第1章 PLC简介
1.1 PLC概述
1.1.1 PLC的定义及发展趋势
20世纪60年代，计算机开始应用于工业控制，但其编程难，且难以适应恶劣的工业环境。传统的继电器-接触器组成的控制系统，简单易懂，价格便宜，在工业生产中发挥着重要作用，其最大缺点是接线复杂，改变设计困难。1968年，美国通用汽车公司（GM）为了适应汽车不断更新换代，生产工艺不断变化的需要，寻求一种能减少重新设计和更换电器控制系统及接线的新型工业控制器，以降低成本，缩短生产周期。1969年，美国数字设备公司（DEC）研制出世界上第一台可编程序（可编程）控制器（Programmable Logic Controller，PLC），并在通用汽车公司的自动装配线上首次试用成功，从而开创了工业控制的新局面。20世纪70年代中末期，可编程序控制器进入了实用化发展阶段，20世纪80年代初，可编程控制器在先进工业国家广泛应用，20世纪末期，可编程序控制器已经适应现代工业控制的需要，21世纪初，随着计算机通信技术的发展，可编程序控制器重点发展了网络通信能力，并广泛应用于工业控制系统的各个领域。
1980年美国电气制造商协会（NEMA）正式将其命名为可编程控制器（Programmable Controller），简称PC。为了和个人计算机（PC）相区别，将最初用于逻辑控制的可编程控制器称为PLC（Programmable Logic Controller）。
1985年1月，国际电工委员会（IEC）制定了可编程控制器的标准。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，它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/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外部设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。
可编程控制器是以微机技术为核心的通用工业自动控制装置。
PLC自问世以来，经过40多年的发展，在美、德、日等工业发达国家已经成为重要的产业之一。目前，世界上有200多个生产厂商，较有名的有美国的艾伦-布拉德利公司、通用电气公司、莫迪康公司；德国的西门子公司；法国的施耐德公司；日本的三菱公司、欧姆龙公司、富士电机公司、东芝公司、松下电器公司；韩国的三星公司、LG公司等。我国使用较多的外国PLC主要是德国西门子公司、日本三菱公司和欧姆龙公司生产的系列产品。
近年来，我国在PLC研制、生产、应用上发展很快。特别是在应用方面，在引进成套设备的同时也配套引进了PLC。同时，对老旧设备进行改造，实现产品升级换代时，大量应用PLC。我国自己生产制造的设备也大量采用了PLC控制。在研制生产自己的PLC产品的同时，我国也与国外公司合资生产各种档次的PLC产品。PLC在国内各行各业有了极大的应用，技术含量也越来越高，广泛应用于顺序控制、运动控制、过程控制、数据处理、通信等类型的控制，获得了令人瞩目的经济效益和社会效益。特别是PLC远程通信功能的实现及多种功能的编程语言和先进的指令系统，为工业自动化提供了有力的工具，加速了机电一体化进程。无论是国内还是国外，PLC正向着集成度越来越高、速度越来越快、功能越来越强、性能越来越可靠、使用越来越方便的方向发展。
1.1.2 PLC的特点、功能及应用
PLC是一种新型的通用自动化控制装置，它将传统的继电器-接触器控制技术、计算机技术等融为一体，具有体积小、重量轻、能耗低、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单、使用方便等特点，广泛应用于钢铁、石化、电力、机械制造、汽车装配、纺织、交通、文化娱乐等各行各业。随着PLC性价比不断提高，其应用领域不断扩大。典型的PLC功能如下：
