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可编程序控制器（Programmable Controller，简称为PC）和在办公自动化和工业自动化中广泛使用的个人计算机（Personal Computer，也简称为PC），为了避免混淆一般将可编程序控制器简称为PLC。现代的可编程序控制器是以微处理为基础的新型工业控制装置，是将计算机技术应用于工业控制领域的崭新产品。
可编程控制器的产生是基于工业控制的需要，是面向工业控制领域的专用设备，具有以下几个特点：
1）可靠性高，抗干扰能力强。用程序来实现逻辑顺序和时序，最大限度地取代传统继电接触器系统中的硬件路线，大量减少机械触点和连线的数量。单从这一角度而言，PLC在可靠性上优于继电接触器是明显的。
2）灵活性强，控制系统具有良好的柔性。当生产工艺和流程进行局部的调整和改动时，通常需要对PLC的程序进行改动，或者配合以外围电路的局部调整可实现对控制系统的改造。
3）编程简单，使用方便。梯形语言是PLC最重要也是普及的一种编程语言，其电路符号和表达方式与继电接触器电路原理相似。
4）控制系统易于实现，开发工作量少，周期短。由于PLC的系统化、模块化、标准化及良好的扩展性和联网性能，在大多数情况下，PLC系统都是较好的选择。它不仅能够完成多数情况下的控制要求，还能大量节省系统设计、安装、调试的时间和工作量。
5）维修方便。PLC有完善的故障诊断功能，可以根据装置上的发光二极管和软件提供的故障信息，方便地查明故障源。而由于PLC的体积小，而且有些采用模块化结构，因而可以通过更换整机或模块迅速排除故障。
6）体积小，能耗低。由软件实现的逻辑控制，可以大量节省继电器、定时器的数量。1台小型的PLC，只相当于几个继电器的体积，控制系统所消耗的能量也大大降低。
7）功能强，性价比高。PLC所提供的软元件的触点（如软继电器）可以无限次使用，方便地实现复杂的控制功能。同时，PLC的联网通信功能有利于实现分散控制、远程控制、集中管理等功能，与同等规模或成本的继电接触器控制系统相比，无论其功能和性能都具有无可比拟的优势。
1.可编程控制器的组成及各部分作用
PLC实质上是一种工业控制计算机，只不过它比一般的计算机具有更加强大的与工业过程相连接的接口和更加直接的适应于控制要求的编程语言，故PLC与计算机的组成十分相似。从硬件结构看，它也有中央处理器、输入/输出（I/O）接口、电源等。
（1）中央处理器（CPU）
与一般计算机一样CPU是PLC的核心，它按PLC中系统程序赋予的功能指挥PLC有条不紊地进行工作，其主要任务有：控制从编程器键入的用户程序和数据的接收与存储；用扫描的方式通过I/O部件接收现场的状态或数据，并存入输入映像存储器或数据存储器中；诊断PLC内部电路的工作故障和编程中的语法错误等；PLC进入运行状态后，从存储器逐条读取用户指令，经过命令解释后按照指令的规定任务进行数据传送、逻辑或算术运算等；根据运算结果，更新有位置标志位的状态和输出映象存储器的内容，再经输出部件实现输出控制、指标打印或数据通信等功能。
（2）存储器
PLC的存储器包括系统存储器和用户存储器两部分。系统存储器用来存放PLC生产厂家编写的系统程序，并固化在ROM内，用户不能直接更改。用户存储器包括用户程序存储器（程序区）和功能存储器（数据区）两部分。
（3）输入/输出接口
PLC的输入/输出单元也叫I/O单元，对于模块式的PLC来说，I/O单元以模块形式出现，所以又称I/O模块。I/O单元是PLC与工业现场的接口，现场信号与PLC之间的联系通过I/O单元实现。工业现场的输入与输出信号包括数字量和模拟量两类，因此，I/O单元也有数字I/O和模拟I/O两种，前者又称为DI/DO，后者又称为AI/AO。
输入单元将来自现场的电信号转换为中央处理器能够接收的电频信号。如果是模拟信号，就需要进行A/D转换，变成数字量，最后送给中央处理器进行处理；输入单元则将用户程序执行结果转换为现场控制电频，或者模拟量，输出至被控对象，如电磁阀、接触器、执行机构等。
作为抗干扰措施，输入/输出单元都带有光耦合电路，将PLC与外部电路隔离。此外，输入单元带有滤波电路和显示，输出单元带有输出锁存器、显示、功率放大等部分。
