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自上世纪60年代第一台PLC问世以来，很快就被应用到汽车制造、机械加工、冶金、矿业和轻工等各个领域，并大大地推进了机电一体化进程。
PLC检测与控制的对象，包括指示灯/照明、电动机、泵控制、按钮/开关、光电开关/传感器等，如图1-1所示。
图1-1 PLC检测与控制的对象
经过长时间的发展和完善，PLC的编程概念和控制思想已为广大的自动化行业人员所熟悉，这是目前任何一个其他工业控制器（包括DCS和FCS等）都无法与之相提并论的巨大知识资源。实践也进一步证明：PLC系统硬件技术成熟、性能价格比较高、运行稳定可靠、开发过程也简单方便、运行维护成本很低。上述特点造就了PLC的旺盛生命力，造就了PLC的快速进化。
现在的PLC是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术而发展起来的一种新型工业控制装置，是工业控制的主要手段和重要的基础设备之一，并与机器人、CAD/CAM并称为工业生产的三大支柱。
PLC的进化是在继电器控制逻辑基础上，与3C技术（Computer，Control，Communica-tion）相结合，不断发展完善的。它从过去的小规模、单机、顺序控制，已经发展到包括过程控制、传动控制、位置控制、通信控制等场合的大部分现代工业控制领域和部分商用、民用控制领域。在通信能力上，由于现场总线的出现，使得一个个独立的PLC系统不再是信息孤岛。实时以太网技术也走进了PLC厂商的视野，甚至在以太网产品中已经能够支持PROFIBUS等现场总线。图1-2所示的泵站PLC控制就是其中的一例，从现场污水泵、检测仪、电动闸门等经过PROFIBUS总线与PLC相连，而PLC则直接通过以太网与模拟器、监控计算机和打印机相连。
图1-2 泵站PLC控制
以太网应用的另一个意义在于，控制层与管理层的界线不再那么截然分明。随着PLC运算能力的不断提高，PLC在数据交换方面的能力和需求也在不断提高；另一方面由于IT技术的飞速发展使得微型高速存储设备的容量越来越大，价格越来越低，而可靠性却越来越有保障。越来越多的PLC控制系统已经在使用64M、128M甚至更大容量的Flash存储设备。
从长远来讲，PLC的制造商将会根据工业用户的需求集成更多的系统功能，逐渐降低用户的使用难度，缩短开发周期，节约产品开发成本。但是这是一个逐渐发展的过程。就目前技术现状而言，一些复杂的控制要求依然要使用那些“高档”的控制系统，使用相对复杂的编程手段，对工业用户依然要求具备专业的控制技术。
国际电工委员会IEC于1982年11月和1985年1月颁布了PLC标准的第一稿和第二稿，对PLC作了如下的定义：“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。它可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命令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械和生产过程。PLC及其有关设备，都应以易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充功能的原则而设计"。
组成PLC的模块是PLC的硬件基础，只有弄清所选用的PLC都具有哪些模块及其特点，才能正确选用模块，组成一台完整的PLC（见图1-3），以满足控制系统对PLC的要求。
常见的PLC模块有：
（1）CPU模块 它是PLC的硬件核心。PLC的主要性能，如速度、规模都由它的性能来体现。
如图1-4所示，CPU模块有微处理器系统、系统程序存储器和用户程序存储器，其本质为一台计算机，该计算机负责系统程序的调度、管理、运行和PLC的自诊断，负责将用户程序作出编译解释处理以及调度用户目标程序运行的任务。
图1-3 PLC的组成示意
（2）电源模块 它为PLC运行提供内部工作电源，而且有的还可为输入、输出信号提供电源，电源模块如图1-5所示。
图1-4 CPU模块
图1-5 电源模块
