1.1　概述

可編程控制器（Programmable Logic Controller）簡稱PLC，國際電工委員會（IEC）于1985年對可編程控制器作了如下定義：“可編程控制器是一種數字運算操作的電子系統，專為在工業環境下應用而設計。它采用可編程序的存儲器，用來在其內部存儲執行邏輯運算、順序控制、定時、計數和算術運算等操作的指令，并通過數字、模擬的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產過程”。可編程控制器及其有關設備，都應按易于與工業控制系統連成一個整體，易于擴充功能的原則設計。PLC是一種工業計算機，其種類繁多，不同廠家的產品有各自的特點，但作為工業標準設備，可編程控制器又有一定的共性。

1.1.1　PLC的發展歷史

20世紀60年代以前，汽車生產線的自動控制系統基本上都是由繼電器控制裝置構成的。當時每次改型都直接導致繼電器控制裝置的重新設計和安裝，福特汽車公司的老板曾經說，無論顧客需要什么樣的汽車，福特的汽車永遠是黑色的。從側面反映汽車改型和升級換代比較困難。為了改變這一現狀，1969年，美國的通用汽車公司（GM）公開招標，要求用新的裝置取代繼電器控制裝置，并提出十項招標指標，要求編程方便、現場可修改程序、維修方便、采用模塊化設計、體積小、可與計算機通信等。同一年，美國數字設備公司（DEC）研制出了世界上第一臺可編程控制器PDP-14，在美國通用汽車公司的生產線上試用成功，并取得了滿意的效果，可編程控制器從此誕生。由于當時的PLC只能取代繼電器接觸器控制，功能僅限于邏輯運算、計時、計數等，所以稱為“可編程邏輯控制器”。伴隨著微電子技術、控制技術與信息技術的不斷發展，可編程控制器的功能不斷增強。美國電氣制造商協會（NEMA）于1980年正式將其命名為“可編程控制器”，簡稱PC，由于這個名稱和個人計算機的簡稱相同，容易混淆，因此在我國，很多人仍然習慣稱可編程控制器為PLC。

由于PLC具有易學易用、操作方便、可靠性高、體積小、通用靈活和使用壽命長等一系列優點，因此，很快PLC就在工業中得到了廣泛的應用。同時，這一新技術也受到其他國家的重視。1971年日本引進這項技術，很快研制出日本第一臺PLC，歐洲于1973年研制出第一臺PLC，我國從1974年開始研制，1977年國產PLC正式投入工業應用。

進入20世紀80年代以來，隨著電子技術的迅猛發展，以16位和32位微處理器構成的微機化PLC得到快速發展（例如GE的RX7i，使用的是賽揚CPU，其主頻達1GHz，其信息處理能力幾乎和個人電腦相當），使得PLC在設計、性能價格比以及應用方面有了突破，不僅控制功能增強，功耗和體積減小，成本下降，可靠性提高，編程和故障檢測更為靈活方便，而且隨著遠程I/O和通信網絡、數據處理和圖像顯示的發展，已經使得PLC普遍用于控制復雜生產過程。PLC已經成為工廠自動化的三大支柱之一。

1.1.2　PLC的主要特點

PLC之所以高速發展，除了工業自動化的客觀需要外，還有許多適合工業控制的獨特的優點，它較好地解決了工業控制領域中普遍關心的可靠、安全、靈活、方便、經濟等問題，其主要特點如下。

（1）抗干擾能力強，可靠性高

在傳統的繼電器控制系統中，使用了大量的中間繼電器、時間繼電器，由于器件的固有缺點，如器件老化、接觸不良、觸點抖動等現象，大大降低了系統的可靠性。而在PLC控制系統中大量的開關動作由無觸點的半導體電路完成，因此故障大大減少。

此外，PLC的硬件和軟件方面采取了措施，提高其可靠性。在硬件方面，所有的I/O接口都采用了光電隔離，使得外部電路與PLC內部電路實現了物理隔離。各模塊都采用了屏蔽措施，以防止輻射干擾。電路中采用了濾波技術，以防止或抑制高頻干擾。在軟件方面，PLC具有良好的自診斷功能，一旦系統的軟硬件發生異常情況，CPU會立即采取有效措施，以防止故障擴大。通常PLC具有看門狗功能。

對于大型的PLC系統，還可以采用雙CPU構成冗余系統或者三CPU構成表決系統，使系統的可靠性進一步提高。

（2）程序簡單易學，系統的設計調試周期短

PLC是面向用戶的設備，PLC的生產廠家充分考慮到現場技術人員的技能和習慣，可采用梯形圖或面向工業控制的簡單指令形式。梯形圖與繼電器原理圖很相似，直觀、易懂、易掌握，不需要學習專門的計算機知識和語言。設計人員可以在設計室設計、修改和模擬調試程序，非常方便。