PLC的输入单元类型通常有直流、交流、交直流3种；输出单元通常有继电器方式、晶体管方式、晶闸管方式三种。继电器的输出方式可带交、直流两种负载，晶体管方式可带直流负载，晶闸管方式可带交流负载。
PLC的输入/输出单元还应包括一些功能模块。所谓功能模块，就是一些智能化的输入和输出模块。例如，温度检测模块、位置检测模块、位置控制模块、PID控制模块等。
（4）电源单元
电源单元将外界提供的电源转换成PLC的工作电源后，提供给PLC。有些电源单元也可以作为负载电源，通过PLC的I/O接口向负载提供直流24V电源。PLC的电源一般采用开关电源，输入电压范围宽，抗干扰能力强。电源电压的输入和输出之间有可靠的隔膜，以确保外界的扰动不会影响带PLC的正常工作。
电源单元还提供电保护电路和后备电池电源，以维持部分RAM存储器的内容在外界电源断电后不会丢失。在控制面板上通常有发光二极管（LED）指示电源的工作状态，便于判断电源工作是否正常。
（5）接口单元
接口单元包括扩展接口、通信接口、编程器接口和存储接口等。PLC的I/O单元也属于接口的范畴，它完成PLC与工业现场之间电信号的来往联系。除此之外，PLC与其他外接设备和信号的联系都需要相应的接口单元。
1）I/O扩展接口
I/O扩展接口用于扩展输入/输出点数，当主机的I/O通道数量不能满足系统的要求时，需要增加扩展单元，这时需要用到I/O扩展接口将扩展单元与主机连接起来。西门子公司S7 - 300/400中的接口模块（IM365、IM360/361等）就是专用于连接中央机架和扩展机架的扩展接口。
2）通信接口
在PLC的CPU单元或者专用的通信模块上，集成有RD-0232C口或RS-422口，可与PLC、上机位、远程I/O、监视器、编程器等外部设备相连，实现PLC与上述设备的数据信息的交换，组成局部网络“集中管理，分散控制”的多级分布控制式的控制系统。
3）编程器接口
编程器接口是连接编程器的，PLC本体通常是不带编程器的。为了能对PLC编程和监控，PLC上专门设置有编程器接口。通过这个接口，可以连接各种形式的编程装置，还可以利用此接口做通信、监控等工作。
4）储蓄器接口
储蓄器接口是为了扩展存储区而设置的，用于扩展用户程序存储区和用户数据存储区，可以根据使用的需要扩展存储器。其内部也是接到总线上的。
5）其他外部设备接口
其他外部的设备接口包括条码读入器的接口、打印机接口等。
6）外部设备
PLC的外部设备种类很多，总体来说可以概括为4大类：编程设备、监控设备、存储设备、输入/输出设备。
①编程设备。简易的编程器体积很小，也叫作手持式编程器，用通信电缆与CPU单元的编程接口相连，可对PLC在线编程和修改程序，通常只接收语句表形式的编程语言。另有一些编程器可使用梯形图语言，并能脱机编程，待将程序编号后再联机下传给PLC，这种编程器被称为智能型编程器，采用个人计算机作为PLC系统的开发工具是目前的发展趋势，各厂家均提供可安装在个人计算机上的专用编程软件，用户可直接在计算机上以联机或脱机的方式编写程序，可使用多种编程语言，开发功能也非常强大，具备监控能力、通信能力，还可对用户程序进行仿真。
②监控设备。PLC将现场数据实时上给监控设备，监控设备则将这些数据动态实时显示出来，以便操作人员和技术人员随时掌握系统运行的情况，操作人员能够通过监控设备向PLC发送操控指令，通常把具有这种功能的设备称为人机界面。
③存储设备。用于保存用户数据，避免用户程序丢失。主要有存储卡、存储磁带、软磁盘或只读存储器等多种形式，配合这些存储载体，有相应的读写设备和接口部件。
2.可编程控制器的分类及应用
（1）可编程序控制器的分类
PLC的种类很多，其实现的功能、内存容量、控制规模、外形等方面均存在较大差异。因此，PLC的分类没有严格的统一标准，可以按照结构型式、控制规模、实现的功能等进行大致的分类。
1）按结构分类
PLC按照其硬件的结构型式可以分为整体式和组合式，整体式PLC外观上是一个箱体，又称箱体式PLC。组合式PLC在硬件构成上具有较高灵活性，由各种模块组成，可进行组合以构成不同控制规模和功能的PLC，也称模块式PLC。
2）按控制规模分类
PLC的控制规模主要是指开关量的输入输出点数及模拟量的输入输出路数，但主要以开关量的点数计数。模拟量的路数可折算成开关量的点数，一般一路模拟量相当于8～16点开关量。根据I/O控制点数的不同，PLC大致可分为超小型、小型、中型、大型及超大型。
