第1章　PLC簡介

1.1　PLC概述

1.1.1　PLC的定義及發展趨勢

20世紀60年代，計算機開始應用于工業控制，但其編程難，且難以適應惡劣的工業環境。傳統的繼電器-接觸器組成的控制系統，簡單易懂，價格便宜，在工業生產中發揮著重要作用，其最大缺點是接線復雜，改變設計困難。1968年，美國通用汽車公司（GM）為了適應汽車不斷更新換代，生產工藝不斷變化的需要，尋求一種能減少重新設計和更換電器控制系統及接線的新型工業控制器，以降低成本，縮短生產周期。1969年，美國數字設備公司（DEC）研制出世界上第一臺可編程序（可編程）控制器（Programmable Logic Controller，PLC），并在通用汽車公司的自動裝配線上首次試用成功，從而開創了工業控制的新局面。20世紀70年代中末期，可編程序控制器進入了實用化發展階段，20世紀80年代初，可編程控制器在先進工業國家廣泛應用，20世紀末期，可編程序控制器已經適應現代工業控制的需要，21世紀初，隨著計算機通信技術的發展，可編程序控制器重點發展了網絡通信能力，并廣泛應用于工業控制系統的各個領域。

1980年美國電氣制造商協會（NEMA）正式將其命名為可編程控制器（Programmable Controller），簡稱PC。為了和個人計算機（PC）相區別，將最初用于邏輯控制的可編程控制器稱為PLC（Programmable Logic Controller）。

1985年1月，國際電工委員會（IEC）制定了可編程控制器的標準。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，它采用一類可編程的存儲器，用于其內部存儲程序，執行邏輯運算、順序控制、定時、計數與算術操作等面向用戶的指令，并通過數字或模擬式輸入/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外部設備，都按易于與工業控制系統聯成一個整體，易于擴充其功能的原則設計。

可編程控制器是以微機技術為核心的通用工業自動控制裝置。

PLC自問世以來，經過40多年的發展，在美、德、日等工業發達國家已經成為重要的產業之一。目前，世界上有200多個生產廠商，較有名的有美國的艾倫-布拉德利公司、通用電氣公司、莫迪康公司；德國的西門子公司；法國的施耐德公司；日本的三菱公司、歐姆龍公司、富士電機公司、東芝公司、松下電器公司；韓國的三星公司、LG公司等。我國使用較多的外國PLC主要是德國西門子公司、日本三菱公司和歐姆龍公司生產的系列產品。

近年來，我國在PLC研制、生產、應用上發展很快。特別是在應用方面，在引進成套設備的同時也配套引進了PLC。同時，對老舊設備進行改造，實現產品升級換代時，大量應用PLC。我國自己生產制造的設備也大量采用了PLC控制。在研制生產自己的PLC產品的同時，我國也與國外公司合資生產各種檔次的PLC產品。PLC在國內各行各業有了極大的應用，技術含量也越來越高，廣泛應用于順序控制、運動控制、過程控制、數據處理、通信等類型的控制，獲得了令人矚目的經濟效益和社會效益。特別是PLC遠程通信功能的實現及多種功能的編程語言和先進的指令系統，為工業自動化提供了有力的工具，加速了機電一體化進程。無論是國內還是國外，PLC正向著集成度越來越高、速度越來越快、功能越來越強、性能越來越可靠、使用越來越方便的方向發展。

1.1.2　PLC的特點、功能及應用

PLC是一種新型的通用自動化控制裝置，它將傳統的繼電器-接觸器控制技術、計算機技術等融為一體，具有體積小、重量輕、能耗低、可靠性高、抗干擾能力強、編程簡單、使用方便等特點，廣泛應用于鋼鐵、石化、電力、機械制造、汽車裝配、紡織、交通、文化娛樂等各行各業。隨著PLC性價比不斷提高，其應用領域不斷擴大。典型的PLC功能如下：

①順序控制。這是可編程控制器最廣泛應用的領域，取代了傳統的繼電器順序控制，例如注塑機、印刷機械、訂書機械、切紙機、組合機床、磨床、裝配生產線、包裝生產線、電鍍流水線及電梯控制等。

②過程控制。在工業生產過程中，有如溫度、壓力、流量、液位、速度、電流和電壓等許多連續變化的模擬量。可編程控制器有A/D和D/A轉換模塊，可以在過程控制中實現模擬量控制功能。

