第1章　概述

1.1　PLC的基本概念、分類、特點和應用

1.1.1　PLC的基本概念

可編程序控制器（PLC，Programmable Logic Controller）是在傳統(tǒng)順序控制器的基礎上引入微電子技術、計算機技術、自動控制技術和通信技術等形成的新型工業(yè)控制裝置。它具有控制能力強、可靠性高、配置靈活、編程簡單等優(yōu)點，是當代工業(yè)自動化技術領域中應用場合最多的工業(yè)控制裝置之一，也被公認為是現(xiàn)代工業(yè)自動化的三大支柱（PLC、機器人、CAD/CAM）之一。

根據(jù)國際電工委員會1987年頒布的可編程序控制器的定義：可編程序控制器是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計。它采用可編程序的存儲器，在其內部存儲、執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術運算等操作的指令，并通過數(shù)字式和模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產過程。可編程序控制器及其有關外部設備，都應按易于與工業(yè)系統(tǒng)連成一個整體、易于擴充其功能的原則設計。

PLC直接應用于工業(yè)環(huán)境，必須具有很強的抗干擾能力、廣泛的適應能力和廣闊的應用范圍，這是區(qū)別于一般微機控制系統(tǒng)的重要特征；同時，PLC用軟件方式實現(xiàn)“可編程”，區(qū)別于傳統(tǒng)控制裝置中通過硬件或硬接線的變更來改變程序。

近年來，可編程序控制器發(fā)展很快，幾乎每年都推出新系列產品，其功能也遠遠超出了上述定義的范圍。

1.1.2　PLC的分類

PLC發(fā)展到今天，已經(jīng)有了多種形式，而且功能也不盡相同。分類時，一般按以下原則來考慮。

（1）按I/O點數(shù)容量分類

一般而言，處理I/O點數(shù)越多，控制關系就越復雜，用戶要求的程序存儲器容量越大，要求PLC指令及其他功能比較多，指令執(zhí)行的過程也比較快。按PLC的輸入、輸出點數(shù)的多少可將PLC分為以下三類。

①小型機　小型機PLC的功能一般以開關量控制為主，小型PLC輸入、輸出點數(shù)一般在256點以下，用戶程序存儲器容量在4K左右。現(xiàn)在的高性能小型PLC還具有一定的通信能力和少量的模擬量處理能力。這類的PLC的特點是價格低廉，體積小巧，適合于控制單臺設備和開發(fā)機電一體化產品。

典型的小型機有SIEMENS公司的S7-200系列、OMRON公司的CPM2A系列、MITSUBISHI公司的FX系列和AB公司的SLC500系列等整體式PLC產品。

 ②中型機　中型PLC的輸入、輸出總點數(shù)在256～2048點之間，用戶程序存儲器容量達到8K字左右。中型PLC不僅具有開關量和模擬量的控制功能，還具有更強的數(shù)字計算能力，它的通信功能和模擬量處理功能更強大，中型機比小型機更豐富，中型機適用于更復雜的邏輯控制系統(tǒng)以及連續(xù)生產線的過程控制系統(tǒng)場合。

典型的中型機有SIEMENS公司的S7-300系列、OMRON公司的C200H系列、AB公司的SLC500系列等模塊式PLC產品。

③大型機　大型機總點數(shù)在2048點以上，用戶程序儲存器容量達到16K以上。大型PLC的性能已經(jīng)與大型PLC的輸入、輸出工業(yè)控制計算機相當，它具有計算、控制和調節(jié)的能力，還具有強大的網(wǎng)絡結構和通信聯(lián)網(wǎng)能力，有些PLC還具有冗余能力。它的監(jiān)視系統(tǒng)采用CRT顯示，能夠表示過程的動態(tài)流程，記錄各種曲線，PID調節(jié)參數(shù)等；它配備多種智能板，構成一臺多功能系統(tǒng)。這種系統(tǒng)還可以和其他型號的控制器互連，和上位機相連，組成一個集中分散的生產過程和產品質量控制系統(tǒng)。大型機適用于設備自動化控制、過程自動化控制和過程監(jiān)控系統(tǒng)。

