第2章　可编程控制器（PLC） 概述

2.1　PLC的介绍与特点

可编程控制器是新一代的工业控制装置，是工业自动化的基础平台，目前已被广泛应用到石油、化工、电力、机械制造、汽车、交通等各个领域。早期的可编程控制器只能用于进行逻辑控制，因此被称为可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）。随着现代技术的发展，可编程控制器用微处理器作为其控制的核心部件，其控制的功能也远远超过了逻辑控制的范围，于是这种装置被称为可编程控制器（Programmable Controller，PC）。但是为了避免与个人计算机（Personal Computer，PC）相混淆，可编程控制器仍然被称为PLC。

2.1.1　PLC的产生

PLC产生之前，继电器控制系统广泛应用于工业生产的各个领域，起着不可替代的作用。随着生产规模的逐步扩大，继电器控制系统已越来越难以适应现代工业生产的要求。继电器控制系统通常是针对某一固定的动作顺序或生产工艺而设计的，它的控制功能仅局限于逻辑控制、定时、计数等一些简单的控制，一旦动作顺序或生产工艺发生变化，就必须重新进行设计、布线、装配和调试，造成时间和资金的严重浪费。另外继电器控制系统体积大、耗电多、可靠性差、寿命短、运行速度慢、适应性差。在PLC发明之前，全世界都是采用这种控制方式。

为了改变这一现状，人们在想能否使用计算机进行逻辑运算来替代由继电器搭配逻辑电路呢？1968年美国最大的汽车制造商通用汽车公司（GM），为了适应汽车型号不断更新的需求，并能在竞争激烈的汽车工业中占有优势，提出要研制一种新型的工业控制装置来取代继电器控制装置，并拟定了10项公开招标的技术要求（GM10条），这10项技术如下：

①编程简单方便，可在现场修改程序；

②硬件维护方便，最好是插件式结构；

③可靠性高于继电器控制系统；

④体积小于继电器控制柜；

⑤可将数据直接送入管理计算机；

⑥在成本上可与继电器控制柜竞争；

⑦输入可以是AC 115V；

⑧输出是交流115V，2A以上，可直接驱动电磁阀等；

⑨在扩展时，原系统只要很小变更；

⑩用户程序存储器容量至少可以扩展到4KB。

根据这些要求，1969年美国数字设备公司（DEC）研制出了世界上第一台PLC，并在美国通用汽车公司自动装配生产线上试用成功。这种新型的工控装置，以其体积小、可靠性高、使用寿命长、简单易懂、操作维护方便等一系列优点，很快就在美国许多行业里得到推广和应用，同时也受到了世界上许多国家的高度重视。1971年，日本从美国引进了这项新技术，并研制出了日本第一台PLC。1973年西欧一些国家也研制出了自己的PLC。我国从20世纪70年代中期开始研制PLC，1977年我国采用美国Motorola公司的集成芯片研制成功了国内第一台有实用价值的PLC。

2.1.2　PLC的定义

1987年国际电工委员会（International Electrotechnical Commission，IEC）在可编程控制器国际标准草案中对可编程控制器作出如下定义。可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关的外围设备都应按易于与工业控制系统形成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。

由PLC的定义可以看出，PLC具有和计算机相类似的结构，也是一种工业通用计算机，只不过PLC为适应各种较为恶劣的工业环境而设计，具有很强的抗干扰能力，这也是PLC区别于一般微机控制系统的一个重要特征，并且PLC必须经过用户二次开发编程才能使用。

2.1.3　PLC的分类

PLC是根据现代化大生产的需要而产生的，PLC的分类也必然要符合现代化生产的需求。PLC产品的种类繁多，其功能、内存容量、控制规模、外形等方面均存在较大差异，型号规格不统一，还没有一个权威的统一分类标准，准确分类也是困难的。目前，一般按照控制规模、结构形式和实现的功能粗略地对PLC进行分类。

（1）按PLC的控制规模分类

控制规模主要指PLC可控制的最大I/O点数。通常而言，PLC能控制的I/O点数越多，其控制的对象就越复杂，控制系统的规模也越大。PLC按控制规模分，可以分为小型机、中型机和大型机3类。