（2）可编程序控制器的应用
随着PLC的性能价格比的不断提高，微处理器的芯片及有关的元件价格大大降低，PC的成本下降；PLC的功能大大增强，因而PLC的应用日益广泛。
目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、采矿、水泥、石油、化工、电力、机械制造、汽车、装卸、造纸、纺织、环保等各行各业。其应用范围大致可归纳为以下几种：
1）开关量的逻辑控制——这是PLC最基本、最广泛的应用领域。它取代传统的继电器控制系统，实现逻辑控制、顺序控制。开关量的逻辑控制可用于单机控制，也可用于多机群控，亦可用于自动生产线的控制等。
2）运动控制——PLC可用于直线运动或圆周运动的控制。早期直接用开关量I/O模块连接位置传感器和执行机械，现在一般使用专用的运动模块。目前，制造商已提供了拖动步进电机或伺服电动机的单轴或多轴位置控制模块。即把描述目标位置的数据送给模块，模块移动一轴或多轴到目标位置。当每个轴运动时，位置控制模块保持适当的速度和加速度，确保运动平滑。运动的程序可用PLC的语言完成，通过编程器输入。
3）闭环过程控制——PLC通过模拟量的I/O模块实现模拟量与数字量的A/D、D/A转换，可实现对温度、压力、流量等连续变化的模拟量的PID控制。
4）数据处理——现代的PLC具有数学运算（包括矩阵运算、函数运算、逻辑运算），数据传递、排序和查表、位操作等功能；可以完成数据的采集、分析和处理。数据处理一般用在大中型控制系统中；具有CNC功能，即把支持顺序控制的PLC与数字控制设备紧密结合。
5）通信联网——PLC的通信包括PLC与PLC之间、PLC与上位计算机之间和它的智能设备之间的通信。
图3-5 继电器控制系统图
3.可编程控制器的工作原理
（1）PLC的工作方式与运行框图
众所周知，继电器控制系统是1种“硬件逻辑系统”，如图3-5所示，它的3条支路是并行工作，当按下按钮SB 1 ，中间继电器KT得电，KT的两个触点闭合，接触器KM 1 、KM 2 同时得电动作。所以继电器控制系统采用的是并行工作方式。
可编程控制器是一种工业控制计算机，故它的工作原理是建立在计算机工作原理基础上的，即是通过执行反应控制要求的用户程序来实现的。但是CPU是以分时操作方式来处理各项任务的，计算机在每一瞬间只能做一件事，所以程序的执行是按程序顺序依次完成相应电器的动作，并变成时间上的串行。由于运算速度极高，各电器的动作似乎是同时完成的，但实际输入-输出的相，应是有滞后的。
概括而言，PLC的工作方式是1个不断循环的顺序扫描工作方式。每1次扫描所用的时间称为工作周期。CPU从第1个指令开始，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1条指令开始新的一轮扫描。PLC就是这样周而复始地重复上述循环扫描的。
执行用户程序时，需要各种现场信息，这些现场信息已接到PLC的输入端。PLC采集现场信息即采集输入信号有2种方式：
①集中采集输入方式。一般在扫描周期开始或结束将所有输入信号（输入元件的通/断状态）采集并存放到输入映象寄存器（PII）中。执行用户程序所需输入状态均在输入映象寄存器中取用，而不直接到输入端或输入模块去取用。
②立即输入方式。随程序的执行需要哪个输入信号就直接从输入端或输入模块取用这个输入状态，如“立即输入指令”就是这样，此时输入映象寄存器的内容不变，到下一次集中采用输入时才变化。
同样，PLC对外部的输出控制也有集中输出和立即输出两种方式。PLC工作的全过程可用图3-6所示的运行框图表示。整个运行可分为3个部分：
第1部分是上电处理，及其上电后对PLC系统进行一次初始化工作。包括硬件初始化、I/O模块配置检查、停电保持范围设定及其他初始化处理等。
第2部分是扫描工作，即PLC上电处理完成以后进入扫描的工作过程。先完成输入处理，其次完成与其他外设的通信处理，再次进行时钟、特殊寄存器更新。当CPU处于STOP方式时，转入执行自诊断检查；当CPU处于RUN方式时，还要完成用户程序的执行和输出处理，再转入执行自诊断检查。
