1.2 PLC的产生与发展

PLC产生于20世纪60年代末，崛起于20世纪70年代，成熟于20世纪80年代，于20世纪90年代取得技术上的新突破，21世纪PLC技术开始朝开放化、小型化、高速化、强通信、软PLC、语言标准化及中国化方向发展。

1.2.1 PLC的产生、定义、功能、特点及分类

1.PLC的产生

1836年继电器问世后，与开关器件巧妙连接，构成各种用途的逻辑控制或顺序控制，是当时工业控制领域的主导。这种继电器控制系统有着明显的缺点：体积大、耗电多、可靠性差、寿命短、运行速度不高，尤其是不能适应生产工艺的多变，造成时间和资金的浪费。

20世纪60年代末，美国通用汽车（GM）公司为使汽车改型或改变工艺流程时不改动原有继电器柜内的接线，以降低生产成本、缩短新产品开发周期，于1968年提出研制新型工业控制装置来替代继电器控制装置，曾拟定十项公开招标技术要求，实际就是当今PLC最基本的功能。

美国数字设备（DEG）公司根据GM公司要求于1969年研制出型号为PDP-14/L的PLC，并在汽车生产线上试用获得成功。1968年1月1日MODICON公司研制出084控制器。此程序化手段为电气控制开创了工业控制的新纪元，迅速在工业发达国家发展。1971年日本推出DSC-8控制器，1973年德国、1974年法国都有突破，我国1973～1977年研制成功以MC14500一位微处理器为核心的PLC并开始在工业中应用。

2.PLC的定义

由于PLC在不断发展，因此很难确切定义。早期可编程序控制器专用于替代传统继电器控制装置，功能上只有逻辑计算、计时、计数以及顺序控制等，仅进行开关量控制，故名可编程序逻辑控制器（Programmable Logic Controller, PLC）。后来随着电子科技发展及产业应用需要，PLC增加了模拟量、位置控制及网络通信等功能，1980年美国电气制造商协会（National Electrical Manufacturers Association, NEMA）将这种新型控制装置正式命名为可编程序控制器（Programmable Controller, PC），为与个人计算机（Personal Computer, PC）区别，仍命名为PLC，并定义PLC是一种数字式的自动化控制装置，带有指令存储器、数字的或模拟的输入/输出接口，以位运算为主，能完成逻辑、顺序控制、定时、计数和算术运算等功能，用于控制机器或生产过程。

之后IEC（International Electrotechnicac Committee）、IEEE（Institute of Electrical and Electronics Engineers）和中国科学院也定义了PLC。这些定义表明PLC是一种能直接应用于工业环境的数字电子装置，是以微处理器为基础，结合计算机技术、自动控制技术和网络通信技术，用面向控制过程、面向用户的“自然语言”编程的一种简便可靠的新一代通用工业控制装置。

3.PLC的主要功能

（1）开关逻辑和顺序控制 PLC应用最广泛、最基本的功能是完成开关逻辑运算和进行顺序逻辑控制，从而实现各种控制要求。

（2）模拟控制（A-D和D-A控制）工业生产过程中，往往需要控制一些连续变化的模拟量，如温度、压力、流量、液位等，现在大部分PLC产品能代替过去的仪表或分布式控制系统来处理这类模拟量。

（3）定时/计数控制 PLC提供足够的定时器与计数器，具有很强的定时、计数功能。定时间隔可以由用户设定；如需对高频信号进行计数，则可选择高速计数器。

（4）步进控制 PLC提供一定数量的移位寄存器或者状态寄存器，可方便完成步进控制功能。

（5）运动控制 机械加工行业中，PLC与计算机数控（CNC）集成在一起，以完成机床的运动控制。

（6）数据处理 大部分PLC都具有不同程度的数据处理能力，不仅能进行算术运算、数据传送，还能进行数据比较、转换、显示及打印等操作，有些还可进行浮点运算和函数运算。

（7）通信联网 PLC的通信联网功能使PLC彼此间、与管理计算机以及其他智能设备间交换信息，形成一个整体，实现分散集中控制，满足当今计算机集成制造系统（CIMS）及智能化工厂发展的需要。

