出接口由继电器构成。
晶体管输出：输出接口由晶体管构成。
晶闸管输出：输出接口由晶闸管构成。
适于大功率、低速、交、直流负载
适合于小功率、高速、直流负载
适合于大功率、高速、交流负载
(图 )
继电器输出型接口电路
负载电源由外部提供
继电器输出接口电路
Y0
COM1
晶体管输出接口电路
+5V
+24V
+24V或 +5V
6,编程器,是 PLC的主要外设。用于用户程序的编制、编辑、
调试、检查和监视。
便携式：本身不带 CPU，只能联机编程。体积小、重量轻、
便于生产现场调试。
CRT智能式：带有显示屏的图形编程器，有 CPU，可联机
编程也可脱机编程，可用多种语言编程。
4,扩展接口,是用于扩展 I/O单元或特殊功能单元。
通用微机作为编程器：个人电脑，配上厂家提供的编程
软件和通讯线。有效利用资源。
5,电源,是 PLC的供电电源一般为市电（也有 24V供电的）。
PLC内部设计有电路进行稳压和变换。以适应内部电路的需要。
二,PLC的基本工作原理
PLC的工作方式,循环扫描工作方式
扫描周期：从开始到输出结果完成所
需的时间。一般为几毫秒 ~几十毫秒。
(图 )
开始
自诊断
与编程器通信
读入现场信号
执行用户程序
输出结果
STOP RUN
用
户
程
序
输
入
映
象
寄
存
器
输
出
映
象
寄
存
器
执行用户程序 输出 读入
2, 5 c m
5 0 m / m i n
产品检测传送带如图示，用 PLC来检测产品数量。为确保不漏
检，对 PLC扫描周期有何要求？
产品通过检测点的时间间隔为,T=0.025m/(50m/60s)=30ms,
所以,PLC的扫描周期必须小于 30ms
PLC的分类
按 I/O点数分
小型 PLC：入出总点数 ?256
中型 PLC：入出总点数
256~2048
大型 PLC：入出总点数 >2048
按结构类型分
整体式
模块式（积木式）
按功能分
低档机
中档机
高档机
三,PLC分类、主要技术指标
PLC的主要技术指标
入 /出点数
扫描速度
内存容量
指令条数
内部元件
功能模块
编程语言
§ 3 可编程控制器的 软件和用户环境
一,PLC的软件结构
软件结构 监控程序 用户程序
1,监控程序
监控程序是可编程控制器产品必须包括的部分，由生产厂家
提供。其功能如下,
1）系统管理
运行管理：何时输入、何时输出、何时运算、何时自检、何
时通讯等进行时间上的分配管理。
程序空间的管理：生成用户环境。
系统自检程序：系统出错检验、用户程序语法检验、句法检验
等。
2）用户指令解释程序
编辑程序和解释程序。
3）标准程序和系统调用
2,用户程序
用户 在 PLC提供的编程环境下编制的完成控制功能的程序。
1,用户数据结构
1）位数据
这是一类逻辑量，其值只有,0”或,1”。
2）字数据
其数制、字长有很多形式。单字或双字、十进制（ K）或十六
进制 (H)等。
3）位和字的混合。
二,用户环境
2,PLC的内部等效电路
输入设备 输出设备
CO M
1 ST
KM
X4 0 0
X4 0 7
Y4 3 0
CO M
Y4 3 7
Y4 3 0
T4 5 0
M100
X4 0 0
Y4 3 0
电源
输出继电器逻辑控制输入继电器
X4 0 1
Y4 3 0
SB
1) 输入部分：等效输入继电器。
2) 逻辑控制部分：由用户程序实现的逻辑关系。构成逻辑电
路的元件是等效编程元件。
3) 输出部分：等效输出继电器。
X 4 0 0
C O M
X 4 0 1
X 4 0 7
Y 4 3 0
C O M
Y 4 3 7
SB
KM
三菱 F系列 PLC的基本情况
日本三菱的早期产品，小型机，整体式结构，包括：基本单元，
扩展单元、特殊单元三种。
3,PLC的元件
用户可以使用的输入输出接口、内部存储单元 —— 统称元件。
型号表示方法
入出总点数
M(基本单元 )
E（扩展单元）
输出类型 R－继电器输出 T－晶体管输出
S－晶闸管输出
电源种类
V－ 100/110V交流
E－ 220/240V交流
D－ 24V直流
FX2N— 1 2 3 4 －
FX2N--48MR主要技术指标
输入、输出点总数,48
功耗,25VA
定时器,16个
计数器, 16个
辅助继电器,192个（ 64
个有掉电保护）
内存,890字
运算速度,45us/步序
（平均）
指令,20条
输出形式：继电器输出
编程元件
1,输入继电器（ X0~X7,X10~X17,X20~X27,… ）
注意,元件编号采用八进制
输入继电器线圈由外部信号驱动，触点可无限次使用。
2,输出继电器（ Y0~Y7,Y10~Y17,Y20~Y27, … ）
主要用于将内部逻辑结果传递到外部负载，每一输出继
电器仅有一常开触点连到输出端子供外部负载用，同时
也有软触点可无限次使用。
3.辅助继电器 (M)
编号从 M0开始
十进制编码
通用型和掉电保护型两种
辅助继电器仅供内部使用
4,定时器（ T）
编号从 T0开始；
十进制编码
定时器按定时时钟的不同进行分组
延时时间由设定的 K值大小确定
定时器做计时功能
5,计数器 (C)
编号从 C0开始；
十进制编码
分加计数、减计数和双向计数器
分掉电保护和通用型两种
计数值由设定的 K值大小确定
可对外部事件或内部脉冲进行计数。
6.特殊辅助继电器 (M)
M8000：运行监视
当 PLC处于运行状态时,M8000自动为, 1”；反之,
M8000 为, 0”
M8002：产生初始化脉冲
PLC的第一个扫描周期内,M8002为, 1”，以后为, 0”。
M8000
M8002
M8012：以周期为 100ms循环通断
M8030：锂电池电压下降到一定值时 M8030为, 1”
M8033,PLC停止运行时输出保持
M8034：若使 M8034为, 1”将起到禁止全部输出的
作用
M8012
7,状态元件 (S)
编号从 S0开始；
十进制编码
分初始状态元件、原位状态元件、通用状态元件和保
持状态元件
状态元件是步进顺序控制的重要元件。
8,指针（ P/I）
编号从 0开始
十进制编码
调用指令和跳转用分支指正 P，中断程序使用中断指针 I
9,数据寄存器（ D）
编号从 0开始
十进制编码
分通用寄存器、掉电保护寄存器以及文件寄存器