PLC的工作电源一般为交流单相电源，电源电压必须与额定电压相符，如AC 110V或AC 220V，当然也有直流24V供电的。PLC对电源的稳定性要求不高，一般都允许电源电压额定值在±15%的范围内波动，有些交流输入电源甚至允许在AC 85V～AC 240V的范围内。
（3）I/O模块 它包括输入/输出（I/O）电路，并根据类型划分为不同规格的模块，I/O模块如图1-6所示。
·输入部分
PLC与生产过程相连接的输入通道，输入部分接收来自生产现场的各种信号，如行程开关、热电偶、光电开关、按钮等信号。
·输出部分
PLC与生产过程相连接的输出通道，输出部分接收CPU的处理输出，并转换成被控设备所能接收的电压、电流信号，以驱动被控设备，如继电器、电磁阀和指示灯等。
（4）内存模块 它主要存储用户程序，有的还为系统提供辅助的工作内存。在结构上内存模块都是附加于CPU模块之中。如图1-7所示为西门子S7-300 PLC的MMC内存模块。
图1-6 I/O模块
图1-7 西门子S7-300 PLC的MMC内存模块
图1-8 PLC的主底板和辅助底板
（5）底板、机架模块 它为PLC各模块的安装提供基板，并为模块间的联系提供总线。若干底板间的联系有的用接口模块，有的用总线接口。不同厂家或同一厂家但不同类型的PLC都不大相同。如图1-8所示为PLC的主底板和辅助底板。
除了常见的模块，PLC还有特殊的或称智能或称功能模块，如A-D（模拟-数字）模块、D-A（数字-模拟）模块、高速计数模块、位置控制模块、温度模块等。这些模块有自己的处理器，可对信号作预处理或后处理，以简化PLC的CPU对复杂的过程控制量的计算。智能模块的种类、特性也大不相同，性能好的PLC，这些模块种类多，性能也好。
通信模块接入PLC后，可使PLC与计算机，或PLC与PLC进行通信，有的还可实现与其他控制部件，如变频器、温控器的通信，或组成局部网络。通信模块代表PLC的组网能力，代表着当今PLC性能的重要方面。
尽管用PLC实现对系统的控制可不用外部设备，配置好合适的模块就行了。然而，要对PLC编程，要监控PLC及其所控制的系统的工作状况，以及存储用户程序、打印数据等，就得使用PLC的外部设备。故一种PLC的性能如何，与这种PLC所具外部设备丰富与否，外部设备好用与否直接相关。
PLC的外部设备有四大类：
（1）编程设备 简单的为简易编程器，大多只接受助记符编程，个别的也可用图形编程。复杂一点的有图形编程器，可用梯形图语言编程。有的还有专用的计算机，可用其他高级语言进行编程。编程器除了用于编程，还可对系统作一些设定，以确定PLC的控制方式，或工作方式。编程器还可监控PLC及PLC所控制的系统工作状况，以进行PLC用户程序的调试。
（2）监控设备 小的有数据监视器，可监视数据；大的还可能有图形监视器，可通过画面监视数据。除了不能改变PLC的用户程序，编程器能做的它都能做，是使用PLC很好的界面。性能好的PLC，这种外部设备已越来越丰富。
（3）存储设备 它用于永久性地存储用户数据，使用户程序不丢失。这些设备，如存储卡、存储磁带、软磁盘或只读存储器。而为实现这些存储，相应的就有磁带机、软驱或ROM写入器，以及相应的接口部件。各种PLC大体都有这方面的配套设施。
（4）输入/输出设备 它用以接收信号或输出信号，便于与PLC进行人机对话。输入的有条码读入器、输入模拟量的电位器等。输出的有打印机、编程器，监控器虽也可对PLC输入信息，从PLC输出信息，但输入/输出设备实现人机对话更方便，可在现场条件下实现，并便于使用。随着技术的进步，这种设备将更加丰富。
外部设备已发展成为PLC系统的不可分割的一个部分。已成为选用PLC必须了解的重要方面，所以也应把它列为PLC性能的重要内容。
PLC的用户程序，是从头至尾按顺序循环执行的。这一过程称为扫描，而这种处理方式称为循环演算方式。PLC的循环演算，除中断处理外一直继续下去，直至停止运行为止。PLC的控制过程如图1-9所示。
图1-9 PLC的控制过程
上电运行或复位时处理一次，并完成如下任务：
▶复位输入/输出模块；
▶进行自诊断；
▶清除数据区；
▶输入/输出模块的地址分配以及种类登记。
用户程序的演算处理之前，先将输入端口接点状态读入，并以此刷新输入映像区。
