1.1.3　PLC的特点、功能及应用

（1）PLC的特点

①可靠性高，抗干扰能力强　高可靠性是电气控制设备最重要的关键性能。PLC由于采用现代超大规模集成电路技术，严格的生产工艺制造，内部电路采用了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。例如日本三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间已高达30万小时。一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的“继电器-接触器”控制系统相比，电气接线及开关接点已减少到原来的数百甚至数千分之一，故障也将随之大大降低。此外，PLC具有硬件故障的自我检测功能，出现故障时可迅速及时地发出报警信息。在应用软件中，用户还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样，就使整个PLC系统都具有了极高的可靠性。

②配套齐全，功能完善，适用性强　PLC发展到今天，已经形成了大、中、小、微各种规模的系列化产品，可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑控制功能外，现代PLC大都具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来PLC的功能模块大量涌现，使PLC已渗透到了位置控制、运动控制、过程控制、温度控制、计算机数控（CNC）等各种工业控制中。加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。

③易学好懂实用，深受工程技术人员欢迎　PLC作为现代通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备，其编程语言易于为工程技术人员接受。像梯形图语言的图形符号和表达方式与继电器电路图非常接近，只用PLC的少量开关逻辑控制指令就可以方便地实现“继电器-接触器”控制电路的功能；像步进式顺序控制的状态转移图（SFC），简单、直观、容易设计复杂的多流程顺序控制，并且能够减少程序条数，使程序易于理解。

④系统设计周期短，维护方便，改造容易　PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大地减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计周期大大缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序便可改变生产过程成为可能。因此很适合多品种、小批量的生产场合。

⑤体积小，重量轻，能耗低　以超小型PLC为例，其新近产品的品种底部面积小于100mm²，质量小于150g，能耗仅数瓦。由于其体积小很容易嵌入机械设备内部，是实现机电一体化首选的最理想控制器件。

（2）PLC的功能

如前所述，PLC是一种根据生产过程顺序控制的要求，为了取代传统的“继电器-接触器”控制系统而发展起来的工业自动控制设备，它必须首先具备满足顺序控制要求的基本逻辑运算功能。随后，由于技术的不断进步与PLC应用范围的日益扩大，在顺序控制的基础上，又不断开发了可以满足各种工业控制要求的特殊控制功能。近年来，为了适应信息、网络技术的发展，PLC作为基本的工业控制设备，网络与通信功能已经成为PLC的重要技术指标之一。总之，虽然各PLC的性能、价格有较大的区别，但其主要功能相近，它包括图1-2所示的几部分。

①基本功能　逻辑控制功能是PLC必备的基本功能。本质上说，这是一种以计算机“位”运算为基础，按照程序的要求，通过对来自设备外围的按钮、行程开关、接触器与传感器触点等开关量（也称数字量）信号的进行逻辑运算处理，并控制外围指示灯、电磁阀、接触器线圈的通断的功能。

在早期的PLC上，顺序控制所需要的定时、计数功能需要通过定时模块与计数模块实现，但是，目前它已经成为PLC的基本功能之一。此外，逻辑控制中常用的代码转换、数据比较与处理等，也成为PLC常用的基本功能。

②特殊控制功能　PlC的特殊控制功能包括模/数（A/D）转换、数/模（D/A）转换、温度的调节与控制、位置控制等。这些特殊控制功能的实现，一般需要选用PLC的特殊功能模块。

A/D转换与D/A转换多用于过程控制或闭环调节系统。在PLC中，通过特殊的功能模块与功能指令，可以对过程控制中的温度、压力、流量、速度、位移、电压、电流等连续变化的物理量进行采样，并通过必要的运算（如PID），实现闭环自动调节。当然，需要时也可以对这些物理量进行各种形式的显示。

在PLC中，位置控制一般是通过PLC的特殊应用指令，通过对命令的写入与状态的读取，对位置控制模块的位移量、速度、方向等进行控制。位置控制模块一般以脉冲的形式输出位置给定指令，指令脉冲再通过伺服驱动器（或步进驱动器），驱动伺服电机（或步进电机）带动进给传动系统实现闭环位置控制。

③网络与通信功能　随着信息技术的发展，网络与通信在工业控制中已经显得越来越重要。PLC早期的通信，一般仅仅局限于PLC与外设（编程器或编程计算机等）间的简单串行口通信。

然而，现代PLC的通信不仅可以进行PLC与外设间的通信，而且可以在PLC与PLC间、PLC与其他工业控制设备之间、PLC与上位机之间、PLC与工业网络间进行通信，并可以通过现场总线、网络总线组成系统，从而使得PLC可以方便地进入工厂自动化系统。

