3.2　PLC的發展與分類

3.2.1　PLC的發展趨勢

PLC總的發展趨勢是向高集成度、小體積、大容量、高速度、易使用、高性能方向發展，具體表現在以下幾個方面。

（1）向小型化、專用化、低成本方向發展

20世紀80年代初，小型PLC在價格上還高于小系統用的繼電器控制裝置。隨著微電子技術的發展，新型器件大幅度提高功能和降低價格，使PLC結構更為緊湊，大小僅相當于一本精裝書，操作使用也十分簡便。同時PLC的功能不斷增加，原來大、中型PLC才有的功能部分地移植到小型PLC上，如模擬量處理、數據通信和復雜的功能指令等，且其價格不斷下降，使PLC真正成為現代電氣控制系統中不可替代的控制裝置。

（2）向大容量、高速度方面發展

大型PLC采用多微處理器系統，有的采用32位微處理器，可同時進行多任務操作，處理速度提高，特別是增強了過程控制和數據處理的功能。另外，存儲容量大大增加。

（3）智能型I/O模塊的發展

智能型I/O模塊是以微處理器和存儲器為基礎的功能部件，其CPU與PLC的主CPU并行工作，占用主CPU的時間很少，有利于提高PLC掃描速度。它們本身就是一個小的微型計算機系統，有很強的信息處理能力和控制功能，有的模塊甚至可以自成系統，單獨工作。它們可以完成PLC的主CPU難以兼顧的功能，簡化了某些控制系統的系統設計和編程，提高了PLC的適應性和可靠性。智能I/O模塊主要有模擬量I/O、高速計數輸入、中斷輸入、機械運動輸入、熱電偶輸入、熱電阻輸入、條形碼閱讀器、多路BCD碼輸入/輸出、模糊控制器、PID回路控制和各種通信模塊等。

（4）基于PC的編程軟件取代編程器

隨著計算機日益普及，越來越多的用戶使用基于個人計算機的編程軟件。編程軟件可以對PLC控制系統的硬件組態，即設置硬件的結構和參數，例如設置各框架各個插槽上模塊的型號、模塊的參數、各串行通信接口的參數等。在屏幕上可以直接生成和編輯梯形圖、語句表、功能塊圖和順序功能圖程序，并實現不同編程語言的相互轉換。程序被編譯下載到PLC，也可以將用戶程序上傳到計算機。程序可以存盤或打印；通過網絡或Modem卡，還可以實現遠程操作。

編程軟件的調試和監控功能遠遠超過大型手持式編程器。例如，在調試時可以設置執行用戶程序的掃描次數；有的編程軟件可以在調試程序時設置斷點；有的具有跟蹤功能，用戶可以周期性地選擇保存若干編程元件的歷史數據，并將數據上傳后存為文件。

通過與PLC通信，可以在梯形圖中顯示觸點的通斷和線圈的狀態，使得查找復雜電路的故障非常方便。

（5）PLC編程語言的標準化

與個人計算機相比，PLC的硬件、軟件的體系結構都是封閉的，而不是開放的。在硬件方面，各廠家的CPU模塊和I/O模塊互不相通。PLC的編程語言和指令系統的功能與表達方式也不一致，因此各廠家的可編程控制器互不兼容。為了解決這一問題，IEC（國際電工委員會）制定了可編程控制器標準（IEC1131），其中的第3部分（IEC1131-3）是PLC的編程語言標準。標準中共有5種編程語言，其中的順序功能圖（SFC）是一種結構塊控制程序流程圖，梯形圖和功能塊圖是兩種圖形語言，還有兩種文字語言——語句表和結構文體。除了提供幾種編程語言供用戶選擇外，標準還允許編程者在同一程序中使用多種編程語言，這使編程者能夠選擇不同的語言來適應特殊的工作。

目前，已有越來越多的工控產品廠商推出了符合IEC1131-3標準的PLC指令系統或在PC（個人計算機）上運行的軟件包（軟件PLC）。如西門子公司的STEP7-Micro/WIN32編程軟件給用戶提供了兩套指令集，一套符合IEC1131-3標準，另一套指令集（SIMATIC指令集）中的大多數指令也符合IEC1131-3標準。

（6）PLC通信的易用化

PLC的通信聯網功能使其能與個人計算機和其他智能控制設備交換數字信息，使系統形成統一的整體，實現分散控制和集中管理。通過雙絞線、同軸電纜或光纖聯網，信息可以傳送到幾十公里遠的地方，通過Modem和互聯網與世界上其他地方的計算機裝置通信。

為了盡量減少用戶在通信編程方面的負擔，PLC廠商做了大量的工作，使設備之間的通信自動地、周期性地進行，不需要用戶為通信編程。用戶的工作只是在組成系統時做一些硬件或軟件上的初始化設置。

（7）組態軟件與PLC的軟件化

個人計算機（PC）的價格便宜，有很強的數學運算、數據處理、通信和人機交互的功能。過去的個人計算機主要用作PLC、操作站或人機接口終端，工業控制現場一般使用工業控制計算機（IPC），相應地出現了應用于工業控制系統的組態軟件。利用這些軟件可以方便地進行工業控制流程的實時和動態監控，完成警報、歷史趨勢和各種復雜的控制功能，節約控制系統的控制時間，提高系統的可靠性。既然使用了PC，為何不把PLC的功能也用軟件在PC上實現呢？這就是軟PLC產生的動機，加上現在智能I/O終端的發展，使得軟PLC的開發出現了上升的勢頭。目前已有很多家廠商推出了在PC上運行的可實現PLC功能的軟件包。

