第1章 可編程控制器概述

1.1 PLC的基本概念

1.1.1 PLC的定義

可編程控制器（Programmable Controller）是為工業(yè)控制應(yīng)用而設(shè)計制造的。早期的可編程控制器稱為可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC），如今人們?nèi)匀谎赜肞LC作為可編程控制器的縮寫。它是一個以微處理器為核心的數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)裝置，專為工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用而設(shè)計，它采用可編程的存儲器，用于在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時/計數(shù)和算術(shù)運算等操作指令，并通過數(shù)字式或模擬式的輸入、輸出接口，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。

1987年2月國際電工委員會（International Electrotechnical Commission，IEC）發(fā)布了可編程控制器標準草案第三稿，其中對PLC定義如下：可編程控制器是一種數(shù)字運算操作電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計。它采用了可編程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作的指令，并通過數(shù)字的、模擬的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。可編程序控制器及其有關(guān)的外圍設(shè)備，都應(yīng)按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體、易于擴充其功能的原則設(shè)計。

20世紀60年代末，由于市場的需要，工業(yè)生產(chǎn)從大批量、少品種的生產(chǎn)方式轉(zhuǎn)變?yōu)樾∨俊⒍嗥贩N的生產(chǎn)方式。但是，當時這種大規(guī)模生產(chǎn)線的控制大多是繼電器控制系統(tǒng)，體積大，耗電多，容易損壞，而且改變生產(chǎn)程序非常困難。為了改變這種狀況，滿足生產(chǎn)產(chǎn)品多樣性的要求，1968年美國通用汽車公司公開對外招標，要求用新的電氣控制裝置取代繼電器控制裝置，以適應(yīng)靈活、快速地改變生產(chǎn)程序的要求。

1969美國數(shù)字設(shè)備公司（Digital Equipment Corporation，DEC）研制成功了世界上第一臺PLC，并在美國通用汽車的生產(chǎn)線上試驗成功，從此開辟了可編程邏輯控制器的時代。1971年，日本引進了這項技術(shù)，很快就研制出了日本第一臺PLC。1973年，原西德和法國也研制出了自己的PLC。20世紀70年代中期，歐美及日本的PLC產(chǎn)品中多以微處理器及大規(guī)模集成電路芯片為其核心部件，使PLC的功能進一步擴展，并且有了自診斷功能，可靠性得到了進一步提高。隨著微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，20世紀80年代中期，PLC的處理速度和可靠性大大提高，不僅增加了多種特殊功能，而且體積進一步縮小，成本大幅度下降。到20世紀90年代中期之后，PLC幾乎完全計算機化，其速度更快，功能更強，PLC的各種智能化模塊不斷被開發(fā)出來，一些廠家還推出了PLC的計算機輔助編程軟件，許多小型PLC的性能也不可小視。

現(xiàn)在，PLC不僅能進行邏輯控制，在模擬量的閉環(huán)控制、數(shù)字量的智能控制、數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控、通信連網(wǎng)及集散控制等方面都得到了廣泛的應(yīng)用。如今大、中型，甚至小型PLC都配有A/D、D/A轉(zhuǎn)換及算術(shù)運算功能，有的還具有PID功能。這些功能使PLC應(yīng)用于模擬量的閉環(huán)控制、運動控制、速度控制等具有了硬件基礎(chǔ)；PLC具有輸出和接收高速脈沖的功能，配合相應(yīng)的傳感器及伺服裝置，PLC可以實現(xiàn)數(shù)字量的智能控制；PLC配合可編程終端設(shè)備（如觸摸屏），可以實時顯示采集到的現(xiàn)場數(shù)據(jù)及分析結(jié)果，為分析和研究系統(tǒng)提供依據(jù)；利用PLC的自檢信號可實現(xiàn)系統(tǒng)監(jiān)控；PLC具有較強的通信功能，可與計算機或其他智能裝置進行通信和連網(wǎng)，從而能方便地實現(xiàn)集散控制。功能完備的PLC不僅能滿足控制的要求，而且能滿足現(xiàn)代化大生產(chǎn)管理的需要。

