可编程逻辑控制器本质上不过是特殊用途的工业计算机。因此，它们的制造比普通个人电脑（PC）要坚固得多，并且设计用于运行极其可靠的操作系统软件。按照惯例，PLC不包含旋转磁盘驱动器、冷却风扇或任何其他运动部件。这是一个有意的设计决策，旨在恶劣的工业环境中最大化硬件的可靠性，在这些环境中PLC机箱可能面临极端温度、振动、湿度以及空气中的颗粒物（灰尘、纤维和/或烟雾）。
大型PLC系统由一个机架组成，电路“卡”插入其中。这些卡包括处理器、输入和输出（I/O）点、通信端口以及完整PLC系统运行所需的其他功能。这种“模块化”PLC可以根据应用的具体需求进行不同配置。在模块化系统中，单个卡的故障也更容易维修，因为只需更换故障卡，而无需更换所有卡或整个卡架。
小型PLC系统由一个整体的“砖块”组成，包含所有处理器、I/O和通信功能。这些PLC通常比它们的模块化同类产品便宜得多，但在I/O能力上也更为有限，并且在发生故障时必须整体更换。
至今仍在使用的传统PLC和系统
以下照片展示了几个真实PLC系统的示例，有些是模块化的，有些是一体化的。这些选择无论如何都不全面，因为还有更多PLC制造商和型号。前几个示例代表了较老的PLC系统，今天可能仍能看到它们在使用。
重要的是要认识到，如今使用的许多PLC并不是全新型号，而是已经安装并展示了数十年来非常可靠的性能。PLC的接线、诊断和故障排除概念适用于所有世代的PLC技术。
第一张照片是一个老式西门子/TI 505系列PLC（2016年初宣布停产），安装在一个市政污水处理厂的控制面板中。这是一个模块化PLC的示例，具有独立的处理器、I/O和通信卡插入机架中。这张照片显示了三个机架（两个完全插满了卡，第三个只插了一部分）：
每个机架的电源和处理器卡位于左端，I/O卡插入机架其余部分的插槽中。开关和传感器等输入设备通过导线连接到输入卡的端子上，而灯、电磁阀和电机接触器线圈等输出设备则通过导线连接到输出卡的端子上。
模块化PLC结构的好处之一是，I/O卡可以根据需要随时更换，从而按需改变PLC的I/O配置。例如，如果PLC需要配置为监控更多传感器，可以在机架中插入更多输入卡，随后将这些卡与传感器接线。或者，如果传感器类型需要改变——比如从24伏直流传感器换成120伏交流传感器——可以替换为不同类型的输入卡以匹配新的传感器。
在此特定应用中，PLC用于对自清洁“拦污格栅”的运行进行排序控制，这些格栅用于在市政废水处理前拦截较大的杂物，如破布、棍棒和其他不可降解物品。这些拦污格栅由电机驱动，捕获的杂物被刮下并输送到固体废物处理系统。拦污格栅的运动、废水水位和压力的感应，以及任何人控超驰控制的监控，均由这些PLC管理。这些PLC的编程涉及定时器、计数器、顺序器和其他功能，以妥善管理拦污格栅的连续运行。
下一张照片显示了一个Allen-Bradley/Rockwell Automation PLC-5系统（其停产公告也于2017年较近期发布），用于监控和控制大型天然气压缩机的运行。第一张照片中有两个机架，每个机架中插入了不同类型的I/O卡：
与之前看到的西门子505 PLC一样，这款Allen-Bradley PLC-5系统也是完全模块化且可配置的。插入机架的I/O卡的类型和位置可由具备适当技能的技术人员更改，以适应任何所需的应用。如果因任何原因需要改变控制策略，PLC处理器卡的编程也可以更改。
在此特定应用中，PLC的任务是监控燃气压缩机组的某些变量，并在需要时采取纠正措施以保持设备的生产效率和安全性。PLC提供的自动控制确保了安全高效的启动、停机以及紧急事件的处理。PLC的网络和数据记录能力确保压缩机组的关键数据能被相应人员查看。对于这个特定的压缩站，数据从压缩机所在的华盛顿州一直传输到主运营中心所在的犹他州。犹他州的操作人员能够通过数字网络监控压缩机的运行状态并向压缩机发出命令。
按照现代标准，西门子（原德州仪器）505和Allen-Bradley（罗克韦尔）PLC-5系统都被认为是“传统”PLC系统，前面照片中的两个系统各自已有约30年的历史。然而，这些“过时”的PLC仍在运行的情况并不少见。由于其极其坚固的结构和可靠的设计，这些控制系统可以持续运行数十年而不会出现重大故障。
Allen-Bradley生产的较新但仍属于传统型号的PLC是SLC 500系列，通常口头称为“Slick 500”。该PLC在设计上也像较老的PLC-5系统一样是模块化的，只是SLC 500设计的机架和模块更加紧凑。下一张照片中显示的SLC 500机架有7个用于插入处理器和I/O卡的“插槽”，编号为0到6（从左到右）：
