第1章　PLC簡(jiǎn)介

1.1　PLC概述

1.1.1　PLC的定義及發(fā)展趨勢(shì)

20世紀(jì)60年代，計(jì)算機(jī)開始應(yīng)用于工業(yè)控制，但其編程難，且難以適應(yīng)惡劣的工業(yè)環(huán)境。傳統(tǒng)的繼電器-接觸器組成的控制系統(tǒng)，簡(jiǎn)單易懂，價(jià)格便宜，在工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著重要作用，其最大缺點(diǎn)是接線復(fù)雜，改變?cè)O(shè)計(jì)困難。1968年，美國(guó)通用汽車公司（GM）為了適應(yīng)汽車不斷更新?lián)Q代，生產(chǎn)工藝不斷變化的需要，尋求一種能減少重新設(shè)計(jì)和更換電器控制系統(tǒng)及接線的新型工業(yè)控制器，以降低成本，縮短生產(chǎn)周期。1969年，美國(guó)數(shù)字設(shè)備公司（DEC）研制出世界上第一臺(tái)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(dòng)裝配線上首次試用成功，從而開創(chuàng)了工業(yè)控制的新局面。20世紀(jì)70年代中末期，可編程序控制器進(jìn)入了實(shí)用化發(fā)展階段，20世紀(jì)80年代初，可編程控制器在先進(jìn)工業(yè)國(guó)家廣泛應(yīng)用，20世紀(jì)末期，可編程序控制器已經(jīng)適應(yīng)現(xiàn)代工業(yè)控制的需要，21世紀(jì)初，隨著計(jì)算機(jī)通信技術(shù)的發(fā)展，可編程序控制器重點(diǎn)發(fā)展了網(wǎng)絡(luò)通信能力，并廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制系統(tǒng)的各個(gè)領(lǐng)域。

1980年美國(guó)電氣制造商協(xié)會(huì)（NEMA）正式將其命名為可編程控制器（Programmable Controller），簡(jiǎn)稱PC。為了和個(gè)人計(jì)算機(jī)（PC）相區(qū)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(guó)際電工委員會(huì)（IEC）制定了可編程控制器的標(biāo)準(zhǔn)。可編程控制器是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)，它采用一類可編程的存儲(chǔ)器，用于其內(nèi)部存儲(chǔ)程序，執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程?？删幊炭刂破骷捌溆嘘P(guān)外部設(shè)備，都按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)聯(lián)成一個(gè)整體，易于擴(kuò)充其功能的原則設(shè)計(jì)。

可編程控制器是以微機(jī)技術(shù)為核心的通用工業(yè)自動(dòng)控制裝置。

PLC自問世以來，經(jīng)過40多年的發(fā)展，在美、德、日等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)成為重要的產(chǎn)業(yè)之一。目前，世界上有200多個(gè)生產(chǎn)廠商，較有名的有美國(guó)的艾倫-布拉德利公司、通用電氣公司、莫迪康公司；德國(guó)的西門子公司；法國(guó)的施耐德公司；日本的三菱公司、歐姆龍公司、富士電機(jī)公司、東芝公司、松下電器公司；韓國(guó)的三星公司、LG公司等。我國(guó)使用較多的外國(guó)PLC主要是德國(guó)西門子公司、日本三菱公司和歐姆龍公司生產(chǎn)的系列產(chǎn)品。

近年來，我國(guó)在PLC研制、生產(chǎn)、應(yīng)用上發(fā)展很快。特別是在應(yīng)用方面，在引進(jìn)成套設(shè)備的同時(shí)也配套引進(jìn)了PLC。同時(shí)，對(duì)老舊設(shè)備進(jìn)行改造，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品升級(jí)換代時(shí)，大量應(yīng)用PLC。我國(guó)自己生產(chǎn)制造的設(shè)備也大量采用了PLC控制。在研制生產(chǎn)自己的PLC產(chǎn)品的同時(shí)，我國(guó)也與國(guó)外公司合資生產(chǎn)各種檔次的PLC產(chǎn)品。PLC在國(guó)內(nèi)各行各業(yè)有了極大的應(yīng)用，技術(shù)含量也越來越高，廣泛應(yīng)用于順序控制、運(yùn)動(dòng)控制、過程控制、數(shù)據(jù)處理、通信等類型的控制，獲得了令人矚目的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。特別是PLC遠(yuǎn)程通信功能的實(shí)現(xiàn)及多種功能的編程語(yǔ)言和先進(jìn)的指令系統(tǒng)，為工業(yè)自動(dòng)化提供了有力的工具，加速了機(jī)電一體化進(jìn)程。無(wú)論是國(guó)內(nèi)還是國(guó)外，PLC正向著集成度越來越高、速度越來越快、功能越來越強(qiáng)、性能越來越可靠、使用越來越方便的方向發(fā)展。