将用户程序，从头至尾依次演算处理。
用户程序演算处理完毕，将输出映像区内容传送到输出端口刷新输出。
CPU模块完成一次扫描后，为进入下一循环，进行如下处理：
▶自诊断；
▶计数器、定时器更新；
▶同上位机、通信模块的通信处理；
▶检查模式设定键状态。
上述只是一个通用性的PLC控制过程，对于不同品牌、型号的PLC而言，其控制过程还会有所区别。图1-10所示为通用PLC典型控制流程。
图1-10 通用PLC典型控制流程
图1-10所示的流程图反映了信息的时间关系，输入刷新→再运行用户程序→再输出刷新→再输入刷新→再运行用户程序→再输出刷新，永不停止地、循环反复地进行着。
有了这样一个循环演算的过程，用PLC实现控制显然是可能的。因为有了输入刷新，可把输入电路监控得到的输入信息存入PLC的输入映射区；经运行用户程序，输出映射区将得到变换后的信息；再经输出刷新，输出锁存器将反映输出映射区的状态，并通过输出电路产生相应的输出。又由于这个过程是永不停止地循环反复地进行着，所以输出总是反映输入的变化。只是响应的时间上略有滞后。当然，这个滞后不宜太大，否则，所实现的控制会不那么及时，也就失去了控制的意义。
为此，PLC的工作速度要快。速度快、执行指令时间短是PLC实现控制的基础。事实上，它的速度是很快的，执行一条指令，多的几微秒、几十微秒，少的才零点几微秒，或零点零几微秒，而且这个速度还在不断提高。
程序由用户需要控制的所有必要因素组成，一般而言，PLC程序被储存在CPU内置EE-PROM或外部存储模块中。
用户程序的基本功能说明见表1-1。
表1-1 用户程序的基本功能说明
通过讨论PLC的控制原理可以知道，PLC的输入与输出在物理上是彼此隔开的，其间的联系是靠运行存储于它的内存中的程序实现。它的入出相关，不是靠物理过程，不是用线路，而是靠信息过程，用软逻辑联系。它的工作基础是用好信息。信息不同于物质与能量，有自身的规律。信息便于处理，便于传递，便于存储；信息还可重用，等等。正是由于信息的这些特点，决定了PLC的基本特点。
下面介绍PLC的4个特点，即功能丰富、使用方便、工作可靠、快速有效。
PLC的功能非常丰富，这主要与它具有丰富的处理信息的指令系统及存储信息的内部器件有关。
1）PLC的指令多达几十条、几百条，可进行各式各样的逻辑问题的处理，还可进行各种类型数据的运算，凡是普通计算机能做到的，它也都可做到。
2）PLC的内部器件，即内存中的数据存储区种类繁多、容量宏大、功能完善。以I/O继电器为例，可以用以存储入、出点信息的，少的几十、几百，多的可达几千、几万，以至十几万，这意味着它可进行这么多I/O点的输入/输出信息变换，进行大规模的控制。PLC内部的中间继电器数量更多，内存中一个位就可作为一个中间继电器。它的计数器、定时器也很多，是传统继电器电路所望尘莫及的。而且，这些内部器件还可设置成掉电保持的，或掉电不保持的，即上电后予以清零，以满足不同的使用要求，这也是传统继电器元件难以做到的。
3）PLC有丰富的外部设备，可建立友好的人机交互系统，以进行信息交换。在PLC相连的人机界面中可送入程序、送入数据，可读出程序、读出数据，而且读、写时可在图文并茂的画面上进行。PLC还具有外部通信接口，可与计算机连接或与总线联网进行交换信息，以形成单机所不能有的更大的、地域更广的控制系统。
4）PLC有强大的自检功能，可进行自诊断，并将结果自动记录，这为PLC系统的维修增加了透明度，提供了方便。
丰富的功能为PLC的广泛应用提供了可能，同时，也为工业系统的自动化、远动化及其控制的智能化创造了条件。像PLC这样集丰富功能于一身，是别的电控制器所没有的，更是传统的继电控制电路所无法比拟的。
用PLC实现对系统的控制是非常方便的，具体地讲，PLC有5个方面的方便：
（1）配置方便 可按控制系统的需要确定要使用哪家的PLC，哪种类型的，用什么模块，要多少模块，确定后，到市场上订货购买即可。
（2）安装方便PLC硬件安装简单，组装容易。对于中大型的背板式PLC而言，其外部接线有接线器，接线简单，而且一次接好后，更换模块时，把接线器安装到新模块上即可，都不必再接线；内部什么线都不要接，只要做些必要的DIP开关设定或软件设定，以及编制好用户程序就可工作。对于中小型的无背板式PLC而言，整个PLC本体多采用DIN导轨安装，端子排分布合理。
