任務一　認識PLC

【知識、能力目標】

了解PLC的基本概念；

了解PLC的特點和應用；

熟悉PLC的分類和主要性能指標；

能簡述繼電接觸器控制與PLC控制的主要區別。

一、可編程控制器的產生和發展

1.可編程控制器的產生

在可編程控制器被廣泛應用之前，工業生產自動化控制領域中繼電接觸器控制系統占據著主導地位。繼電接觸器控制系統具有結構簡單、易于掌握、價格便宜等優點，但是，這類控制裝置的體積大、動作速度較慢、功能少，尤其是由于它靠硬件接線構成系統，接線繁雜，當生產工藝或控制對象改變時，原有的接線和控制柜就必須進行相應的改變或更換，而且這種變動工作量大、工期長、費用高。可見，繼電接觸器系統的通用性和靈活性差，它只適應于工作模式固定、控制要求較簡單的場合。

隨著工業生產的迅速發展，市場競爭越來越激烈，工業產品更新換代的周期日趨縮短，新產品不斷涌現，傳統的繼電接觸器控制系統，難以滿足現代社會小批量、多品種、低成本、高質量生產方式的生產控制要求，因此，迫切需要一種更可靠、通用，以及依靠用戶程序實現邏輯控制的新型自動控制裝置，來取代繼電接觸器控制系統。

1968年，美國最大的汽車制造商——通用汽車公司（GM）為了適應汽車型號不斷翻新的要求，提出了這樣的設想：將計算機的功能完善、通用靈活等優點，與繼電接觸器控制簡單易懂、操作方便、價格低廉等優點結合起來，將繼電接觸器控制的硬接線邏輯轉變為計算機的軟件邏輯編程，制造一種新型的通用控制裝置，取代生產線上的繼電接觸器控制系統。為此，GM提出了10條要求，向制造商公開招標。新型的控制裝置要達到以下10項指標：

① 編程簡單，可在現場修改程序；

② 維修方便，最好是插件式結構；

③ 可靠性高于繼電器控制裝置；

④ 體積小于繼電器控制裝置；

⑤ 數據可直接送入管理計算機；

⑥ 成本可與繼電器控制裝置競爭；

⑦ 輸入可為市電；

⑧ 輸出可為市電，負載電流要求2A以上，能直接驅動電磁閥、接觸器等負載元件；

⑨ 通用靈活，易于擴展，擴展時原系統只需很小變更；

用戶程序存儲器容量至少能擴展到4K。

1969年，美國數字設備公司（DEC）根據以上設想和要求研制出世界上第一臺可編程序控制器，型號為PDP-14，并在通用汽車公司的自動裝配線上試用成功。隨后，日本、原聯邦德國、法國等國家相繼開發出各自的PLC。我國從1974年開始研制可編程控制器，1977年開始工業應用。限于當時的元器件條件及計算機發展水平，早期的PLC主要由分立元件和中小規模集成電路組成，可以完成簡單的邏輯控制及定時、計數功能，此時的控制裝置為微機技術和繼電器常規控制概念相結合的產物，所以將該控制裝置稱之為可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller），簡稱PLC。

隨著微電子技術和大規模集成電路的發展，20世紀70年代后期，微處理器被應用到PLC中，從而極大擴展了其功能，不僅能進行開關量邏輯控制，還具有模擬量控制、數據處理、網絡通信等多種功能，并且體積大大縮小，PLC成了真正具有計算機特征的工業控制裝置，并步入了實用化發展階段。這種采用了微處理器技術的PLC，于1980年由美國電氣制造商協會正式將其命名為可編程序控制器（Programmable Controller），簡稱PC。國際電工委員會（IEC）對可編程序控制器的定義做了多次修改，于1987年2月頒布了第三稿并將其定義為：可編程序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，并通過數字式、模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產過程。可編程序控制器及其有關設備，都應按易于與工業控制器系統連成一個整體、易于擴充其功能的原則設計。

