1.2 PLC的產(chǎn)生與發(fā)展

PLC產(chǎn)生于20世紀60年代末，崛起于20世紀70年代，成熟于20世紀80年代，于20世紀90年代取得技術(shù)上的新突破，21世紀PLC技術(shù)開始朝開放化、小型化、高速化、強通信、軟PLC、語言標準化及中國化方向發(fā)展。

1.2.1 PLC的產(chǎn)生、定義、功能、特點及分類

1.PLC的產(chǎn)生

1836年繼電器問世后，與開關(guān)器件巧妙連接，構(gòu)成各種用途的邏輯控制或順序控制，是當時工業(yè)控制領(lǐng)域的主導。這種繼電器控制系統(tǒng)有著明顯的缺點：體積大、耗電多、可靠性差、壽命短、運行速度不高，尤其是不能適應生產(chǎn)工藝的多變，造成時間和資金的浪費。

20世紀60年代末，美國通用汽車（GM）公司為使汽車改型或改變工藝流程時不改動原有繼電器柜內(nèi)的接線，以降低生產(chǎn)成本、縮短新產(chǎn)品開發(fā)周期，于1968年提出研制新型工業(yè)控制裝置來替代繼電器控制裝置，曾擬定十項公開招標技術(shù)要求，實際就是當今PLC最基本的功能。

美國數(shù)字設備（DEG）公司根據(jù)GM公司要求于1969年研制出型號為PDP-14/L的PLC，并在汽車生產(chǎn)線上試用獲得成功。1968年1月1日MODICON公司研制出084控制器。此程序化手段為電氣控制開創(chuàng)了工業(yè)控制的新紀元，迅速在工業(yè)發(fā)達國家發(fā)展。1971年日本推出DSC-8控制器，1973年德國、1974年法國都有突破，我國1973～1977年研制成功以MC14500一位微處理器為核心的PLC并開始在工業(yè)中應用。

2.PLC的定義

由于PLC在不斷發(fā)展，因此很難確切定義。早期可編程序控制器專用于替代傳統(tǒng)繼電器控制裝置，功能上只有邏輯計算、計時、計數(shù)以及順序控制等，僅進行開關(guān)量控制，故名可編程序邏輯控制器（Programmable Logic Controller, PLC）。后來隨著電子科技發(fā)展及產(chǎn)業(yè)應用需要，PLC增加了模擬量、位置控制及網(wǎng)絡通信等功能，1980年美國電氣制造商協(xié)會（National Electrical Manufacturers Association, NEMA）將這種新型控制裝置正式命名為可編程序控制器（Programmable Controller, PC），為與個人計算機（Personal Computer, PC）區(qū)別，仍命名為PLC，并定義PLC是一種數(shù)字式的自動化控制裝置，帶有指令存儲器、數(shù)字的或模擬的輸入/輸出接口，以位運算為主，能完成邏輯、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運算等功能，用于控制機器或生產(chǎn)過程。

之后IEC（International Electrotechnicac Committee）、IEEE（Institute of Electrical and Electronics Engineers）和中國科學院也定義了PLC。這些定義表明PLC是一種能直接應用于工業(yè)環(huán)境的數(shù)字電子裝置，是以微處理器為基礎，結(jié)合計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)和網(wǎng)絡通信技術(shù)，用面向控制過程、面向用戶的“自然語言”編程的一種簡便可靠的新一代通用工業(yè)控制裝置。

3.PLC的主要功能

（1）開關(guān)邏輯和順序控制 PLC應用最廣泛、最基本的功能是完成開關(guān)邏輯運算和進行順序邏輯控制，從而實現(xiàn)各種控制要求。

（2）模擬控制（A-D和D-A控制）工業(yè)生產(chǎn)過程中，往往需要控制一些連續(xù)變化的模擬量，如溫度、壓力、流量、液位等，現(xiàn)在大部分PLC產(chǎn)品能代替過去的儀表或分布式控制系統(tǒng)來處理這類模擬量。

（3）定時/計數(shù)控制 PLC提供足夠的定時器與計數(shù)器，具有很強的定時、計數(shù)功能。定時間隔可以由用戶設定；如需對高頻信號進行計數(shù)，則可選擇高速計數(shù)器。