在这个特定的SLC 500机架中，前三个插槽（0、1和2）分别被处理器卡、模拟输入卡和离散输入卡占用。插槽3和4是空的（露出背板电路板和用于插入新卡的连接器）。插槽5和6分别装有离散输出卡和模拟输出卡。
该系统中所有卡上可见的一个特征是众多的LED指示灯，用于显示每块卡的状态。处理器卡上有“运行”模式、“故障”状态、“强制”状态（当输入或输出位被人为编程器强制设置为特定状态以进行测试时）以及通信网络指示灯的LED指示灯。每块离散I/O卡都有指示灯显示每个I/O位的开/关状态，模拟卡则有一个单独的LED显示该卡已通电。
下一张照片显示了一个九插槽的SLC 500系统，用于控制生物制药制造设施的高纯度水处理系统。正如您在这张照片中看到的，这个特定机架中并非所有插槽都被I/O卡占用：
该PLC的部分输入包括水位开关、压力开关、水流量计和电导率仪（用于测量水的纯度，电导率越高表明溶解的矿物质越多，而在此特定工艺应用中这是不可取的）。反过来，PLC控制水泵的启动和停止以及水阀的切换，以管理水净化和存储过程。
下一张照片中是西门子生产的最后一种传统PLC系统，即S7-300，这是一种不同设计的模块化PLC。这种模块化PLC设计不是将单个卡插入机架，而是使用各个模块在侧面相互插接，形成一个更宽的单元：
现代PLC型号
Allen-Bradley（罗克韦尔）生产的这款现代PLC是ControlLogix 5000系统，如照片所示，用于控制谷物加工过程。ControlLogix 5000系统的模块化设计遵循了更传统的方案，即单个卡插入固定尺寸的机箱或机架中。该机箱包含13个插槽，而所有模块化PLC的常见型号少则4个插槽，多则20个或更多插槽。
在这个PLC系统中，使用颜色来便于识别模块类型。通过仔细检查这款罗克韦尔PLC，电源和CPU位于最左侧，随后是通信模块（紫色）、模拟模块（棕色/黄色）、交流信号模块（红色）和继电器信号模块（橙色）。并非所有制造商都遵循相同的颜色惯例，但当可以立即清楚哪些模块类型可能受到系统故障影响时，这有助于隔离和解决问题。
另一个由主要制造商最近发布的热门PLC型号是S7-1500。下面展示了部分本地和远程CPU模块以及一些I/O模块示例，图片由制造商网站提供。这是西门子S7系列的最新演进产品，该系列包括之前展示的S7-300。这款PLC设计为包含任何PLC应具备的所有标准I/O和通信能力，同时也设计用于连接到虚拟数据处理空间，即所谓的“云”。
所有PLC的另一个重要方面是其通信能力。最早的数字通信形式是串行点对点接口，通常是RS-232连接（许多用户简称为“串行端口”）。这种点对点连接对于编程仍然有用，但在现代PLC上更可能以USB连接器的形式出现。
为了与无穷无尽的外部设备接口，网络适配器是绝对必要的。工业市场上主要有几种网络协议。最熟悉的是以太网，其中8针RJ或圆形M12连接器提供了支持互联网的连接介质。许多较旧的通信协议（尤其是Modbus和控制器局域网[CAN]系统）通过以太网接口运行，为使用全新的控制器搭配旧设备提供了一种简单的方法。
其他常见的网络接口包括Profinet、ControlNet、EtherCAT、RS-485等。大多数PLC可以通过这些接口中的任何一个接受下载的程序，前提是编程PC具备与该协议接口的适配器。在下图中，您可以看到Automation Direct的“Productivity”系列CPU，其正面带有许多此类端口：RS-485（顶部的绿色接头）、USB、RS-232、以太网，甚至还有一个用于记录数据和程序的SD卡插槽。
云连接PLC与物联网（IoT）在这些具备互联网和云连接系统的现代PLC中，本地控制器仍然接收来自现场设备、传感器、开关甚至本地人机界面（HMI）屏幕的输入信号。PLC也仍然处理逻辑决策并触发输出设备，如电磁阀、阀门和继电器。 这些云系统的独特之处在于对数据进行长期处理以实现改进。由PLC处理的大量过程数据（包括输入和输出）通过消息系统发送到远程服务器硬盘。在那里，大量数据可以存储并通过复杂算法进行筛选。
但目的是什么？我们为何要存储数据？又究竟在用这些数据计算什么？
长期过程运行和机器可靠性可能与操作环境相关的各种参数有关。如果机器运行温度过高，它将发生故障，过程将报告更多的停机时间。过度振动、潮湿甚至光照也会以不同速度导致关键部件劣化。还有其他影响系统的外部变量，也许夏季异常温暖，或者附近的一个新设施为本地电网引入了新的偶发性功率波动。这些数据是本地PLC无法获取的。
