項目1 快速了解PLC

1.1 PLC的基本概念

PLC是英文Programmable Logic Controller的縮寫，中文名稱為可編程序邏輯控制器。世界上第一臺PLC是1969年由美國數字設備公司研制成功的PDP-14，隨著技術不斷地發展，PLC的功能大大增強，不僅僅限于邏輯控制，因此美國電氣制造協會于1980年對它重新命名，名稱改為可編程序控制器（Programmable Controller），但是由于它的簡寫PC與個人計算機（Personal Computer）的簡寫相沖突，加上習慣的原因，人們還是經常使用可編程序邏輯控制器這一稱呼，并仍使用PLC這一縮寫。

德國西門子（SIEMENS）公司生產的可編程序控制器在我國應用相當廣泛，圖1-1所示為西門子公司PLC S7系列產品定位。

1985年，國際電工委員會（International Electrotechnical Commission，IEC）對PLC做出定義：可編程序控制器是一種數字運算操作電子系統，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，并通過數字的、模擬的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產過程?？删幊绦蚩刂破骷捌溆嘘P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。

1.1.1 PLC的產生與發展

美國汽車工業的發展促進了PLC的產生，20世紀60年代，美國通用汽車公司在對工廠生產線進行調整時，發現繼電器、接觸器控制系統修改難、體積大、噪聲大、維護不方便以及可靠性差，于是提出了著名的“GM十條”招標指標。

這10條指標分別如下。

1）編程簡單，可在現場修改和調試程序。

2）維護方便，采用插入式模塊結構。

3）可靠性高于繼電器控制系統。

4）體積小于繼電器控制裝置。

5）數據可直接送入管理計算機。

6）成本可與繼電器控制系統競爭。

7）可直接用115V交流電壓輸入。

8）輸出量為115V、2A以上，能直接驅動電磁閥、接觸器等。

9）通用性強，易于擴展。

10）用戶程序存儲器容量至少4KB。

美國數字設備公司研制出PLC在通用汽車公司的生產線上試用，其效果顯著。1971年，日本研制出第一臺PLC（DCS-8）；1973年，德國研制出第一臺PLC；1974年，我國開始研制PLC；1977年，我國在工業應用領域推廣PLC。

隨著大規模和超大規模集成電路等微電子技術的發展，PLC已由最初的1位機發展到現在的以16位和32位微處理器構成的微機化PC，而且實現了多處理器的多通道處理。如今，PLC技術已非常成熟，不僅控制功能增強，功耗和體積減小，成本下降，可靠性提高，編程和故障檢測更為靈活方便，而且隨著遠程I/O和通信網絡、數據處理、圖像顯示的發展，PLC向用于連續生產過程控制的方向發展，成為實現工業生產自動化的一大支柱。

現在，世界上有200多家PLC生產廠家，400多種的PLC產品，按地域可分成美國、歐洲、和日本等三個流派產品，各流派PLC產品都各具特色。其中，美國是PLC生產大國，有100多家PLC廠商，著名的有A-B公司、通用電氣（GE）公司、莫迪康（MODICON）公司；歐洲PLC產品的主要制造商有德國的西門子（SIEMENS）公司、AEG公司、法國的TE公司；日本有許多PLC制造商，如三菱、歐姆龍、松下、富士等；韓國有三星、LG等，這些生產廠家的產品占有80%以上的PLC市場份額。

由于種種原因，國產品牌的PLC在國內PLC市場份額所占比例很小，一直沒有形成產業化規模，目前我國市場上95%以上的PLC產品來自國外公司。

在眾多國產PLC品牌中，北京和利時是我國工控市場較早的參與者之一，長期專注自動化控制系統。主要產品有可編程序控制器、集散控制系統（Distributed Control System，DCS）、核電站數字化儀控系統、運動控制器、觸摸屏、驅動器、光電接近開關、變頻器等。

除此之外，還有無錫信捷、黃石科威、安控科技、上海正航電子科技、匯川技術和英威騰等一大批公司也都是國內致力于工業控制領域PLC產品開發的知名企業。

1.1.2 PLC的特點

1.使用靈活

PLC的硬件是標準化的，加之PLC的產品已系列化，功能模塊品種多，可以靈活組成各種不同大小和不同功能的控制系統。

2.可靠性高

微機功能強大但抗干擾能力差，工業現場的電磁干擾、電源波動、機械振動、溫度和濕度的變化，都可能導致一般通用微機不能正常工作；傳統的繼電器—接觸器控制系統抗干擾能力強，但由于存在大量的機械觸點（易磨損、燒蝕）而壽命短，系統可靠性差。PLC采用微電子技術，大量的開關動作由無觸點的電子存儲器件來完成，大部分繼電器和繁雜連線被軟件程序所取代，故壽命長，可靠性大大提高，從實際使用情況來看，PLC控制系統的平均無故障時間一般可達40000～50000h。PLC采取了一系列硬件和軟件抗干擾措施，能適應各種強烈干擾的工業現場，并具有故障自診斷能力。

