第1章　PLC編程必備基礎

1.1　認識PLC

1987年2月，國際電工委員會（IEC）對可編程控制器的定義：“可編程控制器是一種數字運算操作的電子系統，專為在工業環境應用而設計。它采用了可編程序的存儲器，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，并通過數字式和模擬式的輸入/輸出接口，控制各種類型的機械或生產過程。可編程控制器及其有關的外圍設備，都應按易于與工業控制系統形成一個整體、易于擴充其功能的原則而設計。”

可編程控制器在其內部結構和功能上都類似于通用計算機，所不同的是可編程控制器還具有很多通用計算機所不具備的功能和結構。如PLC有一套功能完善且簡單的管理程序，能夠完成故障檢查、用戶程序輸入、修改、執行與監視等功能；PLC還有很多適應于各種工業控制系統的模塊；PLC采用以傳統電氣圖為基礎的梯形圖語言編程，方法簡單且易于學習和掌握。所以在控制系統應用方面PLC優于計算機，它易于和自動控制系統相連接，可以方便靈活地構成不同要求、不同規模的控制系統，其環境適應性和抗干擾能力極強，故將可編程控制器稱為工業控制計算機。

目前，可編程控制器與數控機床和工業機器人已成為現代工業自動化的三大支柱。

（1）PLC的幾種流派　PLC產品按地域大體可以分成三個流派：美國產品、日本產品、歐洲產品。

美國PLC：如羅克韋爾（Rockwell）公司（包括AB公司）產品，通用電氣（GE）產品。

日本PLC：如歐姆龍（OMRON）公司的產品，三菱（MITSUBISHI）公司的產品。

歐洲PLC：如西門子（SIEMENS）公司和施耐德（法國Schneider）公司的產品。

（2）PLC的分類

①按結構形式分

a.整體式：特點是將PLC的基本部件（如CPU板、輸入板、輸出板、電源板等）緊湊地安裝于一個標準機殼內而構成一個整體，組成PLC的一個基本單元（主機）或擴展單元。基本單元上設有擴展端口，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、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型PLC。

b.模塊式：由一些標準模塊（如CPU模塊、輸入模塊、輸出模塊、電源模塊和各種功能模塊等）單元構成，將這些模塊插在框架上和基板上即可。各個模塊功能是獨立的，外形尺寸是統一的，可根據需要靈活配置。目前大中型PLC都采用這種方式。如西門子的S7-300和S7-400系列。

圖1-1所示為PLC外形結構。

②按功能分

a.低檔PLC：具有邏輯運算、定時、計數、移位及自診斷、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。

b.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。

c.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，可構成分布式網絡控制系統，實現工廠自動化。

③按I/O點數分　可分為小型、中型和大型。

a.小型PLC：小型PLC的功能以開關量控制為主，其輸入/輸出（I/O）總點數在256點以下，用戶程序存儲器容量在4KB左右。現在高性能小型PLC還具有一定的通信能力和少量的模擬量處理能力。其價格低廉，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PLC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。

b.中型PLC：中型PLC的I/O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功能更強大，適用于更復雜的邏輯控制系統及連續生產線的過程控制系統。

典型的中型PLC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。

c.大型PLC：大型PLC的I/O點數在2048點以上，用戶程序儲存器容量達到16K字以上。大型PLC具有計算、控制和調節的能力，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。其監視系統采用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連，和上位機相連，組成一個集中分散的生產過程和產品質量控制系統。大型PLC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。

（3）PLC的特點

①高可靠性，強抗擾力　工業生產對控制設備要求很高，需具有很強的抗干擾能力和高可靠性，能在惡劣環境中可靠工作，平均故障間隔時間長，故障修復時間短。這是PLC控制優于微機控制的一大特點。

