1.2　PLC概述

1.2.1　PLC的概念

可編程邏輯控制器（PLC）是一種具有微處理器的數字電子設備，用于自動化控制的數位邏輯控制器，可以將控制指令隨時載入記憶體內儲存與執行。PLC由內部CPU、指令及資料記憶體、輸入/輸出單元、電源模組、數位類比等單元所模組化組合而成。PLC可接收和發送多種形態的電氣或電子信號，并使用它們來控制或監督幾乎所有種類的機械與電氣系統。

早期的可編程邏輯控制器只有邏輯控制的功能，被命名為可編程控制器（Programmable Controller，PC），后來隨著技術的不斷發展，這些當初功能簡單的計算機模塊不僅有邏輯控制，還增加了時序控制、模擬控制、多機通信等各類功能，但是它的縮寫PC與個人電腦（Personal Computer）的縮寫相同，同時為了體現最初的邏輯控制功能，于是名稱也改為可編程邏輯控制器（PLC）。

1.2.2　PLC的優勢和特點

PLC是微機技術與傳統的繼電器接觸控制技術相結合的產物，它克服了繼電器接觸控制系統中機械觸點接線復雜、可靠性低、功耗高、通用性和靈活性差的缺點，充分利用了微處理器的優點，又照顧到現場電氣操作維修人員的技能與習慣。特別是PLC的程序編制，不要求掌握專業的計算機編程語言知識，而是采用了一套以繼電器梯形圖為基礎的簡單指令形式，使用戶程序的編制形象、直觀、方便易學；調試與查錯也都很方便。用戶在購到所需的PLC后，只需按說明書的提示，做少量的接線和簡易的用戶程序編制工作，就可靈活方便地將PLC應用于生產實踐。其主要優勢和特點表現在以下五大方面：

第一，可靠性高，抗干擾能力強。高可靠性是電氣控制設備的關鍵性能。PLC由于采用現代大規模集成電路技術，采用嚴格的生產工藝制造，內部電路采取了先進的抗干擾技術，具有很高的可靠性。例如，三菱公司生產的F系列PLC的平均無故障工作時間高達30萬小時。一些使用冗余CPU的PLC的平均無故障工作時間則更長。從PLC的機外電路來說，使用PLC構成的控制系統和同等規模的繼電器接觸控制系統相比，電氣接線及開關接點減少到數百分之一甚至數千分之一，故障率也就大大降低。此外，PLC帶有硬件故障自我檢測功能，出現故障時可及時發出警報信息。在應用軟件中，應用者還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。因此，整個系統也就具有極高的可靠性。

第二，配套齊全，功能完善，適用性強。PLC發展到今天，已經形成了大、中、小各種規模的系列化產品，可以用于各種規模的工業控制場合。除了邏輯處理功能以外，現代PLC大多具有完善的數據運算能力，可用于各種數字控制領域。近年來，PLC的功能單元大量涌現，使PLC滲透到位置控制、溫度控制、CNC（Computerized Numerical Control，計算機數控）等各種工業控制中。PLC通信能力的增強及人機界面技術的發展使得用PLC組成各種控制系統變得非常容易。

第三，易學易用，實用性強。PLC作為通用工業控制計算機，是面向工礦企業的工控設備。它接口容易，編程語言易于為工程技術人員所接受。梯形圖語言的圖形符號與表達方式和繼電器電路圖相當接近，只用PLC的少量開關量邏輯控制指令就可以方便地實現繼電器電路的功能，為不熟悉電子電路、不懂計算機原理和匯編語言的人使用計算機從事工業控制打開了方便之門。

第四，系統的設計建造工作量小，維護方便，容易改造。PLC用存儲邏輯代替接線邏輯，大大減少了控制設備外部的接線，使控制系統設計及建造的周期大為縮短，同時維護也變得容易起來。更重要的是，使同一設備通過改變程序來改變生產過程成為可能。這個特點特別適合多品種、小批量的生產場合。

第五，體積小，重量輕，能耗低。以超小型PLC為例，最近出產的PLC品種，其底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗僅數瓦。由于體積小，很容易裝入機械內部，是實現機電一體化的理想控制設備。

1.2.3　PLC的產生以及國內外的發展歷史

PLC的產生可以說是美國汽車工業生產技術的發展促進的。“二戰”后，美國憑借汽車、鋼鐵、飛機等領域的絕對優勢成為世界制造業霸主。1948—1966年，美國一直是全球最大的貿易順差國，在強大的制造業驅動下，美國需要更先進的生產工具來推動其制造業的發展。

