第2章　可編程控制器（PLC） 概述

2.1　PLC的介紹與特點

可編程控制器是新一代的工業控制裝置，是工業自動化的基礎平臺，目前已被廣泛應用到石油、化工、電力、機械制造、汽車、交通等各個領域。早期的可編程控制器只能用于進行邏輯控制，因此被稱為可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）。隨著現代技術的發展，可編程控制器用微處理器作為其控制的核心部件，其控制的功能也遠遠超過了邏輯控制的范圍，于是這種裝置被稱為可編程控制器（Programmable Controller，PC）。但是為了避免與個人計算機（Personal Computer，PC）相混淆，可編程控制器仍然被稱為PLC。

2.1.1　PLC的產生

PLC產生之前，繼電器控制系統廣泛應用于工業生產的各個領域，起著不可替代的作用。隨著生產規模的逐步擴大，繼電器控制系統已越來越難以適應現代工業生產的要求。繼電器控制系統通常是針對某一固定的動作順序或生產工藝而設計的，它的控制功能僅局限于邏輯控制、定時、計數等一些簡單的控制，一旦動作順序或生產工藝發生變化，就必須重新進行設計、布線、裝配和調試，造成時間和資金的嚴重浪費。另外繼電器控制系統體積大、耗電多、可靠性差、壽命短、運行速度慢、適應性差。在PLC發明之前，全世界都是采用這種控制方式。

為了改變這一現狀，人們在想能否使用計算機進行邏輯運算來替代由繼電器搭配邏輯電路呢？1968年美國最大的汽車制造商通用汽車公司（GM），為了適應汽車型號不斷更新的需求，并能在競爭激烈的汽車工業中占有優勢，提出要研制一種新型的工業控制裝置來取代繼電器控制裝置，并擬定了10項公開招標的技術要求（GM10條），這10項技術如下：

①編程簡單方便，可在現場修改程序；

②硬件維護方便，最好是插件式結構；

③可靠性高于繼電器控制系統；

④體積小于繼電器控制柜；

⑤可將數據直接送入管理計算機；

⑥在成本上可與繼電器控制柜競爭；

⑦輸入可以是AC 115V；

⑧輸出是交流115V，2A以上，可直接驅動電磁閥等；

⑨在擴展時，原系統只要很小變更；

⑩用戶程序存儲器容量至少可以擴展到4KB。

根據這些要求，1969年美國數字設備公司（DEC）研制出了世界上第一臺PLC，并在美國通用汽車公司自動裝配生產線上試用成功。這種新型的工控裝置，以其體積小、可靠性高、使用壽命長、簡單易懂、操作維護方便等一系列優點，很快就在美國許多行業里得到推廣和應用，同時也受到了世界上許多國家的高度重視。1971年，日本從美國引進了這項新技術，并研制出了日本第一臺PLC。1973年西歐一些國家也研制出了自己的PLC。我國從20世紀70年代中期開始研制PLC，1977年我國采用美國Motorola公司的集成芯片研制成功了國內第一臺有實用價值的PLC。

2.1.2　PLC的定義

1987年國際電工委員會（International Electrotechnical Commission，IEC）在可編程控制器國際標準草案中對可編程控制器作出如下定義。可編程控制器是一種數字運算操作的電子系統，專為在工業環境下應用而設計。它采用了可編程序的存儲器，用來在其內部存儲執行邏輯運算、順序控制、定時、計數和算術運算等操作的指令，并通過數字式、模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產過程。可編程控制器及其有關的外圍設備都應按易于與工業控制系統形成一個整體、易于擴充其功能的原則設計。

由PLC的定義可以看出，PLC具有和計算機相類似的結構，也是一種工業通用計算機，只不過PLC為適應各種較為惡劣的工業環境而設計，具有很強的抗干擾能力，這也是PLC區別于一般微機控制系統的一個重要特征，并且PLC必須經過用戶二次開發編程才能使用。

2.1.3　PLC的分類

PLC是根據現代化大生產的需要而產生的，PLC的分類也必然要符合現代化生產的需求。PLC產品的種類繁多，其功能、內存容量、控制規模、外形等方面均存在較大差異，型號規格不統一，還沒有一個權威的統一分類標準，準確分類也是困難的。目前，一般按照控制規模、結構形式和實現的功能粗略地對PLC進行分類。

（1）按PLC的控制規模分類

控制規模主要指PLC可控制的最大I/O點數。通常而言，PLC能控制的I/O點數越多，其控制的對象就越復雜，控制系統的規模也越大。PLC按控制規模分，可以分為小型機、中型機和大型機3類。

