第一節 PLC的定義、分類、應用、特點及主要技術指標

一、PLC的定義

國際電工委員會（IEC）于1987年對可編程控制器給出了如下定義：

可編程控制器是一種數字運算操作的電子系統，專為工業環境下的應用而設計。它采用可編程的存儲器，用來在其內部存儲和執行邏輯運算、順序控制、定時、計數和算術運算等操作的命令，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或生產過程。可編程控制器及其有關設備都應按照易于與工業控制系統聯成一體、易于擴充功能的原則設計。

由PLC的定義可以看出：1）PLC為適應于各種較為惡劣的工業環境而設計；2）PLC具有與計算機相似的結構，是一種工業通用計算機；3）PLC必須經過用戶二次開發編程方可使用。

綜上所述，可編程控制器是在硬接線邏輯控制技術和計算機技術的基礎上發展起來的，簡稱PC，但有時為了與個人計算機（Personal Computer）加以區別，將其簡稱為PLC。

二、PLC的分類

一般來說，可以按控制規模大小、性能高低、結構特點進行分類。

1. 按PLC的控制規模分類

按PLC的控制規模，可以將其分為大型機、中型機和小型機：

1）小型機的控制點一般在256點之內。其控制點數不多，且控制功能有一定的局限性，但是它小巧、靈活、價格低，很適合于單機控制或小型系統的控制。

控制點是指PLC面板上連接輸入、輸出端子上的開關量輸入點數和輸出點數之和。

2）中型機的控制點一般不大于2048點。其控制點數較多，控制功能較強，有些PLC有較強的計算能力，不僅可用于對設備進行直接控制，還可以對多個下一級的PLC進行監控，它適合中型或大型控制系統的控制。

3）大型機的控制點一般多于2048 點。其控制點數多，控制功能很強，有很強的計算能力，同時，其運行速度很快，不僅能完成較復雜的算術運算，還能進行復雜的矩陣運算。它不僅可用于對設備進行直接控制，還可以對多個下一級的PLC進行監控。

2. 按PLC的控制性能分類

按PLC的控制性能可以分為高檔機、中檔機和低檔機：

1）低檔機具有邏輯運算、定時、計數、移位以及自診斷、監控等基本功能。還可能增設少量模擬量輸入/輸出、算術運算、遠程I/O、通信等功能。低檔機工作速度比較低，能帶的輸入和輸出模塊數量比較少，輸入和輸出模塊的種類也比較少。這類PLC只適合于小規模的簡單控制，在連網中一般適合作為從站使用。

2）中檔機除具有低檔機的功能外，還具有較強的模擬量輸入/輸出、算術運算、數據傳送和比較、遠程I/O、通信等功能。中檔機工作速度比較快，能帶的輸入/輸出模塊的數量比較多，輸入和輸出模塊的種類也比較多。這類PLC不僅能完成小型控制任務，也可以完成較大規模的控制任務，在連網中可以作為從站，也可以作為主站使用。

3）高檔機除具有中檔機的功能外，還有符號算術運算、位邏輯運算、矩陣運算、平方根運算及其他特殊功能函數運算、表格功能等。高檔機具有更強的通信連網功能，可用于大規模過程控制系統。高檔機工作速度很快，能帶的輸入/輸出模塊的數量很多，輸入和輸出模塊的種類也很全。這類PLC不僅能完成中等規模的控制工程，也可以完成大規模的控制任務，在連網中一般作為主站使用。

3. 按結構形式分類

PLC按結構形式可分為整體式和模塊式：

1）整體式PLC是將電源、CPU、I/O部件都集中在一個機箱內，具有結構緊湊、體積小、價格低的特點。一般小型PLC采用這種結構。整體式PLC由不同I/O點數的基本單元和擴展單元組成。基本單元內有CPU、I/O接口部件、與I/O擴展單元相連的擴展口和與編程器或EPROM寫入器件相連的接口等。擴展單元內只有I/O和電源等而不帶CPU。整體式PLC一般還可配備特殊功能單元，如模擬量單元、位置控制單元等。

2）模塊式PLC是將PLC各部分分成若干個單獨的模塊，如CPU模塊、I/O模塊、電源模塊以及各種功能模塊。模塊式PLC由框架和各種模塊組成。這種結構的特點是配置靈活，可根據需要選配不同模塊組成一個系統，而且裝配方便，便于擴展和維修。一般大、中型PLC采用模塊式結構。