典型的大型PLC有SIEMENS公司的S7-400、OMRON公司的CVM1和CS1系列、AB公司的SLC5/05等系列。

（2）按結構形式分類

根據(jù)PLC結構形式的不同，PLC主要可分為整體式和模塊式兩類。

①整體式結構　整體式結構的特點是將PLC的基本部件，如CUP板、輸入板、輸出板、電源板等緊湊地安裝在一個標準的機殼內，構成一個整體，組成PLC的一個基本單元（主機）或擴展單元。基本單元上設有擴展端口，通過擴展電纜與擴展單元相連，配有許多專用的特殊功能的模塊，如模擬量輸入/輸出模塊、熱電偶、熱電阻模塊、通信模塊等，以構成PLC不同的配置。整體式結構的PLC體積小，成本低，安裝方便。

微型和小型PLC一般為整體式結構，如西門子的S7-200。

②模塊式結構　模塊式結構的PLC是由一些模塊單元構成，這些標準模塊如CUP模塊、輸入模塊、輸出模塊、電源模塊和各種功能模塊等，將這些模塊插在框架上和基板上即可。各個模塊功能是獨立的，外形尺寸是統(tǒng)一的，可根據(jù)需要靈活配置。

目前大、中型PLC都采用這種方式，如西門子的S7-300和S7-400系列。

整體式PLC每一個I/O點的平均價格比模塊式的便宜，在小型控制系統(tǒng)中一般采用整體式結構。但是模塊式PLC的硬件組態(tài)方便靈活，I/O點數(shù)的多少、輸入點數(shù)與輸出點數(shù)的比例、I/O模塊的使用等方面的選擇余地都比整體式PLC大得多，維修時更換模塊、判斷故障范圍也很方便，因此較復雜的、要求較高的系統(tǒng)一般選用模塊式PLC。

（3）按功能分類

根據(jù)PLC所具有的功能不同，可將PLC分為低檔、中檔、高檔三類。

低檔PLC具有邏輯運算、定時、計數(shù)、移位以及自診斷、監(jiān)控等基本功能，還可有少量模擬量輸入/輸出、算術運算、數(shù)據(jù)傳送和比較、通信等功能。主要用于邏輯控制、順序控制或少量模擬量控制的單機控制系統(tǒng)。

中檔PLC除具有低檔PLC的功能外，還具有較強的模擬量輸入/輸出、算術運算、數(shù)據(jù)傳送和比較、數(shù)制轉換、遠程I/O、子程序、通信聯(lián)網(wǎng)等功能。有些還可增設中斷控制、PID控制等功能，適用于復雜控制系統(tǒng)。

高檔PLC除具有中檔機的功能外，還增加了帶符號算術運算、矩陣運算、位邏輯運算、平方根運算及其他特殊功能函數(shù)的運算、制表及表格傳送功能等。高檔PLC機具有更強的通信聯(lián)網(wǎng)功能，可用于大規(guī)模過程控制或構成分布式網(wǎng)絡控制系統(tǒng)，實現(xiàn)工廠自動化。

1.1.3　PLC的特點

為適應工業(yè)環(huán)境使用，與一般控制裝置相比較，PLC控制系統(tǒng)具有以下特點。

（1）可靠性高，抗干擾能力強

高可靠性是電氣控制設備的關鍵性能。PLC由于采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術，采用嚴格的生產工藝制造，內部電路采取了先進的抗干擾技術，具有很高的可靠性。使用PLC構成的控制系統(tǒng)，和同等規(guī)模的繼電接觸器系統(tǒng)相比，電氣接線及開關接點已減少到數(shù)百甚至數(shù)千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC帶有硬件故障自我檢測功能，出現(xiàn)故障時可及時發(fā)出警報信息。在應用軟件中，應用者還可以編入外圍器件的故障自診斷程序，使系統(tǒng)中除PLC以外的電路及設備也獲得故障自診斷保護。這樣，整個系統(tǒng)將有極高的可靠性。