在PLC出現之前，工業生產中廣泛應用的電氣自動控制系統一般是繼電器控制系統。例如，控制電機運行的，都是將繼電器、接觸器、按鈕開關等電器按控制要求連接起來的硬控制系統。繼電器接觸控制雖然有價格低廉、線路簡單、抗干擾能力強的特點，但其體積龐大、改變控制程序必須重新接線、觸頭間電弧影響觸頭壽命等缺點越發明顯。在工業競爭越來越激烈、產品更新換代越來越頻繁的形勢下，繼電器控制系統難以滿足需求。于是市場迫切需要一種更先進的控制系統來取代繼電器控制系統。

20世紀60年代，美國通用汽車公司在對工廠生產線進行調整時，發現繼電器、接觸器控制系統修改難、體積大、噪聲大、維護不方便而且可靠性差，于是提出了著名的“通用十條”招標指標。本來，Dick Morley只因厭倦了重復的機床操作員工作，想要發明一個集所有功能于一個編輯器的“神器”，于是寫出了自己的梯形圖邏輯。在這種措施的鼓勵下，由Dick Morley和George Schwenk于1964年成立的Bedford Associates（貝德福德協會）因此獲得了通用的原型機測試資格。1968年Bedford Associates成立了第七家控制公司，取名Modicon（莫迪康），其在Dick Morley領導下于1969年成功推出了自己的PLC產品，基于該產品是Modicon的第84個項目，產品取名“Modicon 084”。“Modicon 084”可編程控制器及后續產品很快在離散制造業的控制器中占據統治地位，還逐漸擴散到流程工業和間歇制造的批量生產過程，Dick Morley由此被譽為“PLC之父”。

最初使用PLC的目的是替代機械開關裝置。然而，自1969年以來，PLC的功能逐漸代替了繼電器控制板。現代PLC具有更多的功能，其用途從單一過程控制延伸到整個制造系統的控制和監測。1969年，美國數字化設備公司研制出第一臺可編程控制器（PDP-14），在通用汽車公司的生產線上正式試用。Dick Morley基于集成電路和電子技術發展的控制裝置使得電氣控制功能實現程序化，功能越來越強大，其概念和內涵也不斷擴展，這就是第一代可編輯控制器，但當時還不叫PLC，而是叫作PC。后來隨著個人電腦（也叫PC）的快速發展，為了反映可編程控制器的功能特點，美國A- B公司將可編程控制器命名為可編程邏輯控制器，即PLC，并將“PLC”作為其產品的注冊商標。

美國人發明了PLC之后，其他國家也紛紛跟進，1971年日本成功研制出第一臺PLC產品DCS-8；緊接著1973年德國西門子公司也研制出歐洲第一臺型號為SIMATIC S4的可編程邏輯控制器。中國與國際先進國家幾乎同步研究半導體、電子技術，因此在歐美研制出PLC不久后，中國也于1974年研制出第一臺可編程邏輯控制器，并于1977年開始應用在工業上。

從20世紀70年代中后期開始，PLC進入了實用化發展階段，計算機技術得以全面引入PLC中，使其功能發生了飛躍。更快的運算速度、超小型體積、更可靠的工業抗干擾設計、模擬量運算、PID功能以及極高的性價比，都奠定了其在現代工業中的地位。

自20世紀80年代初，PLC在先進工業國家中獲得了廣泛應用，同時世界上生產PLC的國家日益增多，其產量日益上升，標志著PLC已經步入成熟應用階段。至90年代中期，這段時間是PLC發展最快的時期，年增長率一直保持在30%~40%。在這一時期，PLC在處理模擬量能力、數字運算能力、人機接口能力和網絡能力方面也得到了大幅度提高，PLC逐漸進入過程控制領域，在某些應用上取代了在過程控制領域處于統治地位的DCS（Distributed Control System，集散控制系統）。

到20世紀末期，工業發展大爆發，為更加適用于現代工業，使應用PLC的工業控制設備的配套變得更加容易，各種各樣的大型機和超小型機、特殊功能單元、人機界面單元、通信單元等產品誕生了。

縱觀全世界，美國PLC發展最早、最快。1984年已有48家廠家，生產150多種PLC；1987年有63家廠家，生產243種PLC；1996年有70余家廠家，生產近300種PLC。著名廠家有艾倫—布拉德利（A- B，Allen- Bradley）公司，莫迪康（Modicon）公司，通用電氣（GE- FSNUC）公司，德州儀器（TI，Texas Instruments）公司，西屋電氣（Westinghouse Electric）公司，國際并行機器（IPM，International Parallel Machines）公司等。