三、PLC的應用領域

隨著微電子技術的快速發展，PLC的制造成本不斷下降，而功能卻大大增強。應用的領域已覆蓋了所有工業企業，其應用范圍大致可歸納為以下幾種：

1. 開關量邏輯控制

這是PLC最基本、最廣泛的應用領域。PLC的輸入和輸出信號都是通/斷的開關信號，對控制的輸入、輸出點數可以不受限制，從十幾個點到成千上萬個點，理論上可以通過擴展實現。在開關量邏輯控制中，它取代傳統的繼電器-接觸器控制系統，實現邏輯控制和順序控制。用PLC進行開關量控制遍及許多行業，如機床電氣控制、電梯運行控制、冶金系統的高爐上料、汽車裝配線、啤酒灌裝生產線等。

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構，現在一般使用專用的運動模塊，以實現對各種機械的運動控制。目前，制造商已提供了拖動步進電動機或伺服電動機的單軸或多軸位置控制模塊，即把描述目標位置的數據送給模塊，模塊移動一軸或多軸到目標位置。當每個軸運動時，位置控制模塊保持適當的速度和加速度，確保運動平滑。

3. 閉環過程控制

PLC通過模塊實現模擬量與數字量的A/D、D/A轉換，能夠實現對模擬量的控制。可實現對溫度、壓力、流量、液面高度等連續變化的模擬量的PID控制，如鍋爐、冷凍、反應堆、水處理、釀酒等。

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、排序和查表、位操作等功能，可以完成數據的采集、分析和處理，可以與存儲器中存儲的參考數據進行比較，也可以傳送給其他智能裝置或傳送給打印機打印制表。具有把支持順序控制的PLC與數字控制設備緊密結合的能力，即CNC功能。數據處理一般用在大、中型控制系統中。

5. 連網通信

PLC的通信包括PLC與PLC之間、PLC與上位計算機之間和其他智能設備之間的通信。PLC和計算機之間具有串行接口，利用雙絞線、同軸電纜將它們連成網絡，以實現信息的交換。還可以構成“集成管理，分散控制”的分布控制系統。連網增加系統的控制規模，甚至可以使整個工廠實現工廠自動化。

并不是所有的PLC都具有上述全部功能，有的小型PLC只具有上述部分功能，價格比較便宜。

四、PLC的特點

1. 可靠性高、抗干擾能力強

各PLC的生產廠商在硬件和軟件方面采取了多種措施，使PLC除了本身具有較強的自診斷能力、能及時給出出錯信息及停止運行等待修復外，還使PLC具有了很強的抗干擾能力。

（1）硬件方面

主要模塊均采用大規模或超大規模集成電路，大量開關動作由無觸點的電子存儲器完成， I/O系統設計有完善的保護和信號處理電路。

1）屏蔽：對電源變壓器、CPU、編程器等主要部件，采用導電、導磁良好的材料進行屏蔽，以防外界干擾。

2）濾波：對供電系統及信號輸入電路采用多種形式的濾波，如LC或Π形濾波網絡，以消除或抑制高頻干擾，也削弱了各模塊之間的相互影響。

3）電源調整與保護：對微處理器這個核心部件所需的+5V電源，采用多級濾波，并用集成電壓調整器進行調整，以適應交流電網的波動和過電壓、欠電壓的影響。

4）隔離：在微處理器與I/O電路之間，采用光電隔離措施，有效地隔離I/O接口與CPU之間的電聯系，減少故障和誤動作；各I/O口之間也彼此隔離。

5）采用模塊式結構：這種結構有助于在故障情況下短時修復。一旦查出某一模塊出現故障，即可迅速更換，使系統恢復正常工作，同時也有助于快速查找故障原因。

（2）軟件方面

PLC在軟件上具有極強的自檢及保護功能。

1）故障檢測：軟件定期地檢測外界環境，如掉電、欠電壓、電池電壓過低及強干擾信號等，以便及時進行處理。

2）信息保護與恢復：當偶發性故障條件出現時，不破壞PLC內部的信息。一旦故障條件消失，即可恢復正常，繼續原來的程序工作。因此，PLC在檢測到故障條件時，立即把當前狀態存入存儲器，通過軟件配合對存儲器進行封閉，禁止對存儲器的任何操作，以防存儲信息被沖掉。