①顺序控制。这是可编程控制器最广泛应用的领域，取代了传统的继电器顺序控制，例如注塑机、印刷机械、订书机械、切纸机、组合机床、磨床、装配生产线、包装生产线、电镀流水线及电梯控制等。
②过程控制。在工业生产过程中，有如温度、压力、流量、液位、速度、电流和电压等许多连续变化的模拟量。可编程控制器有A/D和D/A转换模块，可以在过程控制中实现模拟量控制功能。
③数据处理。一般可编程控制器都有四则运算指令等运算类指令，可以很方便地对生产过程中的资料进行处理。用PLC可以构成监控系统，进行数据采集和处理、控制生产过程。
④位置控制。较高档次的可编程控制器都有位置控制模块，用于控制步进电动机或伺服电机，实现对各种机械的位置控制。
⑤通信联网。某些控制系统需要多台PLC连接起来，使用一台计算机与多台PLC组成分布式控制系统。可编程控制器的通信模块可以满足这些通信联网要求。
⑥显示打印。可编程控制器还可以连接显示终端和打印等外围设备，从而实现显示和打印的功能。
1.1.3 PLC与其他控制系统的比较
PLC控制系统与工业上广泛使用的继电器-接触器控制系统、微型计算机控制系统相比，有其自身的优越性，它代表了当今电气程序控制的世界先进水平。
（1）PLC控制系统与继电器-接触器控制系统的比较
PLC控制系统由输入设备、微处理器和存储器、输出设备三部分组成，其控制作用由软件编程实现，如图1-1所示。
图1-1 PLC控制系统
三菱PLC外形如图1-2所示。
图1-2 三菱PLC外形
继电器-接触器控制线路是用导线将基本控制环节相互连接，实现特定的控制要求。传统的继电器-接触器控制系统由输入设备、继电器-接触器控制线路、输出设备三部分组成，其控制作用由继电器-接触器实现，如图1-3所示。
图1-3 继电器-接触器控制系统
传统的继电器-接触器控制系统如图1-4所示。
图1-4 传统的继电器-接触器控制系统
PLC是在传统的继电器-接触器控制系统上发展起来的，PLC编程语言中的梯形图与继电器-接触器控制线路十分相似，但是PLC与继电器-接触器控制系统还存在一些区别，主要表现在以下几方面。
①控制逻辑 继电器-接触器控制逻辑采用硬接线逻辑，利用继电器机械触点的串联或并联及时间继电器的延时动作等组合成控制逻辑，其接线多而复杂，体积大，功耗大，一旦系统构成后想再改变或增加功能都很困难。另外，继电器触点数目有限，每只有4～8对触点，因此灵活性和扩展性很差。PLC控制逻辑采用存储器逻辑，其控制逻辑以程序方式存储在存储器中，要改变控制逻辑只需改变程序即可，故称为“软接线”。PLC接线少、体积小，而且其中每只软继电器的触点数在理论上无限制，因此灵活性和扩展性很好。PLC由中大规模集成电路组成，功耗小。
②工作方式 当电源接通时，继电器-接触器控制线路中各继电器都处于受约束状态，即该吸合的都应吸合，不该吸合的都因受某种条件限制而不能吸合。PLC控制逻辑中，各继电器都处于周期性循环扫描接通之中，从宏观上看，每个继电器受制约接通的时间是短暂的。
③控制速度 继电器-接触器控制逻辑依靠触点的机械动作实现控制，工作频率低，且触点的通断动作一般在几十毫秒数量级。另外，机械触点还会出现抖动问题。PLC是由程序指令控制半导体电路来实现控制的，速度极快，一般用户指令执行时间在微秒数量级。PLC内部还有严格的同步，不会出现抖动问题。
④限时控制 继电器-接触器控制逻辑利用时间继电器的延时动作进行限时控制。时间继电器一般定时精度不高，调整时间困难，有些特殊的时间继电器结构复杂，不便维护。PLC使用半导体集成电路作定时器，时基脉冲由晶体振荡器产生，精度相当高，且定时时间不受环境影响，定时范围大。用户可根据需要在程序中设定定时值，然后由软件和硬件计数器来控制定时时间。
⑤计数限制 继电器-接触器控制逻辑一般不具备计数功能，而PLC能实现计数功能。
⑥设计和施工 继电器-接触器控制逻辑完成一项控制工程，其设计、施工、调试必须依次进行，周期长，工程越大这一点就越突出。而用PLC完成一项控制工程时，在系统设计完成以后，现场施工和控制逻辑的设计（包括梯形图设计）可以同时进行，其周期短，且调试、维修方便。
