任務1.1 認識PLC的產生、定義及分類

任務引入

由現代工業生產自動化三大支柱可知，PLC已成為一種可靠的控制器，那么，它是在哪種社會生產的歷史背景下產生的？有哪些功能？又是如何進行分類的？

任務分析

完成本節任務，需要了解PLC的產生、定義及其分類的相關知識。

相關知識

1.1.1 PLC的產生

PLC產生以前，通常以繼電器-接觸器控制系統對電動機等控制對象實現自動控制。以各種繼電器為主要元器件的電氣控制線路承擔著生產過程自動控制的艱巨任務。這些器件組成的控制系統需要大量的導線、大容量的控制柜，占據大量的空間，當這些繼電器-接觸器運行時又產生大量噪聲，消耗大量電能。為保證電氣控制系統正常運行，需要安排大量的電氣技術人員進行維護，有時某個電氣元件的損壞，甚至某個繼電器或接觸器的觸點接觸不良都會影響整個系統的正常運行。檢查和排除故障又是非常困難的，現場電氣技術人員的技術水平也直接影響設備恢復運行的速度，尤其是在生產工藝發生變化時，可能需要增加很多繼電器-接觸器或電氣控制柜，重新接線或改線的工作量極大，甚至可能需要重新設計電氣控制系統。面對這種局面，人們迫切需要一種新的工業控制裝置來取代傳統的繼電器-接觸器控制系統，使電氣控制系統工作更可靠、更容易維修、更能適應經常變化的生產工藝要求。

為適應生產工藝和流程經常變化的控制需要，在20世紀60年代，人們曾試圖用小型計算機取代繼電器-接觸器控制系統來實現工業控制，但初期的計算機控制系統不僅成本高、抗干擾能力差，而且編程技術較復雜，不易掌握，因而沒能得到推廣和應用。現代工業需要一種能集合傳統的繼電器-接觸器控制系統和先進的計算機控制系統的優點，用于開關量控制的自動控制裝置，由此，在半導體集成電路和計算機技術發展的基礎上，可編程序控制器應運而生了。

20世紀60年代末期，美國汽車制造業競爭激烈。各生產廠家的汽車型號不斷更新，它必然要求生產線的控制也隨之改變，以及對整個控制系統重新配置。為此要尋求一種比繼電器-接觸器控制系統更可靠、響應速度更快、功能更強大的通用工業控制裝置。在1968年美國通用汽車公司（GM）提出了著名的10條技術指標在社會上招標，要求控制設備制造商為其生產線提供一種新型的通用工業控制裝置，它應具有以下特點：

1）編程簡單，可在現場修改程序；

2）維修方便，采用插件式結構；

3）可靠性高于繼電器控制裝置；

4）體積小于繼電器控制盤；

5）數據可直接進入管理計算機；

6）成本可與繼電器控制盤競爭；

7）輸入可以是交流115V（美國電壓標準）；

8）輸出為交流115V，2A以上；

9）擴展時原系統改變最小；

10）用戶存儲器至少能擴展到4KB。

1969年美國數據設備公司（DEC）根據上述要求，研制開發出世界上第一臺可編程序控制器，并在GM公司汽車生產線上首次應用成功，取得了顯著的經濟效益。當時人們把它稱為可編程序邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）。

可編程序控制器這一裝置的出現，受到全世界工程技術界的極大關注。紛紛投入力量研制。第一個把PLC商品化的是美國歌德電子公司（GOULD Inc），時間也是1969年。1971年，日本從美國引進了這項新技術，研制出日本第一臺可編程序控制器。1973～1974年，德國和法國也都相繼研制出自己的可編程序控制器，德國西門子公司（SIEMENS）于1973年研制出歐洲第一臺PLC。我國從1974年開始研制，1977年開始工業應用。

20世紀70年代后期，隨著微電子技術和計算機技術的發展，可編程序邏輯控制器具備更多的計算機功能，不僅用邏輯編程取代硬接線邏輯，還增加了運算、數據傳送和處理等功能，真正成為一種電子計算機工業控制裝置，而且做到了小型化和超小型化。這種采用微型計算機技術的工業控制裝置的功能遠遠超出邏輯控制、順序控制的范圍，故稱可編程序控制器，簡稱為PC（Programmable Controller）。但由于PC容易和個人計算機（Personal Computer）混淆，故人們仍習慣地用PLC作為可編程序控制器的縮寫。