（4）步進控制 PLC提供一定數(shù)量的移位寄存器或者狀態(tài)寄存器，可方便完成步進控制功能。

（5）運動控制 機械加工行業(yè)中，PLC與計算機數(shù)控（CNC）集成在一起，以完成機床的運動控制。

（6）數(shù)據(jù)處理 大部分PLC都具有不同程度的數(shù)據(jù)處理能力，不僅能進行算術(shù)運算、數(shù)據(jù)傳送，還能進行數(shù)據(jù)比較、轉(zhuǎn)換、顯示及打印等操作，有些還可進行浮點運算和函數(shù)運算。

（7）通信聯(lián)網(wǎng) PLC的通信聯(lián)網(wǎng)功能使PLC彼此間、與管理計算機以及其他智能設備間交換信息，形成一個整體，實現(xiàn)分散集中控制，滿足當今計算機集成制造系統(tǒng)（CIMS）及智能化工廠發(fā)展的需要。

4.PLC的特點

PLC的突出特點、優(yōu)越性能決定了它的迅速發(fā)展和廣泛應用，較好地解決了工業(yè)控制領(lǐng)域中普遍關(guān)心的可靠性、安全性、靈活性、方便性、經(jīng)濟性等問題。

（1）可靠性高、抗干擾能力強 PLC的可靠性以平均無故障工作時間（平均故障間隔時間）來衡量。由于對硬件采取冗余設計、光電隔離、線路濾波，對軟件采取循環(huán)掃描、故障檢測、診斷程序、封閉存儲器等措施，因此PLC具有很強的抗干擾能力。

（2）控制能力強 足夠多的編程元件，可實現(xiàn)非常復雜的控制功能。相較于同等功能的繼電器控制系統(tǒng)，PLC具有很高的性價比。PLC還可以通過聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)分散控制與集中管理。

（3）用戶維護工作量少 PLC產(chǎn)品已經(jīng)標準化、系列化、模塊化，配備有品種齊全的各種硬件裝置供用戶選用，便于系統(tǒng)配置、安裝接線，組成不同功能、不同規(guī)模的系統(tǒng)，有較強的帶負載能力，可直接驅(qū)動一般的電磁閥和交流接觸器。通過修改用戶程序，能快速適應工藝條件的變化。

（4）編程簡單、使用方便 梯形圖是PLC使用最多的編程語言，其電路符號、表達方式與繼電器電路圖相似，形象、直觀、簡單、易學。在熟悉工藝流程、熟練掌握PLC指令的情況下，編程語句也十分簡單。

（5）設計、安裝、調(diào)試周期短 軟件功能取代繼電系統(tǒng)中大量的中間繼電器、時間繼電器、計數(shù)器等器件，實驗室模擬調(diào)試、現(xiàn)場安裝并修改，使控制柜的設計、安裝、接線工作量減少，施工周期縮短。

（6）易于實現(xiàn)機電一體化 PLC體積小、重量輕、功耗低、抗震防潮和耐熱能力強，使之易于安裝在機器設備內(nèi)部，制造出機電一體化產(chǎn)品。CNC設備和機器人裝置已成為典型的PLC應用范例。

5.PLC的分類

PLC種類、型號、規(guī)格不一，了解其分類有助于選型與應用。可按控制規(guī)模的大小、性能的高低、結(jié)構(gòu)的特點進行分類，還可從流派、產(chǎn)地、廠家進行區(qū)分。

（1）按控制規(guī)模、點數(shù)和功能分類 不同型號PLC能夠處理的I/O信號數(shù)是不同的，一般將一路信號叫作一個點，將輸入點數(shù)和輸出點數(shù)的總和稱為機器的點數(shù)，簡稱I/O點數(shù)。按I/O點數(shù)、內(nèi)存容量值域的分類是不斷發(fā)展的，以下僅供參考。

1）微型機：I/O點數(shù)為64點以內(nèi)，單CPU，內(nèi)存容量為256～1000B，如我國臺灣廣成公司的SPLC。

2）小型機：I/O點數(shù)為64～256，單CPU，內(nèi)存容量為1～3.6KB，如歐姆龍公司的CQM1（D192點、A44路、3.2～7.2KB、0.5～10ms/1K字），西門子公司的S7-200（D248點、A35路、2KB、0.8～1.2ms/1K字）和S7-1200，三菱電氣公司的FX，無錫華光公司的SR-20/21等。

3）中型機：I/O點數(shù)為256～2048，雙CPU，內(nèi)存容量為3.6～13KB，如西門子公司的S7-300（D1024點、A128路、32KB、0.8～1.2ms/1K字），歐姆龍公司的C200HG（D1184點、15.2～31.2KB、0.15～0.6ms/1K字、MPI），無錫華光公司的SR-400，通用電氣公司的GE-Ⅲ等。