①小型机　小型机的控制点数一般在256点以内，通常采用整体式结构，适用于机电一体化设备或各种自动化仪表的单机控制。如日本OMRON公司生产的CQM1、三菱公司生产的FX2和德国西门子公司生产的S7-200。这类PLC由于控制点数不多，控制功能有一定局限性。但它价格低廉，并且小巧、灵活，可以直接安装在电气控制柜内，很适合用于单机控制或小型系统的控制。

②中型机　中型机的控制点数一般在256～2048点之间，一般采用模块式结构，常用于大型机电一体化设备的控制。如日本OMRON公司生产的C200H、日本富士公司生产的HDC-100和德国西门子公司生产的S7-300。这类PLC由于控制点数较多，控制功能较强，有些PLC还有较强的计算能力，不仅可用于对设备进行直接控制，也可以对多个下一级的PLC进行监控，适用于中型或大型控制系统的控制。

③大型机　大型机的控制点数一般大于2048点，大型PLC使用32位微处理器，多CPU并行工作，并具有大容量存储器。均采用模块式结构，具有较强的网络通信功能，可用于大型自动化生产过程，组成分布式控制系统。如日本OMRON公司生产的C2000H、日本富士公司生产的F200和德国西门子公司生产的S7-400。这类PLC控制点数多，控制功能很强，有很强的计算能力。同时，这类PLC运行速度很高，不仅能完成较复杂的算术运算，还能进行复杂的矩阵运算，它不仅可以用于对设备进行直接控制，可以对多个下一级的PLC进行监控，还可以完成现代化工厂的全面管理和控制任务。

上述划分方式并不十分严格，也不是一成不变的。

（2）按PLC的结构分类

为了方便在工业现场安装，便于扩展，方便接线，其结构与普通计算机有很大区别。通常从组成结构形式上将PLC分为整体式和模块式两大类。

①整体式　整体式结构的PLC把电源、CPU、存储器和I/O系统都集成在一个单元内，该单元叫作基本单元。一个基本单元就是一台完整的PLC。控制点数不满足需要时，可再接扩展单元，扩展单元不带CPU，在安装时不用基板，仅用电缆进行单元间的连接，由基本单元和若干扩展单元组成较大的系统。整体式结构的特点是紧凑、体积小、成本低、安装方便，其缺点是各个单元输入与输出点数有确定的比例，使PLC的配置缺少灵活性，有些I/O资源不能充分利用。早期的小型机多为整体式结构。

②模块式　PLC的模块式结构通常也叫作组合式结构。模块式结构的PLC是把PLC系统的各个组成部分按功能分成若干个模块，如CPU模块、输入模块、输出模块和电源模块等，其中各模块功能比较单一，模块的种类却日趋丰富。例如，一些PLC除了-些基本的I/O模块外，还有一些特殊功能模块，如温度检测模块、位置检测模块、PID控制模块和通信模块等。模块式结构的PLC采用搭积木的方式，在一块基板插槽上插上所需模块组成控制系统（又叫作组合式结构）。有的PLC没有基板而是采用电缆把模块连接起来组成控制系统（又叫作叠装式结构）。模块式结构的PLC特点是CPU、输入和输出均为独立的模块，模块尺寸统一、安装整齐、I/O点选型自由，并且安装调试、扩展和维修方便。中型机和大型机多为模块式结构。

（3）按PLC的功能分类

PLC按功能强弱来分，可以分为低档机、中档机和高档机3类。

①低档机　低档机具有基本的控制功能和一般的运算能力。工作速度比较低，能带的输入/输出模块的数量比较少，种类也比较少。这类可编程控制器只适合于小规模的简单控制，在联网中一般适合做从站使用。如日本OMRON公司生产的C60P就属于低档机。

②中档机　中档机具有较强的控制功能和较强的运算能力，它不仅能完成一般的逻辑运算，还能完成比较复杂的三角函数、指数运算和PID运算，工作速度比较快，能带的输入/输出模块的数量和种类也比较多。这类可编程控制器不仅能完成小型系统的控制，还可以完成较大规模的控制任务，在联网中可以做从站，也可以做主站。如德国西门子公司生产的S7-300就属于中档机。