由于可編程序控制器的縮寫PC容易與個人計算機（Personal Computer）的簡稱PC相混淆，故人們通常仍把可編程控制器簡稱為PLC。

2.可編程控制器的發展

PLC問世以來，其發展極為迅速。由最初的一位機發展為8位機，現在的大型PLC已采用了32位微處理器，可同時進行多任務操作，其技術已經相當成熟。

目前，世界上有PLC生產廠200多家，比較著名的有：美國的A-B公司、通用電氣公司，日本的三菱、松下電工、歐姆龍，德國的西門子，法國的施耐德等。生產的可編程控制器品種非常繁多，產品的更新換代也極快。PLC的結構不斷改進，功能日益增強，性能價格比越來越高。展望未來，PLC在規模和功能上正朝著兩個方向發展。大型PLC不斷向大容量、高速度、多功能的方向發展，使之能取代工業控制微機對大規模復雜系統進行綜合性的自動控制；另一方面，小型PLC向超小型、簡易、廉價方向發展，使之能真正完全取代最小的繼電接觸器系統，適應單機、數控機床和工業機器人等領域的控制要求。另外，不斷增強PLC的聯網通信功能，便于分散控制與集中管理的實現；大力開發智能I/O模塊，極大地增強PLC的過程控制能力，提高它的適應性和可靠性；不斷使PLC的編程語言與編程工具向標準化和高級化發展。

二、PLC 的特點和應用

1. PLC的主要特點

（1）可靠性高

這是用戶選擇控制裝置的首要條件。由于PLC是專門為工業控制設計的，在設計和制造過程中采取了諸如屏蔽、隔離、濾波、聯鎖等安全保護措施，有效地抑制了外部干擾、防止誤動作。另外，PLC是集成電路為基本元件的電子設備，內部處理過程不依賴于機械觸點，故障大大降低。此外，PLC自帶硬件故障檢測功能，出現故障可及時發出報警信息。在應用軟件方面，應用者可以編入外圍器件的故障自診斷程序，使系統中除PLC以外的電路及設備也獲得故障自診斷保護。這樣，整個PLC系統具有極高的可靠性。

（2）使用方便，通用性強

PLC控制系統的構成簡單方便。PLC的輸入和輸出設備與繼電接觸器控制系統類似，但它們可以直接連接在PLC的I/O端。如只需將產生輸入信號的設備（按鈕、開關等）與PLC的輸入端子連接；將接收輸出信號的被控設備（接觸器、電磁閥等）與PLC的輸出端子連接，僅用螺釘旋具就可完成全部的接線工作。

PLC的通用性好。PLC用程序代替了繼電接觸器控制中的硬接線，其控制功能是通過軟件來完成的，當控制要求改變時一般可主要通過修改軟件程序來滿足新的要求，而不必改變或少量改變PLC的硬件設備。可見，PLC具有極好的通用性。

（3）功能完善，組合方便

現代的PLC幾乎能滿足所有工業控制領域的需要。由于PLC的產品已經標準化、系列化和模塊化，不僅具有邏輯運算、定時、計數、步進等功能，而且還能完成A/D、D/A轉換，數字運算和數據處理、通信聯網、生產過程控制等。PLC產品具有各種擴展單元，它能根據實際需要，方便地適應各種工業控制中不同輸入、輸出點數及不同輸入、輸出方式的系統：既可用于開關量控制，又可用于模擬量控制；既可控制單機、一條生產線，又可控制一個機群、多條生產線；既可用于現場控制，又可用于遠程控制。

（4）編程簡單，維護方便

目前PLC的編程語言以梯形圖應用最廣。梯形圖編程沿用了繼電接觸器控制線路中的一些圖形符號和定義，十分直觀清晰，對于熟悉繼電接觸器控制系統的人員來說極易掌握。

PLC具有完善的故障檢測、自診斷等功能。一旦發生故障，能及時地查出自身故障，并通過PLC機上各種發光二極管報警顯示，使操作人員能迅速地檢查、判斷、排除故障。PLC還具有較強的在線編程能力，使用維護非常方便。

（5）體積小、重量輕、功耗低

由于PLC采用了大規模集成電路，因此整個產品結構緊湊、體積小、重量輕、功耗低，可以很方便地將其裝入機械設備內部，是一種實現機電一體化較理想的控制設備。

2. PLC的應用

自世界上第一臺PLC誕生至今，PLC技術得到了迅猛發展，獲得了極其廣泛的應用。早期的PLC僅僅是取代繼電接觸器控制，而現在可以說，凡有控制系統存在的地方就有PLC。它的應用幾乎覆蓋了機械、冶金、礦山、石油化工、輕工、電力、建筑、交通運輸等各行各業，成為工業自動化領域中最重要、應用最多的控制設備，并已躍居現代工業自動化三大支柱（PLC、機器人、CAD/CAM）的首位。

