模块1 PLC的基础知识

专题1.1 PLC概述

1.1.1 PLC的定义

PLC是可编程序控制器（Programmable Controller）的简称。实际上，可编程序控制器的英文缩写为PC，为了与个人计算机（Personal Computer）的英文缩写词PC相区别，人们就将最初用于逻辑控制的可编程序控制器（Programmable Logic Controller）称为PLC。

PLC的发展极为迅速。为了确定它的性质，国际电工委员会（International Electrical Committee）于1982年颁布了PLC标准草案第一稿，1987年2月颁布了第三稿，对PLC做了如下定义。

PLC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。它采用可编程存储器，用来存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作指令，并通过数字式或模拟式的输入/输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其相关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体和易于扩展其功能的原则设计。

1.1.2 PLC控制系统与继电器接触器控制系统的比较

1．组成器件不同

继电器接触器控制系统是由许多硬件继电器、接触器组成的，而PLC控制系统则是由许多“软继电器”组成的。传统的继电器接触器控制系统用了大量的机械触点，因物理性能疲劳、尘埃的隔离性及电弧的影响，使系统可靠性大大降低。而PLC控制系统采用无机械触点的微电子技术，复杂的控制由PLC控制系统内部的运算器完成，故寿命长，可靠性高。

2．触点数量不同

继电器接触器的触点数较少，一般只有4～8对；而“软继电器”可供编程的触点数有无限对。

3．控制方法不同

继电器接触器控制系统是通过元器件之间的硬接线来实现的，其控制功能是固定的；而PLC控制功能是通过软件编程来实现的，只要改变程序，即可改变功能。

4．工作方式不同

在继电器接触器控制电路中，当电源接通时，电路中各继电器都处于受制约状态；而在PLC控制系统中，各“软继电器”都处于周期性循环扫描接通中，每个“软继电器”受制约接通的时间是短暂的。

1.1.3 PLC的分类

通常，PLC可以按输入/输出（I/O）点数、结构形式和功能进行分类。

1．按PLC的I/O点数

根据PLC的I/O点数，PLC可分为小型、中型和大型。I/O点数在256点以下的为小型PLC；I/O点数在256～2048点的为中型PLC；I/O点数在2048点以上的为大型PLC。

2．按PLC的结构形式

根据PLC的结构形式，PLC可分为整体式、模块式和紧凑式。整体式PLC将电源、CPU、存储器和I/O接口都集中装在一个机箱内，小型PLC多为整体式PLC。模块式PLC是按功能分成若干模块，如电源模块、CPU模块、I/O模块等，再根据系统要求，组合不同的模块，形成不同用途的PLC，大、中型PLC多为模块式。紧凑式PLC的电源模块、CPU模块、I/O模块也是各自独立的模块，但它们之间是靠电缆进行连接，并且各模块可以一层一层地叠装，它结合了整体式结构的紧凑和模块式结构的独立、灵活，又可称为叠装式PLC。

3．按PLC的功能

根据PLC的功能，PLC可分为低档、中档和高档。低档PLC具有逻辑运算、定时、计数、移位以及自诊断、监控等基本功能，还可有少量模拟量输入/输出、算术运算、数据传送和比较、通信功能。中档PLC除具有低档PLC的基本功能外，还增加了模拟量输入/输出、算术运算、数据传送和比较、数制转换、远程I/O、子程序及通信联网等功能，有些还增设了中断和PID控制等功能。高档PLC除具有中档PLC的功能外，还增加了带符号算术运算、矩阵运算、位逻辑运算、平方根运算及其他特殊功能函数运算、制表及表格传送等，且具有更强的通信联网功能。

1.1.4 PLC主要产品

随着PLC市场的不断扩大，PLC生产已经发展成为一个庞大的产业，其主要厂商集中在一些欧美国家及日本。美国与欧洲一些国家的PLC是在相互隔离的情况下独立研究开发的，产品有比较大的差异；日本的PLC则是从美国引进的，对美国的PLC产品有一定的继承性。日本的主推产品定位在小型PLC上；而欧美则以大、中型PLC为主。

1．美国的PLC产品

美国有100多家PLC制造商，著名的PLC制造商有A-B公司、通用电气（GE）公司、莫迪康（MODICON）公司、德州仪器（TI）公司、西屋公司等。其中A-B公司是美国最大的PLC制造商，产品约占美国PLC市场的一半。A-B公司的产品规格齐全、种类丰富，其主推的产品为大、中型的PLC-5系列。该系列为模块式结构，CPU模块为中型的PLC有PLC-5/10、PLC-5/12、PLC-5/14、PLC-5/25；CPU模块为大型的PLC有PLC-5/11、PLC-5/20、PLC-5/30、PLC-5/40和PLC-5/60。A-B公司的小型机产品有SLC-500系列等。

