第一节 PLC概述

PLC是在电器控制技术和计算机技术的基础上开发出来的，并逐渐发展成为以微处理器为核心，把自动化技术、计算机技术、通信技术融为一体的新型工业控制装置。目前，PLC已被广泛地应用于各种生产机械和生产过程的自动控制中，成为一种最重要、最普及、应用场合最多的工业控制装置，被公认为现代工业自动化的三大支柱（PLC、机器人、CAD/CAM）之一。

国际电工委员会（IEC）于1987年颁布了PLC标准草案第三稿，在草案中对PLC定义如下：“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，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关外围设备，都应按易于与工业系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则来设计”。

定义强调了PLC应直接应用于工业环境，必须具有很强的抗干扰能力、广泛的适应能力和广阔的应用范围，这是区别于一般微机控制系统的重要特征。同时，也强调了PLC用软件方式实现的“可编程”与传统控制装置中通过硬件或硬接线的变更来改变程序的本质区别。

近年来，PLC发展很快，几乎每年都推出不少新系列产品，其功能已远远超出了上述定义的范围。

一、PLC的产生与发展

在制造业和过程工业中，除了以模拟量为被控对象的反馈控制外，还存在着大量的以开关量（数字量）为主的逻辑顺序控制，这一点在以改变几何形状和机械性能为特征的制造工业中显得尤其突出。它要求控制系统按照逻辑条件和一定的顺序、时序产生控制动作，并能够对来自现场的大量的开关量、脉冲、计时、计数以及模拟量的越限报警等数字信号进行监视和处理。这些工作在早期是由继电器电路来实现的，其缺点是体积庞大、故障率高、功耗大、不易维护、不易改造和升级等。

1968年，美国通用汽车公司（GM）鉴于传统的继电器控制系统的一系列缺点，提出了研制新型控制器的设想，总结出新型控制器应当具有的10项指标，并以此公开在社会上招标，这10项指标是：

1）编程方便，可在现场修改程序。

2）维护方便，最好是插件式。

3）可靠性高于继电器控制柜。

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）输入为交流115V。

8）输出为交流115V/2A以上，能直接驱动电磁阀、接触器等。

9）在扩展时原有系统改变最少。

10）用户程序存储器至少可扩展到4KB。

美国数字设备公司（DEC）根据这10项指标，于1969年研制出第一台控制器，型号为PDP-14，它的开创性意义在于引入了程序控制功能，为计算机技术在工业控制领域的应用开辟了新的空间。

至20世纪70年代，PLC技术已经进入成熟期。推动PLC技术发展的动力主要来自于两个方面，其一是企业对高性能、高可靠性自动控制系统的客观需要和追求，例如关于PLC最初的性能指标就是由用户提出的。其次，大规模及超大规模集成电路技术的飞速发展，微处理器性能的不断提高，为PLC技术的发展奠定了基础并开拓了空间。这两个因素的结合，使得当今的PLC已经在所有性能上都大大超越了前述的10项指标。

现在，PLC的程序存储容量多以MB为单位，随着超大规模集成电路技术的发展，微处理器的性能大幅提高，指令执行速度达到微秒级，从而极大提高了PLC的数据处理能力，高档的PLC可以进行复杂的浮点数运算，并增加了许多特殊功能，例如高速计数、脉宽调制变换、PID闭环控制、定位控制等，从而在以模拟量为主的过程控制领域也占有了一席之地，在一定程度上具备了组建DCS的能力。此外，PLC的通信功能和远程I/O能力也非常强大，可以组建成分布式通信网络系统。

在组成结构上，PLC具有一体化结构和模块式结构两种模式。一体化结构的PLC追求功能的完善，性能的提高，体积越来越小，有利于安装。而模块式结构，则是利用单一功能的各种模块拼装成一台完整的PLC，用户在设计自己的PLC控制系统时拥有极大的灵活性，并使设备的性价比达到最优。同时，模块式结构也有利于系统的维护、换代和升级，并使系统的扩展能力大大加强。

在控制规模上，PLC向小型化和大型化两个方向发展。大型PLC是基于满足大规模、高性能控制系统的要求而设计的，在规模上，可带的I/O点数（通道数量）达到数千点乃至上万点。在对高性能的追求上，主要体现在以下几点：

1）增强网络通信功能。这是PLC的一个重要发展趋势，伴随现场总线（Field Bus）技术的应用，由多个PLC、多个分布式I/O模块、人机界面、编程设备相互连接成的网络，与工业计算机和以太网等构成整个工厂的自动控制系统。PLC采用了计算机信息处理技术、网络通信技术和图形显示技术，使得PLC系统的生产控制功能和信息管理功能融为一体。