進入20世紀80年代以來，隨著大規模和超大規模集成電路等微電子技術的迅猛發展，以16位和32位微處理器構成的微型計算機化PLC得到了驚人的發展，使PLC在概念、設計、性能價格比以及應用等方面都有了新的突破，不僅控制功能增強，功耗、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，而且遠程I/O和通信網絡、數據處理以及圖像顯示也有了長足的發展。

尤其近年來，PLC在處理速度、控制功能、通信能力以及控制領域等方面都不斷有新的突破，已經把電氣控制、儀表控制、計算機控制和網絡控制有機地融為一體。由于可編程序控制系統已經是集計算機技術、通信技術和自動控制技術為一體的新型工業控制裝置，故稱可編程序計算機控制器，簡稱為PCC（Programmable Computer Controller）。為統一起見，本書中就以PLC作為可編程序控制器的簡稱。

1.1.2 PLC的定義

PLC一直在飛速發展中，因此到現在為止，還未能對其下一個十分確切的定義。

1980年，美國電器制造商協會（National Electronic Manufacture Association，NEMA）將可編程序控制器定義為：“可編程序控制器是一種帶有指令存儲器，數字的或模擬的輸入/輸出接口，以位運算為主，能完成邏輯、順序、定時、計數和算術運算等功能，用于控制機器或生產過程的自動控制裝置”。

1982年11月國際電工委員會（IEC）曾頒發了可編程序控制器標準草案第一稿，1985年1月發表了第二稿，1987年2月頒布了第三稿。該草案中對可編程序控制器的定義是：“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、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外圍設備，都應按易于使工業控制系統形成一個整體，易于擴充其功能的原則設計。”

定義強調了PLC應直接應用于工業環境，它必須具有很強的抗干擾能力、廣泛應用的適應能力和應用范圍。這也是區別于一般微型計算機控制系統的一種重要控制系統。

定義強調了PLC是“數字運算操作的電子系統”，它也是一種計算機。它是“專為工業環境下應用而設計的”工業計算機。這種工業計算機采用“面向用戶的指令”，因此編程方便，它能完成邏輯運算、順序控制、定時、計數和算術運算等操作，它還具有數字量、模擬量輸入和輸出的能力，并且非常容易和工業控制系統形成一體，易于擴充。

應該注意的是，PLC與以往所講的鼓式、機械式的順序控制器在“可編程”方面有質的區別。由于PLC引入了微處理器及半導體存儲器等新一代電子器件，并用規定的指令進行編程，可以靈活地修改程序，即它是用軟件方式來實現“可編程”的目的。

1.1.3 PLC的分類

可編程序控制器產品的種類很多，一般可以從它的輸入/輸出點數及功能、結構形式進行分類。

1.按輸入/輸出點數

PLC的控制規模是以配置的輸入/輸出點數來衡量的，PLC的I/O點數表明了PLC可從外部接收多少個輸入信號和向外部發出多少個輸出信號，實際上也就是PLC的輸入/輸出端子數。根據I/O點數的多少可將PLC分為小型機、中型機和大型機，一般來說，點數多的PLC，功能也相應較強。

（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4KB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。

典型的小型機有歐姆龍公司的C系列、三菱公司的F1/F2系列、西門子公司的S5-100U和S7-200系列等。

（2）中型機

I/O點數在256～1024之間的稱為中型機，它除了具備邏輯運算功能，還增加了模擬量輸入/輸出、算術運算、數據傳送和數據輸送等功能，可完成既有開關量又有模擬量的復雜控制。用戶程序存儲器容量達到8KB左右。中型機的軟件比小型機豐富，在已固化的程序內，一般還有PID（比例、積分、微分）調節，整數/浮點運算等功能模板。

中型機的特點是功能強，配置靈活，適用于具有諸如溫度、壓力、流量、速度、角度和位置等模擬量控制和大量開關量控制的復雜機械，以及連續生產過程控制場合。

典型的中型機有西門子公司的S7-300與SU系列、立石公司的C-500、GE公司的GE-III系列等。

（3）大型機

I/O總點數在1024點以上的稱為大型機，融合程序存儲器容量達到16KB以上，大型PLC的功能更加完善，具有數據運算、模擬調節、聯網通信、監視記錄和打印等功能，大型機的內存容量超過640KB，監控系統采用觸摸屏顯示，能夠表示生產過程的工藝流程，記錄各種曲線PID調節參數選擇圖等，能進行中斷控制、智能控制和遠程控制等。

大型機的特點是I/O點數特別多，控制規模宏大，組網能力強。可用于大規模的過程控制，構成分布式控制系統，或者整個工廠的集散控制系統。

典型的PLC大型機有西門子公司的S7-400、歐姆龍公司的CVNM1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技術的飛速發展，某些小型PLC也具有中型或大型PLC的功能，這也是PLC的發展趨勢。