4.PLC的特点

PLC的突出特点、优越性能决定了它的迅速发展和广泛应用，较好地解决了工业控制领域中普遍关心的可靠性、安全性、灵活性、方便性、经济性等问题。

（1）可靠性高、抗干扰能力强 PLC的可靠性以平均无故障工作时间（平均故障间隔时间）来衡量。由于对硬件采取冗余设计、光电隔离、线路滤波，对软件采取循环扫描、故障检测、诊断程序、封闭存储器等措施，因此PLC具有很强的抗干扰能力。

（2）控制能力强 足够多的编程元件，可实现非常复杂的控制功能。相较于同等功能的继电器控制系统，PLC具有很高的性价比。PLC还可以通过联网，实现分散控制与集中管理。

（3）用户维护工作量少 PLC产品已经标准化、系列化、模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，便于系统配置、安装接线，组成不同功能、不同规模的系统，有较强的带负载能力，可直接驱动一般的电磁阀和交流接触器。通过修改用户程序，能快速适应工艺条件的变化。

（4）编程简单、使用方便 梯形图是PLC使用最多的编程语言，其电路符号、表达方式与继电器电路图相似，形象、直观、简单、易学。在熟悉工艺流程、熟练掌握PLC指令的情况下，编程语句也十分简单。

（5）设计、安装、调试周期短 软件功能取代继电系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，实验室模拟调试、现场安装并修改，使控制柜的设计、安装、接线工作量减少，施工周期缩短。

（6）易于实现机电一体化 PLC体积小、重量轻、功耗低、抗震防潮和耐热能力强，使之易于安装在机器设备内部，制造出机电一体化产品。CNC设备和机器人装置已成为典型的PLC应用范例。

5.PLC的分类

PLC种类、型号、规格不一，了解其分类有助于选型与应用。可按控制规模的大小、性能的高低、结构的特点进行分类，还可从流派、产地、厂家进行区分。

（1）按控制规模、点数和功能分类 不同型号PLC能够处理的I/O信号数是不同的，一般将一路信号叫作一个点，将输入点数和输出点数的总和称为机器的点数，简称I/O点数。按I/O点数、内存容量值域的分类是不断发展的，以下仅供参考。

1）微型机：I/O点数为64点以内，单CPU，内存容量为256～1000B，如我国台湾广成公司的SPLC。

2）小型机：I/O点数为64～256，单CPU，内存容量为1～3.6KB，如欧姆龙公司的CQM1（D192点、A44路、3.2～7.2KB、0.5～10ms/1K字），西门子公司的S7-200（D248点、A35路、2KB、0.8～1.2ms/1K字）和S7-1200，三菱电气公司的FX，无锡华光公司的SR-20/21等。

3）中型机：I/O点数为256～2048，双CPU，内存容量为3.6～13KB，如西门子公司的S7-300（D1024点、A128路、32KB、0.8～1.2ms/1K字），欧姆龙公司的C200HG（D1184点、15.2～31.2KB、0.15～0.6ms/1K字、MPI），无锡华光公司的SR-400，通用电气公司的GE-Ⅲ等。

4）大型机：I/O点数在2048以上，多CPU，内存容量为13KB以上，如西门子公司的S7-400（12672点、512KB、0.3ms/1K字）、S5-155U, AEG公司的A500（5088点、62KB/64KB、1.3ms/1K字），富士公司的F200（3200点、32KB、2.5ms/1K字），欧姆龙公司的CV2000（2048点、62KB、0.125ms/1K字），三菱电气公司的K3，通用电气公司的GE-IV等。

（2）按控制性能分类

1）低档机：具有基本控制功能和一般运算能力，工作速度比较慢，能拖带的I/O模块数量比较少，如欧姆龙公司的C60P。

2）中档机：具有较强的控制功能和运算能力，能完成一般的逻辑运算，也能完成较复杂的三角函数、指数和PID运算，工作速度较快，能拖带的I/O模块数量、种类都比较多，如西门子公司的S7-300。

3）高档机：具有强大的控制功能和运算能力，能完成逻辑、三角函数、指数和PID等运算，还能进行复杂的矩阵运算，工作速度很快，能拖带的I/O模块数量、种类多，可完成规模很大的控制任务，一般作为联网主站，如西门子公司的S7-400。

（3）按结构形式分类 PLC的硬件结构形式有整体式、模块式和叠装式。

1）整体式结构：小型及微型PLC多为整体式，把CPU、RAM、ROM、I/O接口及与编程器或EPROM写入器相连的接口、电源、指示灯等都装配在一起，成为一个整体，如通用电气公司的GE-I/J系列。

