1.2.1 PLC的產生、定義、特點及應用

1.PLC的產生和定義

通俗地說，PLC就是專用的、便于擴充的計算機控制裝置。

1987年，國際電工委員會（international electrical committee，IEC）頒布的PLC標準草案中對PLC做了如下定義：“可編程序控制器是一種數字運算操作系統，專為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，并通過數字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的生產機械和生產過程。可編程控制器及其有關外圍設備，都按易于與工業系統連成一個整體、易于擴充其功能的原理設計”。

傳統的繼電接觸式控制系統是通過硬導線連接電器元器件來構成邏輯控制系統，具有結構簡單、價格低廉、維護容易、抗干擾能力強等優點。但是，由于采用固定的接線方式，導致繼電接觸式控制系統的靈活性差、工作頻率低、觸點易損壞、可靠性差。

1968年，美國最大的汽車制造商通用汽車公司（GM）試圖尋找一種新型的工業控制方法，以適應汽車型號的不斷更新，盡可能減少重新設計和更換繼電接觸式控制系統的硬件和接線帶來的工作量，從而降低成本。1969年，美國數字設備公司（DEC）根據招標要求，研制出了世界上第一臺可編程序控制器，并在通用汽車公司的自動裝配線上試用成功。

早期的可編程序控制器是為了取代繼電接觸式控制電路，使用存儲程序指令、完成順序控制而設計的，主要用于邏輯運算、定時、計數和順序操作等開關量邏輯控制，通常稱為可編程序邏輯控制器（programmable logic controller，PLC）。

進入20世紀70年代，隨著微電子技術的發展，出現了微處理器和微型計算機，并被應用到PLC中，從而使PLC不僅僅具有邏輯控制功能，還增加了數據運算、傳送和處理等功能，而稱其為具有計算機功能的工業控制裝置。1980年，美國電器制造協會正式將其命名為可編程序控制器（programmable controller，PC），但由于容易與個人計算機PC（personal computer，PC）相混淆，人們還是習慣性地用PLC作為可編程序控制器的縮寫。

進入20世紀80年代，隨著大規模和超大規模集成電路等微電子技術的快速發展，以16位和32位微處理器構成的微機化PLC得到迅猛發展，使PLC在各個方面都有了新的突破，不僅功能增強，體積、功耗減小，成本下降，可靠性提高，而且在遠程控制、網絡通信、數據圖像處理等方面發展迅速。

PLC在我國的研制、生產和應用也獲得了迅猛發展。目前，PLC已經廣泛應用在改造傳統設備、設計新的控制設備及生產過程工控系統中，并取得了顯著的經濟效益。PLC已經成為當代電氣控制及自動化裝置的主導設備。

2.PLC的特點

PLC作為一種新型、專用的工業控制裝置，其自身有著其他控制設備不可替代的特點。

（1）可靠性高、抗干擾能力強

可靠性高、抗干擾能力強是PLC最突出的特點之一，主要表現在以下幾個方面：

1）傳統的繼電接觸式控制系統中使用了大量的中間繼電器、時間繼電器。由于觸點接觸不良，容易出現故障。而PLC用軟元件代替大量的中間繼電器和時間繼電器，僅使用與輸入和輸出有關的少量硬件，接線可減少到繼電器控制系統的1/100～1/10，因觸點接觸不良造成的故障大為減少。

2）所有的I/O接口電路均采用光電隔離，使工業現場的外電路與PLC內部電路之間在電氣上隔離，有效地抑制了外部干擾源對PLC的影響；對供電電源及電路采用多種形式的濾波，以消除或抑制高頻干擾；對CPU等重要部件采用優良的導電、導磁材料進行屏蔽，以減少空間電磁干擾。

3）PLC由于采用現代大規模集成電路技術，以及嚴格的生產工藝，內部電路采用先進的抗干擾技術，因此具有很高的可靠性。

4）PLC帶有硬件故障自我檢測功能，出現故障時可及時發出警報信息。在應用軟件中，還可以嵌入外圍器件的故障自診斷程序，使系統中除PLC裝置外的電路及設備也獲得了故障自診斷保護。

因此，PLC與其一般控制系統比較，具有更高的可靠性和很強的抗干擾能力，可以直接用于具有強烈干擾的工業現場，并能持續正常工作。

（2）編程方法簡單、易學

PLC是面向用戶的設備，它采用梯形圖和面向工業控制的簡單指令語句編寫程序。梯形圖是最常用的PLC編程語言，其編程符號和表達方式與繼電器電路原理圖相似。

（3）功能強、性價比高

一臺小型PLC內有成百上千個可供用戶使用的編程元件，可以實現非常復雜的控制功能。此外，PLC還可以通過通信聯網，實現分散控制、集中管理。與相同功能的繼電接觸式控制系統相比，具有很高的性價比。