按PLC的控制類型，其應用可分為以下幾個方面。

（1）開關量控制

這是PLC最基本、最廣泛的應用方面，用PLC取代繼電器控制和順序控制器控制。在單機控制、群機控制和自動生產線控制方面都有很多成功的應用實例。例如：機床電氣控制，紡織機械、注塑機、包裝機械、食品機械的控制，汽車、軋鋼自動生產線的控制，家用電器（電視機、電冰箱等）自動裝配線的控制，電梯、皮帶運輸機的控制等。

（2）模擬量控制

PLC通過模擬量I/O模塊，可以實現模擬量和數字量之間的轉換，并對溫度、壓力、速度、流量等連續變化的模擬量進行控制。具有PID閉環控制功能的PLC，可用于閉環系統的過程控制、位置控制和速度控制等，如典型的閉環過程控制有鍋爐運行控制、連軋機的速度和位置控制等。

（3）運動控制

PLC可以用于圓周運動或直線運動的控制。從控制機構配置來說，早期直接用于開關量I/O模塊連接位置傳感器和執行機構，現在一般使用專用的運動控制模塊。如可驅動步進電機或伺服電機的單軸或多軸位置控制模塊。在機械加工行業，PLC與計算機數控（CNC）緊密結合，實現對機床的運動控制，最典型的應用是數控機床。世界上各主要PLC廠家的產品幾乎都有運動控制功能，廣泛用于各種機械、機床、機器人、電梯等場合。

（4）數據處理

現代PLC具有數學運算（含矩陣運算、函數運算、邏輯運算）、數據傳送、數據轉換、排序、查表、位操作等功能，可以完成數據的采集、分析及處理。這些數據可以與存儲在存儲器中的參考值比較，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能傳送到別的智能裝置，或將它們打印制表。數據處理一般用于大型控制系統，如無人控制的柔性制造系統；也可用于過程控制系統，如造紙、冶金、食品工業中的一些大型控制系統。

（5）通信和聯網

多功能的PLC具有較強的通信聯網功能，可實現PLC與PLC之間、PLC與上位計算機或其他智能設備間的通信，從而可形成多層分布式控制系統或工廠自動化網絡。通常采用多臺PLC分散控制，由上位計算機集中管理。

三、PLC的分類及技術性能指標

1. PLC的分類

PLC的產品繁多，各廠家生產的型號、規格和性能也各不相同，通常可按以下幾種情況分類。

（1）按產地分類

按產地分類，PLC可分為日系、歐美、中國等。其中日系具有代表性的為三菱、歐姆龍、松下等；歐美系列具有代表性的為西門子、A-B、通用電氣等；中國系列具有代表性的為和利時、浙江中控等。

（2）按I/O點分類

按I/O點數分類，PLC可分為大型機、中型機及小型機等。大型機一般I/O點數＞2048點，具有多CPU，16位/32位處理器，用戶存儲器容量一般為8～16K，具有代表性的為西門子S7-400系列、通用公司的GE-Ⅳ系列等；中型機一般I/O點數為256～2048點，單/雙CPU，用戶存儲器容量一般為4～8K，如西門子S7-300系列、三菱Q系列等；小型機一般I/O點數＜256點，單CPU，8位或16位處理器，用戶存儲器容量一般為4K字以下，如西門子S7-200系列、三菱FX系列等。

（3）按結構分類

按結構分類，PLC主要可分為整體式和模塊式。

① 整體式PLC。將組成PLC的各個部分（CPU、存儲器、I/O部件等）集中于一體，安裝在少數幾塊印刷電路板上，并連同電源一起裝配在一個機殼內形成一個整體，這個整體通常稱為主機或基本單元。這種結構具有簡單緊湊、體積小、重量輕、價格低等優點，易于安裝在工業設備的內部，適合于單機控制。一般小型和超小型PLC采用整體式結構。

② 模塊式PLC。將PLC劃分為相對獨立的幾部分制成標準尺寸的插件式模塊，主要有CPU模塊、輸入模塊、輸出模塊、電源模塊等，然后用搭積木的方式將其組裝在一個電源機架內。PLC廠家備有不同槽數的機架供用戶選用。用戶可根據需要方便、靈活地進行組合，構成不同功能的PLC 控制系統。這種結構的PLC配置靈活、裝配和維修方便、功能易于擴展，缺點是結構復雜、價格較高。一般大、中型PLC采用模塊式結構。