（8）PLC與現場總線相結合

IEC對現場總線（Field Bus）的定義是：“安裝在制造和過程區域的現場裝置與控制室內的自動控制裝置之間的數字式、串行、多點通信的數據總線稱為現場總線”。它是當前工業自動化的熱點之一。現場總線以開放的、獨立的、全數字化的雙向多變量通信代替0～10mA或4～20mA的現場電動儀表信號。現場總線I/O集檢測、數據處理、通信為一體，可以代替變送器、調節器、記錄儀等模擬儀表。它不需要框架、機柜，可以直接安裝在現場導軌槽上。現場總線I/O的接線極為簡單，只需一根電纜，從主機開始，沿數據鏈從一個現場總線I/O連接到下一個現場總線I/O。使用現場總線后，自控系統的配線、安裝、調試和維護等方面的費用可以節約2/3左右，現場總線I/O與PLC可以組成功能強大的、廉價的DCS系統。

現場總線控制系統將DCS的控制站功能分散給現場控制設備，僅靠現場總線設備就可以實現自動控制的基本功能。例如，將電動調節閥及其驅動電路、輸出特性補償、PID控制和運算、閥門自校驗和自診斷功能集成在一起，再配上溫度變送器，就可以組成一個閉環溫度控制系統，有的傳感器中植入了PID控制功能。現在功能強大的PLC配有和現場總線聯網的模塊，使之可以就近掛接到現場總線上。

使用現場總線后，操作員可以在中央控制室實現遠程監控，對現場設備進行參數調整，還可以通過現場設備的自診斷功能預測故障和尋找故障點。

3.2.2　PLC的分類

PLC發展到今天，已經有多種形式，而且功能不盡相同。分類時，一般按以下原則來考慮。

（1）按I/O點數、容量分類

一般而言，處理的I/O點數比較多，則控制關系比較復雜，用戶要求的程序存儲器容量比較大，要求PLC指令及其他功能比較多，指令執行的過程也比較快。按PLC輸入、輸出點數的多少，將PLC分為以下三類。

①小型機　小型PLC的功能一般以開關量控制為主。小型PLC輸入、輸出總點數一般在256點以下，用戶程序存儲器容量在4K字左右。現在的高性能小型PLC還具有一定的通信能力和少量的模擬量處理能力。這類PLC的特點是價格低廉、體積小巧，適合于控制單臺設備和開發機電一體化產品。

典型的小型機有SIEMENS公司的S7-200系列、OMRON公司的CPM2A系列、MITSUBISHI公司的FX系列和AB公司的SLC500系列等整體式PLC產品。

②中型機　中型PLC的輸入、輸出總點數在256～2048點之間，用戶程序存儲器容量達到8K字左右。中型PLC不僅具有開關量和模擬量的控制功能，還具有更強的數字計算能力，它的通信功能和模擬量處理能力更強大。中型機的指令比小型機更豐富，中型機適用于復雜的邏輯控制系統以及連續生產線的過程控制場合。

典型的中型機有SIEMENS公司的S7-300系列、OMRON公司的C200H系列、AB公司的SLC500系列等模塊式PLC產品。

③大型機　大型PLC的輸入、輸出總點數在2048點以上，用戶程序存儲器容量達到16K字以上。大型PLC的性能已經與工業控制計算機相當，它具有計算、控制和調節的功能，還具有強大的網絡結構和通信聯網能力，有些PLC還具有冗余能力。它的監視系統采用CRT顯示，能夠表示過程的動態流程，記錄各種曲線、PID調節參數等；它配備多種智能板，構成一臺多功能系統。這種系統還可以和其他型號的控制器互聯，和上位機相連，組成一個集中與分散相結合的生產過程和產品質量控制系統。大型機適用于設備自動化控制、過程自動化控制和過程監控系統。

典型的大型PLC有SIEMENS公司的S7-400、OMRON公司的CVM1和CS1系列、AB公司的SLC5/05等系列產品。

以上劃分沒有十分嚴格的界限。隨著PLC技術飛速發展，某些小型PLC也具有中型或大型PLC的功能，這是PLC的發展趨勢。

（2）按結構形式分類

根據結構形式的不同，PLC主要分為整體式和模塊式兩類。

①整體式結構　整體式結構的特點是將PLC的基本部件，如CPU板、輸入板、輸出板、電源板等緊湊地安裝在一個標準機殼內，構成一個整體，組成PLC的一個基本單元（主機）或擴展單元。基本單元上沒有擴展端口，通過擴展電纜與擴展單元相連，配有許多專用的特殊功能模塊，如模擬量輸入/輸出模塊、熱電偶模塊、熱電阻模塊、通信模塊等，以構成PLC不同的配置。整體式結構的PLC體積小，成本低，安裝方便。

微型和小型PLC一般為整體式結構，如西門子的S7-200系列。

②模塊式結構　模塊式結構的PLC是由一些模塊單元構成，如CPU模塊、輸入模塊、輸出模塊、電源模塊和各種功能模塊等，將這些模塊插在框架上或基板上即可。各模塊功能是獨立的，外形尺寸是統一的，可根據需要靈活配置。

目前，中、大型PLC多采用這種結構形式，如西門子的S7-300和S7-400系列。

整體式PLC每一個I/O點的平均價格比模塊式的便宜，在小型控制系統中一般采用整體式結構。但是模塊式PLC的硬件組態方便靈活，I/O點數的多少、輸入點數與輸出點數的比例、I/O模塊的使用等方面的選擇余地都比整體式PLC大得多，維修時更換模塊、判斷故障范圍也很方便，因此較復雜的、要求較高的系統一般選用模塊式PLC。