③高档机　高档机具有强大的控制功能和强大的运算能力，它不仅能完成逻辑运算、三角函数运算、指数运算和PID运算，还能进行复杂的矩阵运算，工作速度很快，能配带的输入/输出模块的数量很多，种类也很全面。这类可编程控制器不仅能完成中等规模的控制工程，还可以完成规模很大的控制任务，在联网中一般做主站使用。如德国西门子公司生产的S7-400就属于高档机。

2.1.4　PLC的发展

可编程控制器（PLC）自问世以后就凭借其优越的性能得到了迅速的发展，现在PLC已经成为一种最重要的也是应用场合最多的工业控制器。

最初的PLC限于当时元器件的条件及计算机的发展水平，主要由分立元件和中小规模集成电路组成，存储器采用的是磁芯存储器。它只能完成简单的开关量逻辑控制以及定时、计数功能。这时的PLC主要是被用作继电器控制装置的替代品，但它的性能要优于继电器，其主要优点包括体积小、易于安装、能耗低、简单易学等。为了方便熟悉继电器、接触器系统的工程技术人员使用，可编程控制器在软件编程上采用和继电器控制电路相似的梯形图作为主要的编程语言。

20世纪70年代出现的微处理器使可编程控制器发生了巨大的变化。欧美及日本的一些厂家以微处理器和大规模集成电路芯片作为PLC的中央处理单元（CPU），使PLC增加了运算、数据传送及处理通信、自诊断等功能，可靠性也得到了进一步的提升。PLC成为真正具有计算机特征的工业控制装置。70年代中后期，可编程控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。更高的运算速度、更小的体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能以及极高的性价比奠定了PLC在现代工业中的地位。

20世纪80年代至90年代中期，可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。这个时期可编程控制器发展的特点是大规模、高速度、高性能、产品系列化。PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力等方面得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。这个时期PLC的另一个特点是世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。

20世纪末至今，可编程控制器的发展更加适应于现代工业的需要。从产品规模上来看，PLC会进一步向超小型及超大型方向发展；从控制能力上来看，诞生了各种各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合；从产品的配套能力来看，生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。目前，可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业等领域的应用都得到了长足的发展。伴随着计算机网络的发展，可编程控制器作为自动化控制网络和国际通用网络的重要组成部分，将在工业及工业以外的众多领域发挥越来越大的作用。

2.1.5　PLC的特点

PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等优越的性能，这些特点使其在工业自动化控制特别是顺序控制领域拥有无法取代的地位。

（1）可靠性高、抗干扰能力强

在传统的继电器控制系统中，由于器件的老化、脱焊、触点的抖动、触点的电弧、接触不良等现象，大大降低了系统的可靠性。继电器控制系统的维修不仅耗费时间金钱，重要的是由于维修停产所带来的经济损失更是不可估量的。在PLC控制系统中，由于大量的开关动作是由无触点的半导体电路完成的，而且PLC在硬件和软件方面都采取了强有力的措施，使得产品具有极高的可靠性和抗干扰性。

在硬件方面，PLC对所有的I/O接口电路都采用光电隔离措施，使工业现场的外部电路与PLC内部电路之间被有效地隔离开来，以减少故障和误动作；电源、CPU、编程器等都采用屏蔽措施，防止外界的干扰；供电系统及输入电路采用多种形式的滤波，以消除或抑制高频干扰，也削弱了各个部分之间的相互影响；采用模块式结构，当某一模块出现故障时，可以迅速更换该模块，从而尽可能缩短系统的故障停机时间。

在软件方面，PLC设置了监视定时器，如果程序每次循环的执行时间超过了设定值，则表明程序已经进入死循环，可以立即报警。PLC具有良好的自诊断功能，一旦电源或其他软件、硬件发生异常情况，CPU会立即把当前状态保存起来，并禁止对程序的任何操作，以防止存储信息被冲掉，等故障排除后则会立即恢复到故障前的状态继续执行程序。另外PLC还加强对程序的检查和校验，当发现错误时会立即报警，并停止程序的执行。