2）模块式结构：模块式结构又叫积木式，是把PLC的每个工作单元都制成独立的模块，如CPU模块、输入模块、输出模块、电源模块、通信模块等，另外设备上还有一块带有插槽的母板，相当于计算机总线。按控制系统需要选取模块后，将模块插到母板上，构成一个完整的PLC。例如，欧姆龙公司的C200H、C1000H、C2000H，西门子公司的S5-115U、S7-300、S7-400系列等。

3）叠装式结构：叠装式结构是将整体式和模块式结合起来，除基本单元外，还有扩展模块和特殊功能模块，配置比较方便。S7-200、S7-1200和FX系列均属于叠装式。

（4）按生产厂家分类 世界上有200多家PLC厂商、400多个PLC品种，其点数、容量、功能各有差异，按地域可大致分为美国、欧洲、日本三个流派，美、欧长于大中型PLC，日本则精于中小型PLC。

1.2.2 PLC的发展概况和发展趋势

1.国外PLC发展概况

PLC问世以后经历40多年的发展，在美国、德国、日本等工业发达国家已成为重要的产业之一，世界总销售额不断上升，生产厂家不断涌现，品种不断翻新，产量产值大幅度上升，而价格随之不断下降。世界上200多个PLC生产厂家中较著名的有：美国AB、通用电气、莫迪康等公司；日本三菱、富士、欧姆龙、松下电工等公司；德国西门子、AEG等公司；法国施耐德公司；韩国三星、LG等公司。

2.技术发展动向

（1）产品规模向大、小两个方向发展 PLC向大型化方向发展，如西门子公司的S7-400、S5-155U，体现在高功能、大容量、智能化、网络化，与计算机组成集成控制系统，对大规模、复杂系统进行综合的自动控制。有的I/O点数达14336点、32位微处理器、多个CPU并行工作、大容量存储器、扫描速度高速化（0.065μs/步）。PLC具有高级处理能力，如浮点数运算、PID调节、温度控制、精确定位、步进驱动、报表统计等。

PLC向小型化方向发展，如三菱A、欧姆龙CQM1，体积越来越小、功能越来越强、控制质量越来越高，小型模块化结构增加了配置的灵活性，降低了成本。我国台湾广成公司生产的超小型PLC，外观尺寸20mm×26mm×30mm，有24个零件，9～36V的工作电压，各功能容于一颗芯片，将常用的计数器、延时器、闪烁器软件化，并用计算机配线方式取代传统电线配线，整合16种器件，命名为SPLC。三菱FX-IS系列PLC，体积仅为60mm×90mm×75mm，相当于一个继电器的大小，但却具有高速计数、斜坡、交替输出及16位四则运算等能力，还具有可调电位器时间设定功能。

（2）PLC在闭环过程控制中的应用日益广泛 基于反馈的自动控制技术测量关心的变量并与期望值相比较，用误差纠正调节控制系统的响应，构成对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制（过程控制）。简单而优秀的PID模块能编制各种控制算法程序，完成PID调节。PID控制器输入e（t）与输出u（t）的关系为

它的传递函数为

使用PID模块只需根据过程的动态特性及时整定三个参数Kp、Ki和Kd，很多情况下，可只取包括比例单元在内的一个或两个单元。虽然很多工业过程是非线性或时变的，但可简化成基本线性和动态特性不随时间变化的系统，这样就可进行PID控制了。

（3）网络通信功能不断增强 PLC网络化技术的发展有两个趋势：一方面，PLC网络系统已经不再是自成体系的封闭系统，而是迅速向开放式系统发展，各大品牌PLC均形成自己各具特色的PLC网络系统，计算机集散系统（DCS）由多PLC、多I/O模块相连，并与工业计算机、以太网等构成整个工厂自控系统，除完成设备控制任务之外，还与计算机管理系统联网，实现信息交流，成为整个信息管理系统的一部分；另一方面，40余种现场总线及智能化仪表的控制系统（Field-bus Control System, FCS）将逐步取代DCS并广泛应用，PLC与其他安装在现场的智能化设备，比如智能仪表、传感器、智能型电磁阀、智能型驱动执行机构等，通过一根传输介质（比如双绞线、同轴电缆、光缆）连接起来，并按照同一通信规约互相传输信息，由此构成一个现场工业控制网络，这种网络与单纯的PLC远程网络相比，配置更灵活，扩展更方便，造价更低，性能价格比更高，也更具开放意义。信息处理技术、网络通信技术和图形显示技术，使PLC系统的生产控制功能和信息管理功能融为一体，以满足大生产的控制与管理要求。