（4）硬件配套齊全、適應性強

PLC及外圍模塊品種配備種類多、功能全、接線方便，它們可以靈活、方便地組合成各種大小和不同功能要求的控制系統。在PLC構成的控制系統中，只需在PLC的端子上接入相應的輸入/輸出（I/O）信號線，不需要諸如繼電器之類的物理電子器件和大量而繁雜的連接電路。

PLC的輸入端口可以通過輸入開關信號直接與DC 24V的電信號相連，根據功能選擇還可以直接輸入工業標準模擬量（電壓、電流）信號及工業溫控熱電阻、熱電偶，以供PLC采集。

PLC的輸出端可以根據負載需要直接控制AC 220V或DC 24V等電源與其相連，并具有較強的帶負載能力；可以直接驅動一般的電磁閥和交流接觸器的控制線圈；可以選擇直接輸出工業標準模擬量（電壓、電流）控制信號。

（5）通信方便、便于實現組態監控

PLC實現的控制系統通過通信接口可以實現與現場設備及計算機之間的信息交換，可以方便地與上位機實現計算機組態監視與控制系統，為實現分布式（DCS）控制系統、進一步深化自動化技術應用奠定基礎。

（6）體積小、功耗低

PLC體積小、質量輕，便于安裝。以超小型PLC為例，新近出產的品種其底部尺寸小于100mm，僅相當于幾個繼電器的大小，因此可將開關柜的體積縮小到原來的1/10～1/2；質量小于150g，功耗僅為數瓦。對于復雜的控制系統，使用PLC作為控制裝置后，減少了各種時間繼電器和中間繼電器的數量，可以降低能耗，同時大大縮小控制系統的體積，便于系統內部植入各種機電設備，實現機電一體化。

（7）系統的設計、安裝、調試工作量小

PLC用軟件功能取代了繼電接觸式控制系統中大量的繼電器、計數器等器件，大大減少了控制柜的設計、安裝及接線工作。

PLC的梯形圖編程方法規律性強，容易掌握。對于復雜控制系統，設計梯形圖所需的時間比設計繼電接觸式控制系統電路所需時間要少得多。

PLC的用戶程序可模擬調試，輸入信號用小開關代替，輸出信號的狀態可通過PLC上的發光二極管模擬指示，調試成功后再進行現場統一調試，調試工作量及調試時間大大減少。

由于PLC及其模塊內部包含了各類通用接口電路，由PLC組成的控制系統外部接線簡單、方便，設計周期短，可操作性強。

（8）維護方便、工作量小

PLC的故障率非常低，并且有完善的自診斷和顯示功能。當PLC本身、外部的輸入裝置或執行機構發生故障時，可以根據PLC上的發光二極管或編程器提供的信息迅速查明故障原因，如果是PLC自身故障可用更換模塊的方法迅速排除。

另外，PLC在結構上對耐熱、防潮、防塵、抗震等也都有精確的考慮。

PLC平均無故障時間可達數萬小時，使用壽命可達10年以上。

3.PLC的應用領域

隨著微處理器芯片價格的下降，PLC的成本越來越低，功能越來越強大，應用范圍也越來越廣。PLC不僅能替代繼電接觸式控制系統，還能用來解決模擬量閉環控制及較復雜的計算和通信問題。PLC在工業自動化領域的應用比例越來越大，當前已處于自動化控制設備的領先地位。

（1）開關量的邏輯控制

開關量的邏輯控制是PLC最基本、最廣泛的應用領域。用PLC取代傳統的繼電接觸式控制系統，實現邏輯控制、順序控制。

（2）運動控制

PLC可用于直線運動或圓周運動的控制。早期直接用開關量I/O模塊連接位置傳感器和執行機械，現在一般使用專用運動模塊來實現。

（3）模擬量及閉環過程控制

PLC廠家都生產配套的A-D和D-A轉換模塊，如FX_2N系列PLC中的FX_2N-4AD和FX_2N-4DA等。

PLC通過模擬量的I/O模塊實現模擬量與數字量的A-D、D-A轉換，可實現對溫度、壓力、流量等連續變化的模擬量的閉環PID控制。當過程控制中的某個變量出現偏差時，PID控制算法根據程序設定的參數進行PID運算，其輸出控制執行機構，使變量按照設計要求的控制規律變化恢復到設定值上。

（4）數據處理

現代的PLC具有數學運算（包括矩陣運算、函數運算、邏輯運算）、數據傳遞、排序、查表以及位操作等功能，可以完成數據的采集、分析和處理。數據處理一般用在大中型控制系統中。

（5）聯機通信

PLC通過通信線路可以方便地實現與PLC、上位機及其他智能設備之間的通信，便于網絡組成，實現集中管理、分散控制的分布控制系統（DCS）。