0.1 PLC的產生

關鍵詞：觸點控制電路、繼電器控制電路、繼電器、接觸器、常開觸點、常閉觸點、可接插邏輯控制器、順序控制器、GM 10條、可編程序控制器（PLC）

0.1.1 繼電控制電路

繼電控制電路是指，用一些控制電器的觸點，如按鈕、開關或繼電器觸點，控制用電器的電路。這些控制電器觸點及其與用電器的不同連接，可反映它們之間不同的邏輯關系，以實現不同的控制。

繼電器控制電路歷史悠久，有了電的應用也就有它的存在。幾經發展，越來越便于人們的使用，已在電控領域獨領風騷100多年的歷史了。盡管PLC的出現與進步已極大地壓縮了它的使用空間。但正如飛機、火車、汽車、自行車的相繼出現，前者不能取代后者一樣，PLC的出現，也不可能完全取代繼電控制電路。所以，在了解PLC的產生的同時，簡單地回顧一下繼電控制電路是必要的。

控制電器有手動的，它的觸點的接通、分斷用人工控制，如按鈕、手動開關。還有自動的，它的觸點的通斷能自動實現，如行程開關、各種繼電器。

繼電控制電路有觸點控制電路及繼電器控制電路。以下分別對其進行介紹：

（1）觸點控制電路。觸點控制電路是指用手動控制電器觸點的接通與分斷，去控制用電器的電路。圖0-1示的就是觸點控制電路之一。

圖0-1a為串聯電路。它用兩個觸點串聯控制一個電燈L。如圖所示，只有兩個按鈕同時接通，此燈才能亮。從邏輯的關系講，燈亮的條件是兩個按鈕“接通的與”。反之，燈不亮的條件是任意一個按鈕分斷，即兩個按鈕“分斷的或”。

圖0-1b為并聯電路。它用兩個觸點并聯控制一個電燈L。如圖所示，兩個按鈕任意一個接通，此燈就亮。從邏輯的關系講，燈亮的條件是兩個按鈕“接通的或”。反之，燈不亮的條件是兩個按鈕要同時分斷，即“分斷的與”。

圖0-1c為混合電路。用觸點串聯后再并聯，去控制一個電燈L。如圖所示，只有X1、X2兩個按鈕同時接通，或按鈕X3、X4同時接通，此燈可亮。從邏輯關系講，燈點亮的條件是“X1、X2兩個按鈕接通的與”和“X3、X4兩個按鈕接通的與”的“或”。

圖0-1 f也為混合電路。但它是觸點并聯后再串聯，然后去控制一個電燈L。如圖所示，只要按鈕X1、按鈕X2任意一個接通，同時按鈕X3、X4任意一個接通，則此燈亮。從邏輯關系講，燈點亮的條件是“X1、X2兩個按鈕接通的或”和“X3、X4兩個按鈕接通的或”的“與”。

圖0-1 觸點控制電路之一

提示：先串后并到先并后串的轉換，可從原電路斷的條件確定并的每一個并的小段，然后再把所有小段串聯；先并后串到先串后并轉換可從原電路的可能通路確定每一個串的支路，然后再把每一支路并聯。

圖0-1g為橋接電路。如圖所示，除了觸點串聯、并聯還有像按鈕X6那樣的橋接。它不能用簡單的“與”、“或”，去反映它的邏輯關系，故也稱復雜電路。相對于復雜電路，僅用觸點串并聯的控制電路稱為簡單電路。

要表達復雜電路的邏輯關系，可根據可能產生的通路情況，先求出在控制功能上，與其等價的簡單電路，然后用等價電路的邏輯關系來代表它。圖0-1d即為圖0-1e的等價電路。從圖知，它除了按鈕X1與按鈕X2串聯，按鈕X3與按鈕X4串聯，然后并聯之外，還有因橋接按鈕X6接通，又增加了的兩路串聯后的并聯。

當然也可連接成先并后串的橋接等價電路。這點還是留給讀者自己思考吧！

提示：在PLC梯形圖程序中不允許出現橋接的邏輯關系。

圖0-2是觸點控制電路之二。

圖0-2a為先串后并表決電路。這里用了3個按鈕X1、X2、X3，當3個中任意2個，或3個全部按下，都將使燈L亮。這里只有3個按鈕參與表決，如果增多，也可實現。只是電路要復雜些。

圖0-2b為先串后并再串比較電路。這里用了兩組4個按鈕X1、X2及Y1、Y2，當這兩組接通及分斷情況相同時，燈L亮。否則，燈L不亮。當然，用3組或多組比較也是可實現的。只是電路再多串入一組或多組按鈕。