3.維護方便

PLC的接口按工業控制的要求設計，有較強的帶負載能力（輸入輸出可直接與交流220V、直流24V等強電相連），接口電路一般亦為模塊式，便于維修更換。有的PLC甚至可以帶電插拔輸入輸出模塊，可不脫機停電而直接更換故障模塊，大大縮短了故障修復時間。

4.功能強

PLC除了具備邏輯運算、定時、計數等基本功能外，還具備模擬信號采集、運動控制、通信聯網等功能。

5.編程簡單

PLC是面向用戶的設備，PLC的設計者充分考慮了現場工程技術人員的技能和習慣。大多數PLC的編程均提供了常用的梯形圖方式和面向工業控制的簡單指令方式。編程語言形象直觀，指令少、語法簡便，不需要專門的計算機知識和語言，具有一定的電工和工藝知識的人員都可在短時間內掌握。利用編程軟件，可方便地查看、編輯、修改用戶程序。

6.設計、施工、調試周期短

用繼電器—接觸器控制完成一項控制工程，必須首先按工藝要求畫出電氣原理圖，然后畫出電氣元器件的布置和接線圖等，再進行安裝調試，以后修改起來十分不便。而采用PLC控制，由于其靠軟件實現控制，硬件線路非常簡潔，而大量具體的程序編制工作也可在PLC到貨前進行，因而縮短了設計周期，使設計和施工可同時進行。由于用軟件編程取代了硬接線來實現控制功能，大大減輕了繁重的安裝接線工作，縮短了施工周期。

和繼電器控制系統相比，PLC具有修改程序就能改變控制功能的優點，但是在進行簡單控制時，成本較高。另外，利用單片機也能實現自動控制，各種控制系統的比較見表1-1。

1.1.3 PLC的應用領域

目前，PLC在國內外已廣泛應用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機械制造、汽車、輕紡、交通運輸、環保及文化娛樂等各個行業，使用情況大致可歸納為如下幾類。

1.離散行業自動化

數字量的邏輯控制是PLC最基本、最廣泛的應用領域，它取代傳統的繼電器電路，實現邏輯控制、順序控制，既可用于單臺設備的控制，也可用于多機群控及自動化流水線。如注塑機、印刷機、裝訂機械、組合機床、磨床、包裝生產線和電鍍流水線等，如圖1-2所示。

2.過程控制工業

在工業生產過程當中，有許多連續變化的模擬量，如溫度、壓力、流量、液位和速度等。為了使PLC處理模擬量，必須實現模擬量（Analog）和數字量（Digital）之間的A-D轉換及D-A轉換。

過程控制是指對溫度、壓力、流量等模擬量的閉環控制。作為工業控制計算機，PLC能編制各種各樣的控制算法程序，完成閉環控制。PID（Proportion Integration Differentiation，比例積分微分）調節是一般閉環控制系統中用得較多的調節方法。大中型PLC都有PID模塊，目前許多小型PLC也具有此功能模塊。PID處理一般是運行專用的PID子程序。過程控制在冶金、化工、熱處理、鍋爐控制等場合有非常廣泛的應用，如圖1-3所示。

3.運動控制

PLC可以用于圓周運動或直線運動的控制。從控制機構配置來說，早期直接用于開關量I/O模塊連接位置傳感器和執行機構，現在一般使用專用的運動控制模塊。如可驅動步進電動機或伺服電動機的單軸或多軸位置控制模塊。世界上各主要PLC廠家的產品幾乎都有運動控制功能，廣泛用于各種機械、機床、機器人、電梯等場合，如圖1-4所示。

4.數據處理

現代PLC具有數學運算、數據傳送、數據轉換、排序、查表、位操作等功能，可以完成數據的采集、分析及處理。這些數據可以與存儲在存儲器中的參考值比較，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能傳送到別的智能裝置，或將它們打印制表。數據處理一般用于大型控制系統，如無人控制的柔性制造系統；也可用于過程控制系統，如造紙、冶金、食品工業中的一些大型控制系統。

5.通信聯網

PLC通信含PLC間的通信及PLC與其他智能設備間的通信，如圖1-5所示。隨著計算機控制的發展，工廠自動化網絡發展得很快，各PLC廠商都十分重視PLC的通信功能，紛紛推出各自的網絡系統。PLC的新產品都基本具有以太網接口，通信非常方便。