第一節 PLC概述

PLC是在電器控制技術和計算機技術的基礎上開發出來的，并逐漸發展成為以微處理器為核心，把自動化技術、計算機技術、通信技術融為一體的新型工業控制裝置。目前，PLC已被廣泛地應用于各種生產機械和生產過程的自動控制中，成為一種最重要、最普及、應用場合最多的工業控制裝置，被公認為現代工業自動化的三大支柱（PLC、機器人、CAD/CAM）之一。

國際電工委員會（IEC）于1987年頒布了PLC標準草案第三稿，在草案中對PLC定義如下：“PLC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，并通過數字式和模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產過程。PLC及其有關外圍設備，都應按易于與工業系統聯成一個整體，易于擴充其功能的原則來設計”。

定義強調了PLC應直接應用于工業環境，必須具有很強的抗干擾能力、廣泛的適應能力和廣闊的應用范圍，這是區別于一般微機控制系統的重要特征。同時，也強調了PLC用軟件方式實現的“可編程”與傳統控制裝置中通過硬件或硬接線的變更來改變程序的本質區別。

近年來，PLC發展很快，幾乎每年都推出不少新系列產品，其功能已遠遠超出了上述定義的范圍。

一、PLC的產生與發展

在制造業和過程工業中，除了以模擬量為被控對象的反饋控制外，還存在著大量的以開關量（數字量）為主的邏輯順序控制，這一點在以改變幾何形狀和機械性能為特征的制造工業中顯得尤其突出。它要求控制系統按照邏輯條件和一定的順序、時序產生控制動作，并能夠對來自現場的大量的開關量、脈沖、計時、計數以及模擬量的越限報警等數字信號進行監視和處理。這些工作在早期是由繼電器電路來實現的，其缺點是體積龐大、故障率高、功耗大、不易維護、不易改造和升級等。

1968年，美國通用汽車公司（GM）鑒于傳統的繼電器控制系統的一系列缺點，提出了研制新型控制器的設想，總結出新型控制器應當具有的10項指標，并以此公開在社會上招標，這10項指標是：

1）編程方便，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柜競爭。

7）輸入為交流115V。

8）輸出為交流115V/2A以上，能直接驅動電磁閥、接觸器等。

9）在擴展時原有系統改變最少。

10）用戶程序存儲器至少可擴展到4KB。

美國數字設備公司（DEC）根據這10項指標，于1969年研制出第一臺控制器，型號為PDP-14，它的開創性意義在于引入了程序控制功能，為計算機技術在工業控制領域的應用開辟了新的空間。

至20世紀70年代，PLC技術已經進入成熟期。推動PLC技術發展的動力主要來自于兩個方面，其一是企業對高性能、高可靠性自動控制系統的客觀需要和追求，例如關于PLC最初的性能指標就是由用戶提出的。其次，大規模及超大規模集成電路技術的飛速發展，微處理器性能的不斷提高，為PLC技術的發展奠定了基礎并開拓了空間。這兩個因素的結合，使得當今的PLC已經在所有性能上都大大超越了前述的10項指標。

現在，PLC的程序存儲容量多以MB為單位，隨著超大規模集成電路技術的發展，微處理器的性能大幅提高，指令執行速度達到微秒級，從而極大提高了PLC的數據處理能力，高檔的PLC可以進行復雜的浮點數運算，并增加了許多特殊功能，例如高速計數、脈寬調制變換、PID閉環控制、定位控制等，從而在以模擬量為主的過程控制領域也占有了一席之地，在一定程度上具備了組建DCS的能力。此外，PLC的通信功能和遠程I/O能力也非常強大，可以組建成分布式通信網絡系統。

在組成結構上，PLC具有一體化結構和模塊式結構兩種模式。一體化結構的PLC追求功能的完善，性能的提高，體積越來越小，有利于安裝。而模塊式結構，則是利用單一功能的各種模塊拼裝成一臺完整的PLC，用戶在設計自己的PLC控制系統時擁有極大的靈活性，并使設備的性價比達到最優。同時，模塊式結構也有利于系統的維護、換代和升級，并使系統的擴展能力大大加強。

在控制規模上，PLC向小型化和大型化兩個方向發展。大型PLC是基于滿足大規模、高性能控制系統的要求而設計的，在規模上，可帶的I/O點數（通道數量）達到數千點乃至上萬點。在對高性能的追求上，主要體現在以下幾點：

1）增強網絡通信功能。這是PLC的一個重要發展趨勢，伴隨現場總線（Field Bus）技術的應用，由多個PLC、多個分布式I/O模塊、人機界面、編程設備相互連接成的網絡，與工業計算機和以太網等構成整個工廠的自動控制系統。PLC采用了計算機信息處理技術、網絡通信技術和圖形顯示技術，使得PLC系統的生產控制功能和信息管理功能融為一體。

