第1章 可編程序控制器概述

1.1 PLC的產生與發展

1.1.1 PLC的產生與特點

20世紀60年代末，現代制造業為適應市場需求、提高競爭力，生產出小批量、多品種、多規格、低成本且高質量的產品，要求生產設備的控制系統必須具備更靈活、更可靠、功能更齊全且響應速度更快等特點。隨著微處理器技術、計算機技術和現代通信技術的飛速發展，可編程序控制器（Programmable Controller）應運而生。

1．PLC的由來

早期的自動化生產設備基本上都是采用繼電-接觸器控制方式，系統復雜程度不高，但自動化水平有限。主要存在的問題包括：機械觸點和系統運行可靠性差；工藝流程改變時要改變大量的硬件接線，要耗費許多人力、物力和時間；功能局限性大；體積大、耗能多。由此產生的設計和開發周期、運行維護成本及產品調整能力等方面的問題，越來越不能滿足工業生產的需求。

由于美國汽車制造工業競爭激烈，為適應生產工藝不斷更新的需要，1968年，美國通用汽車公司公開招標，要求用新的控制裝置取代機電控制盤。公司提出如下10項指標：

1）編程簡單，可在現場修改程序。

2）維護方便，采用插件式結構。

3）可靠性高于繼電-接觸器控制系統。

4）體積小于繼電-接觸器控制系統。

5）數據可以直接被送入計算機。

6）成本可與繼電-接觸器控制系統競爭。

7）輸入可為市電（美國市電是115V電壓）。

8）輸出為市電（可以控制115V交流電壓，電流達2A以下的負載），能直接驅動電磁閥、接觸器等。

9）通用性強、易于擴展。

10）用戶存儲器容量大于4KB。

1969年，美國數字設備公司（DEC）研制成功第一臺可編程序控制器PDP-14，它具有邏輯運算、定時和計算功能，稱為PLC（Programmable Logic Controller）；接著美國MODICON公司開發出可編程序控制器084；1971年，日本研制出本國第一臺可編程序控制器DSC-8；1973年，西歐等國也研制出他們的第一臺可編程序控制器；我國從1974年開始可編程序控制器的研制，并于1977年開始投入工業應用。如今，可編程序控制器已經實現了國產化，并大量應用在各種自動化設備中。

早期的可編程序控制器采用存儲程序指令完成順序控制，僅具有邏輯運算、計時和計數等順序控制功能，用于開/關量的控制，通常稱為PLC。20世紀70年代，隨著微電子技術的發展，其功能得到增強，不再局限于邏輯運算，因此稱為PC（Programmable Controller）。但為與個人計算機（PC）相區別，仍稱為PLC。

2．PLC的定義

國際電工委員會（IEC）在1987年2月頒布的PLC標準草案（第三稿）中對PLC作了如下定義：可編程序控制器是一種數字運算操作的電子裝置，專為在工業環境下應用而設計。它采用可編程序的存儲器，用來在其內部存儲程序，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，并通過數字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產過程。可編程序控制器及其有關的外圍設備，都應按易于與工業控制系統聯成一個整體且易于擴展其功能的原則設計。

3．PLC的特點

可編程序控制器是專為工業環境下的應用而設計的工業計算機，主要有以下特點：

1）可靠性高，抗干擾能力強。PLC本身具有較強的自診斷功能，保證在“硬核”都正常的情況下執行用戶的控制程序。以本書所使用的日本三菱公司PLC為例，F1、F2系列平均無故障時間長達30萬小時。

2）編程簡單，設計和施工周期短。PLC常用的編程方法有指令語句表、梯形圖、功能圖和高級語言等。對于普通操作人員，一般只要幾天的訓練即可學會編程。使用PLC完成一項控制工程，在系統設計完成后，現場施工和PLC程序設計可同時進行，施工周期短，而且程序的調試與修改方便。

3）控制程序可變，硬件配置方便。在生產工藝流程改變或生產線設備更新的情況下，可通過硬件擴充或少量地改變配置與接線，以及改變內部程序來滿足要求，從而避免大量的硬件線路更改與安裝工作。

4）功能完善。現代PLC具有數字/模擬量的輸入/輸出、邏輯和算術運算，定時、計數、順序控制、功率驅動、通信、人機對話、自檢、記錄和顯示等功能，大大提高設備控制水平。

5）體積小、重量輕和功耗低。由于PLC采用半導體大規模集成電路，因此整個產品結構緊湊、體積小、重量輕和功耗低，以三菱FX_0N-24M型PLC為例，其外形尺寸僅為130mm×90mm×87mm，重量只有600g，功耗小于50W。所以，PLC很容易裝入機械設備內部，是實現機電一體化的理想的控制設備。