目前，世界上一些著名電器生產(chǎn)廠家?guī)缀醵荚谏a(chǎn)PLC，產(chǎn)品功能日趨完善，換代周期越來越短。為了進一步擴大PLC在工業(yè)自動化領(lǐng)域的應(yīng)用范圍，適應(yīng)大中小型企業(yè)的不同需要，PLC產(chǎn)品大致向兩個方向發(fā)展：小型PLC向體積縮小、功能增強、速度加快、價格低廉的方向發(fā)展，使之能更加廣泛地取代繼電器控制，更便于實現(xiàn)機電一體化；大中型PLC向高可靠性、高速度、多功能、網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展，將PLC系統(tǒng)的控制功能和信息管理功能融為一體，使之能對大規(guī)模、復(fù)雜系統(tǒng)進行綜合性的自動控制。

1.1.2 PLC的特點

PLC作為一種專為工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計的數(shù)字運算操作電子系統(tǒng)，其優(yōu)越性主要體現(xiàn)在以下的幾個方面。

1.控制功能強

PLC所采用的CPU一般是具有較強位處理功能的位處理機，為了增強其復(fù)雜的控制功能和通信連網(wǎng)等管理功能，可采用雙CPU的運行方式，使其功能得到極大的加強。

2.可靠性高，抗干擾能力強

繼電器控制系統(tǒng)中，由于器件的老化，脫焊、觸點的抖動及觸點電弧等現(xiàn)象是不可避免的，大大降低了系統(tǒng)的可靠性。繼電器控制系統(tǒng)的維修工作不僅耗資費時，而且由于停產(chǎn)維修所造成的損失也不可估量。而在PLC控制系統(tǒng)中，大量的開關(guān)動作是由無觸點的半導(dǎo)體電路來完成的，加之PLC在硬件和軟件方面都采取了強有力的措施，使產(chǎn)品具有極高的可靠性和抗干擾能力，故此PLC可以直接安裝在工業(yè)現(xiàn)場而穩(wěn)定地工作。從國內(nèi)外使用PLC的實際情況來看，平均無故障率可以達到幾萬甚至幾十萬小時以上。因而PLC被譽為“專為適應(yīng)惡劣的工業(yè)環(huán)境而設(shè)計的計算機”。

3.編程語言簡單易學(xué)

PLC采用的是梯形圖編程語言，與早期的繼電器控制圖非常相似，理解方式相同，非常清晰直觀，了解繼電器控制技術(shù)的電氣人員很容易學(xué)會。

4.適用于惡劣的工業(yè)環(huán)境

PLC采用封裝的方式，適合于各種振動、腐蝕、污染、有毒氣體的應(yīng)用場合。

5.PLC與外部設(shè)備連接方便

PLC上采用統(tǒng)一接線方式的可拆裝的活動端子排，不同端子適合不同的功能。例如，PLC的輸入接口可以直接與各種輸入設(shè)備（如按鈕、各種傳感器等）連接，輸出接口具有較強的驅(qū)動能力，可以直接與繼電器、接觸器、電磁閥等強電電器連接，接線簡單，使用非常方便。

6.PLC的擴展能力強

通過增加擴展機架使PLC可用于控制從幾個I/O點到幾百個I/O點的控制系統(tǒng)。同時也可以根據(jù)工業(yè)現(xiàn)場的需要，給PLC增加一些特殊功能的模塊，如以太網(wǎng)模塊、模擬量模塊、位置模塊、運動控制模塊等。

7.體積小、質(zhì)量輕、易于實現(xiàn)機電一體化

由于PLC內(nèi)部電路主要采用半導(dǎo)體集成電路，所以具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、質(zhì)量輕、功耗低的特點。更由于其能適應(yīng)各種惡劣的環(huán)境和具備很強的抗干擾能力，因而成為實現(xiàn)機電一體化十分理想的控制裝置。

8.性價比高

與其他的控制方式相比，PLC控制系統(tǒng)設(shè)計周期短，可以在實驗室進行模擬調(diào)試，使現(xiàn)場的工作量大大減少，省時省力。