1.1.2　PLC的特點(diǎn)、功能及應(yīng)用

PLC是一種新型的通用自動(dòng)化控制裝置，它將傳統(tǒng)的繼電器-接觸器控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)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(qiáng)、編程簡(jiǎn)單、使用方便等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于鋼鐵、石化、電力、機(jī)械制造、汽車裝配、紡織、交通、文化娛樂等各行各業(yè)。隨著PLC性價(jià)比不斷提高，其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)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(yīng)用的領(lǐng)域，取代了傳統(tǒng)的繼電器順序控制，例如注塑機(jī)、印刷機(jī)械、訂書機(jī)械、切紙機(jī)、組合機(jī)床、磨床、裝配生產(chǎn)線、包裝生產(chǎn)線、電鍍流水線及電梯控制等。

②過程控制。在工業(yè)生產(chǎn)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(xù)變化的模擬量?？删幊炭刂破饔蠥/D和D/A轉(zhuǎn)換模塊，可以在過程控制中實(shí)現(xiàn)模擬量控制功能。

③數(shù)據(jù)處理。一般可編程控制器都有四則運(yùn)算指令等運(yùn)算類指令，可以很方便地對(duì)生產(chǎn)過程中的資料進(jìn)行處理。用PLC可以構(gòu)成監(jiān)控系統(tǒng)，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理、控制生產(chǎn)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(jìn)電動(dòng)機(jī)或伺服電機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)各種機(jī)械的位置控制。

⑤通信聯(lián)網(wǎng)。某些控制系統(tǒng)需要多臺(tái)PLC連接起來，使用一臺(tái)計(jì)算機(jī)與多臺(tái)PLC組成分布式控制系統(tǒng)?？删幊炭刂破鞯耐ㄐ拍K可以滿足這些通信聯(lián)網(wǎng)要求。

⑥顯示打印?？删幊炭刂破鬟€可以連接顯示終端和打印等外圍設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)顯示和打印的功能。

1.1.3　PLC與其他控制系統(tǒng)的比較

PLC控制系統(tǒng)與工業(yè)上廣泛使用的繼電器-接觸器控制系統(tǒng)、微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)相比，有其自身的優(yōu)越性，它代表了當(dāng)今電氣程序控制的世界先進(jìn)水平。

（1）PLC控制系統(tǒng)與繼電器-接觸器控制系統(tǒng)的比較

PLC控制系統(tǒng)由輸入設(shè)備、微處理器和存儲(chǔ)器、輸出設(shè)備三部分組成，其控制作用由軟件編程實(shí)現(xiàn)，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(dǎo)線將基本控制環(huán)節(jié)相互連接，實(shí)現(xiàn)特定的控制要求。傳統(tǒng)的繼電器-接觸器控制系統(tǒng)由輸入設(shè)備、繼電器-接觸器控制線路、輸出設(shè)備三部分組成，其控制作用由繼電器-接觸器實(shí)現(xiàn)，如圖1-3所示。

傳統(tǒng)的繼電器-接觸器控制系統(tǒng)如圖1-4所示。

PLC是在傳統(tǒng)的繼電器-接觸器控制系統(tǒng)上發(fā)展起來的，PLC編程語(yǔ)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(tǒng)還存在一些區(qū)別，主要表現(xiàn)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(jī)械觸點(diǎn)的串聯(lián)或并聯(lián)及時(shí)間繼電器的延時(shí)動(dòng)作等組合成控制邏輯，其接線多而復(fù)雜，體積大，功耗大，一旦系統(tǒng)構(gòu)成后想再改變或增加功能都很困難。另外，繼電器觸點(diǎn)數(shù)目有限，每只有4～8對(duì)觸點(diǎn)，因此靈活性和擴(kuò)展性很差。PLC控制邏輯采用存儲(chǔ)器邏輯，其控制邏輯以程序方式存儲(chǔ)在存儲(chǔ)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(diǎn)數(shù)在理論上無(wú)限制，因此靈活性和擴(kuò)展性很好。PLC由中大規(guī)模集成電路組成，功耗小。

②工作方式　當(dāng)電源接通時(shí)，繼電器-接觸器控制線路中各繼電器都處于受約束狀態(tài)，即該吸合的都應(yīng)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(huán)掃描接通之中，從宏觀上看，每個(gè)繼電器受制約接通的時(shí)間是短暫的。

