任務(wù)1.1 認(rèn)識(shí)PLC的產(chǎn)生、定義及分類

任務(wù)引入

由現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化三大支柱可知，PLC已成為一種可靠的控制器，那么，它是在哪種社會(huì)生產(chǎn)的歷史背景下產(chǎn)生的？有哪些功能？又是如何進(jìn)行分類的？

任務(wù)分析

完成本節(jié)任務(wù)，需要了解PLC的產(chǎn)生、定義及其分類的相關(guān)知識(shí)。

相關(guān)知識(shí)

1.1.1 PLC的產(chǎn)生

PLC產(chǎn)生以前，通常以繼電器-接觸器控制系統(tǒng)對(duì)電動(dòng)機(jī)等控制對(duì)象實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。以各種繼電器為主要元器件的電氣控制線路承擔(dān)著生產(chǎn)過程自動(dòng)控制的艱巨任務(wù)。這些器件組成的控制系統(tǒng)需要大量的導(dǎo)線、大容量的控制柜，占據(jù)大量的空間，當(dāng)這些繼電器-接觸器運(yùn)行時(shí)又產(chǎn)生大量噪聲，消耗大量電能。為保證電氣控制系統(tǒng)正常運(yùn)行，需要安排大量的電氣技術(shù)人員進(jìn)行維護(hù)，有時(shí)某個(gè)電氣元件的損壞，甚至某個(gè)繼電器或接觸器的觸點(diǎn)接觸不良都會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。檢查和排除故障又是非常困難的，現(xiàn)場(chǎng)電氣技術(shù)人員的技術(shù)水平也直接影響設(shè)備恢復(fù)運(yùn)行的速度，尤其是在生產(chǎn)工藝發(fā)生變化時(shí)，可能需要增加很多繼電器-接觸器或電氣控制柜，重新接線或改線的工作量極大，甚至可能需要重新設(shè)計(jì)電氣控制系統(tǒng)。面對(duì)這種局面，人們迫切需要一種新的工業(yè)控制裝置來取代傳統(tǒng)的繼電器-接觸器控制系統(tǒng)，使電氣控制系統(tǒng)工作更可靠、更容易維修、更能適應(yīng)經(jīng)常變化的生產(chǎn)工藝要求。

為適應(yīng)生產(chǎn)工藝和流程經(jīng)常變化的控制需要，在20世紀(jì)60年代，人們?cè)噲D用小型計(jì)算機(jī)取代繼電器-接觸器控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)工業(yè)控制，但初期的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)不僅成本高、抗干擾能力差，而且編程技術(shù)較復(fù)雜，不易掌握，因而沒能得到推廣和應(yīng)用。現(xiàn)代工業(yè)需要一種能集合傳統(tǒng)的繼電器-接觸器控制系統(tǒng)和先進(jìn)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，用于開關(guān)量控制的自動(dòng)控制裝置，由此，在半導(dǎo)體集成電路和計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上，可編程序控制器應(yīng)運(yùn)而生了。

20世紀(jì)60年代末期，美國(guó)汽車制造業(yè)競(jìng)爭(zhēng)激烈。各生產(chǎn)廠家的汽車型號(hào)不斷更新，它必然要求生產(chǎn)線的控制也隨之改變，以及對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)重新配置。為此要尋求一種比繼電器-接觸器控制系統(tǒng)更可靠、響應(yīng)速度更快、功能更強(qiáng)大的通用工業(yè)控制裝置。在1968年美國(guó)通用汽車公司（GM）提出了著名的10條技術(shù)指標(biāo)在社會(huì)上招標(biāo)，要求控制設(shè)備制造商為其生產(chǎn)線提供一種新型的通用工業(yè)控制裝置，它應(yīng)具有以下特點(diǎn)：