①小型機　小型機的控制點數一般在256點以內，通常采用整體式結構，適用于機電一體化設備或各種自動化儀表的單機控制。如日本OMRON公司生產的CQM1、三菱公司生產的FX2和德國西門子公司生產的S7-200。這類PLC由于控制點數不多，控制功能有一定局限性。但它價格低廉，并且小巧、靈活，可以直接安裝在電氣控制柜內，很適合用于單機控制或小型系統的控制。

②中型機　中型機的控制點數一般在256～2048點之間，一般采用模塊式結構，常用于大型機電一體化設備的控制。如日本OMRON公司生產的C200H、日本富士公司生產的HDC-100和德國西門子公司生產的S7-300。這類PLC由于控制點數較多，控制功能較強，有些PLC還有較強的計算能力，不僅可用于對設備進行直接控制，也可以對多個下一級的PLC進行監控，適用于中型或大型控制系統的控制。

③大型機　大型機的控制點數一般大于2048點，大型PLC使用32位微處理器，多CPU并行工作，并具有大容量存儲器。均采用模塊式結構，具有較強的網絡通信功能，可用于大型自動化生產過程，組成分布式控制系統。如日本OMRON公司生產的C2000H、日本富士公司生產的F200和德國西門子公司生產的S7-400。這類PLC控制點數多，控制功能很強，有很強的計算能力。同時，這類PLC運行速度很高，不僅能完成較復雜的算術運算，還能進行復雜的矩陣運算，它不僅可以用于對設備進行直接控制，可以對多個下一級的PLC進行監控，還可以完成現代化工廠的全面管理和控制任務。

上述劃分方式并不十分嚴格，也不是一成不變的。

（2）按PLC的結構分類

為了方便在工業現場安裝，便于擴展，方便接線，其結構與普通計算機有很大區別。通常從組成結構形式上將PLC分為整體式和模塊式兩大類。

①整體式　整體式結構的PLC把電源、CPU、存儲器和I/O系統都集成在一個單元內，該單元叫作基本單元。一個基本單元就是一臺完整的PLC。控制點數不滿足需要時，可再接擴展單元，擴展單元不帶CPU，在安裝時不用基板，僅用電纜進行單元間的連接，由基本單元和若干擴展單元組成較大的系統。整體式結構的特點是緊湊、體積小、成本低、安裝方便，其缺點是各個單元輸入與輸出點數有確定的比例，使PLC的配置缺少靈活性，有些I/O資源不能充分利用。早期的小型機多為整體式結構。

②模塊式　PLC的模塊式結構通常也叫作組合式結構。模塊式結構的PLC是把PLC系統的各個組成部分按功能分成若干個模塊，如CPU模塊、輸入模塊、輸出模塊和電源模塊等，其中各模塊功能比較單一，模塊的種類卻日趨豐富。例如，一些PLC除了-些基本的I/O模塊外，還有一些特殊功能模塊，如溫度檢測模塊、位置檢測模塊、PID控制模塊和通信模塊等。模塊式結構的PLC采用搭積木的方式，在一塊基板插槽上插上所需模塊組成控制系統（又叫作組合式結構）。有的PLC沒有基板而是采用電纜把模塊連接起來組成控制系統（又叫作疊裝式結構）。模塊式結構的PLC特點是CPU、輸入和輸出均為獨立的模塊，模塊尺寸統一、安裝整齊、I/O點選型自由，并且安裝調試、擴展和維修方便。中型機和大型機多為模塊式結構。

（3）按PLC的功能分類

PLC按功能強弱來分，可以分為低檔機、中檔機和高檔機3類。

①低檔機　低檔機具有基本的控制功能和一般的運算能力。工作速度比較低，能帶的輸入/輸出模塊的數量比較少，種類也比較少。這類可編程控制器只適合于小規模的簡單控制，在聯網中一般適合做從站使用。如日本OMRON公司生產的C60P就屬于低檔機。

②中檔機　中檔機具有較強的控制功能和較強的運算能力，它不僅能完成一般的邏輯運算，還能完成比較復雜的三角函數、指數運算和PID運算，工作速度比較快，能帶的輸入/輸出模塊的數量和種類也比較多。這類可編程控制器不僅能完成小型系統的控制，還可以完成較大規模的控制任務，在聯網中可以做從站，也可以做主站。如德國西門子公司生產的S7-300就屬于中檔機。