歐洲方面，PLC的廠家有60余家。德國西門子（Siemens）于1973年研制出第一臺PLC。后來德國的金鐘默勒（Klockner Moeller Gmbh）公司、AEG公司和法國的TE（Telemecanique）公司（施耐德旗下）以及瑞士的Selectron公司等也發展起來，在全球占有重要地位。

日本自從美國引進PLC技術，1971年由日立（Hitachi）公司研制成功日本第一臺PLC，現在日本生產PLC的廠家有40余家，其中著名品牌有：三菱電機（Mitsubishi Electric）、歐姆龍（Omron）、富士電機（Fuji Electric）、東芝（Toshiba）、光洋（Koyo）、松下電工（MEW）、和泉（IDEC）、夏普（Sharp）、安川（Yaskawa）等。

國內方面，PLC從最初的從外國引進，到后來吸收PLC的關鍵技術試圖進行國產化，PLC經過了一個迅速發展的歷程，主要可以分成三個階段。第一階段，引進階段。我國在20世紀70年代末和80年代初開始引進PLC。我國早期參與引進PLC的單位有：北京機械工業自動化研究所、上海工業自動化儀表研究所、大連組合機床研究所、成都機床電器研究所、中國科學院計算技術研究所及自動化研究所、長春一汽、上海起重電器廠、上海香島機電制造公司、上海自力電子設備廠等單位，但是，以上單位都沒有形成規模化生產。第二階段，吸收階段。隨著改革開放進行，國內PLC生產走合資模式。比如，遼寧無線電二廠引進德國西門子；無錫電器和日本光洋合資；中美合資的廈門A- B公司；上海香島機電制造公司；上海歐姆龍公司；西安西門子公司等。第三階段，建立品牌階段。21世紀以后，隨著PLC在國內的進一步發展，國內廠商的PLC主要集中于小型PLC，如歐辰、億維等，還有一些廠商生產中型PLC，如盟立、南大傲拓等，還有許多小廠商是貼牌生產或仿造生產，真正自主研發生產的占少數，而且集中在中國臺灣，并且臺灣廠商比大陸廠商做得更好些，市場也更廣闊。從技術角度來看，國內外的小型PLC差距正在縮小，如無錫信捷、蘭州全志等公司生產的微型PLC已經比較成熟，有些國產PLC（如和利時、凱迪帝）已經擁有符合IEC標準的編程軟件、支持現場總線技術等。當前比較有名的品牌有臺達、永宏、盟立、和利時等。圖1-2顯示了2014年和2019年全球PLC市場占比對比，可以看出，國內PLC品牌的競爭近年來取得非常大的進步，不過主要表現在小型PLC上，在大型PLC方面離真正批量生產、市場化經營乃至創建品牌還有很長的路要走。

1.2.4　PLC的應用領域

PLC在工業自動化中起著舉足輕重的作用，在國內外已廣泛應用于機械、冶金、石油、化工、輕工、紡織、電力、電子、食品、交通等行業。經驗表明，80%以上的工業控制可以使用PLC來完成。在日本工業最輝煌時期，凡8個以上中間繼電器組成的控制系統都已采用PLC來取代。

PLC作為安全和精準工控手段，可控制溫度、壓力、氣體流量、液體流量等工業需要，將原本的半自動化與手動化工作演變為自動化工作，包括常見的空氣開關、壓力變送器、流量表等。從控制內容看，PLC主要應用于以下幾方面：

（1）開環控制。開關量的開環控制是PLC的最基本控制功能。PLC的指令系統具有強大的邏輯運算能力，很容易實現定時、計數、順序（步進）等各種邏輯控制。大部分PLC就是用來取代傳統的繼電器接觸控制系統的。

（2）模擬量閉環。模擬量的閉環控制系統中，除了要有開關量的輸入/輸出外，還要有模擬量的輸入/輸出點，以便采樣輸入和調節輸出，實現對溫度、流量、壓力、位移、速度等參數的連續調節與控制。目前的PLC不但大型、中型機具有這種功能，一些小型機也具有這種功能。

（3）數字量控制。控制系統具有旋轉編碼器和脈沖伺服裝置（如步進電動機）時，可利用PLC獲得接收和輸出高速脈沖的功能，實現數字量控制。較為先進的PLC還專門開發了數字控制模塊，可實現曲線插補功能，2010年后又推出了新型運動單元模塊，能提供數字量控制技術的編程語言，使PLC更容易實現數字量控制。