（4）新器件和模块不断推出 除提高CPU处理速度外，还有带微处理器的EPROM或RAM的智能I/O、通信、位置控制、快速响应、闭环控制、模拟量I/O、高速计数、数控、计算、模糊控制、语言处理、远程I/O等专用化模块，使PLC在实时精度、分辨率、人机对话等方面得到进一步改善和提高。

可编程序自动化控制器（Programmable Automation Controller, PAC）用于描述结合了PLC和PC功能的新一代工业控制器，将成为未来工业控制的方式。可编程序计算机控制器（Programmable Computer Controller, PCC）采用分时多任务操作系统和多样化的应用软件的设计，应用程序的运行周期与程序长短无关，而由操作系统的循环周期决定，因此将程序的扫描周期同外部的可调控制周期区别开来，满足了真正实时控制的要求。

（5）编程工具及语言的发展 在结构不断发展的同时，PLC的编程语言也越来越丰富，各种简单或复杂的编程器及编程软件，采用梯形图、功能图、语句表等编程语言，对过程模拟仿真，还有面向顺序控制的步进编程语言、SFC标准化语言，面向过程控制的流程图语言，与计算机兼容的高级语言（BASIC、PASCAL、C、FORTRAN等）等得到应用。在Windows界面下，用可视化的Visual C++、Visual Basic来编程比较复杂，而组态软件可使编程简单化且工作量小。西门子S7-200PLC的编程软件设计了大量的编程向导，只需要在对话框中输入一些参数，即可自动生成包括中断程序在内的用户程序，大大方便了用户的使用。

（6）容错技术等进一步发展 人们日益重视控制系统的可靠性，应用自诊断技术、冗余技术、容错技术，推出高可靠性的冗余系统，并采用热备用或并行工作及多数表决的工作方式。如S7-400PLC坚固、全密封的模板可在恶劣、不稳定的环境下正常工作，还可热插拔。

（7）实现硬件、软件的标准化 针对硬、软件封闭而不开放，模块互不通用、语言差异大、PLC互不兼容等问题，IEC下设TC65的SC65B，专设工作组制定PLC国际标准，使之成为一种方向或框架，如IEC 61131-1、2、3、4、5。标准化硬、软件不仅缩短了系统开发周期，也使80%的PLC应用可利用20条的梯形逻辑指令集来解决，称为“80-20”法则。

3.国内发展及应用概况

我国PLC发展经历了大致三个阶段：20世纪70年代顺序控制器阶段；20世纪80年代以位处理器为主的工业控制器阶段；20世纪90年代以后以8、16、32位微处理器为主的PLC阶段。

改革开放的推动使我国出现大量的PLC。一部分随成套设备引进，如宝钢一、二期工程就有500多套，还有咸阳显像管厂、平朔煤矿、秦皇岛煤码头等；一部分与外国合资生产，如中美及中德汽车厂、辽宁无线电二厂、无锡华光电子公司、上海香岛电机制造公司、厦门A-B公司等；还有一部分是我国独资生产的PLC，如上海东屋电气CF系列、杭州机床电器厂DKK及D系列、大连组合机床研究所S系列、苏州电子计算机厂YZ系列等。

PLC在国内外已广泛应用于电力、机械、汽车、钢铁、石油、化工、建材、轻纺、交运、环保及文化娱乐等各个行业。可以预期，随着技术引进并中国化，PLC将更有广阔的天地，技术含量也将越来越高。比如，随着我国西部及广大地区水力发电的大规模开发和全面建设，基于PLC控制的分层分布式计算机监控系统的水力发电控制工程及其学科，就是一个老树长新芽、生机盎然的领域。

变电站、发电厂等综合自动化系统将保护、监控、通信及网络技术融为一体，在管理监控、设备控制、现场设备的三层网络中，控制层对变压器的差动保护、气体保护、温度保护，对各路出线和母线的断路器过电流保护，以及备用电源自动投入装置，对机组的电压、电流、相位、频率、功率因数、绕组温度等参数，通过现场总线与数台PLC结合的分布式控制系统（Distributed Control System, DCS）进行监控及实时运行，并将系统运行时的各种信息，如调节、操作及报警显示出来。