③控制速度　繼電器-接觸器控制邏輯依靠觸點(diǎn)的機(jī)械動(dòng)作實(shí)現(xiàn)控制，工作頻率低，且觸點(diǎn)的通斷動(dòng)作一般在幾十毫秒數(shù)量級(jí)。另外，機(jī)械觸點(diǎn)還會(huì)出現(xiàn)抖動(dòng)問題。PLC是由程序指令控制半導(dǎo)體電路來實(shí)現(xiàn)控制的，速度極快，一般用戶指令執(zhí)行時(shí)間在微秒數(shù)量級(jí)。PLC內(nèi)部還有嚴(yán)格的同步，不會(huì)出現(xiàn)抖動(dòng)問題。

④限時(shí)控制　繼電器-接觸器控制邏輯利用時(shí)間繼電器的延時(shí)動(dòng)作進(jìn)行限時(shí)控制。時(shí)間繼電器一般定時(shí)精度不高，調(diào)整時(shí)間困難，有些特殊的時(shí)間繼電器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不便維護(hù)。PLC使用半導(dǎo)體集成電路作定時(shí)器，時(shí)基脈沖由晶體振蕩器產(chǎn)生，精度相當(dāng)高，且定時(shí)時(shí)間不受環(huán)境影響，定時(shí)范圍大。用戶可根據(jù)需要在程序中設(shè)定定時(shí)值，然后由軟件和硬件計(jì)數(shù)器來控制定時(shí)時(shí)間。

⑤計(jì)數(shù)限制　繼電器-接觸器控制邏輯一般不具備計(jì)數(shù)功能，而PLC能實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)功能。

⑥設(shè)計(jì)和施工　繼電器-接觸器控制邏輯完成一項(xiàng)控制工程，其設(shè)計(jì)、施工、調(diào)試必須依次進(jìn)行，周期長(zhǎng)，工程越大這一點(diǎn)就越突出。而用PLC完成一項(xiàng)控制工程時(shí)，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成以后，現(xiàn)場(chǎng)施工和控制邏輯的設(shè)計(jì)（包括梯形圖設(shè)計(jì)）可以同時(shí)進(jìn)行，其周期短，且調(diào)試、維修方便。

⑦可靠性和可維護(hù)性　繼電器-接觸器控制邏輯使用了大量的機(jī)械觸點(diǎn)，連線也多。觸點(diǎn)通斷時(shí)會(huì)受到電弧的損壞，并有機(jī)械磨損，壽命短，因此可靠性和可維護(hù)性差。PLC采用微電子技術(shù)，大量的開關(guān)動(dòng)作由無(wú)觸點(diǎn)的半導(dǎo)體器件來完成，它體積小、壽命長(zhǎng)、可靠性高。PLC還配有自檢和監(jiān)督功能，能檢查出自身的故障，并隨時(shí)顯示給操作人員，還能動(dòng)態(tài)地監(jiān)視控制程序的執(zhí)行情況，為現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試和維護(hù)提供了方便。

⑧價(jià)格　繼電器-接觸器控制邏輯使用機(jī)械開關(guān)、繼電器和接觸器，價(jià)格比較低，而PLC使用中大規(guī)模集成電路，價(jià)格比較高。

從以上幾個(gè)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(yōu)異、可靠性高、設(shè)計(jì)施工周期短、調(diào)試修改方便，但其價(jià)格高于繼電器-接觸器控制系統(tǒng)。從系統(tǒng)的性價(jià)比而言，PLC具有很大的優(yōu)勢(shì)。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(wǎng)絡(luò)通信功能，可附加高性能模塊對(duì)模擬量進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)了各種復(fù)雜控制功能。

（2）PLC控制系統(tǒng)與微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)比較

微型計(jì)算機(jī)是通用的專用機(jī)，主要用于信息處理，其最大特征是運(yùn)算快、功能強(qiáng)、應(yīng)用范圍廣。如果采用微型計(jì)算機(jī)作為某一設(shè)備的控制器，就必須根據(jù)實(shí)際需要考慮抗干擾問題和軟、硬件設(shè)計(jì)，以適應(yīng)設(shè)備控制的專門需要。這樣，就把通用的微型計(jì)算機(jī)轉(zhuǎn)化為具有特殊功能的控制器而成為一臺(tái)專用機(jī)。PLC是一種為適應(yīng)工業(yè)控制環(huán)境而設(shè)計(jì)的專用計(jì)算機(jī)，主要用于功能控制，選配對(duì)應(yīng)的模塊便可適用于各種工業(yè)控制系統(tǒng)，而用戶只需改變用戶程序即可滿足工業(yè)控制系統(tǒng)的具體控制要求。