（4）數據采集監控。由于PLC主要用于現場控制，因此采集現場數據是十分必要的功能。在此基礎上，將PLC與上位計算機或觸摸屏相連接，既可以觀察這些數據的當前值，又能及時進行統計分析。有的PLC具有數據記錄單元，可以用一般個人電腦的存儲卡插入該單元中，以保存采集到的數據。PLC的另一個特點是自檢信號多，利用這個特點，PLC控制系統可以實現自診斷式監控，減少系統的故障，增強系統的可靠性。

1.2.5　PLC的基本性能指標

PLC通過運行程序實現控制，不斷擴大控制規模，發揮PLC多種多樣的作用，其基本性能可從以下幾方面予以概括：

（1）工作速度。指PLC掃描1000步用戶程序所需的時間，即PLC的CPU執行指令的速度及對急需處理的輸入信號的響應速度，一般以ms/千步為單位。這個時間越短越好，現已從微秒級縮短到零點微秒級，隨著微處理器技術的進步，這個時間還在縮短。工作速度是PLC工作的基礎，其關系到PLC對輸入信號的響應速度，是PLC對系統的控制是否及時的反映。控制不及時，就不可能準確與可靠，特別是對一些需作快速響應的系統。這就是把工作速度作為PLC第一指標的原因。

（2）I/O點數。其與PLC外部輸入、輸出電路數有關。其代表PLC控制能力，看其能對多少輸入/輸出點及對多少路模擬進行控制。如控制規模為1024點，那就得有1024條I/O電路。點數多，系統的存儲器輸入/輸出的信號區（輸入/輸出繼電器區或稱輸入/輸出映射區）也大。I/O點數是PLC劃分為微、小、中、大和特大型的重要指標。

（3）內存大小。其用來衡量PLC所能存儲用戶程序的多少。內存越大，能存儲的用戶程序越長，PLC指令條數越多，指令的功能也越強，能對點數更多的系統進行控制。內存器件種類越多、數量越多，越便于PLC進行種種邏輯量及模擬控制。內存大小也是代表PLC性能的重要指標。

（4）指令系統條數。指PLC具有的基本指令和高級指令的種類和數量，種類、數量越多，軟件功能越強。

（5）編程元件的種類和數量。編程元件指輸入繼電器、輸出繼電器、輔助繼電器、定時器、計數器、通用“字”寄存器、數據寄存器及特殊功能繼電器等，其種類和數量是衡量PLC的一個指標。

除了以上五方面指標外，還有組成模塊數量、支持軟件數量和可靠控制等技術指標。此外，還要考慮經濟指標。經濟指標最簡單的就是看價格。一般來說，同樣技術性能的PLC，價格越低，其經濟指標就越好；還有就是要看供貨情況、技術服務等。

例如，三菱的FX2N-48MR的主要技術數據如下：

工作電源：24V DC

輸入點數：24

輸出點數：24

輸入信號類型：直流或開關量

輸入電流：24V DC 5mA

模擬輸入：-10V~+10V（-20mA~+20mA）

輸出晶體管允許電流：0.3A/點（1.2A/COM）

輸出電壓規格：30V DC

最大負載：9W

輸出反應時間：Off→On 20μs On→Off 30μs

基本指令執行時間：數個μs

程序語言：指令+梯形圖+SFC

程序容量：3792STEPS

基本順序指令：32個（含步進梯形指令）

應用指令：100種

初始步進點：S0~S9

一般步進點：118點，S10~S127

輔助繼電器：一般用512+232點（M000~M511+M768~M999）

停電保持用256點（M512~M767）

特殊用280點（M1000~M1279）

定時器：100ms時基64點（T0~T63）

10ms時基63點（T64~T126，M1028為ON時）

1ms時基1點（T127）

計數器：一般用112點（C000~C111，16位計數器）

停電保持用16點（C112~C127，16位計數器）

高速用13點1相5kHz，2相2kHz（C235~C254，全部為停電

保持32位計數器）

數據寄存器：一般用408點（D000~D407）

停電保持用192點（D408~D599）

特殊用144點（D1000~D1143）

指針/中斷：P64點；I4點（P0~P63/I001、I101、I201、I301）

串聯通信口：程序寫入/讀出通信口：RS232

一般功能通信口：RS485

主機電源：220V AC

1.2.6　PLC的發展趨勢

從市場發展趨勢看，伴隨著國內工控水平的不斷提升與新工業時代革命的到來，國內PLC持續發展，并在新能源、環保等新興行業中不斷取得業務突破點。以國內市場為例，據統計，如圖1-3所示，2020年中國PLC行業市場規模為125億元，同比上升9.65%，未來在自動化升級和智能制造的邏輯下，PLC市場規模有望持續擴張。