（2）编程方法简单易学

大多数的PLC采用梯形图语言编程，其电路符号和表达方式与继电器电路原理图相似。只用少量的开关量逻辑控制指令就可以很方便地实现继电器电路的功能。另外梯形图语言形象直观、编程方便、简单易学，熟悉继电器控制电路图的电气技术人员很快就可以熟悉梯形图语言，并用来进行编写程序。

（3）灵活性和通用性强

PLC是利用程序来实现各种控制功能的。在PLC控制系统中，当控制功能改变时只需修改控制程序即可，PLC的外部接线一般只需做少许改动。一台PLC可以用于不同的控制系统，只要加载相应的程序就行了。而继电器控制系统中当工艺要求稍有改变时，控制电路就必须随之做相应的变动，耗时又费力。所以说PLC的灵活性和通用性是继电器电路所无法比拟的。

（4）丰富的I/O接口模块

PLC针对不同的工业现场信号，如交流或直流、开关量或模拟量、电压或电流、脉冲或电位、强电或弱电信号，都能选择到相应的I/O模块与之相匹配。对于工业现场的器件或设备，如按钮、行程开关、接近开关、传感器及变送器、电磁线圈、控制阀等设备都有相应的I/O模块与之相连接。另外，为了提高PLC的操作性能，还有多种人机对话的接口模块；为了组成工业局域网络，还有多种通信联网的接口模块。

（5）采用模块化结构

为了适应各种工业控制的需求，除了单元式的小型PLC以外，绝大多数PLC都采用模块化结构。PLC的各个部件，包括CPU、电源、I/O接口等均采用模块化结构，并由机架及电缆将各模块连接起来。系统的规模和功能可以根据用户自己的需要自行组合。

（6）控制系统的设计、调试周期短

由于PLC是通过程序来实现对系统的控制的，因此设计人员可以在实验室里设计和修改程序。还可以在实验室里进行系统的模拟运行和调试，使工作量大大减少。而继电器控制系统是靠调整控制电路的接线来改变其控制功能的，调试时费时又费力。

（7）体积小、能耗低、易于实现机电一体化

小型PLC的体积仅相当于几个继电器的大小，其内部电路主要采用半导体集成电路，具有结构紧凑、体积小、重量轻、功耗低的特点。PLC还具有很强的抗干扰能力，能适应各种恶劣的环境，并且其易于装入机械设备内部，因此PLC是实现机电一体化的理想控制装置。

2.1.6　PLC性能指标

PLC的主要性能指标包括以下几个方面。

（1）输入/输出（I/O）点数

I/O点数即PLC面板上的输入、输出端子的个数，这是一项重要的技术指标。I/O点数越多，外部可接的输入器件和输出器件就越多，控制规模也就越大。通常小型机最多有几十个点，中型机有几百个点，大型机超过千点。

（2）存储容量

PLC中的存储器包括系统存储器和用户程序存储器。这里的存储容量是指用户程序存储器的容量。用户程序存储器容量越大，可存储的程序就越大，可以控制的系统规模也就越大。一般以字节（B）为单位。

（3）扫描速度

扫描速度是指PLC执行程序的速度，是衡量PLC性能的重要指标之一，主要取决于所用芯片的性能。一般以执行1000步指令所需的时间来衡量，单位为ms/千步。有时也以执行1步指令的时间计算，单位为μs/步。扫描速度越快，PLC的响应速度也越快，对系统的控制也就越及时、准确、可靠。

（4）指令的数量和功能

用户编写的程序所完成的控制任务，取决于PLC指令的多少。编程指令的数量和功能越多，PLC的处理能力和控制能力就越强。

（5）内部器件的种类和数量

内部器件包括各种继电器、计数器、定时器、数据存储器等。其种类和数量越多，存储各种信息的能力和控制能力就越强。

（6）扩展能力

在选择PLC时，需要考虑其可扩展性。它主要包括输入、输出点数的扩展，存储容量的扩展，联网功能的扩展和可扩展模块的多少。