1）編程簡(jiǎn)單，可在現(xiàn)場(chǎng)修改程序；

2）維修方便，采用插件式結(jié)構(gòu)；

3）可靠性高于繼電器控制裝置；

4）體積小于繼電器控制盤；

5）數(shù)據(jù)可直接進(jìn)入管理計(jì)算機(jī)；

6）成本可與繼電器控制盤競(jìng)爭(zhēng)；

7）輸入可以是交流115V（美國(guó)電壓標(biāo)準(zhǔn)）；

8）輸出為交流115V，2A以上；

9）擴(kuò)展時(shí)原系統(tǒng)改變最小；

10）用戶存儲(chǔ)器至少能擴(kuò)展到4KB。

1969年美國(guó)數(shù)據(jù)設(shè)備公司（DEC）根據(jù)上述要求，研制開發(fā)出世界上第一臺(tái)可編程序控制器，并在GM公司汽車生產(chǎn)線上首次應(yīng)用成功，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。當(dāng)時(shí)人們把它稱為可編程序邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）。

可編程序控制器這一裝置的出現(xiàn)，受到全世界工程技術(shù)界的極大關(guān)注。紛紛投入力量研制。第一個(gè)把PLC商品化的是美國(guó)歌德電子公司（GOULD Inc），時(shí)間也是1969年。1971年，日本從美國(guó)引進(jìn)了這項(xiàng)新技術(shù)，研制出日本第一臺(tái)可編程序控制器。1973～1974年，德國(guó)和法國(guó)也都相繼研制出自己的可編程序控制器，德國(guó)西門子公司（SIEMENS）于1973年研制出歐洲第一臺(tái)PLC。我國(guó)從1974年開始研制，1977年開始工業(yè)應(yīng)用。

20世紀(jì)70年代后期，隨著微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，可編程序邏輯控制器具備更多的計(jì)算機(jī)功能，不僅用邏輯編程取代硬接線邏輯，還增加了運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送和處理等功能，真正成為一種電子計(jì)算機(jī)工業(yè)控制裝置，而且做到了小型化和超小型化。這種采用微型計(jì)算機(jī)技術(shù)的工業(yè)控制裝置的功能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出邏輯控制、順序控制的范圍，故稱可編程序控制器，簡(jiǎn)稱為PC（Programmable Controller）。但由于PC容易和個(gè)人計(jì)算機(jī)（Personal Computer）混淆，故人們?nèi)粤?xí)慣地用PLC作為可編程序控制器的縮寫。

進(jìn)入20世紀(jì)80年代以來，隨著大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路等微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，以16位和32位微處理器構(gòu)成的微型計(jì)算機(jī)化PLC得到了驚人的發(fā)展，使PLC在概念、設(shè)計(jì)、性能價(jià)格比以及應(yīng)用等方面都有了新的突破，不僅控制功能增強(qiáng)，功耗、體積減小，成本下降，可靠性提高，編程和故障檢測(cè)更為靈活方便，而且遠(yuǎn)程I/O和通信網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)處理以及圖像顯示也有了長(zhǎng)足的發(fā)展。

尤其近年來，PLC在處理速度、控制功能、通信能力以及控制領(lǐng)域等方面都不斷有新的突破，已經(jīng)把電氣控制、儀表控制、計(jì)算機(jī)控制和網(wǎng)絡(luò)控制有機(jī)地融為一體。由于可編程序控制系統(tǒng)已經(jīng)是集計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)為一體的新型工業(yè)控制裝置，故稱可編程序計(jì)算機(jī)控制器，簡(jiǎn)稱為PCC（Programmable Computer Controller）。為統(tǒng)一起見，本書中就以PLC作為可編程序控制器的簡(jiǎn)稱。

1.1.2 PLC的定義

PLC一直在飛速發(fā)展中，因此到現(xiàn)在為止，還未能對(duì)其下一個(gè)十分確切的定義。

1980年，美國(guó)電器制造商協(xié)會(huì)（National Electronic Manufacture Association，NEMA）將可編程序控制器定義為：“可編程序控制器是一種帶有指令存儲(chǔ)器，數(shù)字的或模擬的輸入/輸出接口，以位運(yùn)算為主，能完成邏輯、順序、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等功能，用于控制機(jī)器或生產(chǎn)過程的自動(dòng)控制裝置”。