2020年國內PLC市場中西門子市場占有率高達44.3%，如圖1-4所示，獨攬近一半國內PLC市場份額。西門子的產品多以中大型PLC為主，依靠自身強大的技術與行業實力，西門子中大型PLC產品能夠持續獲得較高的毛利率與市場份額。三菱、歐姆龍、羅克韋爾等廠商的市場占有率緊隨其后，產品覆蓋大中小型PLC。國內PLC市場仍然以外資品牌為主，西門子、三菱、歐姆龍、羅克韋爾、臺達和施耐德六家外資品牌2020年在國內PLC市場占有率高達83.1%，本土PLC廠商的占有率不足兩成，伴隨著國內技術的進步，國產PLC市場占有率有望提升。

從PLC的技術發展趨勢看，隨著半導體技術、計算機技術和通信技術的發展，工業控制領域已有翻天覆地的變化，特別是工業4.0時代到來，PLC亦在不斷地朝著新的技術發展。除此之外，人工智能的崛起也要求傳統PLC做出改變，深度學習算法與大數據技術將進一步應用于PLC之中，智能生產、優化決策、大數據賦能、精準執行和柔性生產等將成為PLC未來發展的重要方向。

首先，從產品規模上看，PLC將朝兩極化發展。一方面，PLC產品規模將向速度更快、性價比更高的小型和超小型PLC發展，以適應單機及小型自動控制的需要（超小型化）；另一方面，PLC產品規模將向高速度、大容量、技術完善的大型PLC發展（超大型化）。同時，隨著復雜系統控制的要求越來越高、微處理器和計算機技術的不斷發展，客戶對PLC信息處理速度的要求越來越高，對用戶存儲器容量的要求越來越高，PLC將向高速度、大存儲容量方向發展（比如，CPU處理速度nS級；內存2M字節）。

其次，隨信息時代的深入，PLC將朝通信網絡化發展。PLC網絡控制是當前控制系統和PLC技術發展的潮流，PLC與PLC之間的聯網通信、PLC與上位計算機的聯網通信已得到廣泛應用。目前，PLC制造商都在發展自己專用的通信模塊和通信軟件，以加強PLC的聯網能力，各PLC制造商之間也在協商制定通用的通信標準，以構成更大的網絡系統，加強聯網和通信的能力。PLC已成為集散控制系統不可缺少的組成部分。

再次，從兼容性上看，PLC將向與驅動器一體化方向發展。隨著PLC在產品技術和解決方案上對軟件能力的要求越來越高，單一維度的通用產品未來將難以滿足市場的需求，一體化專機將成為未來的發展趨勢；“控制+驅動”一體化將成為行業內各工業自動化控制設備廠商的發展方向，通過PLC和驅動器產品的一體化，可極大地降低和減小系統成本與體積、提升系統總體性能。因此，產品將向更加規范化、標準化（硬件、軟件兼容的PLC）發展。

最后，從結構上看，PLC產品將向模塊化、智能化發展。為滿足工業自動化各種控制系統的需要，控制的開放和模塊化的體系結構將成為PLC發展的目標之一。近年來，PLC制造商先后開發了不少新器件和模塊，如智能I/O模塊、溫度控制模塊和專門用于檢測PLC外部故障的專用智能模塊等，這些模塊的開發和應用不僅增強了功能，擴展了PLC的應用范圍，還增強了系統的可靠性。

總之，“工控+互聯網+智能”成為PLC發展的新趨勢。工業3.0實現了生產的自動化，使大量的自動化控制系統及儀表設備得以應用；工業4.0將實現生產的智能化，突破的重點由自動化設備轉向智能化軟件，通過把行業知識和經驗寫入智能軟件，打造“智慧工業大腦”，實現降本增效、安全可控、綠色環保的智能化生產過程。互聯網能力的提升是目前PLC技術的重要發展方向之一，伴隨著工業生產規模的不斷擴大，對傳統的單一設備控制、小范圍控制的PLC設備的需求正在逐步縮減，生產規模的擴大與生產中的規模效應對大型PLC設備提出了跨設備、跨廠區的新需求。在5G技術進一步落地的背景之下，技術與需求端倒逼PLC的通信能力提升，“互聯網+”成為PLC發展的必經之路。