2）发展智能模块。智能模块以微处理器为核心，与PLC的CPU并行工作，完成专一功能，大量节省主CPU的时间和资源，对提高用户程序的扫描速度和完成特殊的控制要求非常有利。例如通信模块、位置控制模块、模糊逻辑控制模块、高速计数器模块等。

3）高可靠性。PLC广泛采用自诊断技术，向用户提供故障分析的信息和提示。同时，大力发展冗余技术、容错技术，以及模块的热插拔功能，保障PLC能够长时间的可靠运行。

4）编程软件标准化。长期以来，PLC的生产厂家各自为战，各产品在硬件结构和软件体系上都是封闭的，不对外开放，因而导致硬件互不通用、软件互不兼容，为用户带来很大的不便。为此，国际电工委员会（IEC）制定了IEC 1131标准以引导PLC向标准化方向发展。这个标准包含了5个部分，从PLC的定义等一般信息，到装备与测试、编程语言、用户规则、通信规范等，力图通过一系列的标准来规范各个厂家的产品。目前，有很多厂家都推出了符合IEC 1131-3标准的软件系统，例如西门子公司的STEP 7软件包就提供符合IEC 1131-3标准的指令集。

5）编程软件和语言向高层次发展。PLC的编程语言在原有的梯形图、顺序功能图、指令表语言的基础上，不断丰富并向高层次发展。大部分厂商都提供可在个人计算机上运行的开发软件包，开发环境完备且友好，可向开发人员提供丰富的帮助信息以及调试、诊断、模拟仿真等功能。例如西门子公司的STEP 7软件包，运行在Windows环境下，在编程的过程中可随时查询指令，其内容与详细程度与编程手册相同。

小型化PLC的发展方向是体积减小、成本下降、功能齐全、性能提高、简单易用。其针对目标是取代广泛分布在企业和民用领域的小规模继电器系统，以及需要采用逻辑顺序控制的小规模场合。其特点是安装方便、可靠性高、开发和改造周期短。

二、PLC的特点

PLC的产生是基于工业控制的需要，是面向工业控制领域的专用设备，它具有以下几个特点：

1）可靠性高，抗干扰能力强。用程序来实现的逻辑顺序和时序，最大限度地取代传统继电器系统中的硬件线路，大量减少机械触点和连线的数量，单从这一角度而言，PLC在可靠性上优于继电器系统是明显的。

在抗干扰性能方面，PLC在结构设计、内部电路设计、系统程序执行等方面都给予了充分的考虑。例如对主要器件和部件用导磁良好的材料进行屏蔽、对供电系统和输入电路采用多种形式的滤波、I/O回路与微处理器电路之间用光耦合器隔离、系统软件具有故障检测功能、信息保护和恢复、循环扫描时间的超时警戒等。

2）灵活性强，控制系统具有良好的柔性。当生产工艺和流程进行局部的调整和改动时，通常只需要对PLC的程序进行改动，或者配合以外围电路的局部调整即可实现对控制系统的改造。

3）编程简单，使用方便。梯形图语言是PLC的最重要也是最普及的一种编程语言，其电路符号和表达方式与继电器电路原理图相似，电气技术人员和技术工人可以很快地掌握梯形图语言，并用来编制用户程序。

4）控制系统易于实现，开发工作量少，周期短。由于PLC的系列化、模块化、标准化，以及良好的扩展性和联网性能，在大多数情况下，PLC系统都是一个较好的选择，它不仅能够完成多数情况下的控制要求，还能够大量节省系统设计、安装、调试的时间和工作量。

5）维修方便。PLC有完善的故障诊断功能，可以根据装置上的发光二极管和软件提供的故障信息，方便地查明故障源。由于PLC的体积小，并且有些是采用模块化结构，因而可以通过更换整机或模块迅速排除故障。

6）体积小，能耗低。由软件实现的逻辑控制，大量节省继电器、定时器，一台小型的PLC只相当于几个继电器的体积，控制系统所消耗的能量大大降低。

7）功能强，性能价格比高。用户程序实现的逻辑控制，所需要的继电器、中间继电器、定时器、计数器等功能元件，都由存储单元来替代，因而数量非常大，一台小型的PLC所具备的元件（软元件）数量就可达到成百上千个，相当于过去一个大规模甚至超大规模的继电器控制系统。另外，PLC所提供的软元件的触点（例如软继电器）可以无限次使用，方便地实现复杂的控制功能。同时，PLC的联网通信功能有利于实现分散控制、远程控制、集中管理等功能，与同等规模或成本的继电器控制系统相比，无论其功能和性能，都具有无可比拟的优势。