圖1-1 整體式PLC

2.根據結構形式分類

根據PLC結構形式的不同，可分為整體式和模塊式。

（1）整體式

整體式結構的特點是將PLC的基本部件，如CPU單元、輸入/輸出單元、電源單元等都集中配置在一個箱體中，安裝在一個標準機殼內，構成一個整體，有的甚至全部裝在一塊印制電路板上，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I/O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PLC結構緊湊、體積小、重量輕、價格低、容易裝配在工業控制設備的內部，比較適合于生產機械的單機控制。這種結構的缺點是主機的I/O點數固定，使用不夠靈活，維修也比較麻煩。微型和小型PLC一般為整體式結構，如松下的FP0系列、歐姆龍的C系列、三菱的F1系列、西門子的S7-200系列等。圖1-1所示為整體式結構PLC的實物外觀圖片。

（2）模塊式

模塊式結構的PLC各部分以單獨的模塊分開設置，如電源模塊、CPU模塊、I/O模塊、各種功能模塊及通信模塊等。這種PLC一般設有機架底板（也有的PLC為串行連接，沒有底板），在底板設有若干插座，使用時，各種模塊可靈活配置。模塊式PLC裝配方便、維修簡單、易于擴展，一般中、大型PLC多采用這種結構形式，如西門子的S7-300/400系列。

這種結構形式的缺點是結構復雜，各種插件多，因而造價增加。圖1-2所示為模塊式結構的PLC實物外觀圖片。

3.根據用途分類

（1）用于順序邏輯控制

順序邏輯控制是可編程序控制器的最基本的控制功能，也是PLC應用最多的場合，比較典型的應用如自動電梯的控制、自動倉庫的自動存取、各種管道上的電磁閥的自動開起和關閉、帶式運輸機的順序起動，或者自動化生產線的多機控制等，這些都是順序邏輯控制。要完成這類控制，不要求PLC有太多的功能，只要有足夠數量的I/O回路即可，因此可選低檔的PLC。

圖1-2 模塊式PLC

（2）用于閉環過程控制

對于閉環控制系統，除了要用開關量I/O實現順序邏輯控制外，還要有模擬量I/O回路，以供采樣輸入和調節輸出，實現過程控制中的PID調節，形成閉環過程控制系統，而其中的PLC由于具有數值運算和處理模擬信號的功能，可以設計出各種PID控制器。隨著PLC控制規模的增大，可控制的回路數已從幾個增加到幾十個甚至幾百個，因此可實現比較復雜的閉環系統控制功能，實現對溫度、壓力和速度等物理量的連續調節。比較典型的應用如加熱爐的溫度、鍋爐的自動給水控制等。要完成這類控制，不僅要求PLC有足夠數量的I/O點數，還要有模擬量的處理能力，因此對PLC的功能要求高。根據能處理的模擬量的多少，至少應選用中檔PLC。

（3）用于數據處理

現代的PLC具有數學運算，包括整數運算、浮點數運算、函數運算、字邏輯運算，以及求反、求補、循環和移位、數據傳送、轉換、排序和查表、位操作等功能，可以完成數據的采集、分析和處理。這些數據可以與存儲在存儲器中的參考值進行比較，也可以通過通信功能傳送到別的智能裝置，或者將它們打印制表。

（4）用于多級分布式集散控制系統

對于多級分布式集散控制要求，除了要求所選用的PLC具有上述的功能外，還要求具有較強的通信功能，以實現各工作站之間的通信、上位機與下位機的通信，最終實現全部設備的自動化，形成通信網絡。由于近期推出的PLC都具有很強的通信和聯網功能，建立一個自動化工廠已成為可能。

4.根據生產廠家分類

PLC的生產廠家眾多，各廠家的PLC的I/O點數、容量、功能各有差異，但都自成系列，指令及外設向上兼容。因此在選擇PLC時，若選擇同一系列的產品，則可以使系統構成容易，操作人員使用方便，備品配件的通用性及兼容性好。比較有代表性的有日本歐姆龍公司的C系列、三菱公司的F系列、美國AB公司的PLC-5系列、德國西門子公司的S5系列和S7系列等。

任務實施

讀者自行設計完成該任務的步驟。

任務總結

通過歸納完成PLC的產生及發展的三個階段、PLC的定義和PLC的分類這3個小任務，就能夠明確PLC在現代工業生產中的功能及作用。