還有一些PLC將整體式和模塊式的特點結合起來，構成所謂疊裝式PLC。

（4）按功能分類

按功能分類，PLC可分為低檔、中檔、高檔三類。低檔PLC 具有邏輯運算、定時、計數、移位，以及自診斷、監控等基本功能，還可有少量模擬量輸入/輸出、算術運算、數據傳送和比較、通信等功能，主要用于邏輯控制、順序控制或少量模擬量控制的單機控制系統。中檔PLC除具有低檔PLC的功能外，還具有較強的模擬量輸入/輸出、算術運算、數據傳送和比較、數制轉換、遠程I/O、子程序、通信聯網等功能，有些還可增設中斷控制、PID控制等功能，適用于復雜控制系統。高檔PLC除具有中檔機的功能外，還增加了帶符號算術運算、矩陣運算、位邏輯運算、平方根運算，以及其他特殊功能函數的運算、制表及表格傳送功能等，高檔PLC機具有更強的通信聯網功能，可用于大規模過程控制或構成分布式網絡控制系統，實現工廠自動化。

2. PLC的技術性能指標

技術性能指標是用戶選擇使用PLC產品的重要依據。PLC的制造廠家為了反映其產品詳細的技術指標，一般都會列出其所生產的PLC的系統規格，它包括硬件指標（一般規格）和軟件指標（性能規格）。為了綜合表達PLC的性能，通常用下列指標加以表述。

（1）I/O點數

I/O點數是PLC的外部輸入、輸出端子數量，它表明了PLC可接收的輸入信號和輸出信號的數量。PLC的輸入、輸出信號分開關量和模擬量。對于開關量，其I/O總點數用最大I/O點數表示；對于模擬量，I/O總點數用最大I/O通道數表示。

（2）程序存儲容量

用戶程序存儲容量是衡量PLC存儲用戶程序的一項指標，通常以字為單位計算。約定每16位相鄰的二進制數為一個字，1024個字為1K字。一般中小型的PLC用戶程序存儲容量為8K以下，大型機有的可達數兆。

在編程時，每一條指令所占內存為若干個字，如一般邏輯操作指令每條占1個字。有的PLC用戶程序存儲器容量是用步數來表示的，一條指令包含若干步，一步占用一個地址單元，一個地址單元為兩個字節。如某PLC的內存容量為4000步，則可推知其內存為8K字節。

（3）指令總數

指令總數用以表示PLC軟件功能強弱的主要指標。PLC的指令條數越多，表明其軟件功能越強。

（4）掃描速度

掃描速度反映PLC執行用戶程序的快慢。可以用執行1000步指令所需時間來表示（ms/千步），也可以用執行一條指令的時間來表示（μs/步）。

（5）內部寄存器

內部寄存器的配置及容量是衡量PLC硬件功能的重要指標。PLC內部有許多寄存器用以存放變量狀態、中間結果、定時計數等數據，其數量的多少、容量的大小，直接關系到用戶編程時是否方便、靈活。

（6）特殊功能模塊

PLC特殊功能模塊的多少及功能的強弱是衡量其技術水平高低的一個重要的指標。PLC除了基本功能模塊外，還配有各種特殊功能模塊。基本功能模塊實現基本控制功能，特殊功能模塊實現某一種特殊的功能。PLC的特殊功能越多，其系統配置、軟件開發就越靈活、方便，適應性也就越強。目前已開發出的常用特殊功能模塊有：模/數轉換（A/D）模塊、數/模轉換（D/A）模塊、高速計數模塊、位置控制模塊、速度控制模塊、溫度控制模塊、軸定位模塊、遠程通信模塊及高級語言編程模塊等。

四、習題與訓練

1.1.1　什么是PLC？它有哪些特點？

1.1.2　PLC是如何分類的？

1.1.3　選擇題。

（1）下列選項不是PLC的特點（　　）。

A.抗干擾能力強

B.編程方便　　　

C.安裝調試方便

D.功能單一

（2）可編程序控制器在硬件設計方面采用了一系列措施，如對干擾的（　　）。

A.屏蔽、隔離和濾波

B.屏蔽和濾波

C.屏蔽和隔離

D.隔離和濾波

（3）可編程序控制器在輸入端使用了（　　），來提高系統的抗干擾能力。

A.繼電器

B.晶閘管

C.晶體管

D.光電耦合器

1.1.4　通過多種渠道，進一步了解PLC的應用，并舉例說明。

1.1.5　走進學校的PLC實訓室，了解本校的PLC設備。