圖0-2c為先并后串表決電路。與圖0-2a的功能相同。

圖0-2d示的為先并后串比較電路。與圖0-2b的功能相同。

圖0-2e示的為先串后并等權控制電路。這里用了3個按鈕X1、X2、X3，當3個中任意1個改變狀態，都將改變燈L的狀態。把這三個開關安裝不同位置，可用以實現三地開關對一個燈的等權控制。這里只有3個按鈕參與等權控制，如果增多，也可實現。只是電路要復雜些。

圖0-2 觸點控制電路之二

圖0-2f為先并后串等權控制電路。與圖0-2e的功能相同。

從以上分析可知，對一些常見的邏輯關系，用觸點控制電路是可以實現的。但要實現更復雜的邏輯關系或要用小開關去控制大動力的電路就得求助繼電器控制電路了。

（2）繼電器控制電路。繼電器控制電路除了使用手動控制器觸點，還使用繼電器觸點，其控制對象既有用電器，又有電磁繼電器自身線圈。

圖0-3 異步電動機點動控制電路

圖0-3為異步電動機點動控制電路。圖0-3a為它的工作示意圖，圖0-3b為它的電氣原理圖。

從圖知，按鈕SB按下，其觸點使控制回路通，接觸器KM線圈得電。線圈得電，電磁力克服彈簧力，使KM主觸點接通，電動機M得電、工作。按鈕SB松開，則控制回路分斷，KM線圈失電，電磁力消失，彈簧力使KM主觸點分斷，電動機M失電、停止工作。按鈕按下，電動機工作，按鈕松開，不工作，所以稱之為點動控制。

圖中S為刀開關，合上后才能實施控制。FU為熔斷器，用以確保用電安全。

由于這里使用了比按鈕觸點可通過更大電流的接觸器，所以，可用一個小小的按鈕靈活地控制一個較大功率的電動機。

圖0-4 串聯起、保、停電路

圖0-4為串聯起、保、停電路，是用按鈕控制用電器工作最常見的控制電路。

從圖0-4a可知，按鈕SB2按下，則控制回路通，接觸器KM線圈得電，其常開主觸點KM合上，電動機M得電、工作。KM的常開輔助觸點與SB2是并聯的。因而之后即使SB2松開、觸點分斷，仍可使KM線圈得電，繼續工作。工作后，按鈕SB1按下，其觸點分斷，使接觸器KM線圈失電，進而也使電動機M失電、停止工作。由于KM觸頭已分斷，之后即使SB1松開、常閉觸點再合上，KM也仍失電，電動機仍保持停止。可知，此控制電路可控制電動機的起、保、停。

圖中QS為刀開關，合上才能實現控制。FU1、FU2為熔斷器，用以確保用電安全。

圖0-4b為圖0-4a的簡化。這個電路的要點是，把接觸器的常開輔助觸點與起動按鈕并聯，之后再與常閉的停車按鈕串聯。因此，按鈕SB1可起動被控設備工作；起動后能使被控設備保持工作；按鈕SB2可停止被控設備工作。故稱之為起、保、停控制電路。

除了上述用串聯控制起、保、停電路，還有并聯控制及混合控制的類似電路。

圖0-5即為并聯起、保、停控制電路。

從圖知，這里起動按鈕SB1改用常閉觸點，停車按鈕SB2改用常開觸點。繼電器觸點也改用常閉觸點。并還增加了吸收電阻R。為了KM能正常工作，電源電壓要比KM的額定工作電壓高。

圖0-5 并聯起、保、停控制電路

用以上類似的分析，可知，此電路的功能與圖0-4b是完全相同的。

提示：這里吸收電阻是不可或缺的。不然將出現電源短路，那是絕對不允許的。

圖0-6為混合電路。SB1、SB2、KM全用其常開觸點。它也是用以實現起、保、停邏輯。與圖0-5不同的是，在KM停止工作時，吸收電阻不工作，不消耗能量。

圖0-5電路進一步演變可得到圖0-7的電路。

圖0-6 混合起、保、停控制電路

圖0-7 矩陣連接起保停電路

從圖0-7可知，其左邊畫的控制觸點SB1、SB2為電路輸入；控制觸點KM為繼電器KM的常閉觸點，用做輸出反饋。右邊畫的繼電器線圈KM，為電路輸出。中間用點畫線框起來的豎線與橫線為邏輯方陣。其中R為吸收電阻，豎線與橫線的聯系通過二極管（用小斜箭頭表示）實現。

如圖所示，P點的高電位是由P1與P2兩點高電位的“或”實現，而P1、P2高電位則取決于控制它的觸點分斷的“與”。可以看出，如圖所示的邏輯關系，也是起、保、停邏輯。

