1.2 PLC的特点和应用范围

1.2.1 PLC的特点

PLC专为工业环境下应用而设计，以用户需要为主，采用了先进的微型计算机技术，所以具有以下几个显著特点。

1. 可靠性高，抗干扰能力强

PLC由于选用了大规模集成电路和微处理器，使系统器件数大大减少，而且在硬件和软件的设计制造过程中采取了一系列的隔离和抗干扰措施，使它能适应恶劣的工作环境，因此具有很高的可靠性。PLC控制系统平均无故障工作时间可达到2万小时以上，高可靠性是PLC成为通用自动控制设备的首选条件之一。PLC的使用寿命一般在5万小时以上，西门子、ABB等品牌的微小型PLC寿命可达10万小时以上。在机械结构设计与制造工艺上，为使PLC更安全、可靠地工作，采取了很多措施以确保PLC耐振动、耐冲击、耐高温（有些产品的工作环境温度为80℃～90℃）。另外，软件与硬件采取了一系列提高可靠性和抗干扰的措施，如系统硬件模块冗余、采用光电隔离、掉电保护、对干扰的屏蔽和滤波、在运行过程中运行模块热插拔、设置故障检测与自诊断程序及其他措施等。

（1）硬件措施

主要模块均采用大规模或超大规模集成电路，大量开关动作由无触点的电子存储器完成，I/O系统设计有完善的通道保护和信号调理电路。

①对电源变压器、CPU、编程器等主要部件，采用导电、导磁良好的材料进行屏蔽，以防外界干扰。

②对供电系统及输入线路采用多种形式的滤波，如LC或π型滤波网络，以消除或抑制高频干扰，削弱了各种模块之间的相互影响。

③对于微处理器这个核心部件所需的+5V电源，采用多级滤波，并用集成电压调节器进行调整，以适应交流电网的波动和过电压、欠电压的影响。

④在微处理器与I/O电路之间，采用光电隔离措施，有效地隔离I/O接口与CPU之间的联系，减少故障和误动作；各I/O接口之间亦彼此隔离。

⑤采用模块式结构有助于在故障情况下短时修复。一旦查出某一模块出现故障，能迅速更换，使系统恢复正常工作；同时也有助于加快查找故障原因。

（2）软件措施

PLC编程软件具有极强的自检和保护功能。

①采用故障检测技术，软件定期地检测外界环境，如掉电、欠电压、锂电池电压过低及强干扰信号等，以便及时进行处理。

②采用信息保护与恢复技术，当偶发性故障条件出现时，不破坏PLC内部的信息。一旦故障条件消失，就可以恢复正常，继续原来的程序工作。所以，PLC在检测到故障条件时，立即把现状态存入存储器，软件配合对存储器进行封闭，禁止对存储器的任何操作，以防止存储信息被冲掉。

③设置警戒时钟WDT，如果程序每循环执行时间超高了WDT的规定时间，预示了程序进入死循环，立即报警。

④加强对程序的检查和校验，一旦程序有错，立即报警，并停止执行。

⑤对程序及动态数据进行电池后备，停电后，利用后备电池供电，有关状态和信息不会丢失。

2. 通用性强，控制程序可变，使用方便

PLC品种齐全的各种硬件装置，可以组成能满足各种要求的控制系统，用户不必自己设计和制造硬件装置。在硬件确定以后，在生产工艺流程改变或生产设备更新的情况下，用户不必改变PLC的硬件设备，只需更改程序就可以满足要求，因此，PLC除应用于单机控制外，在工厂自动化中也被大量采用。

PLC实现对系统的各种控制是非常方便的。首先，PLC控制逻辑的建立是通过程序实现的，而不是硬件连线，更改程序比更改接线方便得多；其次，PLC的硬件高度集成化，已集成为各种小型化、系列化、规格化、配套的模块。各种控制系统所需的模块，均可在市场上选购到各PLC厂家提供的丰富产品。因此，硬件系统配置与建造同样方便。

用户可以根据工程控制的实际需要，选择PLC主机单元和各种扩展单元进行灵活配置，提高系统的性价比，若生产过程对控制功能要求提高，则PLC可以方便地对系统进行扩充，如通过I/O扩展单元来增加I/O点数，通过多台PLC之间或PLC与上位计算机的通信，来扩展系统的功能；利用CRT（阴极射线管）屏幕显示进行编程和监控，便于修改和调试程序，易于故障诊断，缩短维护周期。设计开发在计算机上完成，采用梯形图LAD、语句表STL和功能块图FBD等编程语言，还可以利用编程软件相互转换，满足不同层次工程技术人员的需求。

目前，大多数PLC仍采用继电控制形式的梯形图编程方式，既继承了传统控制线路的清晰直观，又考虑到大多数工厂企业电气技术人员的读图习惯及编程水平，所以非常容易接受和掌握。梯形图语言的编程元件符号和表达方式与继电器控制电路原理图相当接近。通过阅读PLC的用户手册或短期培训，电气技术人员和技术工人很快就能学会梯形图编制控制程序；同时还提供了功能图、语句表等编程语言。

3. 体积小、质量轻、能耗低、维护方便

PLC是将微电子技术应用于工业设备的产品，其结构紧凑、坚固、体积小、质量轻、能耗低，并且由于PLC的强抗干扰能力，易于装入各类机械设备的内部。例如，三菱公司的FX2N-48MR型PLC：外形尺寸仅为182mm×90mm×87mm，质量为0.89kg，能耗25W；而且具有很好的抗振、适应环境温度、湿度变化的能力。在系统的配置上既固定又灵活，I/O可达128点。PLC还具有故障检测和显示功能，使故障处理时间缩短为10min，对维护人员的技术水平要求也不太高。