（3）安裝簡單，維修方便

PLC不需要專門的機房，可以在各種工業環境下直接運行，使用時只需將現場的各種設備與PLC相應的I/O端相連接，即可投入運行。各種模塊上均有運行和故障指示裝置，便于用戶了解運行情況和查找故障。

（4）采用模塊化結構，體積小，重量輕

為了適應工業控制需求，除了整體式PLC外，絕大多數PLC采用模塊化結構。PLC的各部件，包括CPU、電源、I/O等都采用模塊化設計。此外，PLC相對于通用工控機，其體積和重量要小得多。

（5）豐富的I/O接口模塊，擴展能力強

PLC針對不同的工業現場信號（如交流或直流、開關量或模擬量、電壓或電流、脈沖或電位、強電或弱電等）有相應的I/O模塊與工業現場的器件或設備（如按鈕、行程開關、接近開關、傳感器及變送器、電磁線圈、控制閥等）直接連接。另外，為了提高操作性能，它還有多種人-機對話的接口模塊，為了組成工業局部網絡，它還有多種通信聯網的接口模塊等。

1.1.3　PLC的應用范圍

目前，PLC在國內外已廣泛應用于專用機床、機床、控制系統、自動化樓宇、鋼鐵、石油、化工、電力、建材、汽車、紡織機械、交通運輸、環保以及文化娛樂等各行各業。隨著PLC性能價格比的不斷提高，其應用范圍還將不斷擴大，其應用場合可以說是無處不在，具體應用大致可歸納為如下幾類。

（1）順序控制

這是PLC最基本、最廣泛應用的領域，它取代傳統的繼電器順序控制，PLC用于單機控制、多機群控制、自動化生產線的控制。例如數控機床、注塑機、印刷機械、電梯控制和紡織機械等。

（2）計數和定時控制

PLC為用戶提供了足夠的定時器和計數器，并設置相關的定時和計數指令，PLC的計數器和定時器精度高、使用方便，可以取代繼電器系統中的時間繼電器和計數器。

（3）位置控制

大多數的PLC制造商，目前都提供拖動步進電動機或伺服電動機的單軸或多軸位置控制模塊，這一功能可廣泛用于各種機械，如金屬切削機床、裝配機械等。

（4）模擬量處理

PLC通過模擬量的輸入/輸出模塊，實現模擬量與數字量的轉換，并對模擬量進行控制，有的還具有PID控制功能。例如用于鍋爐的水位、壓力和溫度控制。

（5）數據處理

現代的PLC具有數學運算、數據傳遞、轉換、排序和查表等功能，也能完成數據的采集、分析和處理。

（6）通信聯網

PLC的通信包括PLC相互之間、PLC與上位計算機、PLC和其他智能設備之間的通信。PLC系統與通用計算機可以直接或通過通信處理單元、通信轉接器相連構成網絡，以實現信息的交換，并可構成“集中管理、分散控制”的分布式控制系統，滿足工廠自動化系統的需要。

1.1.4　PLC的分類與性能指標

（1）PLC的分類

①從組成結構形式分類　可以將PLC分為兩類：一類是整體式PLC（也稱單元式），其特點是電源、中央處理單元、I/O接口都集成在一個機殼內；另一類是標準模板式結構化的PLC（也稱組合式），其特點是電源模板、中央處理單元模板、I/O模板等在結構上是相互獨立的，可根據具體的應用要求，選擇合適的模塊，安裝在固定的機架或導軌上，構成一個完整的PLC應用系統。

②按I/O點容量分類

a.小型PLC。小型PLC的I/O點數一般在128以下。較為常見的有歐姆龍的CP1系列PLC、三菱的FX系列PLC和西門子的S7-200系列PLC等。

b.中型PLC。中型PLC采用模塊化結構，其I/O點數一般在256～1024之間。較為常見的有西門子的S7-300系列PLC和GE的RX3i系列等。

c.大型PLC。一般I/O點數在1024以上的稱為大型PLC。較為常見的有西門子的S7-400系列PLC和GE的RX7i系列等。

（2）PLC的性能指標

各廠家的PLC雖然各有特色，但其主要性能指標是相同的。

①輸入/輸出（I/O）點數　輸入/輸出（I/O）點數是最重要的一項技術指標，是指PLC的面板上連接外部輸入、輸出端子數，常稱為“點數”，用輸入與輸出點數的和表示。點數越多表示PLC可接入的輸入器件和輸出器件越多，控制規模越大。點數是PLC選型時最重要的指標之一。