（3）编程方便PLC内部的继电器、时间继电器、计数器等种类多、数量全，在编程时基本不用考虑其数量限制，尽可以发挥想象力，按照控制思路进行编程。PLC目前使用的编程软件不仅采用符合国际标准的梯形图语言，其界面更是与日常大部分计算机流行软件一致，并将功能设置、调试监控、故障诊断等融为一体。由于PLC的升级换代加快，以前所编的程序基本上都可以转换为新型号的PLC语言。
（4）维修方便PLC工作可靠，出现故障的情况与继电器控制回路来比已经大大降低，这大大减轻了维修的工作量。即使在PLC出现故障时，维修也很方便。这是因为PLC都设有很多故障提示信号，如PLC支持内存保持数据的电池电压不足，相应的就有电压低信号指示；另外，PLC本身还可做故障情况记录。
（5）改用方便PLC用于某设备，若这个设备不再使用了，其所用的PLC还可给别的设备使用，只要改编一下程序，就可办到。如果原设备与新设备差别较大，它的一些模块还可重用。
用PLC实现对系统的控制是非常可靠的。这是因为PLC在硬件与软件两个方面都采取了很多措施，确保它能可靠工作。
（1）在硬件方面PLC的输入/输出电路与内部CPU是电隔离，其信息靠光耦器件或电磁器件传递。而且CPU板还有抗电磁干扰的屏蔽措施。故可确保PLC程序的运行不受外界的电与磁干扰，能正常地工作。PLC使用的元器件多为无触点的，而且为高度集成的，数量并不太多，也为其可靠工作提供了物质基础。
在机械结构设计与制造工艺上，为使PLC能安全可靠地工作，也采取了很多措施，可确保PLC耐振动、耐冲击。使用环境温度可高达50℃以上，有的PLC可高达80～90℃。
有的PLC的模块可工作在冗余热备模式下，一个主机工作，另一个主机也运转，但不参与控制，仅作冗余备份。一旦工作主机出现故障，冗余热备的CPU就可自动接替其工作。
（2）在软件方面PLC的工作方式为扫描加中断，这既可保证它能有序地工作，避免继电控制系统常出现的“冒险竞争”，其控制结果总是确定的；而且又能应急处理急于处理的控制，保证了PLC对应急情况的及时响应，使PLC能可靠地工作。
为监控PLC运行程序是否正常，PLC系统都设置了“看门狗”监控程序。运行用户程序开始时，先清“看门狗”定时器，并开始计时。当用户程序一个循环运行完了，则查看定时器的计时值。若超时（一般不超过100ms），则报警。严重超时，还可使PLC停止工作。用户可依报警信号采取相应的应急措施。定时器的计时值若不超时，则重复起始的过程，PLC将正常工作。显然，有了这个“看门狗”监控程序，可保证PLC用户程序的正常运行，可避免出现“死循环”而影响其工作的可靠性。
PLC还有很多防止及检测故障的指令，以产生各重要模块工作正常与否的提示信号。可通过编制相应的用户程序，对PLC的工作状况，以及PLC所控制的系统进行监控，以确保其可靠工作。
PLC的一个很重要的特点就是高效、经济，这是基于PLC的工作速度快、指令效率高的基础上的。
工作速度是指PLC的CPU执行指令的速度及对急需处理的输入信号的响应速度，它是PLC工作的基础。速度高了，才可能通过运行程序实现控制，才可能不断扩大控制规模，才可能发挥PLC的多种多样的作用。
PLC的指令是很多的，不同的PLC其指令的条数也不同，少的几十条，多的几百条，指令不同，执行的时间也不同。但各种PLC总有一些基本指令，而且各种PLC都有这些基本指令，故常以执行一条基本指令的时间来衡量这个速度，这个时间当然越短越好，已从微秒级缩短到零点微秒级，并随着微处理器技术的进步，这个时间还在缩短。
通过讨论PLC的控制原理可知，从对PLC加入输入信号，到PLC产生输出，最理想的情况也要延迟一个PLC运行程序的周期。因为PLC监测到输入信号，经运行程序后产生的输出，才是对输入信号的响应。对一般的输入信号，这个延迟虽可以接受，但对急需响应的输入信号，就不能接受了。对急需处理的输入信号延迟多长时间PLC能予以响应，一般的做法是采用输入中断，然后再输出即时刷新，即中断程序运行后，有关的输出点立即刷新，而不等到整个程序运行结束后再刷新。