由于PLC采用了软件来取代继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，控制柜的设计安装接线工作量大为减少。同时，PLC的用户程序可以在实验室模拟调试，减少了现场的调试工作量。并且，由于PLC具有低故障率及很强的监视功能、模块化等特点，因此维修极为方便。

4. 功能强大，灵活通用

现代PLC不仅具有逻辑运算、计时、计数、顺序控制等功能，还具有数字和模拟量的I/O、功率驱动、通信、人机对话、自检、记录显示等功能，既可控制一台生产机械、一条生产线，又可控制一个生产过程。

目前，PLC的功能全面，几乎可以满足大部分工程生产自动化控制的要求。这主要与PLC具有丰富的处理信息的指令系统及存储信息的内部器件有关。PLC的指令多达几十条、几百条，不仅可进行各式各样的逻辑问题处理，还可以进行各种类型数据的运算。PLC内存中的数据存储器种类繁多，容量宏大。I/O继电器可以存储I/O信息，少则几十、几百条，多则几千、几万条，甚至十几万条。PLC内部集成了继电器、计数器、定时器等功能，并可以设置成失电保持或失电不保存，即通电后予以清零，以满足不同系统的使用要求。PLC还提供了丰富的外部设备，可建立友好的人机界面，进行信息交换。PLC可送入程序、数据，也可读出程序、数据。

PLC不仅精度高，而且可以选配多种扩展模块、专用模块，功能涵盖了工业控制领域的大多数需求。随着计算机网络技术的迅速发展，通信和联网功能在PLC上迅速崛起，将网络上层的大型计算机的强大数据处理能力和管理功能与现场网络中PLC的高可靠性结合起来。利用这种新型的分布式计算机控制系统，可以实现远程控制和集散系统控制。

1.2.2 PLC的应用范围

PLC是一种专门为当代工业生产自动化而设计开发的数字运算操作系统，可以把它简单理解成，专为工业生产领域而设计的计算机。目前，PLC已经广泛地应用于钢铁、石化、机械制造、汽车、电力等各个行业，并取得了可观的经济效益。特别是在发达的工业国家，PLC已广泛应用于所有工业领域。随着性价比的不断提高，PLC的应用领域还将不断扩大。因此，PLC不仅拥有现代计算机所拥有的全部功能，还具有一些为适应工业生产而特有的功能。

1. 开关量逻辑控制

开关量逻辑控制是PLC的最基本功能，PLC的I/O信号都是通/断的开关信号，而且I/O的点数可以不受限制。在开关量逻辑控制中，PLC已经完全取代了传统的继电器控制系统，实现了逻辑控制和顺序控制。目前，用PLC进行开关量控制遍及许多行业，如机床电气控制、电梯运行控制、汽车装配、啤酒灌装生产线等。

2. 运动控制

PLC可用于直线运动或圆周运动的控制。目前，制造商已经提供了拖动步进电动机或伺服电动机的单轴或多轴位置控制模块，即把描述目标位置的数据送给模块，模块移动单轴或多轴到目标位置。当每个轴运动时，位置控制模块保持适当的速度和加速度，确保运动平稳。PLC还提供了变频器控制的专用模块，能够实现对变频电动机的转差率控制、矢量控制、直接转矩控制、U/f控制。PLC的运动控制功能广泛应用于各种机械，如金属切削机床、金属成形机械、装配机械、机器人、电梯等。

3. 闭环过程控制

闭环过程控制是指对温度、压力、流量等连续变化的模拟量的闭环控制。PLC通过模块实现A/D、D/A转换，能够实现对模拟量的控制，包括对稳定、压力、流量、液位等连续变化模拟量的PID控制。现代的大、中型PLC一般有PID闭环过程控制功能，这一功能可以用PID子程序或专用的PID模块来实现。其PID闭环过程控制功能已经广泛应用于锅炉、冷冻、核反应堆、水处理、酿酒等领域。

4. 数据处理

现代的PLC具有数学运算（包括函数运算、逻辑运算、矩阵运算）、数据处理、排序和查表、位操作等功能；可以完成数据的采集、分析和处理，也可以和存储器中的参考数据相比较，并将这些传递给其他智能装备。有些PLC还支持顺序控制，其与数字控制设备紧密结合，实现CNC功能。数据处理一般用于大、中型控制系统中。

5. 通信联网

PLC的通信包括PLC与PLC之间、PLC与上位计算机及其他智能设备之间的通信。PLC与计算机之间具有串行通信接口，利用双绞线、同轴电缆将它们连成网络，实现信息交换。PLC还可以构成“集中管理，分散控制”的分布式控制系统。联网可以增加系统的控制规模，甚至可以实现整个工厂生产的自动化控制。

目前，PLC控制技术已在世界范围内广为流行，国际市场竞争相当激烈，产品更新也很快，用PLC设计自动控制系统已成为世界潮流。PLC作为通用自动控制设备，可用于单一机电设备的控制，也可用于工艺过程的控制，而且控制精度相当高，操作简便，又具有很大的灵活性和可扩展性。PLC广泛应用于机械制造、冶金、化工、交通、电子、电力、纺织，印刷及食品等大多数工业行业。