1982年11月國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）曾頒發(fā)了可編程序控制器標(biāo)準(zhǔn)草案第一稿，1985年1月發(fā)表了第二稿，1987年2月頒布了第三稿。該草案中對(duì)可編程序控制器的定義是：“可編程序控制器是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)。它采用了可編程序的存儲(chǔ)器，用來在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并通過數(shù)字式、模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。可編程序控制器及其外圍設(shè)備，都應(yīng)按易于使工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體，易于擴(kuò)充其功能的原則設(shè)計(jì)。”

定義強(qiáng)調(diào)了PLC應(yīng)直接應(yīng)用于工業(yè)環(huán)境，它必須具有很強(qiáng)的抗干擾能力、廣泛應(yīng)用的適應(yīng)能力和應(yīng)用范圍。這也是區(qū)別于一般微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的一種重要控制系統(tǒng)。

定義強(qiáng)調(diào)了PLC是“數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)”，它也是一種計(jì)算機(jī)。它是“專為工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的”工業(yè)計(jì)算機(jī)。這種工業(yè)計(jì)算機(jī)采用“面向用戶的指令”，因此編程方便，它能完成邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作，它還具有數(shù)字量、模擬量輸入和輸出的能力，并且非常容易和工業(yè)控制系統(tǒng)形成一體，易于擴(kuò)充。

應(yīng)該注意的是，PLC與以往所講的鼓式、機(jī)械式的順序控制器在“可編程”方面有質(zhì)的區(qū)別。由于PLC引入了微處理器及半導(dǎo)體存儲(chǔ)器等新一代電子器件，并用規(guī)定的指令進(jìn)行編程，可以靈活地修改程序，即它是用軟件方式來實(shí)現(xiàn)“可編程”的目的。

1.1.3 PLC的分類

可編程序控制器產(chǎn)品的種類很多，一般可以從它的輸入/輸出點(diǎn)數(shù)及功能、結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行分類。

1.按輸入/輸出點(diǎn)數(shù)

PLC的控制規(guī)模是以配置的輸入/輸出點(diǎn)數(shù)來衡量的，PLC的I/O點(diǎn)數(shù)表明了PLC可從外部接收多少個(gè)輸入信號(hào)和向外部發(fā)出多少個(gè)輸出信號(hào)，實(shí)際上也就是PLC的輸入/輸出端子數(shù)。根據(jù)I/O點(diǎn)數(shù)的多少可將PLC分為小型機(jī)、中型機(jī)和大型機(jī)，一般來說，點(diǎn)數(shù)多的PLC，功能也相應(yīng)較強(qiáng)。

（1）小型機(jī)

小型PLC的功能一般以開關(guān)量控制為主，小型PLC輸入/輸出總點(diǎn)數(shù)一般在256點(diǎn)以下，用戶程序存儲(chǔ)器容量在4KB左右。現(xiàn)在的高性能小型PLC還具有一定的通信能力和少量的模擬量處理能力。這類PLC的特點(diǎn)是價(jià)格低廉、體積小巧，適合于控制單臺(tái)設(shè)備和開發(fā)機(jī)電一體化產(chǎn)品。

典型的小型機(jī)有歐姆龍公司的C系列、三菱公司的F1/F2系列、西門子公司的S5-100U和S7-200系列等。

（2）中型機(jī)

I/O點(diǎn)數(shù)在256～1024之間的稱為中型機(jī)，它除了具備邏輯運(yùn)算功能，還增加了模擬量輸入/輸出、算術(shù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送和數(shù)據(jù)輸送等功能，可完成既有開關(guān)量又有模擬量的復(fù)雜控制。用戶程序存儲(chǔ)器容量達(dá)到8KB左右。中型機(jī)的軟件比小型機(jī)豐富，在已固化的程序內(nèi)，一般還有PID（比例、積分、微分）調(diào)節(jié)，整數(shù)/浮點(diǎn)運(yùn)算等功能模板。

中型機(jī)的特點(diǎn)是功能強(qiáng)，配置靈活，適用于具有諸如溫度、壓力、流量、速度、角度和位置等模擬量控制和大量開關(guān)量控制的復(fù)雜機(jī)械，以及連續(xù)生產(chǎn)過程控制場(chǎng)合。