圖0-7所示的電路用的元件多，但可把控制電路“標準化”了。從設計思想上講，這里有兩個突破：

1）便于更改控制邏輯關系；

2）控制觸點使用次數可不受限制。

這兩條突破，可使控制電路實現各種邏輯控制變得方便、靈活，是很有意義的。

使控制電路便于設計，便于更改，有人還曾做過其他方面的探討。有的還設計成可進行程序預選及反饋預選的電路。然而，它總是要靠觸點的通斷實現控制，所以，不可避免地存在如下一些缺點：

1）觸點轉換總是需要時間的，總是有電滯后及機械滯后。這兩個滯后加起來，長的可達幾十毫秒，甚至更多。這兩個滯后可能造成控制不及時、不同步。不及時，會降低控制精確度；不同步，有時會使電路工作出現競態。這是在電路設計時，不得不采取措施加以避免的。

2）觸點頻繁通斷，易受電火花燒蝕與機械磨損，并因此隨著使用次數的增加，總是會帶來一些故障。

3）體積大，安裝這些元器件有時需龐大的控制柜。

4）消耗電能多。初次投資費用不大，但日常使用費用很高。

5）難以或不便實現邏輯關系復雜的控制。

6）電路不通用，每種電路多數都要單獨設計、單獨制造，更改也不便。

所以，要實現復雜的、靈活的、更可靠的、小型化的電氣控制，必須尋找別的出路。

0.1.2 可接插邏輯控制器與順序控制器

（1）可接插邏輯控制邏輯。在圖0-7電路中，吸收電阻、隔離二極管是直接與繼電器線圈串聯的。繼電器工作時，通過它們的電流都相等；繼電器不工作時，通過吸收電阻的電流則更大。這既浪費電能，又得考慮散熱問題。所以，不大適用。

圖0-8電路是它的改進。圖0-8a的繼電器線圈通過晶體管帶動。吸收電阻、隔離二極管與帶動繼電器工作的晶體管的基極相連，所以，消耗的功率小得多。

圖0-8b用RS觸發器代替繼電器。輸出為無觸點元件。不僅消耗功率低，而且轉換速度快，工作可靠，工作壽命也長。

圖0-8 可接插控制邏輯

在這個基礎上，還可用一些集成電子元件，使控制器小型化，成為可編程序邏輯控制器，可方便地用以實現輸出與輸入之間的邏輯變換。但是，它的變換編程只能通過邏輯方陣中豎線與橫線的不同連接實現，所以，實際上應稱之為可接插邏輯控制器。

圖0-9 程序步進控制電路

（2）可編程序順序控制器。搞過邏輯設計的人都有這樣體會，用邏輯運算的方法做邏輯綜合是比較難的。特別是時序邏輯，處理起來更難。而用程序步進控制的思路處理它，則比較容易。

圖0-9為程序步進控制電路。圖中的程序步進器按順序1、2、3…轉換程序。程序與輸出的對應關系通過邏輯方陣（圖左下方）預選。如圖所示，程序1與輸出B相連、程序2與輸出C相連，即執行程序1時，可使輸出B工作等。要改變程序與輸出的關系，只要改變這里的豎線與橫線間連接就可以了。

程序步進器的步進，或叫程序轉換，由輸出動作完成的應答信號，即輸入信號控制。而執行某個程序后到底由那個應答信號控制步進，也通過邏輯方陣（圖左上方）預選。如圖所示，執行程序1時，輸入X動作可使程序步進；執行程序2時，Z可使程序步進等。要改變這個關系，用改變橫豎線的連接即可實現。

實現圖0-9關系的具體電路很多，而且都用了集成電子電路，由于它是按程序順序工作的，程序的動作又是可更改的，故稱之為順序控制器。

上述這兩種控制器的出現，把控制電路發展成了電子控制器。它可由專門廠商成批生產，用戶購置后，依需要設計好邏輯關系，稍做接線即可使用。這應該說是電氣控制的一大進步。

不過，它們編程是靠硬件實現的，還是不大方便。同時，大規模集成電路也難使用。這使得這種控制器的進一步小型化、降低成本、降低功耗以及獲得更高的可靠性都受到限制。也正是由于這個原因，這兩種控制器雖然也風行過一時，但最后還是被淘汰了。

0.1.3 GM10條

20世紀60年代末期，由于電子計算機技術的發展，曾把小型電子計算機用作機械工作或生產過程的邏輯控制。計算機通過改變程序，更改控制，這比更改硬件接線方便得多。但它也存在一些缺陷：