4）大型機：I/O點數(shù)在2048以上，多CPU，內(nèi)存容量為13KB以上，如西門子公司的S7-400（12672點、512KB、0.3ms/1K字）、S5-155U, AEG公司的A500（5088點、62KB/64KB、1.3ms/1K字），富士公司的F200（3200點、32KB、2.5ms/1K字），歐姆龍公司的CV2000（2048點、62KB、0.125ms/1K字），三菱電氣公司的K3，通用電氣公司的GE-IV等。

（2）按控制性能分類

1）低檔機：具有基本控制功能和一般運算能力，工作速度比較慢，能拖帶的I/O模塊數(shù)量比較少，如歐姆龍公司的C60P。

2）中檔機：具有較強的控制功能和運算能力，能完成一般的邏輯運算，也能完成較復雜的三角函數(shù)、指數(shù)和PID運算，工作速度較快，能拖帶的I/O模塊數(shù)量、種類都比較多，如西門子公司的S7-300。

3）高檔機：具有強大的控制功能和運算能力，能完成邏輯、三角函數(shù)、指數(shù)和PID等運算，還能進行復雜的矩陣運算，工作速度很快，能拖帶的I/O模塊數(shù)量、種類多，可完成規(guī)模很大的控制任務，一般作為聯(lián)網(wǎng)主站，如西門子公司的S7-400。

（3）按結(jié)構(gòu)形式分類 PLC的硬件結(jié)構(gòu)形式有整體式、模塊式和疊裝式。

1）整體式結(jié)構(gòu)：小型及微型PLC多為整體式，把CPU、RAM、ROM、I/O接口及與編程器或EPROM寫入器相連的接口、電源、指示燈等都裝配在一起，成為一個整體，如通用電氣公司的GE-I/J系列。

2）模塊式結(jié)構(gòu)：模塊式結(jié)構(gòu)又叫積木式，是把PLC的每個工作單元都制成獨立的模塊，如CPU模塊、輸入模塊、輸出模塊、電源模塊、通信模塊等，另外設備上還有一塊帶有插槽的母板，相當于計算機總線。按控制系統(tǒng)需要選取模塊后，將模塊插到母板上，構(gòu)成一個完整的PLC。例如，歐姆龍公司的C200H、C1000H、C2000H，西門子公司的S5-115U、S7-300、S7-400系列等。

3）疊裝式結(jié)構(gòu)：疊裝式結(jié)構(gòu)是將整體式和模塊式結(jié)合起來，除基本單元外，還有擴展模塊和特殊功能模塊，配置比較方便。S7-200、S7-1200和FX系列均屬于疊裝式。

（4）按生產(chǎn)廠家分類 世界上有200多家PLC廠商、400多個PLC品種，其點數(shù)、容量、功能各有差異，按地域可大致分為美國、歐洲、日本三個流派，美、歐長于大中型PLC，日本則精于中小型PLC。

1.2.2 PLC的發(fā)展概況和發(fā)展趨勢

1.國外PLC發(fā)展概況

PLC問世以后經(jīng)歷40多年的發(fā)展，在美國、德國、日本等工業(yè)發(fā)達國家已成為重要的產(chǎn)業(yè)之一，世界總銷售額不斷上升，生產(chǎn)廠家不斷涌現(xiàn)，品種不斷翻新，產(chǎn)量產(chǎn)值大幅度上升，而價格隨之不斷下降。世界上200多個PLC生產(chǎn)廠家中較著名的有：美國AB、通用電氣、莫迪康等公司；日本三菱、富士、歐姆龍、松下電工等公司；德國西門子、AEG等公司；法國施耐德公司；韓國三星、LG等公司。

2.技術(shù)發(fā)展動向

（1）產(chǎn)品規(guī)模向大、小兩個方向發(fā)展 PLC向大型化方向發(fā)展，如西門子公司的S7-400、S5-155U，體現(xiàn)在高功能、大容量、智能化、網(wǎng)絡化，與計算機組成集成控制系統(tǒng)，對大規(guī)模、復雜系統(tǒng)進行綜合的自動控制。有的I/O點數(shù)達14336點、32位微處理器、多個CPU并行工作、大容量存儲器、掃描速度高速化（0.065μs/步）。PLC具有高級處理能力，如浮點數(shù)運算、PID調(diào)節(jié)、溫度控制、精確定位、步進驅(qū)動、報表統(tǒng)計等。