綜上所述，PLC的優越性能使其在工業控制設備中得到迅速普及。目前，PLC在制造、建筑、電力、交通和商業等眾多領域都得到了廣泛的應用。

1.1.2 PLC的分類和常見品牌

通常，PLC可根據輸入/輸出（I/O）點數、結構形式和功能等進行分類。

按I/O點數，PLC可分為小型、中型和大型。I/O點數在256點以下的為小型PLC，其中I/O點數小于64點的為超小型或微型PLC。I/O點數在256點以上、2048點以下的為中型PLC。I/O點數在2048以上的為大型PLC，其中I/O點數超過8192點的為超大型PLC。

按結構形式，PLC可分為整體式、模塊式和緊湊式，如圖1-1～圖1-3所示。整體式PLC是將電源、CPU和I/O接口等部件都集中裝在一個機箱內，具有結構緊湊、體積小且價格低等特點。模塊式PLC是將PLC各組成部分分別做成若干個單獨的模塊，如CPU模塊、I/O模塊、電源模塊（有的含在CPU模塊中）以及各種功能模塊。緊湊式PLC則是各種單元和CPU自成模塊，但不安裝基板，各單元一層一層地疊裝，它結合了整體式結構緊湊和模塊式結構獨立、靈活的特點。

按功能，PLC可分為低檔、中檔和高檔等。低檔PLC具有邏輯運算、定時、計數、移位以及自診斷、監控等基本功能，還可有少量模擬量輸入/輸出、算術運算、數據傳送和比較及通信等功能。中檔PLC除具有低檔PLC的基本功能外，還增加了模擬量輸入/輸出、算術運算、數據傳送和比較、數制轉換、遠程I/O、子程序及通信聯網等功能。有些還增設了中斷和PID控制等功能。高檔PLC除具有中檔PLC的功能外，還增加了帶符號算術運算、矩陣運算、位邏輯運算、平方根運算及其他特殊功能函數運算、制表及表格傳送等。高檔PLC具有更強的通信聯網功能。

生產PLC的廠家很多，每個廠家的PLC都自成系列，可根據點數、容量和功能上的需求做出不同選擇。目前，PLC的常見品牌及其典型系列如表1-1所列。

目前，市面上的可編程序控制器種類繁多，包括西門子系列、三菱和松下等主要的品牌。

1．三菱FX_2N系列PLC

三菱FX_2N系列可編程序控制器的I/O點數最少為16點，最多可提供256點；內置存儲器（RAM）的容量為8KB，也可以通過擴展達到16KB；CPU處理運算速度每個程序步為0.08μs；三菱FX_2N系列可編程序控制器提供了各種輸入擴展模塊、輸出擴展模塊與特殊功能模塊；晶體管輸出型基本單元提供2軸獨立定位功能，其輸出頻率最高為20kHz。

FX_2N系列PLC的特點：

1）具有較高的執行程序速度，加強了通信功能，提供了各類等級的電源標準，提供了可以滿足各類需要的各種特殊功能模塊，為滿足自動化生產提供靈活多變的控制能力。

2）具有模擬I/O和高速計數器等多種特殊功能模塊，可以滿足不同用戶的需求。

3）能夠實現16軸定位控制和脈沖高速輸出，為J型熱電偶、K型熱電偶以及Pt傳感器等專門開發了配套的溫度模塊。

4）在數據通信與網絡方面，可以連接到CC-Link、DeviceNet與Profibus DP等開放式網絡系統，也可通過傳感器層次的網絡來實現數據的傳輸。

5）可以提供24V、400mA DC電源，實現與傳感器等外圍設備連接。

2．西門子SIMATIC S7-300系列

SIMATIC S7-300系列PLC采用模塊化結構，能通過各種模塊之間的組合滿足系統的控制要求；具有運算速度可達0.6～0.1μs/步的高速指令；在軟件工具方面，具有方便用戶完成參數賦值處理的功能；在人機界面服務系統方面，降低了人機對話的編程要求；S7-300的CPU具有智能化診斷系統，能夠對系統實現連續監控，判斷是否存在功能異常、記錄錯誤和超時情況、記錄模塊更換等；用戶可以設置多級口令保護，防止在未經許可的情況下進行復制和修改，還可以高效地對用戶的技術機密進行保護；S7-300 PLC為客戶提供了一個鑰匙，這是一個可以拔出并隨身攜帶的選擇開關，在鑰匙拔出時，就不能改變設備的操作方式；S7-300 PLC通信功能強大，可完成AS-I總線接口與工業以太網總線系統的連接；串行通信處理器用于實現點到點的通信系統連接；集成在CPU中的MPI接口，可以與手持式編程器、人機界面系統、上位機、其他SIMATIC S7/M7/C7等自動化控制系統以及外部相關設備連接。