1）編程復雜，要求有較高水平的編程與操作人員；

2）需要配備相應的外部接口；

3）對工作環境的條件要求較高；

4）功能“過剩”，機器資源未能充分利用；

5）造價昂貴。

所以，美國通用汽車（GM）公司為適應汽車工業發展的需要，于1968年提出設計新型電控制器的要求，并提出10點招標指標：

1）編程簡單，可在現場修改程序；

2）維護方便，最好是插件式；

3）可靠性高于繼電器控制柜；

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器競爭；

7）輸入可以是交流115V；

8）輸出為交流115V、2A以上，能直接驅動電磁閥；

9）在擴展時，原有系統只需很小變更；

10）用戶程序存儲器容量至少能擴展到4KB。

這就是著名的GM10條。如果說種種電控制器、電子計算機技術的發展是PLC出現的物質基礎，那么GM10條則是PLC出現的直接原因。

0.1.4 PLC的誕生

GM10條提出后，Bedford聯盟（Bedford，MA）向其提議制作模塊化數字控制器（ModularDigital Controller，MODICON），即MODICON 084。它是世界上第一塊成為商品的PLC。在美國GM公司的裝配線上試用，取得了成功。也從此，有了著名的MODICON品牌PLC。其創始人，迪克·莫利（Dirk Morley）也為此被譽為PLC之父。

隨后，這項技術在美國就迅速地發展起來。過了兩年，日本人從美國引進了這項新技術，很快研制成類似的控制器，即DSC-8。又過了兩年，即1973年，西歐國家也制成了這樣的控制器。

有決定意義的進步還是在1975～1976年之間。這兩年，美國、日本、德國等一些國家把微處理器（Microprocessor）用作可編程序控制器的中央處理單元（Center Processing Unit，CPU），用集成電路的存儲器代替磁芯存儲器，把微型計算機的技術與上述兩種電控制器結合起來，使得可編程序控制器實現更大規模的集成化，工作更為可靠，更能適應工業環境，而且還更加靈活，功能也更加強。同時，成本也大幅度地降了下來，從而使PLC進入了實用階段。

我國于1974年開始研制，1977年開始工業應用。

該種控制器出現后，其名稱和定義不大統一。為此，美國電氣制造商協會NEMA（NationalElectrical Manufacturers Association）于1980年正式將其命名為可編程序控制器（ProgrammableController，PC），并給它下了定義：“PC，是一種數字式電子裝置，它使用了可編程序的記憶體以存儲指令，用以執行諸如邏輯、順序、計時、計數與演算等功能，并通過數字或類似的輸入/輸出模塊，以控制各種機械或工作程序。”

1985年1月，國際電工委員會（IEC）在頒布可編程序控制器標準草案第二稿時，對它也下了定義。這個定義為：“可編程序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。它采用可編程序的存儲器，用來在其內部執行邏輯運算、順序控制、定時、計數和算術運算等操作指令，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。”

可知，PLC這個電子系統，也是靠存儲程序、執行指令，進行信息處理，實現輸入到輸出的變換。但它的目的是用以控制各種類型機械或生產過程。所以，從實質上講，它是一臺工業環境應用的、滿足實時控制要求的專用計算機。與普通計算機所不同的主要是：

它沒有鍵盤，代之為一個個輸入電路，并用其獲取控制命令或現場信號。同時，此輸入電路具有濾波能力，與內部電路為電隔離，但可通過光耦合建立聯系。

它沒有顯示器，取而代之的為一個個輸出電路，并用其產生控制輸出。由于此電路具有驅動能力，故可以驅動一般的工業控制元器件，如電磁閥、接觸器等。同時，此電路與內部電路也是電隔離的，用光或磁耦合建立聯系。

它沒有硬盤，只有內存。但可配備存儲卡，以為程序與數據建立備份；

它配置有外設或通信接口，可用以編程或下載程序、監控及連網通信；

它的結構為模塊化，體積小，安裝方便，比較堅固，具有很強的抗干擾、抗沖擊、抗振動特性。

總之，PLC只是一臺沒有鍵盤、沒有顯示器、沒有硬盤，但有很豐富的輸入、輸出（接口）電路并且具有較強的驅動能力、配有接口，可在工業現場實時使用的、模塊化、小型化的、專為工業環境應用而設計制造的特殊計算機。而且，PLC還不針對某一具體工業應用，在實際應用時，其硬件可根據實際需要進行配置，其軟件也可根據控制要求進行設計編制。

要指出的是，隨著技術進步，PLC的功能在不斷增強，性能在不斷提高，應用在不斷擴展，類型在不斷增多。所以，它的概念也在不斷更新。無疑的是，它已發展成為當今方方面面自動化、信息化的重要支柱。