PLC向小型化方向發(fā)展，如三菱A、歐姆龍CQM1，體積越來越小、功能越來越強、控制質(zhì)量越來越高，小型模塊化結(jié)構(gòu)增加了配置的靈活性，降低了成本。我國臺灣廣成公司生產(chǎn)的超小型PLC，外觀尺寸20mm×26mm×30mm，有24個零件，9～36V的工作電壓，各功能容于一顆芯片，將常用的計數(shù)器、延時器、閃爍器軟件化，并用計算機配線方式取代傳統(tǒng)電線配線，整合16種器件，命名為SPLC。三菱FX-IS系列PLC，體積僅為60mm×90mm×75mm，相當于一個繼電器的大小，但卻具有高速計數(shù)、斜坡、交替輸出及16位四則運算等能力，還具有可調(diào)電位器時間設定功能。

（2）PLC在閉環(huán)過程控制中的應用日益廣泛 基于反饋的自動控制技術(shù)測量關(guān)心的變量并與期望值相比較，用誤差糾正調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的響應，構(gòu)成對溫度、壓力、流量等模擬量的閉環(huán)控制（過程控制）。簡單而優(yōu)秀的PID模塊能編制各種控制算法程序，完成PID調(diào)節(jié)。PID控制器輸入e（t）與輸出u（t）的關(guān)系為

它的傳遞函數(shù)為

使用PID模塊只需根據(jù)過程的動態(tài)特性及時整定三個參數(shù)Kp、Ki和Kd，很多情況下，可只取包括比例單元在內(nèi)的一個或兩個單元。雖然很多工業(yè)過程是非線性或時變的，但可簡化成基本線性和動態(tài)特性不隨時間變化的系統(tǒng)，這樣就可進行PID控制了。

（3）網(wǎng)絡通信功能不斷增強 PLC網(wǎng)絡化技術(shù)的發(fā)展有兩個趨勢：一方面，PLC網(wǎng)絡系統(tǒng)已經(jīng)不再是自成體系的封閉系統(tǒng)，而是迅速向開放式系統(tǒng)發(fā)展，各大品牌PLC均形成自己各具特色的PLC網(wǎng)絡系統(tǒng)，計算機集散系統(tǒng)（DCS）由多PLC、多I/O模塊相連，并與工業(yè)計算機、以太網(wǎng)等構(gòu)成整個工廠自控系統(tǒng)，除完成設備控制任務之外，還與計算機管理系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)信息交流，成為整個信息管理系統(tǒng)的一部分；另一方面，40余種現(xiàn)場總線及智能化儀表的控制系統(tǒng)（Field-bus Control System, FCS）將逐步取代DCS并廣泛應用，PLC與其他安裝在現(xiàn)場的智能化設備，比如智能儀表、傳感器、智能型電磁閥、智能型驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)等，通過一根傳輸介質(zhì)（比如雙絞線、同軸電纜、光纜）連接起來，并按照同一通信規(guī)約互相傳輸信息，由此構(gòu)成一個現(xiàn)場工業(yè)控制網(wǎng)絡，這種網(wǎng)絡與單純的PLC遠程網(wǎng)絡相比，配置更靈活，擴展更方便，造價更低，性能價格比更高，也更具開放意義。信息處理技術(shù)、網(wǎng)絡通信技術(shù)和圖形顯示技術(shù)，使PLC系統(tǒng)的生產(chǎn)控制功能和信息管理功能融為一體，以滿足大生產(chǎn)的控制與管理要求。

（4）新器件和模塊不斷推出 除提高CPU處理速度外，還有帶微處理器的EPROM或RAM的智能I/O、通信、位置控制、快速響應、閉環(huán)控制、模擬量I/O、高速計數(shù)、數(shù)控、計算、模糊控制、語言處理、遠程I/O等專用化模塊，使PLC在實時精度、分辨率、人機對話等方面得到進一步改善和提高。

可編程序自動化控制器（Programmable Automation Controller, PAC）用于描述結(jié)合了PLC和PC功能的新一代工業(yè)控制器，將成為未來工業(yè)控制的方式。可編程序計算機控制器（Programmable Computer Controller, PCC）采用分時多任務操作系統(tǒng)和多樣化的應用軟件的設計，應用程序的運行周期與程序長短無關(guān)，而由操作系統(tǒng)的循環(huán)周期決定，因此將程序的掃描周期同外部的可調(diào)控制周期區(qū)別開來，滿足了真正實時控制的要求。