PLC控制系統的故障有兩種：一種是偶發性故障，因惡劣環境（電磁干擾、超高溫、過電壓、欠電壓）引起。這類故障只要不引起系統部件的損壞，一旦環境條件恢復正常，系統本應隨之恢復正常，但因PLC受外界影響后，內部存儲的信息被破壞，必須從初始狀態重新啟動。另一類是永久性故障，因元器件不可恢復的損壞而引起。

PLC設計上采用了從硬件和軟件兩方面的措施，可防止故障的發生，提高可靠性。

②編程簡單，使用方便　這是PLC優于微機的另一個特點。目前大多數PLC采用繼電控制形式的“梯形圖編程方式”，即有傳統控制電路的清晰直觀，又適合電氣技術人員的讀圖習慣和微機應用水平，易于接受，比匯編語言更受歡迎。

為進一步簡化編程，當今PLC還針對具體問題設計了步進梯形指令、功能指令等。PLC是為車間操作人員而設計的，一般只要很短時間的訓練即能學會使用。而微電腦控制系統則要求具有一定知識的人員操作。當然，PLC的功能開發，需要有軟件專家的幫助。

③程序可變，柔性很好　當生產工藝流程改變或生產線設備更新時，不必改變PLC硬件，只要改變程序就可滿足要求。PLC除應用于單機控制外，被大量應用于柔性制造單元（FMC）、柔性制造系統（FMS），乃至工廠自動化（FA）。

④功能完善，通用性強　現代PLC具有數字量和模擬量輸入/輸出、邏輯和算術運算、定時、計數、順序控制、功率驅動、通信聯網、人機對話、自檢、記錄和顯示等功能。

⑤擴充方便，組合靈活　PLC產品具有各種擴充單元，可以方便地適應不同工業控制需要的不同輸入/輸出點及不同輸入/輸出方式的系統。

⑥簡化設計，減少施工　由于PLC采用軟件編程來達到控制功能，而不同于繼電器控制采用接線來達到控制功能，同時PLC又能率先進行模擬調試，并且操作化功能和監視化功能很強，這些都減少了許多的工作量。簡化減少了控制系統設計與施工的工作量。

⑦體小量輕，機電一體　一臺收錄機大小的PLC具有相當于1.8m高的繼電器控制柜的功能，一般節電50％以上。

PLC是工業控制的專用計算機，其結構緊密、堅固、體積小巧，并具備很強的抗干擾能力，使之易于裝入機械設備內部，成為了實現“機電一體化”較理想的控制設備。

（4）PLC的應用范圍

①順序控制　PLC應用最廣泛的領域，可用于單機、多級群控制式生產自動線控制。如注塑機、印刷機械、組合機床、裝配生產線、包裝生產線、電鍍車間及電梯控制線路等。

②運動控制　PLC有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。多數情況下PLC把描述目標位置的數據送給模塊，模塊移動一軸或數軸到目標位置。而每個軸移動時，位置控制模塊保持適當的速度和加速度以確保運動平滑。

③過程控制　PLC采用PID（比例-積分-微分）模塊可以控制大量的物理參數，如溫度、壓力、速度和流量。由于PID可使PLC具有閉環控制的功能，若控制過程中某變量出現偏差時，PID控制算法會計算出正確的輸出，使變量保持設定值，故廣泛用于過程控制。

④數據處理　當今機械加工中，出現了把支持順序控制的PLC和計算數值控制（CNC）設備緊密結合。著名的日本FANUC公司推出的SYSTEM 10/11/12系列，已將CNC控制功能作為PLC的一部分。為實現PLC和CNC設備之間內部數據自由傳遞而采用了窗口軟件，用戶通過窗口軟件可自由編程，由PLC連至CNC設備使用。CNC系統將變成以PLC為主體的控制和管理體系。

⑤通信聯網　為了適應國外近年來興起的工廠自動化（FA）系統發展需要，發展了PLC之間、PLC與上級計算機之間的通信功能，它們都采用光纖通信多級傳遞。輸入/輸出模塊按功能各自放置在生產現場分散控制，然后采用網絡連接構成集中管理信息的分布式網絡系統。