PLC與微型計(jì)算機(jī)的主要差異及各自的特點(diǎn)主要表現(xiàn)為以下方面。

①應(yīng)用范圍　微型計(jì)算機(jī)除了控制領(lǐng)域外，還大量用于科學(xué)計(jì)算、數(shù)據(jù)處理、計(jì)算機(jī)通信等領(lǐng)域，而PLC主要用于工業(yè)控制領(lǐng)域。

②使用環(huán)境　微型計(jì)算機(jī)對(duì)環(huán)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(jī)房?jī)?nèi)使用，PLC則適用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境。

③I/O　微型計(jì)算機(jī)的I/O設(shè)備與主機(jī)之間采用微電（微弱的電壓、電流信號(hào)）聯(lián)系，一般不需要電氣隔離。PLC一般控制強(qiáng)電設(shè)備，需要電氣隔離，I/O均用光耦合器進(jìn)行光電隔離，輸出還采用繼電器、晶閘管或大功率晶體管進(jìn)行功率放大。

④程序設(shè)計(jì)　微型計(jì)算機(jī)具有豐富的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，如匯編語(yǔ)言、PASCAL語(yǔ)言、C語(yǔ)言等，其語(yǔ)句多、語(yǔ)法關(guān)系復(fù)雜，要求使用者必須具有一定水平的計(jì)算機(jī)硬件和軟件知識(shí)。PLC提供給用戶的編程語(yǔ)句數(shù)量少、邏輯簡(jiǎn)單，易于學(xué)習(xí)和掌握。

⑤系統(tǒng)功能　微型計(jì)算機(jī)一般配有較強(qiáng)的系統(tǒng)軟件，例如操作系統(tǒng)，能進(jìn)行設(shè)備管理、文件管理、存儲(chǔ)器管理等。它還配有許多應(yīng)用軟件，以方便用戶使用。PLC一般只有簡(jiǎn)單的監(jiān)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(zhí)行與監(jiān)視。

⑥運(yùn)算速度和存儲(chǔ)容量　微型計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度快，一般為微秒級(jí)，因有大量的系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件，故存儲(chǔ)容量大。PLC因接口的響應(yīng)速度慢而影響數(shù)據(jù)處理速度，一般PLC接口響應(yīng)速度為2ms，巡回檢測(cè)速度為8ms/KB。PLC的軟件少，所編程序也短，故存儲(chǔ)器容量小。

⑦價(jià)格　微型計(jì)算機(jī)是通用機(jī)，功能完善，故價(jià)格較高，而PLC是專用機(jī)，功能較少，其價(jià)格相對(duì)較低。

從以上幾個(gè)方面的比較可知，PLC是一種用于工業(yè)自動(dòng)化控制的專用機(jī)系統(tǒng)，它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、抗干擾能力強(qiáng)，價(jià)格也比一般的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)低。總之，PLC與微型計(jì)算機(jī)相比：PLC繼承了繼電器-接觸器控制系統(tǒng)的基本格式和習(xí)慣，對(duì)于有繼電器-接觸器控制系統(tǒng)方面知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)的人來說，尤其是現(xiàn)場(chǎng)的技術(shù)人員，學(xué)習(xí)起來十分方便；PLC一般由電控設(shè)備的制造廠商研制生產(chǎn)，各廠商的產(chǎn)品不通用。微型計(jì)算機(jī)是由通用計(jì)算機(jī)推廣應(yīng)用發(fā)展起來的，一般由微型計(jì)算機(jī)生產(chǎn)廠商、芯片及板卡制造廠商開發(fā)生產(chǎn)。它在硬件結(jié)構(gòu)方面的突出優(yōu)點(diǎn)是總線標(biāo)準(zhǔn)化程度高、產(chǎn)品兼容性強(qiáng)。PLC運(yùn)行方式與微型計(jì)算機(jī)不同，PLC不能直接使用微型計(jì)算機(jī)的許多軟件。微型計(jì)算機(jī)可使用各種編程語(yǔ)言，對(duì)要求快速、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、模型復(fù)雜的工業(yè)對(duì)象的控制占有優(yōu)勢(shì)，但它要求使用者具有一定的計(jì)算機(jī)專業(yè)知識(shí)。PLC一般具有模塊結(jié)構(gòu)，可以針對(duì)不同的對(duì)象進(jìn)行組合和擴(kuò)展。