（5）編程工具及語言的發(fā)展 在結(jié)構(gòu)不斷發(fā)展的同時，PLC的編程語言也越來越豐富，各種簡單或復雜的編程器及編程軟件，采用梯形圖、功能圖、語句表等編程語言，對過程模擬仿真，還有面向順序控制的步進編程語言、SFC標準化語言，面向過程控制的流程圖語言，與計算機兼容的高級語言（BASIC、PASCAL、C、FORTRAN等）等得到應用。在Windows界面下，用可視化的Visual C++、Visual Basic來編程比較復雜，而組態(tài)軟件可使編程簡單化且工作量小。西門子S7-200PLC的編程軟件設計了大量的編程向?qū)В恍枰趯υ捒蛑休斎胍恍﹨?shù)，即可自動生成包括中斷程序在內(nèi)的用戶程序，大大方便了用戶的使用。

（6）容錯技術(shù)等進一步發(fā)展 人們?nèi)找嬷匾暱刂葡到y(tǒng)的可靠性，應用自診斷技術(shù)、冗余技術(shù)、容錯技術(shù)，推出高可靠性的冗余系統(tǒng)，并采用熱備用或并行工作及多數(shù)表決的工作方式。如S7-400PLC堅固、全密封的模板可在惡劣、不穩(wěn)定的環(huán)境下正常工作，還可熱插拔。

（7）實現(xiàn)硬件、軟件的標準化 針對硬、軟件封閉而不開放，模塊互不通用、語言差異大、PLC互不兼容等問題，IEC下設TC65的SC65B，專設工作組制定PLC國際標準，使之成為一種方向或框架，如IEC 61131-1、2、3、4、5。標準化硬、軟件不僅縮短了系統(tǒng)開發(fā)周期，也使80%的PLC應用可利用20條的梯形邏輯指令集來解決，稱為“80-20”法則。

3.國內(nèi)發(fā)展及應用概況

我國PLC發(fā)展經(jīng)歷了大致三個階段：20世紀70年代順序控制器階段；20世紀80年代以位處理器為主的工業(yè)控制器階段；20世紀90年代以后以8、16、32位微處理器為主的PLC階段。

改革開放的推動使我國出現(xiàn)大量的PLC。一部分隨成套設備引進，如寶鋼一、二期工程就有500多套，還有咸陽顯像管廠、平朔煤礦、秦皇島煤碼頭等；一部分與外國合資生產(chǎn)，如中美及中德汽車廠、遼寧無線電二廠、無錫華光電子公司、上海香島電機制造公司、廈門A-B公司等；還有一部分是我國獨資生產(chǎn)的PLC，如上海東屋電氣CF系列、杭州機床電器廠DKK及D系列、大連組合機床研究所S系列、蘇州電子計算機廠YZ系列等。

PLC在國內(nèi)外已廣泛應用于電力、機械、汽車、鋼鐵、石油、化工、建材、輕紡、交運、環(huán)保及文化娛樂等各個行業(yè)。可以預期，隨著技術(shù)引進并中國化，PLC將更有廣闊的天地，技術(shù)含量也將越來越高。比如，隨著我國西部及廣大地區(qū)水力發(fā)電的大規(guī)模開發(fā)和全面建設，基于PLC控制的分層分布式計算機監(jiān)控系統(tǒng)的水力發(fā)電控制工程及其學科，就是一個老樹長新芽、生機盎然的領(lǐng)域。

變電站、發(fā)電廠等綜合自動化系統(tǒng)將保護、監(jiān)控、通信及網(wǎng)絡技術(shù)融為一體，在管理監(jiān)控、設備控制、現(xiàn)場設備的三層網(wǎng)絡中，控制層對變壓器的差動保護、氣體保護、溫度保護，對各路出線和母線的斷路器過電流保護，以及備用電源自動投入裝置，對機組的電壓、電流、相位、頻率、功率因數(shù)、繞組溫度等參數(shù)，通過現(xiàn)場總線與數(shù)臺PLC結(jié)合的分布式控制系統(tǒng)（Distributed Control System, DCS）進行監(jiān)控及實時運行，并將系統(tǒng)運行時的各種信息，如調(diào)節(jié)、操作及報警顯示出來。