GE公司的代表产品是GE-Ⅰ、GE-Ⅲ、GE-Ⅵ等系列，分别为小型机、中型机及大型机，GE-Ⅵ/P最多可配置4000个I/O点。TI公司的小型机有510、520等，中型机有5TI等，大型机有PM550、530、560、565等系列。MODICON公司生产M84系列小型机、M484系列中型机和M584系列大型机。M884系列是增强型中型机，具有小型机的结构及大型机的控制功能。

2．欧洲的PLC产品

德国的西门子（SIEMENS）公司、AEG公司和法国的TE公司是欧洲著名的PLC制造商。德国西门子公司的电子产品以性能精良而久负盛名，在大、中型PLC产品领域与美国的A-B公司齐名。

西门子公司PLC的主要产品有S5及S7系列，其中S7系列是近年来开发的代替S5系列的新产品。S7系列含S7-200系列、S7-200 Smart系列、S7-300系列、S7-400系列、S7-1200系列、S7-1500系列。其中S7-200是微型机，S7-300是中、小型机，S7-400是大型机。S7系列机性价比较高，近年来在中国市场的占有份额有不断上升之势。

3．日本的PLC产品

日本PLC产品在小型机领域颇具盛名。某些用欧美中型或大型机才能实现的控制，日本小型机就可以解决。日本有许多PLC制造商，如三菱、欧姆龙、松下、富士、日立和东芝等。在世界小型机市场上，日本的产品约占70%的份额。

三菱公司的PLC是较早进入中国市场的产品。其小型机F1/F2系列是F系列的升级产品，早期在我国的销量也不小。F1/F2系列加强了指令系统，增加了特殊功能单元和通信功能，比F系列有了更强的控制能力。继F1/F2系列之后，20世纪80年代末，三菱公司又推出了FX系列，在容量、速度、特殊功能和网络功能等方面都有加强，在我国占有很大的市场份额。FX2系列是在20世纪90年代推出的高性能整体式小型机，它配有各种通信适配器和特殊功能单元。FX_2N系列是高性能整体式小型机，它是FX2系列的换代产品。经过不断的更新换代，于2017年10月发布的三菱电机自动化产品综合样本中，FX3系列作为小型PLC的高端机型有FX_3U和FX_3UC系列。本书以三菱FX_2N系列机型为例来介绍PLC的应用技术。

欧姆龙（OMRON）公司的PLC产品，大、中、小和微型规格齐全。微型机以SP系列为代表；小型机有P型、H型、CPM1A、CPM2A系列及CPM2C、CQM1系列等；中型机有C200H、C200HS、C200HX、C200HX、C200HG、C200HE及CS1等系列。

在松下公司的PLC产品中，FP0为微型机；FP1为整体式小型机；FP3为中型机；FP5/FP10、FP10S及FP20为大型机。

4．我国的PLC产品

我国有许多厂家及科研院所从事PLC的研制及开发工作，产品有中国科学院自动化研究所的PLC-0088，北京联想计算机集团公司的GK-40，上海机床电器厂的CKY-40，上海起重电器厂的CF-40MR/ER，苏州机床电器厂的YZ-PC-001A，北京工业自动化研究所的MPC-001/20、KB20/40，杭州机床电器厂的DKK02，天津中环自动化仪表公司的DJK-S-84/86/480，上海自立电子设备厂的KKI系列，上海香岛机电制造有限公司的ACMY-S80、ACMY-S256，无锡华光电子工业有限公司（合资）的SR-10、SR-20/21等。

1.1.5 PLC的应用领域

PLC的应用非常广泛，如电梯控制、防盗系统的控制、交通分流信号灯控制、楼宇供水自动控制、消防系统自动控制、供电系统自动控制、喷水池自动控制及各种生产流水线的自动控制等。其应用情况大致可归纳为如下几类。

1．开关量逻辑控制

这是PLC最基本、最广泛的应用领域，取代传统的继电器接触器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，又可用于多机群控及自动化流水线，如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线和电镀流水线等。

2．模拟量控制

PLC利用比例积分微分（Proportional Integral Derivative, PID）算法可实现闭环控制功能，例如对温度、速度、压力及流量等过程量的控制。

3．运动控制

PLC可以用于圆周运动或直线运动的定位控制。近年来，许多PLC制造商在自己的产品中增加了脉冲输出功能，配合原有的高速计数器功能，使PLC的定位控制能力大大增加。此外，许多PLC品牌具有位置控制模块，如可驱动步进电动机或伺服电动机的单轴或多轴位置控制模块，使PLC广泛应用于各种机械、机床、机器人及电梯等设备中。

4．数据处理

现代PLC具有数学运算、数据传送、数据转换、排序、查表和位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。这些数据除可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作之外，也可以利用通信功能传送到别的智能装置中，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、冶金和食品工业中的一些大型控制系统）。

5．通信及联网

PLC通信含PLC间的通信及PLC与其他智能设备之间的通信。随着计算机控制技术的发展，工厂自动化网络发展得很快，各PLC制造商都十分重视PLC的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。新近生产的PLC，无论是网络接入能力还是通信技术指标，都得到了很大改善，这使PLC在远程及大型控制系统中的应用能力大大增强。