1.2 PLC的功能、特點及分類

1.2.1 PLC的功能

PLC是一種專門為當代工業生產自動化而設計開發的數字運算操作系統。可以把它簡單理解為專為工業生產領域而設計的計算機。目前，PLC已經廣泛應用于鋼鐵、石化、機械制造、汽車、電力等各個行業，并取得了可觀的經濟效益。特別是在發達的工業國家，PLC已廣泛應用于所有工業領域。隨著性能價格比的不斷提高，PLC的應用領域還將不斷擴大。因此，PLC不僅擁有現代計算機所擁有的全部功能，PLC還具有一些為適應工業生產而特有的功能。

1.開關量邏輯控制功能

開關量邏輯控制是PLC的最基本功能，PLC的輸入/輸出信號都是通/斷的開關信號，而且輸入/輸出的點數可以不受限制。在開關量邏輯控制中，PLC已經完全取代了傳統的繼電器控制系統，實現了邏輯控制和順序控制。目前，用PLC進行開關量控制遍及許多行業，如機場電氣控制、電梯運行控制、汽車裝配、啤酒灌裝生產線等。

2.運動控制功能

PLC可用于直線運動或圓周運動的控制。目前制造商已經提供了拖動步進電動機或伺服電動機的單軸或多軸位置控制模塊，即把描述目標位置的數據送給模塊，模塊移動單軸或多軸到目標位置。當每個軸運動時，位置控制模塊保持適當的速度和加速度，確保運動平穩。PLC還提供了變頻器控制的專用模塊，能夠實現對變頻電機的轉差率控制、矢量控制、直接轉矩控制、U/f控制方式。

3.閉環控制功能

PLC通過模塊實現A/D、D/A轉換，能夠實現對模擬量的控制，包括對穩定、壓力、流量、液位等連續變化模擬量的PID控制，廣泛應用于鍋爐、冷凍、核反應堆、水處理、釀酒等領域。

4.數據處理功能

現代的PLC具有數學運算（包括函數運算、邏輯運算、矩陣運算）、數據處理、排序和查表、位操作等功能；可以完成數據的采集、分析和處理，也可以和存儲器中的參考數據相比較，并將這些設計傳遞給其他智能裝備。有些PLC還具有支持順序控制與數字控制設備緊密結合，實現CNC功能。數據處理一般用于大、中型控制系統中。

5.聯網通信功能

PLC的通信包括PLC與PLC之間、PLC與上位計算機及其他智能設備之間的通信。PLC與計算機之間具有串行通信接口，利用雙絞線、同軸電纜將它們連成網絡，實現信息交換。PLC還可以構成“集中管理，分散控制”的分布式控制系統。聯網可以增加系統的控制規模，甚至可以實現整個工廠生產的自動化控制。

1.2.2 PLC的特點

PLC是由繼電器控制系統和計算機控制系統相結合發展而來的。與傳統的繼電器控制系統相比，PLC具有諸多特點，詳見表1-1。

PLC和工業PC、DCS、PID等其他工業控制器相比，市場份額超過55%。其主要原因是PLC具有繼電器控制、計算機控制及其他控制不具備的顯著特點。

1.運行穩定、可靠性高、抗干擾能力強

PLC是專為工業環境下應用而設計的工業計算機，內部采用集成電路，各種控制功能由軟件編程實現，外部接線大大減少；PLC的使用壽命一般在40 000～50 000h以上，西門子、ABB等品牌的微小型PLC壽命可達10萬小時以上。在機械結構設計與制造工藝上，為使PLC更安全、可靠地工作，采取了很多措施以確保PLC耐振動、耐沖擊、耐高溫（有些產品的工作環境溫度達80～90℃）。有些PLC模塊可熱備，一個主機工作，另一個主機也運轉，但不參與控制，僅作為備份。一旦工作主機出現故障，熱備的主機可自動接替其工作。另外軟件與硬件采取了一系列提高可靠性和抗干擾的措施，如系統硬件模塊冗余、采用光電隔離、掉電保護、對干擾的屏蔽和濾波、在運行過程中運行模塊熱插拔、設置故障檢測與自診斷程序以及其他措施等。

2.設計、使用和維護方便

用PLC實現對系統的各種控制是非常方便的。首先，PLC控制邏輯的建立是通過程序實現的，而不是硬件連線，更改程序比更改接線方便得多；其次，PLC的硬件高度集成化，已集成為各種小型化、系列化、規格化、配套的模塊。各種控制系統所需的模塊，均可在市場上選購到各PLC廠家提供的豐富產品。因此，硬件系統配置與建造同樣方便。

用戶可以根據工程控制的實際需要，選擇PLC主機單元和各種擴展單元進行靈活配置，提高系統的性價比，若生產過程對控制功能要求提高，則PLC可以方便地對系統進行擴充，如通過I/O擴展單元來增加輸入/輸出點數，通過多臺PLC之間或PLC與上位機的通信來擴展系統的功能；利用CRT屏幕顯示進行編程和監控，便于修改和調試程序，易于診斷故障，縮短維護周期。設計開發在計算機上完成，采用梯形圖（LAD）、語句表（STL）和功能塊圖（FBD）等編程語言，還可以利用編程軟件相互轉換，滿足不同層次工程技術人員的需求。