③高檔機　高檔機具有強大的控制功能和強大的運算能力，它不僅能完成邏輯運算、三角函數運算、指數運算和PID運算，還能進行復雜的矩陣運算，工作速度很快，能配帶的輸入/輸出模塊的數量很多，種類也很全面。這類可編程控制器不僅能完成中等規模的控制工程，還可以完成規模很大的控制任務，在聯網中一般做主站使用。如德國西門子公司生產的S7-400就屬于高檔機。

2.1.4　PLC的發展

可編程控制器（PLC）自問世以后就憑借其優越的性能得到了迅速的發展，現在PLC已經成為一種最重要的也是應用場合最多的工業控制器。

最初的PLC限于當時元器件的條件及計算機的發展水平，主要由分立元件和中小規模集成電路組成，存儲器采用的是磁芯存儲器。它只能完成簡單的開關量邏輯控制以及定時、計數功能。這時的PLC主要是被用作繼電器控制裝置的替代品，但它的性能要優于繼電器，其主要優點包括體積小、易于安裝、能耗低、簡單易學等。為了方便熟悉繼電器、接觸器系統的工程技術人員使用，可編程控制器在軟件編程上采用和繼電器控制電路相似的梯形圖作為主要的編程語言。

20世紀70年代出現的微處理器使可編程控制器發生了巨大的變化。歐美及日本的一些廠家以微處理器和大規模集成電路芯片作為PLC的中央處理單元（CPU），使PLC增加了運算、數據傳送及處理通信、自診斷等功能，可靠性也得到了進一步的提升。PLC成為真正具有計算機特征的工業控制裝置。70年代中后期，可編程控制器進入實用化發展階段，計算機技術已全面引入可編程控制器中，使其功能發生了飛躍。更高的運算速度、更小的體積、更可靠的工業抗干擾設計、模擬量運算、PID功能以及極高的性價比奠定了PLC在現代工業中的地位。

20世紀80年代至90年代中期，可編程控制器在先進工業國家中已獲得廣泛應用。這個時期可編程控制器發展的特點是大規模、高速度、高性能、產品系列化。PLC在處理模擬量能力、數字運算能力、人機接口能力和網絡能力等方面得到大幅度提高，PLC逐漸進入過程控制領域，在某些應用上取代了在過程控制領域處于統治地位的DCS系統。這個時期PLC的另一個特點是世界上生產可編程控制器的國家日益增多，產量日益上升。這標志著可編程控制器已步入成熟階段。

20世紀末至今，可編程控制器的發展更加適應于現代工業的需要。從產品規模上來看，PLC會進一步向超小型及超大型方向發展；從控制能力上來看，誕生了各種各樣的特殊功能單元，用于壓力、溫度、轉速、位移等各式各樣的控制場合；從產品的配套能力來看，生產了各種人機界面單元、通信單元，使應用可編程控制器的工業控制設備的配套更加容易。目前，可編程控制器在機械制造、石油化工、冶金鋼鐵、汽車、輕工業等領域的應用都得到了長足的發展。伴隨著計算機網絡的發展，可編程控制器作為自動化控制網絡和國際通用網絡的重要組成部分，將在工業及工業以外的眾多領域發揮越來越大的作用。

2.1.5　PLC的特點

PLC具有通用性強、使用方便、適應面廣、可靠性高、抗干擾能力強、編程簡單等優越的性能，這些特點使其在工業自動化控制特別是順序控制領域擁有無法取代的地位。

（1）可靠性高、抗干擾能力強

在傳統的繼電器控制系統中，由于器件的老化、脫焊、觸點的抖動、觸點的電弧、接觸不良等現象，大大降低了系統的可靠性。繼電器控制系統的維修不僅耗費時間金錢，重要的是由于維修停產所帶來的經濟損失更是不可估量的。在PLC控制系統中，由于大量的開關動作是由無觸點的半導體電路完成的，而且PLC在硬件和軟件方面都采取了強有力的措施，使得產品具有極高的可靠性和抗干擾性。

在硬件方面，PLC對所有的I/O接口電路都采用光電隔離措施，使工業現場的外部電路與PLC內部電路之間被有效地隔離開來，以減少故障和誤動作；電源、CPU、編程器等都采用屏蔽措施，防止外界的干擾；供電系統及輸入電路采用多種形式的濾波，以消除或抑制高頻干擾，也削弱了各個部分之間的相互影響；采用模塊式結構，當某一模塊出現故障時，可以迅速更換該模塊，從而盡可能縮短系統的故障停機時間。