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1000V，上升時間1ns，脈沖寬度為1μs的干擾脈沖。一般，平均故障間隔時間可達幾十萬至上千萬小時；制成系統(tǒng)亦可達4萬～5萬小時甚至更長時間。

（2）通用性強，控制程序可變，使用方便

PLC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(tǒng)，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的硬設備，只需改變程序就可以滿足要求。因此，PLC除應用于單機控制外，在工廠自動化中也被大量采用。

（3）功能強，適應面廣

現(xiàn)代PLC不僅有邏輯運算、計時、計數(shù)、順序控制等功能，還具有數(shù)字和模擬量的輸入輸出、功率驅動、通信、人機對話、自檢、記錄顯示等功能。既可控制一臺生產機械、一條生產線，又可控制一個生產過程。

（4）編程簡單，容易掌握

目前，大多數(shù)PLC仍采用繼電控制形式的“梯形圖編程方式”。既繼承了傳統(tǒng)控制線路的清晰直觀，又考慮到大多數(shù)工廠企業(yè)電氣技術人員的讀圖習慣及編程水平，所以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控制電路原理圖相當接近。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很快就能學會用梯形圖編制控制程序。同時還提供了功能圖、語句表等編程語言。

PLC在執(zhí)行梯形圖程序時，用解釋程序將它翻譯成匯編語言然后執(zhí)行（PLC內部增加了解釋程序）。與直接執(zhí)行匯編語言編寫的用戶程序相比，執(zhí)行梯形圖程序的時間要長一些，但對于大多數(shù)機電控制設備來說，是微不足道的，完全可以滿足控制要求。

（5）減少了控制系統(tǒng)的設計及施工的工作量

由于PLC采用了軟件來取代繼電器控制系統(tǒng)中大量的中間繼電器、時間繼電器、計數(shù)器等器件，控制柜的設計安裝接線工作量大為減少。同時，PLC的用戶程序可以在實驗室模擬調試，更減少了現(xiàn)場的調試工作量。并且，由于PLC的低故障率及很強的監(jiān)視功能，模塊化等，使維修也極為方便。

（6）體積小、重量輕、功耗低、維護方便

PLC是將微電子技術應用于工業(yè)設備的產品，其結構緊湊，堅固，體積小，重量輕，功耗低。并且由于PLC的強抗干擾能力，易于裝入設備內部，是實現(xiàn)機電一體化的理想控制設備。

1.1.4　PLC的應用

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(huán)保及文化娛樂等各個行業(yè)，使用情況大致可歸納為如下幾類。

（1）開關量的邏輯控制

這是PLC最基本、最廣泛的應用領域，它取代傳統(tǒng)的繼電器電路，實現(xiàn)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、訂書機械、組合機床、磨床、包裝生產線、電鍍流水線等。

（2）模擬量控制

在工業(yè)生產過程當中，有許多連續(xù)變化的量，如溫度、壓力、流量、液位和速度等都是模擬量。為了使可編程控制器處理模擬量，必須實現(xiàn)模擬量（Analog）和數(shù)字量（Digital）之間的A/D轉換及D/A轉換。PLC廠家都生產配套的A/D和D/A轉換模塊，使可編程控制器用于模擬量控制。

（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(zhí)行機構，現(xiàn)在一般使用專用的運動控制模塊，如可驅動步進電機或伺服電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。

（4）過程控制

過程控制是指對溫度、壓力、流量等模擬量的閉環(huán)控制。作為工業(yè)控制計算機，PLC能編制各種各樣的控制算法程序，完成閉環(huán)控制。PID調節(jié)是一般閉環(huán)控制系統(tǒng)中用得較多的調節(jié)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。

（5）數(shù)據(jù)處理

現(xiàn)代PLC具有數(shù)學運算（含矩陣運算、函數(shù)運算、邏輯運算）、數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)轉換、排序、查表、位操作等功能，可以完成數(shù)據(jù)的采集、分析及處理。這些數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)處理一般用于大型控制系統(tǒng)，如無人控制的柔性制造系統(tǒng)；也可用于過程控制系統(tǒng)，如造紙、冶金、食品工業(yè)中的一些大型控制系統(tǒng)。