3.體積小、重量輕、能耗低

采用機電一體化設計思想，PLC的體積小、重量輕、能耗低，可以安裝在各類機械設備的內部。例如，西門子公司S7-200系列主機單元CPU221的外形尺寸僅為90mm×80mm× 62mm，重量270g，能耗4W。

4.功能強大，靈活通用

目前PLC的功能全面，幾乎可以滿足大部分工程生產自動化控制的要求。這主要是與PLC具有豐富的處理信息的指令系統及存儲信息的內部器件有關。PLC的指令多達幾十條、幾百條，可處理各式各樣的邏輯問題，還可以進行各種類型數據的運算。PLC 內存中的數據存儲器，種類繁多，容量宏大。I/O繼電器可以存儲I/O信息，少則幾十、幾百，多達幾千、幾萬，甚至十幾萬條。PLC 內部集成了繼電器、計數器、計時器等功能，并可以設置成失電保持或失電不保存，即通電后予以清零，以滿足不同系統的使用要求。PLC 還提供了豐富的外部設備，可建立友好的人機界面，進行信息交換。PLC可送入程序、送入數據，也可讀出程序、讀出數據。

PLC不僅精度高，而且可以選配多種擴展模塊、專用模塊，功能幾乎涵蓋了工業控制領域的所有需求。隨著計算機網絡技術的迅速發展，通信和聯網功能在PLC上迅速崛起，將網絡上層的大型計算機的強大數據處理能力和管理功能與現場網絡中PLC的高可靠性結合起來。利用這種新型的分布式計算機控制系統，可以實現遠程控制和集散系統控制。

1.2.3 PLC的分類

目前，PLC的品種很多，性能和型號規格也不統一，結構形式、功能范圍各不相同，一般按外部特性進行如下分類。

1.按結構形式分類

根據結構形式的不同，PLC可分為整體式和模塊式兩種。

（1）整體式PLC

整體式PLC將I/O接口電路、CPU、存儲器、穩壓電源封裝在一個機殼內，統稱為主機。主機兩側分裝有輸入、輸出接線端子和電源進線端子，并有相應的發光二極管指示輸入/輸出的狀態。通常小型或微型PLC常采用這種結構，如西門子的S7-200系列、松下的FP1系列、三菱的FX系列產品，適用于簡單控制的場合。

（2）模塊式PLC

模塊式 PLC 為總線結構，在總線板上有若干個總線插槽，每個插槽上可安裝一個 PLC模塊，不同的模塊實現不同的功能，根據控制系統的要求來配置相應的模塊，如CPU模塊（包括存儲器）、電源模塊、輸入模塊、輸出模塊以及其他高級模塊、特殊模塊等。大型的 PLC通常采用這種結構，如西門子的S7-300/400系列、三菱的Q系統產品，一般用于比較復雜的控制場合。

2.按I/O點數分類

（1）小型PLC

小型PLC的I/O點數一般在128以下，其中I/O點數小于64的為超小型或微型PLC。其特點是體積小、結構緊湊，整個硬件融為一體，除了開關量I/O以外，還可以連接模擬量I/O以及其他各種特殊功能模塊。它能執行包括邏輯運算、計時、計數、算術運算、數據處理和傳送、通信聯網以及各種應用指令，結構形式多為整體式。小型 PLC 產品應用的比例最高。

（2）中型PLC

中型PLC的I/O點數一般為256～2 048，采用模塊化結構，程序存儲容量小于13KB，可完成較為復雜的系統控制。I/O的處理方式除了采用PLC一般通用的掃描處理方式外，還能采用直接處理方式，通信聯網功能更強，指令系統更豐富，內存容量更大，掃描速度更快。

（3）大型PLC

大型PLC的I/O點數一般在2 048以上，采用模塊化結構，程序存儲容量大于13KB。大型PLC的軟、硬件功能極強，具有極強的自診斷功能。通信聯網功能強，可與計算機構成集散型控制，以及更大規模的過程控制，形成整個工廠的自動化網絡，實現工廠生產管理自動化。

3.按功能分類

（1）低檔PLC

低檔PLC主要以邏輯運算為主，具有邏輯運算、定時、計數、移位以及自診斷、監控等基本功能，還可有少量的模擬量輸入/輸出、算術運算、數據傳送和比較、通信等功能，一般用于單機或小規模過程。

（2）中檔PLC

中檔PLC除了具有低檔PLC的功能以外，還加強了對開關量、模擬量的控制，提供了數字運算能力，如算術運算、數據傳送和比較、數值轉換、遠程 I/O、子程序等，加強了通信聯網功能。可用于小型連續生產過程的復雜邏輯控制和閉環調節控制。

（3）高檔PLC

高檔PLC除了具有中檔PLC的功能以外，還增加了帶符號算術運算、矩陣運算、位邏輯運算、平方根運算、其他特殊功能函數運算、制表、表格傳送等。高檔PLC進一步加強了通信網絡功能，適用于大規模的過程控制。