第3部分是出错处理。PLC每扫描1次，执行1次自诊断检查，确定PLC自身的动作是否正常，如CPU、电池电压、程序存储器、I/O、通信等是否异常或出错。如检查出异常时，CPU面板上的LED及异常继电器会接通，在特殊寄存器中会存入出错误代码；当出现致命错误时，CPU被强制为STOP方式，所有的扫描停止。
图3-6 PLC工作过程图
图3-7 PLC运行框图
（2）工作过程
上述已经说明，PLC是按图3-7所示的运行框图进行工作的。当PLC处于正常运行时，它将不断重复图中的扫描过程及不断循环扫描地工作下去。分析上述扫描过程，如果对远程I/O特殊模块与其他通信服务暂不考虑，这样扫描过程就只剩下“输入采样”“程序执行”“输出刷新”3个阶段了。下面就对这3个阶段进行详细做分析。
1）输入采样阶段。
在输入采样阶段，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，并存入输入映象寄存器中，此时输入映象寄存器被刷新。接着进入程序处理阶段，在程序执行阶段或其他阶段，即使输入状态发生变化，输入映象寄存器的内容也不会改变，输入状态的变化只有在下1个扫描周期的输入处理阶段才能被采样到。
2）程序执行阶段
在程序执行阶段，PLC对程序按顺序进行扫描执行。若程序用梯形图来表示，则总是按先上后下，先左后右的顺序进行。当遇到程序跳转指令时，则根据跳转条件是否满足来决定程序是否跳转。当指令中涉及输入、输出状态时，PLC从输入映象寄存器和元件映象寄存器中读出，根据用户程序进行运算，运算的结果再存入元件映象寄存器中。对于元件映象寄存器来说，其内容会随程序执行的过程而变化。
3）输出刷新阶段
当所有程序执行完毕后，进入输出处理阶段。在这一阶段里，PLC将输出映象寄存器中与输出有关的状态（输出继电器状态）转存到输出锁存器中，并通过一定方式输出，驱动外部负载。
（3）PLC的中断处理
外部信号的输入总是通过PLC扫描由“输入传送”来完成，这就不可避免地带来了“逻辑滞后”。PLC能不能像计算机那样采用终端输入的方法，即当有中断申请信号时，系统会中断正在执行的程序而专区执行相关的中断子程序；系统若有多个中断源时，它们之间按重要性是否有1个先后顺序的排队；系统能否由程序设定允许中断或禁止中断等。
PLC按巡回扫描方式工作，正常的输入/输出在扫描周期的一定阶段进行，采用中断输入，解决了对输入信号的高速响应。
4.可编程控制器的编程语言
（1）系统软件
可编程控制器的软件分为两大部分：系统软件与用户程序。系统软件由PLC制造商固化在机内，用以控制可编程控制器本身的运作。用户程序由可编程控制器的使用者编制并输入，用于控制外部对象的运行。
系统软件又分为系统管理程序、用户指令解释程序及标准程序模块和体统调用。
1）系统管理程序。系统管理程序是系统软件中最重要的部分，主观控制可编程控制器的运作。其作用为：一是运行管理，对控制可编程控制器何时输入、何时输出、何时计算、何时自检、何时通信等作时间上的分配管理；二是存储空间，即生成用户环境，由它规定各种参数、程序的存放地址。三是将用户使用的数据参数、存储地址转化为实际的数据格式及物理存放地址，将有限的资源变成用户可很方便地直接使用的元件。
2）用户指令解释程序。众所周知，任何计算机最终都是在执行机器语言指令的，但用机器语言编程却是非常复杂的事情。可编程控制器可用梯形图语言编程，把使用者直观易懂的梯形图变成机器语言，这就是解释程序的任务。解释程序将梯形图逐条解释，翻译成相应的机器语言指令，由CPU执行这些指令。
3）标准程序模块和体统调用。这部分由许多独立的程序块组成，各程序块完成不同的功能，有些完成输入、输出处理，有些完成特殊的运算等。可编程控制器的各种具体工作都是由这部分程序来完成的，而这部分程序的多少又决定了可编程控制器性能的强弱。
（2）PLC的编程语言
现代的可编程序控制器一般备有多种编程语言，供用户选用。IEC（国际电工委员会）1994年5月公布了可编程控制器标准（IEC1131），该标准由5个部分组成：通用信息、设备与测试要求、可编程序控制器的编程语言、用户指南和通信。其中的第3部分（IEC1131-3）是可编程序控制器的编程语言标准。
1.变频器的定义和作用
变频器是将工频电源转换成任意频率、任意电压交流电源的1种电气设备，变频器的使用主要是调整电动机的功率、实现电动机的变速运行。变频器的组成主要包括控制电路和主电路2个部分，其中主电路还包括整流器和逆变器等部件，以下介绍变频器的作用。