典型的中型機(jī)有西門子公司的S7-300與SU系列、立石公司的C-500、GE公司的GE-III系列等。

（3）大型機(jī)

I/O總點(diǎn)數(shù)在1024點(diǎn)以上的稱為大型機(jī)，融合程序存儲(chǔ)器容量達(dá)到16KB以上，大型PLC的功能更加完善，具有數(shù)據(jù)運(yùn)算、模擬調(diào)節(jié)、聯(lián)網(wǎng)通信、監(jiān)視記錄和打印等功能，大型機(jī)的內(nèi)存容量超過640KB，監(jiān)控系統(tǒng)采用觸摸屏顯示，能夠表示生產(chǎn)過程的工藝流程，記錄各種曲線PID調(diào)節(jié)參數(shù)選擇圖等，能進(jìn)行中斷控制、智能控制和遠(yuǎn)程控制等。

大型機(jī)的特點(diǎn)是I/O點(diǎn)數(shù)特別多，控制規(guī)模宏大，組網(wǎng)能力強(qiáng)。可用于大規(guī)模的過程控制，構(gòu)成分布式控制系統(tǒng)，或者整個(gè)工廠的集散控制系統(tǒng)。

典型的PLC大型機(jī)有西門子公司的S7-400、歐姆龍公司的CVNM1和CS1系列、AB公司的SLC5/05等系列產(chǎn)品。以上劃分沒有十分嚴(yán)格的界限，隨著PLC技術(shù)的飛速發(fā)展，某些小型PLC也具有中型或大型PLC的功能，這也是PLC的發(fā)展趨勢(shì)。

圖1-1 整體式PLC

2.根據(jù)結(jié)構(gòu)形式分類

根據(jù)PLC結(jié)構(gòu)形式的不同，可分為整體式和模塊式。

（1）整體式

整體式結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是將PLC的基本部件，如CPU單元、輸入/輸出單元、電源單元等都集中配置在一個(gè)箱體中，安裝在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)機(jī)殼內(nèi)，構(gòu)成一個(gè)整體，有的甚至全部裝在一塊印制電路板上，組成PLC的一個(gè)基本單元（主機(jī)）或擴(kuò)展單元。基本單元上設(shè)有擴(kuò)展端口，通過擴(kuò)展電纜與擴(kuò)展單元相連，配有許多專用的特殊功能模塊，如模擬量I/O模塊、熱電偶、熱電阻模塊、通信模塊等，以構(gòu)成PLC不同的配置。

整體式PLC結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕、價(jià)格低、容易裝配在工業(yè)控制設(shè)備的內(nèi)部，比較適合于生產(chǎn)機(jī)械的單機(jī)控制。這種結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是主機(jī)的I/O點(diǎn)數(shù)固定，使用不夠靈活，維修也比較麻煩。微型和小型PLC一般為整體式結(jié)構(gòu)，如松下的FP0系列、歐姆龍的C系列、三菱的F1系列、西門子的S7-200系列等。圖1-1所示為整體式結(jié)構(gòu)PLC的實(shí)物外觀圖片。

（2）模塊式

模塊式結(jié)構(gòu)的PLC各部分以單獨(dú)的模塊分開設(shè)置，如電源模塊、CPU模塊、I/O模塊、各種功能模塊及通信模塊等。這種PLC一般設(shè)有機(jī)架底板（也有的PLC為串行連接，沒有底板），在底板設(shè)有若干插座，使用時(shí)，各種模塊可靈活配置。模塊式PLC裝配方便、維修簡(jiǎn)單、易于擴(kuò)展，一般中、大型PLC多采用這種結(jié)構(gòu)形式，如西門子的S7-300/400系列。

這種結(jié)構(gòu)形式的缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，各種插件多，因而造價(jià)增加。圖1-2所示為模塊式結(jié)構(gòu)的PLC實(shí)物外觀圖片。