3．松下系列

提供3000步以上指令，具有速度達到0.58μs/步的基本指令；輸出形式為繼電器與晶體管的混合型，可以最大限度地滿足多種客戶需求；最大可接受4路50kHz信號的高速計數；一臺控制單元最多可連續擴展3臺FPX的擴展單元。

此外，還具有內置模擬量輸入/輸出功能、內置日歷/時鐘、超強安全性能、Network、Ethernet、PLC連接、計算機連接和通用串行通信等功能。

在這些PLC中，西門子PLC的價格相對較為昂貴，對模擬量控制精確度高，但是編程復雜，在高精密設備和復雜生產線控制系統中應用較多；三菱PLC價格較低，編程方法也比較簡單，對模擬量控制的精確度比西門子的差，主要用于一般設備的控制；松下系列PLC的功能也是比較完善的，但沒有三菱PLC應用得廣泛。

我國有不少廠家研制和生產PLC，如深圳的艾默生、德維森，及北京的和利時等，但目前市場占有率有待進一步提高。

1.1.3 PLC的發展

PLC從產生到現在已經經歷了幾十年的發展，實現了從初始的簡單邏輯控制到現在的運動控制、過程控制、數據處理和聯網通信，隨著科學技術的進步，面對不同的應用領域、不同的控制需求，PLC還將有更大的發展。目前，PLC的發展趨勢主要體現在規模化、高性能、多功能、模塊智能化、網絡化和標準化等方面。

1．產品規模向大、小兩個方向發展

大型化是指大中型PLC向大容量、智能化和網絡化發展，使之能與計算機組成集成控制系統，對大規模、復雜系統進行綜合性的自動控制。現已有I/O點數達14336點的超大型PLC，使用32位微處理器，多CPU并行工作和大容量存儲器。小型PLC整體結構向小型模塊化方向發展，使配置更加靈活。為適應市場需要已開發了各種簡易、經濟的超小型微型PLC，最小配置的I/O點數為8～16點，以適應單機及小型自動控制的需要。

2．向高性能、高速度、大容量方向發展

PLC的掃描速度是衡量PLC性能的一個重要指標。為了提高PLC的處理能力，要求PLC具有更好的響應速度和更大的存儲容量。目前，有些PLC的掃描速度可達每千步只需0.1ms左右。在存儲容量方面，有些PLC最高可達幾十兆字節。為了擴大存儲容量，有的公司已使用了磁泡存儲器或硬盤。

3．向模塊智能化方向發展

分級控制和分布控制是增強PLC控制功能和提高處理速度的有效手段。智能I/O模塊是以微處理器和存儲器為基礎的功能部件，它們可獨立于主機CPU工作，分擔主機CPU的處理任務。主機CPU可隨時訪問智能模塊，修改控制參數，這樣有利于提高PLC的控制速度和效率，簡化設計、減少編程工作量、提高動作可靠性和實時性，滿足復雜控制的要求。為滿足各種控制系統的要求，目前已開發出許多功能模塊，如高速計數模塊、模擬量調節（PID控制）模塊、運動控制（步進、伺服、凸輪控制等）模塊、遠程I/O模塊、通信模塊和人機接口模塊等。

4．向網絡化方向發展

加強PLC的聯網能力可實現分布式控制，適應工業自動化控制和計算機集成制造系統發展的需要。PLC的聯網與通信主要包括PLC與PLC之間、PLC與計算機之間，以及PLC與遠程I/O之間的信息交換。隨著PLC與其他工業控制計算機組網構成大型控制系統以及現場總線的發展，PLC將向網絡化和通信的簡便化方向發展。

5．向標準化方向發展

隨著生產過程自動化要求的不斷提高，PLC的能力也在不斷增強，過去那種不開放的、各品牌自成一體的結構顯然已經不適合，為提高兼容性，在通信協議、總線結構和編程語言等方面需要一個統一的標準。國際電工委員會為此制定了國際標準IEC61131。該標準由總則、設備性能和測試、編程語言、用戶手冊、通信、模糊控制的編程、可編程序控制器的應用和實施指導八部分和兩個技術報告組成。

幾乎所有的PLC生產廠家都表示支持IEC61131，并開始向該標準靠攏。