（3）PLC的应用领域

随着PLC功能的不断完善、性价比的不断提高，它的应用面也越来越广。目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、采矿、水泥、石油、化工、电子、机械制造、汽车、船舶、装卸、造纸、纺织、环保和娱乐等行业，主要的应用范围包括开关控制、顺序控制、运动控制、过程控制、数据处理、信号报警和联锁系统以及通信和联网等方面。

①开关量的逻辑控制　这是PLC最基本、最广泛的应用领域，可用它取代传统的“继电器-接触器”控制电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单机设备的控制，又可用于多机群控制及自动化流水线。如电梯控制、高炉上料、注塑机、印刷机、数控与组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。

②模拟量控制　在工业生产过程中，有许多连续变化的模拟量，如温度、压力、流量、液位和速度等。为使PLC能处理模拟量信号，PLC各厂家都生产有配套的A/D和D/A转换模块，使PLC可直接用于模拟量控制。

③运动控制　PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接用开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构；现在可使用专用的运动控制模块，如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛地用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。

④过程控制　过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。PID控制是一般闭环控制系统中常用的控制方法。目前不仅大中型PLC都有PID模块，而且许多小型PLC也具有PID功能。PID处理一般是运行专用的PID子程序。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。过程控制又可细分为慢连续量的过程控制和快连续量的运动控制两种。

a.慢连续量的过程控制。慢连续量的过程控制是指对温度、压力、流量和速度等慢连续变化的模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机，PLC通过模拟量输入输出模块，实现A/D和D/A的转换，并通过专用的智能PID模块，编制各种各样的控制算法程序，实现对模拟量的闭环控制，使被控变量保持为设定值。PID控制是一般闭环控制系统中常用的控制方法，PID处理一般是运行专用的PID子程序。PLC的这一功能已广泛应用在电力、冶金、化工、轻工、机械等行业。例如，锅炉控制、加热炉控制、磨矿分级过程控制、水处理控制、酿酒控制等。

b.快连续量的运动控制。PLC提供了拖动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块，通过这些模块可实现直线运动或圆周运动的控制。如今，运动控制已是PLC不可缺少的功能之一，世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛地用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。

⑤数据处理　现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。这些数据可以与储存在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送给别的智能装置，或将它们打印制表。数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。

⑥通信及联网　随着计算机控制技术的不断发展，工厂自动化网络的发展也更加迅猛，各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。最新生产的PLC都具有通信接口，实现通信非常方便快捷。PLC通信包含PLC之间的通信以及PLC与其他智能设备之间的通信，主要有以下四种情况。

a.PLC之间的通信：PLC之间可一对一通信，也可在多达几十甚至几百台PLC之间进行通信。既可在同型号PLC之间进行通信，也可在不同型号的PLC之间进行通信。例如可以将三菱FX系列PLC作为三菱A系列PLC的就地控制站，从而可简单地实现生产过程的分散控制和集中管理。

b.PLC与各种智能控制设备之间的通信：PLC可与条形码读出器、打印机以及其他远程I/O智能控制设备进行通信，形成一个功能强大的控制网络。

c.PLC与上位计算机之间的通信：可用计算机进行编程，或对PLC进行监控和管理。通常情况下，采用多台PLC实现分散控制，由一台上位计算机进行集中管理，这样的系统称为分布式控制系统。

d.PLC与PLC的数据存取单元进行通信：PLC提供了各种型号不一的数据存取单元，通过此数据存取单元可方便地对设定数据进行修改，对各监控点的数据或图形变化进行监控，还可对PC出现的故障进行诊断等。

近几年来，随着计算机控制技术和通信网络技术的发展，已兴起工厂自动化（FA）网络系统。PLC的联网、通信功能正适应了智能化工厂发展的需要，它可使工业控制从点到线再到面，使设备级的控制、生产线的控制和工厂管理层的控制连成一个整体，从而创造更高的效益。

PLC的应用领域越来越广泛，几乎可以说凡是有控制系统存在的地方都需要PLC。在发达国家，PLC已广泛应用于所有的工业部门，随着PLC性能价格比的不断提高，PLC的应用范围还将不断扩大。对于PLC应用的整体应用认识如图1-3所示；以S7-200为核心的工业网络结构如图1-4所示。图1-5、图1-6所示分别是S7-200 PLC在广电系统中的应用以及计算机和PLC通信在石化行业中的应用。