（1）变频节能
变频器节能主要表现在风机、水泵的应用上。变频器在工频下运行，具有节电功能。但是前提条件如下：
1）大功率并且为风机/泵类负载。
2）装置本身具有节电功能（软件支持）。
3）长期连续运行。
（2）功率因数补偿节能
无功功率不但增加线损和设备的发热，更主要的是功率因数的降低导致电网有功功率的降低，大量的无功电能消耗在线路当中，设备使用效率低下，且浪费严重。使用变频调速装置后，由于变频器内部滤波电容的作用，从而减少了无功损耗，增加了电网的有功功率。
（3）软起动节能
电机硬起动对电网造成严重的冲击，而且还会对电网容量要求过高。起动时产生的大电流和振动时对挡板和阀门的损害极大。而使用变频节能装置后，利用变频器的软起动功能将使起动电流从零开始，最大值也不超过额定电流，减轻了对电网的冲击和对供电容量的要求，延长了设备和阀门的使用寿命。
2.变频器的工作原理及分类
主电路是给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，变频器的主电路大体上可分为2类：电压型，是将电压源的直流变换为交流的变频器，直流回路的滤波是电容；电流型，是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路滤波是电感。变频器由3部分构成，将工频电源变换为直流功率的“整流器”，吸收在变流器和逆变器产生的电压脉动的“平波回路”，以及将直流功率变换为交流功率的“逆变器”。
变频器的分类方法很多，下面简单介绍几种主要的分类方法。
（1）按变换环节分类
1）交-交变频器。交-交变频器的主要优点是没有中间环节，变换效率高，但其连续可调的频率范围较窄，输出频率一般只有额定频率的1/2以下，电网功率因素较低，主要应用于低速大功率的拖动系统。
2）交-直-交变频器。交-直-交变频器的基本结构主要由整流电路、中间直流环节和逆变电路3个部分组成。交-直-交变频器按中间环节的滤波方式又可分为电压型变频器和电流型变频器。
3）电压型变频器。电压型变频器的电路中，中间直流环节采用大电容滤波，直流电压波形比较平直，使施加于负载上的电压值基本上不受负载的影响，基本保持恒定，类似于电压源，因而称之为电压型变频器。
4）电流型变频器。电流型变频器与电压型变频器在主电路结构上基本相似，不同的是电流型变频器的中间直流环节采用大电感滤波。
（2）按逆变器开关方式分类
1）PAM（脉冲振幅调制），它是通过调节输出脉冲的幅值来进行输出控制的1种方式。在调节过程中，整流器部分负责调节电压或电流，逆变器部分负责调频。
2）PWM（脉宽调制），它是通过改变输出脉冲的占空比来实现变频器输出电压的调节，因此，逆变器部分需要同时进行调压和调频。目前，普遍应用的是脉宽按正弦规律变化的正弦脉宽调制方式，即SPWM方式。
（3）按逆变器控制方式分类
1）V/f控制变频器。V/f控制变频器可同时控制变频器输出电压和频率，它通过保持V/f比值恒定，使得电动机的主磁通不变，在基频以下实现恒转矩调速，基频以上实现恒功率调速。它是一种转速开环控制，无须速度传感器，控制电路简单，多应用于精度要求不高的场合。
2）矢量控制变频器。矢量控制变频器主要是为了提高变频调速的动态性能，它模仿自然解耦的直流电动机的控制方式，对异步电动机的磁场和转矩分别进行控制，以获得类似于直流调速系统的动态性能。
3）直接转矩控制变频器。直接转矩控制变频器是一种新型的变频器，它省掉了复杂的矢量变换与电动机数学模型的简化处理。该系统的转矩响应迅速，无超调，是一种具有高静态和动态性能的交流调速方法。
3.变频器控制方式
低压通用变频输出电压为380～650V，输出功率为0.75～400kW，工作频率为0～400Hz，它的主电路都采用交-直-交电路。其控制方式经历了以下4代：
1）U/f=C的正弦脉宽调制（SPWM）控制方式
2）电压空间矢量（SVPWM）控制方式
3）矢量控制（VC）方式
4）直接转矩控制（DTC）方式
5）矩阵式交-交控制方式
VVVF变频、矢量控制变频、直接转矩控制变频都是交-直-交变频中的一种。由于矩阵式交-交变频省去了中间直流环节，从而省去了体积大、价格贵的电解电容。它能实现功率因数为1，输入电流为正弦且能4个象限运行，系统的功率密度大。该技术目前虽尚未成熟，但仍吸引着众多的学者深入研究。