在軟件方面，PLC設置了監視定時器，如果程序每次循環的執行時間超過了設定值，則表明程序已經進入死循環，可以立即報警。PLC具有良好的自診斷功能，一旦電源或其他軟件、硬件發生異常情況，CPU會立即把當前狀態保存起來，并禁止對程序的任何操作，以防止存儲信息被沖掉，等故障排除后則會立即恢復到故障前的狀態繼續執行程序。另外PLC還加強對程序的檢查和校驗，當發現錯誤時會立即報警，并停止程序的執行。

（2）編程方法簡單易學

大多數的PLC采用梯形圖語言編程，其電路符號和表達方式與繼電器電路原理圖相似。只用少量的開關量邏輯控制指令就可以很方便地實現繼電器電路的功能。另外梯形圖語言形象直觀、編程方便、簡單易學，熟悉繼電器控制電路圖的電氣技術人員很快就可以熟悉梯形圖語言，并用來進行編寫程序。

（3）靈活性和通用性強

PLC是利用程序來實現各種控制功能的。在PLC控制系統中，當控制功能改變時只需修改控制程序即可，PLC的外部接線一般只需做少許改動。一臺PLC可以用于不同的控制系統，只要加載相應的程序就行了。而繼電器控制系統中當工藝要求稍有改變時，控制電路就必須隨之做相應的變動，耗時又費力。所以說PLC的靈活性和通用性是繼電器電路所無法比擬的。

（4）豐富的I/O接口模塊

PLC針對不同的工業現場信號，如交流或直流、開關量或模擬量、電壓或電流、脈沖或電位、強電或弱電信號，都能選擇到相應的I/O模塊與之相匹配。對于工業現場的器件或設備，如按鈕、行程開關、接近開關、傳感器及變送器、電磁線圈、控制閥等設備都有相應的I/O模塊與之相連接。另外，為了提高PLC的操作性能，還有多種人機對話的接口模塊；為了組成工業局域網絡，還有多種通信聯網的接口模塊。

（5）采用模塊化結構

為了適應各種工業控制的需求，除了單元式的小型PLC以外，絕大多數PLC都采用模塊化結構。PLC的各個部件，包括CPU、電源、I/O接口等均采用模塊化結構，并由機架及電纜將各模塊連接起來。系統的規模和功能可以根據用戶自己的需要自行組合。

（6）控制系統的設計、調試周期短

由于PLC是通過程序來實現對系統的控制的，因此設計人員可以在實驗室里設計和修改程序。還可以在實驗室里進行系統的模擬運行和調試，使工作量大大減少。而繼電器控制系統是靠調整控制電路的接線來改變其控制功能的，調試時費時又費力。

（7）體積小、能耗低、易于實現機電一體化

小型PLC的體積僅相當于幾個繼電器的大小，其內部電路主要采用半導體集成電路，具有結構緊湊、體積小、重量輕、功耗低的特點。PLC還具有很強的抗干擾能力，能適應各種惡劣的環境，并且其易于裝入機械設備內部，因此PLC是實現機電一體化的理想控制裝置。

2.1.6　PLC性能指標

PLC的主要性能指標包括以下幾個方面。

（1）輸入/輸出（I/O）點數

I/O點數即PLC面板上的輸入、輸出端子的個數，這是一項重要的技術指標。I/O點數越多，外部可接的輸入器件和輸出器件就越多，控制規模也就越大。通常小型機最多有幾十個點，中型機有幾百個點，大型機超過千點。

（2）存儲容量

PLC中的存儲器包括系統存儲器和用戶程序存儲器。這里的存儲容量是指用戶程序存儲器的容量。用戶程序存儲器容量越大，可存儲的程序就越大，可以控制的系統規模也就越大。一般以字節（B）為單位。

（3）掃描速度

掃描速度是指PLC執行程序的速度，是衡量PLC性能的重要指標之一，主要取決于所用芯片的性能。一般以執行1000步指令所需的時間來衡量，單位為ms/千步。有時也以執行1步指令的時間計算，單位為μs/步。掃描速度越快，PLC的響應速度也越快，對系統的控制也就越及時、準確、可靠。

（4）指令的數量和功能

用戶編寫的程序所完成的控制任務，取決于PLC指令的多少。編程指令的數量和功能越多，PLC的處理能力和控制能力就越強。

（5）內部器件的種類和數量

內部器件包括各種繼電器、計數器、定時器、數據存儲器等。其種類和數量越多，存儲各種信息的能力和控制能力就越強。

（6）擴展能力

在選擇PLC時，需要考慮其可擴展性。它主要包括輸入、輸出點數的擴展，存儲容量的擴展，聯網功能的擴展和可擴展模塊的多少。