2）發展智能模塊。智能模塊以微處理器為核心，與PLC的CPU并行工作，完成專一功能，大量節省主CPU的時間和資源，對提高用戶程序的掃描速度和完成特殊的控制要求非常有利。例如通信模塊、位置控制模塊、模糊邏輯控制模塊、高速計數器模塊等。

3）高可靠性。PLC廣泛采用自診斷技術，向用戶提供故障分析的信息和提示。同時，大力發展冗余技術、容錯技術，以及模塊的熱插拔功能，保障PLC能夠長時間的可靠運行。

4）編程軟件標準化。長期以來，PLC的生產廠家各自為戰，各產品在硬件結構和軟件體系上都是封閉的，不對外開放，因而導致硬件互不通用、軟件互不兼容，為用戶帶來很大的不便。為此，國際電工委員會（IEC）制定了IEC 1131標準以引導PLC向標準化方向發展。這個標準包含了5個部分，從PLC的定義等一般信息，到裝備與測試、編程語言、用戶規則、通信規范等，力圖通過一系列的標準來規范各個廠家的產品。目前，有很多廠家都推出了符合IEC 1131-3標準的軟件系統，例如西門子公司的STEP 7軟件包就提供符合IEC 1131-3標準的指令集。

5）編程軟件和語言向高層次發展。PLC的編程語言在原有的梯形圖、順序功能圖、指令表語言的基礎上，不斷豐富并向高層次發展。大部分廠商都提供可在個人計算機上運行的開發軟件包，開發環境完備且友好，可向開發人員提供豐富的幫助信息以及調試、診斷、模擬仿真等功能。例如西門子公司的STEP 7軟件包，運行在Windows環境下，在編程的過程中可隨時查詢指令，其內容與詳細程度與編程手冊相同。

小型化PLC的發展方向是體積減小、成本下降、功能齊全、性能提高、簡單易用。其針對目標是取代廣泛分布在企業和民用領域的小規模繼電器系統，以及需要采用邏輯順序控制的小規模場合。其特點是安裝方便、可靠性高、開發和改造周期短。

二、PLC的特點

PLC的產生是基于工業控制的需要，是面向工業控制領域的專用設備，它具有以下幾個特點：

1）可靠性高，抗干擾能力強。用程序來實現的邏輯順序和時序，最大限度地取代傳統繼電器系統中的硬件線路，大量減少機械觸點和連線的數量，單從這一角度而言，PLC在可靠性上優于繼電器系統是明顯的。

在抗干擾性能方面，PLC在結構設計、內部電路設計、系統程序執行等方面都給予了充分的考慮。例如對主要器件和部件用導磁良好的材料進行屏蔽、對供電系統和輸入電路采用多種形式的濾波、I/O回路與微處理器電路之間用光耦合器隔離、系統軟件具有故障檢測功能、信息保護和恢復、循環掃描時間的超時警戒等。

2）靈活性強，控制系統具有良好的柔性。當生產工藝和流程進行局部的調整和改動時，通常只需要對PLC的程序進行改動，或者配合以外圍電路的局部調整即可實現對控制系統的改造。

3）編程簡單，使用方便。梯形圖語言是PLC的最重要也是最普及的一種編程語言，其電路符號和表達方式與繼電器電路原理圖相似，電氣技術人員和技術工人可以很快地掌握梯形圖語言，并用來編制用戶程序。

4）控制系統易于實現，開發工作量少，周期短。由于PLC的系列化、模塊化、標準化，以及良好的擴展性和聯網性能，在大多數情況下，PLC系統都是一個較好的選擇，它不僅能夠完成多數情況下的控制要求，還能夠大量節省系統設計、安裝、調試的時間和工作量。

5）維修方便。PLC有完善的故障診斷功能，可以根據裝置上的發光二極管和軟件提供的故障信息，方便地查明故障源。由于PLC的體積小，并且有些是采用模塊化結構，因而可以通過更換整機或模塊迅速排除故障。

6）體積小，能耗低。由軟件實現的邏輯控制，大量節省繼電器、定時器，一臺小型的PLC只相當于幾個繼電器的體積，控制系統所消耗的能量大大降低。

7）功能強，性能價格比高。用戶程序實現的邏輯控制，所需要的繼電器、中間繼電器、定時器、計數器等功能元件，都由存儲單元來替代，因而數量非常大，一臺小型的PLC所具備的元件（軟元件）數量就可達到成百上千個，相當于過去一個大規模甚至超大規模的繼電器控制系統。另外，PLC所提供的軟元件的觸點（例如軟繼電器）可以無限次使用，方便地實現復雜的控制功能。同時，PLC的聯網通信功能有利于實現分散控制、遠程控制、集中管理等功能，與同等規模或成本的繼電器控制系統相比，無論其功能和性能，都具有無可比擬的優勢。