当数据在云端收集时，所有这些看似不相关的数据点都可以用来建立关联。在未来，通过测量所有这些信息，预测故障和停机时间将更加准确。这种预测性维护的概念是云计算最常见的用途之一。
当计算机被用来处理信息（即使在本地车间层面），并找出变量之间的新联系以得出过程改进的结论——这些结论常常是我们日常操作人员容易忽略的……这个概念是人工智能的基础，而人工智能是近年来工业过程中常见的术语。
边缘计算有时，公司不愿将大量数据发送到另一个位置的服务器，担心可能的安全漏洞，这是一个合理的担忧。其他时候，安全措施的紧迫性也会成为障碍：收集传感器数据、传输到云端、等待回复，然后在紧急情况下切断机器电源，这一过程耗时过长。 针对这些情况，PLC逻辑和云计算之间的一种折衷方案被称为“边缘计算”，它仍然从PLC收集最关键的、对时间敏感的数据。位于车间现场的这台计算机会做出即时的重要决策和计算，然后仍会将长期趋势数据传递给远程服务器进行更长期的处理。
边缘计算数据可以相对较短时间地少量存储和收集，但当机器数天、数周甚至数年的趋势对于监控过程健康至关重要时，云存储则要强大得多。但对于那些需要额外安全性或快速响应时间的超敏感场景，边缘计算设备是一个很好的选择。
更小型的PLC系统虽然西门子S7和罗克韦尔ControlLogix PLC平台代表了大型模块化PLC系统，但也存在成本仅为它们一小部分的更小型PLC。如前所述，这些小型系统可能有一个缺点，即I/O点数量有限。然而，对于大多数制造商的产品，您可以在这些小型PLC的侧面和正面找到插头和接头，仍然可以通过附加I/O模块进行扩展。 这种小型但模块化的PLC的一个好例子是西门子S7-1200，如下图所示。它具有嵌入式数字输入、模拟输入和数字输出端子，但顶部还有一个用于附加模块的插槽。下图的当前型号配有一个模拟输出信号板。从右侧移除一个小塑料盖后，还会露出一个小型针脚接头，可以接受侧面安装的I/O模块。
罗克韦尔自动化还提供一系列更小、更紧凑的PLC，合理命名为CompactLogix系列，如下图所示。该PLC系列包括一些模块化版本，就像前面描述的ControlLogix系列的缩小版。另一个版本在控制器正面设有嵌入式I/O端子，允许客户购买单个单元，而不是机架、电源、CPU和各种I/O模块。
这些CompactLogix PLC还能够接受附加模块，以提供额外的模拟和数字输入输出。这些附加模块来自罗克韦尔自动化的Point I/O远程I/O模块系列。
也许市场上最便宜的PLC是Koyo“CLICK”PLC系列，由Automation Direct销售。我手中展示的是其处理器模块，带有八个离散输入和六个离散输出通道（目前售价85美元，并且附赠免费编程软件！）：
这款Click PLC是半模块化设计的另一个例子，处理器模块内置了最少数量的输入/输出（I/O）通道，但能够接受多个I/O模块插入侧面，这与西门子S7-1200 PLC非常相似。在我手指附近的下方，您可以看到一个小塑料盖，取下后会露出一个多针连接接头。
其他半模块化PLC使用插入基本单元的I/O卡进行扩展，这与传统的基于机架的PLC系统不同。Koyo DirectLogic DL06是这类半模块化PLC的一个很好的例子，下一张照片显示了一款DL06在其四个可用卡槽之一中插入了一块热电偶输入卡：
这张照片显示了PLC基本单元，具有20个离散输入通道和16个离散输出通道，并接受一个模拟输入卡（该特定卡设计用于输入来自热电偶的信号，最多可测量四个通道的温度）。
一些低端PLC是严格单片式的，无法接受额外的I/O模块。这台通用电气Series One PLC（用于监控一个小型水力发电站）就是纯粹单片式设计的一个例子，没有用于接受I/O卡的“扩展”插槽：
单片式PLC结构的一个缺点是，损坏的I/O无法独立更换。如果这类PLC上的某个I/O通道损坏，必须更换整个PLC才能解决问题。在模块化系统中，只需将损坏的I/O卡从机架中拔出并更换为新的I/O卡即可。单片式PLC的另一个缺点是I/O固有的固定性质：最终用户无法自定义I/O配置以适应具体应用。由于这些原因，单片式PLC通常用于I/O通道少且扩展潜力有限的小型过程中。对用户来说好消息是，目前生产的大多数小型PLC都允许某种形式的扩展，从而为随着需求提升而升级和改进系统提供了机会。
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