③數據處理。一般可編程控制器都有四則運算指令等運算類指令，可以很方便地對生產過程中的資料進行處理。用PLC可以構成監控系統，進行數據采集和處理、控制生產過程。

④位置控制。較高檔次的可編程控制器都有位置控制模塊，用于控制步進電動機或伺服電機，實現對各種機械的位置控制。

⑤通信聯網。某些控制系統需要多臺PLC連接起來，使用一臺計算機與多臺PLC組成分布式控制系統。可編程控制器的通信模塊可以滿足這些通信聯網要求。

⑥顯示打印。可編程控制器還可以連接顯示終端和打印等外圍設備，從而實現顯示和打印的功能。

1.1.3　PLC與其他控制系統的比較

PLC控制系統與工業上廣泛使用的繼電器-接觸器控制系統、微型計算機控制系統相比，有其自身的優越性，它代表了當今電氣程序控制的世界先進水平。

（1）PLC控制系統與繼電器-接觸器控制系統的比較

PLC控制系統由輸入設備、微處理器和存儲器、輸出設備三部分組成，其控制作用由軟件編程實現，如圖1-1所示。

三菱PLC外形如圖1-2所示。

繼電器-接觸器控制線路是用導線將基本控制環節相互連接，實現特定的控制要求。傳統的繼電器-接觸器控制系統由輸入設備、繼電器-接觸器控制線路、輸出設備三部分組成，其控制作用由繼電器-接觸器實現，如圖1-3所示。

傳統的繼電器-接觸器控制系統如圖1-4所示。

PLC是在傳統的繼電器-接觸器控制系統上發展起來的，PLC編程語言中的梯形圖與繼電器-接觸器控制線路十分相似，但是PLC與繼電器-接觸器控制系統還存在一些區別，主要表現在以下幾方面。

①控制邏輯　繼電器-接觸器控制邏輯采用硬接線邏輯，利用繼電器機械觸點的串聯或并聯及時間繼電器的延時動作等組合成控制邏輯，其接線多而復雜，體積大，功耗大，一旦系統構成后想再改變或增加功能都很困難。另外，繼電器觸點數目有限，每只有4～8對觸點，因此靈活性和擴展性很差。PLC控制邏輯采用存儲器邏輯，其控制邏輯以程序方式存儲在存儲器中，要改變控制邏輯只需改變程序即可，故稱為“軟接線”。PLC接線少、體積小，而且其中每只軟繼電器的觸點數在理論上無限制，因此靈活性和擴展性很好。PLC由中大規模集成電路組成，功耗小。

②工作方式　當電源接通時，繼電器-接觸器控制線路中各繼電器都處于受約束狀態，即該吸合的都應吸合，不該吸合的都因受某種條件限制而不能吸合。PLC控制邏輯中，各繼電器都處于周期性循環掃描接通之中，從宏觀上看，每個繼電器受制約接通的時間是短暫的。

③控制速度　繼電器-接觸器控制邏輯依靠觸點的機械動作實現控制，工作頻率低，且觸點的通斷動作一般在幾十毫秒數量級。另外，機械觸點還會出現抖動問題。PLC是由程序指令控制半導體電路來實現控制的，速度極快，一般用戶指令執行時間在微秒數量級。PLC內部還有嚴格的同步，不會出現抖動問題。

④限時控制　繼電器-接觸器控制邏輯利用時間繼電器的延時動作進行限時控制。時間繼電器一般定時精度不高，調整時間困難，有些特殊的時間繼電器結構復雜，不便維護。PLC使用半導體集成電路作定時器，時基脈沖由晶體振蕩器產生，精度相當高，且定時時間不受環境影響，定時范圍大。用戶可根據需要在程序中設定定時值，然后由軟件和硬件計數器來控制定時時間。

⑤計數限制　繼電器-接觸器控制邏輯一般不具備計數功能，而PLC能實現計數功能。

⑥設計和施工　繼電器-接觸器控制邏輯完成一項控制工程，其設計、施工、調試必須依次進行，周期長，工程越大這一點就越突出。而用PLC完成一項控制工程時，在系統設計完成以后，現場施工和控制邏輯的設計（包括梯形圖設計）可以同時進行，其周期短，且調試、維修方便。