3）設置警戒時鐘看門狗（WDT）：如果程序循環執行時間超過了WDT規定的時間，預示程序進行死循環，立即進行報警。

4）加強對程序的檢查和校驗：一旦程序有錯，立即進行報警，并停止程序執行。

5）對程序及動態數據進行電池后備：停電后，利用后備電池供電，有關狀態及信息都不會丟失。

PLC的出廠試驗項目中有一項就是抗干擾試驗，它要求能承受幅值為1000 V、上升時間為1 ns、脈沖寬度為1 μs的干擾脈沖。一般來說，平均故障間隔時間可達幾十萬到上千萬小時；制成系統亦可達4～5萬小時，甚至更長時間。

（3）特殊的工作方式

對于PLC系統來說，它的高可靠性還得益于其特殊的工作方式。PLC采用周期循環掃描的方式工作，對輸入/輸出操作是集中進行的。在一個循環周期內，僅有一小段時間集中進行I/O操作，也就是說只有這一段集中進行I/O的操作時間內，干擾才會被引入PLC內部，在掃描周期的其余大部分時間，干擾都被阻擋在PLC之外。而且，為了防止輸入開關量丟失，要求把循環掃描周期控制在1～100 ms，這個時間比PLC所接的執行機構的機電時間常數小得多。這樣一來，即使在某個掃描周期內干擾侵入，造成輸出值錯誤，但是它還來得及使執行機構發生錯誤動作，下一個掃描周期正確的輸出就會將其糾正。因此，PLC的這種工作方式本身就具有抗干擾能力。

隨著大規模和超大規模專用集成電路和表面安裝技術在PLC硬件設計上的應用，使PLC產品硬件的元器件數量更少、集成度更高、體積更小、可靠性更高。

2. 編程簡單，使用方便

用微機實現自動控制的過程中常使用匯編語言編程，這不僅難于掌握，且要求使用者具有一定水平的計算機硬件和軟件知識。

PLC是面向用戶的設備，因此大部分PLC都充分考慮到現場工程人員的技能和習慣，盡量采用簡單易學的編程語言，例如，梯形圖或面向工業控制的簡單指令形式。梯形圖與繼電器-接觸器控制電路相似，這種編程語言形象直觀、容易掌握，不需要專門的計算機知識，只要具有一定電工和工藝知識的人員都可在短時間內學會，并用來編制用戶程序，配套的編程器的操作和使用也比較簡單，這也是PLC獲得迅速普及和推廣的原因之一。

目前，大多數PLC仍采用繼電器-接觸器控制電路形式的“梯形圖編程方式”。該方式既繼承了傳統控制電路的清晰直觀，又考慮到大多數工廠企業電氣技術人員的讀圖習慣及編程水平，因此非常容易接受和掌握。梯形圖語言的編程元件的符號和表達方式與繼電器-接觸器控制電路相當接近，通過閱讀PLC的用戶手冊或短期培訓，電氣技術人員和技術工人很快就能學會用梯形圖編制控制程序。PLC同時還提供了功能圖、語句表等編程語言。

3. 功能完善，通用性強

現代PLC不僅具有邏輯運算、定時、計數、順序控制功能，而且具有A/D及D/A轉換、數值運算和數據處理等功能，此外還具有功率驅動、通信連網、人機對話、自檢、記錄顯示等功能。因此，既可對開關量進行控制，也可以對模擬量進行控制；既可以控制單個設備，也可以控制一條生產線或全部的工藝生產過程。由于PLC還具有通信連網功能，因此可以與相同或不同類型的PLC通信，并可以連接上位機構成分布式的控制系統。

無論哪一個公司的PLC，都配有品種齊全的各種硬件裝置，可以組成能滿足各種要求的控制系統，用戶不必自己再設計和制作硬件裝置。用戶在硬件確定以后，在生產工藝流程改變或生產設備更新的情況下，不必改變PLC的硬件設備，只需用編程器在線或離線修改用戶程序就可以滿足要求。同一個PLC用于不同的控制對象時，只需改變其輸入/輸出組件和編制不同的用戶程序即可。