⑦可靠性和可维护性 继电器-接触器控制逻辑使用了大量的机械触点，连线也多。触点通断时会受到电弧的损坏，并有机械磨损，寿命短，因此可靠性和可维护性差。PLC采用微电子技术，大量的开关动作由无触点的半导体器件来完成，它体积小、寿命长、可靠性高。PLC还配有自检和监督功能，能检查出自身的故障，并随时显示给操作人员，还能动态地监视控制程序的执行情况，为现场调试和维护提供了方便。
⑧价格 继电器-接触器控制逻辑使用机械开关、继电器和接触器，价格比较低，而PLC使用中大规模集成电路，价格比较高。
从以上几个方面的比较可知，PLC控制在性能上比继电器-接触器控制逻辑优异、可靠性高、设计施工周期短、调试修改方便，但其价格高于继电器-接触器控制系统。从系统的性价比而言，PLC具有很大的优势。继电器-接触器控制线路要想改变控制功能，必须变更硬接线，其灵活性差。PLC还具有网络通信功能，可附加高性能模块对模拟量进行处理，实现了各种复杂控制功能。
（2）PLC控制系统与微型计算机控制系统比较
微型计算机是通用的专用机，主要用于信息处理，其最大特征是运算快、功能强、应用范围广。如果采用微型计算机作为某一设备的控制器，就必须根据实际需要考虑抗干扰问题和软、硬件设计，以适应设备控制的专门需要。这样，就把通用的微型计算机转化为具有特殊功能的控制器而成为一台专用机。PLC是一种为适应工业控制环境而设计的专用计算机，主要用于功能控制，选配对应的模块便可适用于各种工业控制系统，而用户只需改变用户程序即可满足工业控制系统的具体控制要求。
PLC与微型计算机的主要差异及各自的特点主要表现为以下方面。
①应用范围 微型计算机除了控制领域外，还大量用于科学计算、数据处理、计算机通信等领域，而PLC主要用于工业控制领域。
②使用环境 微型计算机对环境要求较高，一般要在干扰小、具有一定的温度和湿度要求的机房内使用，PLC则适用于工业现场环境。
③I/O 微型计算机的I/O设备与主机之间采用微电（微弱的电压、电流信号）联系，一般不需要电气隔离。PLC一般控制强电设备，需要电气隔离，I/O均用光耦合器进行光电隔离，输出还采用继电器、晶闸管或大功率晶体管进行功率放大。
④程序设计 微型计算机具有丰富的程序设计语言，如汇编语言、PASCAL语言、C语言等，其语句多、语法关系复杂，要求使用者必须具有一定水平的计算机硬件和软件知识。PLC提供给用户的编程语句数量少、逻辑简单，易于学习和掌握。
⑤系统功能 微型计算机一般配有较强的系统软件，例如操作系统，能进行设备管理、文件管理、存储器管理等。它还配有许多应用软件，以方便用户使用。PLC一般只有简单的监控程序，能完成故障检查、用户程序的输入和修改、用户程序的执行与监视。
⑥运算速度和存储容量 微型计算机运算速度快，一般为微秒级，因有大量的系统软件和应用软件，故存储容量大。PLC因接口的响应速度慢而影响数据处理速度，一般PLC接口响应速度为2ms，巡回检测速度为8ms/KB。PLC的软件少，所编程序也短，故存储器容量小。
⑦价格 微型计算机是通用机，功能完善，故价格较高，而PLC是专用机，功能较少，其价格相对较低。
从以上几个方面的比较可知，PLC是一种用于工业自动化控制的专用机系统，它的结构简单、抗干扰能力强，价格也比一般的微型计算机系统低。总之，PLC与微型计算机相比：PLC继承了继电器-接触器控制系统的基本格式和习惯，对于有继电器-接触器控制系统方面知识和经验的人来说，尤其是现场的技术人员，学习起来十分方便；PLC一般由电控设备的制造厂商研制生产，各厂商的产品不通用。微型计算机是由通用计算机推广应用发展起来的，一般由微型计算机生产厂商、芯片及板卡制造厂商开发生产。它在硬件结构方面的突出优点是总线标准化程度高、产品兼容性强。PLC运行方式与微型计算机不同，PLC不能直接使用微型计算机的许多软件。微型计算机可使用各种编程语言，对要求快速、实时性强、模型复杂的工业对象的控制占有优势，但它要求使用者具有一定的计算机专业知识。PLC一般具有模块结构，可以针对不同的对象进行组合和扩展。