⑦可靠性和可維護性　繼電器-接觸器控制邏輯使用了大量的機械觸點，連線也多。觸點通斷時會受到電弧的損壞，并有機械磨損，壽命短，因此可靠性和可維護性差。PLC采用微電子技術，大量的開關動作由無觸點的半導體器件來完成，它體積小、壽命長、可靠性高。PLC還配有自檢和監督功能，能檢查出自身的故障，并隨時顯示給操作人員，還能動態地監視控制程序的執行情況，為現場調試和維護提供了方便。

⑧價格　繼電器-接觸器控制邏輯使用機械開關、繼電器和接觸器，價格比較低，而PLC使用中大規模集成電路，價格比較高。

從以上幾個方面的比較可知，PLC控制在性能上比繼電器-接觸器控制邏輯優異、可靠性高、設計施工周期短、調試修改方便，但其價格高于繼電器-接觸器控制系統。從系統的性價比而言，PLC具有很大的優勢。繼電器-接觸器控制線路要想改變控制功能，必須變更硬接線，其靈活性差。PLC還具有網絡通信功能，可附加高性能模塊對模擬量進行處理，實現了各種復雜控制功能。

（2）PLC控制系統與微型計算機控制系統比較

微型計算機是通用的專用機，主要用于信息處理，其最大特征是運算快、功能強、應用范圍廣。如果采用微型計算機作為某一設備的控制器，就必須根據實際需要考慮抗干擾問題和軟、硬件設計，以適應設備控制的專門需要。這樣，就把通用的微型計算機轉化為具有特殊功能的控制器而成為一臺專用機。PLC是一種為適應工業控制環境而設計的專用計算機，主要用于功能控制，選配對應的模塊便可適用于各種工業控制系統，而用戶只需改變用戶程序即可滿足工業控制系統的具體控制要求。

PLC與微型計算機的主要差異及各自的特點主要表現為以下方面。

①應用范圍　微型計算機除了控制領域外，還大量用于科學計算、數據處理、計算機通信等領域，而PLC主要用于工業控制領域。

②使用環境　微型計算機對環境要求較高，一般要在干擾小、具有一定的溫度和濕度要求的機房內使用，PLC則適用于工業現場環境。

③I/O　微型計算機的I/O設備與主機之間采用微電（微弱的電壓、電流信號）聯系，一般不需要電氣隔離。PLC一般控制強電設備，需要電氣隔離，I/O均用光耦合器進行光電隔離，輸出還采用繼電器、晶閘管或大功率晶體管進行功率放大。

④程序設計　微型計算機具有豐富的程序設計語言，如匯編語言、PASCAL語言、C語言等，其語句多、語法關系復雜，要求使用者必須具有一定水平的計算機硬件和軟件知識。PLC提供給用戶的編程語句數量少、邏輯簡單，易于學習和掌握。

⑤系統功能　微型計算機一般配有較強的系統軟件，例如操作系統，能進行設備管理、文件管理、存儲器管理等。它還配有許多應用軟件，以方便用戶使用。PLC一般只有簡單的監控程序，能完成故障檢查、用戶程序的輸入和修改、用戶程序的執行與監視。

⑥運算速度和存儲容量　微型計算機運算速度快，一般為微秒級，因有大量的系統軟件和應用軟件，故存儲容量大。PLC因接口的響應速度慢而影響數據處理速度，一般PLC接口響應速度為2ms，巡回檢測速度為8ms/KB。PLC的軟件少，所編程序也短，故存儲器容量小。

⑦價格　微型計算機是通用機，功能完善，故價格較高，而PLC是專用機，功能較少，其價格相對較低。

從以上幾個方面的比較可知，PLC是一種用于工業自動化控制的專用機系統，它的結構簡單、抗干擾能力強，價格也比一般的微型計算機系統低。總之，PLC與微型計算機相比：PLC繼承了繼電器-接觸器控制系統的基本格式和習慣，對于有繼電器-接觸器控制系統方面知識和經驗的人來說，尤其是現場的技術人員，學習起來十分方便；PLC一般由電控設備的制造廠商研制生產，各廠商的產品不通用。微型計算機是由通用計算機推廣應用發展起來的，一般由微型計算機生產廠商、芯片及板卡制造廠商開發生產。它在硬件結構方面的突出優點是總線標準化程度高、產品兼容性強。PLC運行方式與微型計算機不同，PLC不能直接使用微型計算機的許多軟件。微型計算機可使用各種編程語言，對要求快速、實時性強、模型復雜的工業對象的控制占有優勢，但它要求使用者具有一定的計算機專業知識。PLC一般具有模塊結構，可以針對不同的對象進行組合和擴展。