PLC除應用于單機控制外，在工廠自動化中也被大量采用。

4. 系統設計、安裝容易，調試工作量少，維修工作量小

采用繼電器-接觸器控制系統完成一項控制工程時，必須首先按工藝要求設計出電氣原理圖，然后畫出繼電器控制柜的布置及接線圈，才能提供訂貨，而且一旦設計完成，再要修改非常困難。而采用PLC控制系統，首先，由于其硬件、軟件配置均采用模塊化、積木式結構，而且都已商品化，只需按要求選用各種組件組裝；其次，在PLC控制系統中，用軟件編程取代由許多繼電器硬接線來實現的多種功能，因而大大減輕了繁重的安裝接線工作；再次，PLC采用面向用戶的工業編程語言，具有強制及仿真功能，因此用戶程序編程和大部分調試工作都可以在實驗室進行。模擬調試好后，再將PLC系統安裝到生產現場，進行聯機調試，既安全，又快捷方便，大大縮短了設計和投入運行周期。在用戶維護方面，由于PLC本身的故障率極低，維護工作量很小，并且PLC有完善的自診斷和顯示功能，即使當PLC或外部的輸入裝置和執行機構發生故障時，也可以根據PLC上發光二極管或在線編程器上提供的信息，迅速地查找原因。如果是PLC本身的故障，可以用更換模塊的方法迅速排除，因此維護極為方便。

5. 體積小，重量輕，能耗低

對于復雜的控制系統，使用PLC后，可以減少大量的中間繼電器和時間繼電器，小型PLC的體積僅相當于幾個繼電器的大小，因此可將控制柜的體積大大減小；PLC的配線比繼電器-接觸器控制系統少得多，可省下大量的配線和附件，減少大量的安裝接線工時，從而節省大量的費用。

五、PLC的主要性能指標

1. 輸入/輸出（I/O）點數

I/O點數即PLC面板上連接輸入、輸出信號用的端子個數，常稱為“點數”。通常所說有I/O點數是指開關量輸入點數和輸出點數之和。I/O點數越多，外部可接入的輸入器件和輸出器件就越多，控制規模就越大。因此，I/O點數是衡量PLC性能的重要指標之一。國際上流行將PLC的I/O點數作為PLC依規模分類的標準。

2. 存儲容量

系統程序存放在系統程序存儲器中。這里說的存儲容量指的是用戶程序存儲器的容量，用戶程序存儲容量決定了PLC可以容納的用戶程序的長短，一般以字節為單位來計算。每1024個字節為1 KB，即1 KB為1024 B。中、小型PLC的存儲容量一般在8 KB以下，大型PLC的存儲容量可達到256 KB～2 MB。也有的PLC用存放用戶程序的指令條數來表示容量。

3. 掃描速度

掃描速度是指PLC執行程序的速度，是衡量PLC性能的重要指標。一般以掃描1KB程序所用的時間來衡量掃描速度。PLC用戶手冊一般給出執行各指令所用的時間，可以通過比較各種PLC執行相同的操作所用的時間來衡量掃描速度的快慢。

4. 指令的種類和條數

編程指令的種類和條數是衡量PLC軟件功能強弱的主要指標，指令種類和條數越多，軟件功能也就越強，就能適應越復雜的控制系統。

5. 特殊I/O單元（高級模塊或智能模塊）

PLC不僅能完成開關量的邏輯控制，而且利用特殊I/O單元可以完成模擬量控制、運動控制、模糊控制、定位控制、高速中斷控制、通信連網等功能。特殊 I/O 單元大多具有自己的CPU、存儲器和專用集成電路。在主機（CPU單元）的協調管理下，能夠與主機并行工作而不受主機掃描周期的影響，從而使PLC能夠完成復雜的、高精度的控制任務。特殊I/O單元種類的多少和功能的強弱是衡量PLC產品水平的重要指標。各生產廠家都非常重視特殊I/O單元的開發，近年來特殊I/O單元的種類日益增多，功能也越來越強。

6. 支持軟件

支持軟件為用戶提供方便的編程環境。PLC 生產廠家提供必要的編程軟件，如為SIE-MENS公司的S7-200系列PLC提供的STEP7-Micro/WIN、為SIEMENS公司的S7-300/400系列PLC提供的STEP7編程軟件等。軟件在個人計算機Windows操作系統下運行，功能強大，使用方便，簡單易學。