②掃描速度　掃描速度是指PLC執行程序的速度。以ms/K為單位，即執行1K步指令所需的時間。1步占1個地址單元。

③存儲容量　存儲容量通常用K字（KW）或K字節（KB）、K位來表示。這里1K=1024。有的PLC用“步”來衡量，一步占用一個地址單元。存儲容量表示PLC能存放多少用戶程序。例如，三菱型號為FX2N-48MR的PLC存儲容量為8000步。有的PLC的存儲容量可以根據需要配置，有的PLC的存儲器可以擴展。

④指令系統　指令系統表示該PLC軟件功能的強弱。指令越多，編程功能就越強。

⑤內部寄存器（繼電器）　PLC內部有許多寄存器用來存放變量、中間結果、數據等，還有許多輔助寄存器可供用戶使用。因此寄存器的配置也是衡量PLC功能的一項指標。

⑥擴展能力　擴展能力是反映PLC性能的重要指標之一。PLC除了主控模塊外，還可配置實現各種特殊功能的高功能模塊。例如A/D模塊、D/A模塊、高速計數模塊、遠程通信模塊等。

1.1.5　PLC與繼電器系統的比較

在PLC出現以前，繼電器硬接線電路是邏輯、順序控制的唯一執行者，它結構簡單、價格低廉，一直被廣泛應用。PLC出現后，幾乎所有的方面都超過繼電器控制系統，兩者的性能比較見表1-1。

1.1.6　PLC與微機的比較

采用微電子技術制造的可編程控制器與微機一樣，也由CPU、ROM（或者FLASH）、RAM、I/O接口等組成，但又不同于一般的微機，可編程控制器采用了特殊的抗干擾技術，是一種特殊的工業控制計算機，更加適合工業控制。兩者的性能比較見表1-2。

1.1.7　PLC的發展趨勢

①向高性能、高速度、大容量發展。

②網絡化。強化通信能力和網絡化，向下將多個可編程控制器或者多個I/O框架相連；向上與工業計算機、以太網等相連，構成整個工廠的自動化控制系統。即便是微型的S7-200系列PLC也能組成多種網絡，通信功能十分強大。

③小型化、低成本、簡單易用。目前，有的小型PLC的價格只有幾百元人民幣。

④不斷提高編程軟件的功能。編程軟件可以對PLC控制系統的硬件組態，在屏幕上可以直接生成和編輯梯形圖、指令表、功能塊圖和順序功能圖程序，并可以實現不同編程語言的相互轉換。程序可以下載、存盤和打印，通過網絡或電話線，還可以實現遠程編程。

⑤適合PLC應用的新模塊。隨著科技的發展，對工業控制領域將提出更高、更特殊的要求，因此，必須開發特殊功能模塊來滿足這些要求。

⑥PLC的軟件化與PC化。目前已有多家廠商推出了在PC上運行的可實現PLC功能的軟件包，也稱為“軟PLC”，“軟PLC”的性能價格比比傳統的“硬PLC”更高，是PLC的一個發展方向。

PC化的PLC類似于PLC，但它采用了PC的CPU，功能十分強大，如GE的RX7i和RX3i使用的就是工控機用的賽揚CPU，主頻已經達到1GHz。

1.1.8　PLC的品牌

（1）國外PLC品牌

目前PLC在我國得到了廣泛的應用，很多知名廠家的PLC在我國都有應用。

①美國是PLC生產大國，有100多家PLC生產廠家。其中A-B公司的PLC產品規格比較齊全，主推大中型PLC，主要產品系列是PLC-5。通用電氣也是知名PLC生產廠商，大中型PLC產品系列有RX3i和RX7i等。德州儀器也生產大、中、小全系列PLC產品。

②歐洲的PLC產品也久負盛名。德國的西門子公司、AEG公司和法國的TE（施耐德）公司都是歐洲著名的PLC制造商。其中西門子公司的PLC產品與美國A-B公司的PLC產品齊名。

③日本的小型PLC具有一定的特色，性價比較高，比較有名的品牌有三菱、歐姆龍、松下、富士、日立和東芝等，在小型機市場，日系PLC的市場份額曾經高達70%。

（2）國產PLC品牌

我國自主品牌的PLC生產廠家有30余家。在目前已經上市的眾多PLC產品中，還沒有形成規模化的生產和名牌產品，甚至還有一部分是以仿制、來件組裝或“貼牌”方式生產。單從技術角度來看，國產小型PLC與國際知名品牌小型PLC差距正在縮小，使用越來越多。例如和利時、深圳匯川和無錫信捷等公司生產的微型PLC已經比較成熟，其可靠性在許多低端應用中得到了驗證，逐漸被用戶認可，但其知名度與世界先進水平還有一定的差距。

總的來說，我國使用的小型可編程控制器主要以日本和國產的品牌為主，而大中型可編程控制器主要以歐美的品牌為主。目前大部分PLC市場被國外品牌所占領。