3.根據(jù)用途分類

（1）用于順序邏輯控制

順序邏輯控制是可編程序控制器的最基本的控制功能，也是PLC應(yīng)用最多的場(chǎng)合，比較典型的應(yīng)用如自動(dòng)電梯的控制、自動(dòng)倉(cāng)庫(kù)的自動(dòng)存取、各種管道上的電磁閥的自動(dòng)開起和關(guān)閉、帶式運(yùn)輸機(jī)的順序起動(dòng)，或者自動(dòng)化生產(chǎn)線的多機(jī)控制等，這些都是順序邏輯控制。要完成這類控制，不要求PLC有太多的功能，只要有足夠數(shù)量的I/O回路即可，因此可選低檔的PLC。

圖1-2 模塊式PLC

（2）用于閉環(huán)過程控制

對(duì)于閉環(huán)控制系統(tǒng)，除了要用開關(guān)量I/O實(shí)現(xiàn)順序邏輯控制外，還要有模擬量I/O回路，以供采樣輸入和調(diào)節(jié)輸出，實(shí)現(xiàn)過程控制中的PID調(diào)節(jié)，形成閉環(huán)過程控制系統(tǒng)，而其中的PLC由于具有數(shù)值運(yùn)算和處理模擬信號(hào)的功能，可以設(shè)計(jì)出各種PID控制器。隨著PLC控制規(guī)模的增大，可控制的回路數(shù)已從幾個(gè)增加到幾十個(gè)甚至幾百個(gè)，因此可實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜的閉環(huán)系統(tǒng)控制功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、壓力和速度等物理量的連續(xù)調(diào)節(jié)。比較典型的應(yīng)用如加熱爐的溫度、鍋爐的自動(dòng)給水控制等。要完成這類控制，不僅要求PLC有足夠數(shù)量的I/O點(diǎn)數(shù)，還要有模擬量的處理能力，因此對(duì)PLC的功能要求高。根據(jù)能處理的模擬量的多少，至少應(yīng)選用中檔PLC。

（3）用于數(shù)據(jù)處理

現(xiàn)代的PLC具有數(shù)學(xué)運(yùn)算，包括整數(shù)運(yùn)算、浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算、函數(shù)運(yùn)算、字邏輯運(yùn)算，以及求反、求補(bǔ)、循環(huán)和移位、數(shù)據(jù)傳送、轉(zhuǎn)換、排序和查表、位操作等功能，可以完成數(shù)據(jù)的采集、分析和處理。這些數(shù)據(jù)可以與存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中的參考值進(jìn)行比較，也可以通過通信功能傳送到別的智能裝置，或者將它們打印制表。

（4）用于多級(jí)分布式集散控制系統(tǒng)

對(duì)于多級(jí)分布式集散控制要求，除了要求所選用的PLC具有上述的功能外，還要求具有較強(qiáng)的通信功能，以實(shí)現(xiàn)各工作站之間的通信、上位機(jī)與下位機(jī)的通信，最終實(shí)現(xiàn)全部設(shè)備的自動(dòng)化，形成通信網(wǎng)絡(luò)。由于近期推出的PLC都具有很強(qiáng)的通信和聯(lián)網(wǎng)功能，建立一個(gè)自動(dòng)化工廠已成為可能。

4.根據(jù)生產(chǎn)廠家分類

PLC的生產(chǎn)廠家眾多，各廠家的PLC的I/O點(diǎn)數(shù)、容量、功能各有差異，但都自成系列，指令及外設(shè)向上兼容。因此在選擇PLC時(shí)，若選擇同一系列的產(chǎn)品，則可以使系統(tǒng)構(gòu)成容易，操作人員使用方便，備品配件的通用性及兼容性好。比較有代表性的有日本歐姆龍公司的C系列、三菱公司的F系列、美國(guó)AB公司的PLC-5系列、德國(guó)西門子公司的S5系列和S7系列等。

任務(wù)實(shí)施

讀者自行設(shè)計(jì)完成該任務(wù)的步驟。

任務(wù)總結(jié)

通過歸納完成PLC的產(chǎn)生及發(fā)展的三個(gè)階段、PLC的定義和PLC的分類這3個(gè)小任務(wù)，就能夠明確PLC在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中的功能及作用。