1.2 知識(shí)鏈接：PLC的演化與定義

1.2.1 第一臺(tái)PLC

顯然，對于增氧泵控制來說，采用標(biāo)準(zhǔn)定時(shí)器也可以實(shí)現(xiàn)上述要求，但是線路較復(fù)雜，而且數(shù)量要求多。因此在中大型增氧泵控制中，采用PLC（可編程控制器）已經(jīng)成為潮流，因?yàn)橐粋€(gè)小小的PLC，它所蘊(yùn)藏的定時(shí)控制器就達(dá)256個(gè)之多，而且功能強(qiáng)大。

可編程控制器，英文名為Programmable Logic Controller，簡稱PLC。

在20世紀(jì)60年代，汽車生產(chǎn)流水線的自動(dòng)控制系統(tǒng)基本上都是由繼電器控制裝置構(gòu)成的。當(dāng)時(shí)汽車的每一次改型都直接導(dǎo)致繼電器控制裝置的重新設(shè)計(jì)和安裝。隨著生產(chǎn)的發(fā)展，汽車型號更新的周期越來越短，這樣，繼電器控制裝置就需要經(jīng)常重新設(shè)計(jì)和安裝，十分費(fèi)時(shí)、費(fèi)工、費(fèi)料，甚至阻礙了更新周期的縮短。為了改變這一現(xiàn)狀，美國通用汽車公司在1969年公開招標(biāo)，要求用新的控制裝置取代繼電器控制裝置，并提出了十項(xiàng)招標(biāo)指標(biāo)，即：（1）編程方便，現(xiàn)場可修改程序；（2）維修方便，采用模塊化結(jié)構(gòu)；（3）可靠性高于繼電器控制裝置；（4）體積小于繼電器控制裝置；（5）數(shù)據(jù)可直接送入管理計(jì)算機(jī)；（6）成本可與繼電器控制裝置競爭；（7）輸入可以是交流電115 V；（8）輸出為交流電115 V，2 A以上，能直接驅(qū)動(dòng)電磁閥、接觸器等；（9）在擴(kuò)展時(shí)，原系統(tǒng)只要很小變更；（10）用戶程序存儲(chǔ)器容量至少能擴(kuò)展到4 KB。

1969年，美國數(shù)字設(shè)備公司（DEC）研制出第一臺(tái)PLC，在美國通用汽車自動(dòng)裝配線上試用，獲得了成功。這種新型的工業(yè)控制裝置以其簡單易懂、操作方便、可靠性高、通用靈活、體積小、使用壽命長等一系列優(yōu)點(diǎn)，很快在美國其他工業(yè)領(lǐng)域推廣應(yīng)用。到1971年，已經(jīng)成功應(yīng)用于食品、飲料、冶金、造紙等工業(yè)。這一新型工業(yè)控制裝置的出現(xiàn)，也受到了世界其他國家的高度重視。1971，日本從美國引進(jìn)了這項(xiàng)新技術(shù)，很快研制出了日本第一臺(tái)PLC。1973年，西歐國家也研制出它們的第一臺(tái)PLC。我國從1974年開始研制，于1977年開始工業(yè)應(yīng)用。

1.2.2 繼電器、梯形圖邏輯到PLC的演化

繼電器無論在過去還是現(xiàn)在一直都得到了廣泛的應(yīng)用。但是作為控制系統(tǒng)的核心，繼電器已經(jīng)很少使用，而是被PLC所替代，這是因?yàn)镻LC從一開始就融合了繼電控制回路。

繼電器的原理非常簡單。以電磁式繼電器為例，它一般是由鐵芯、線圈、銜鐵、觸點(diǎn)簧片等組成的。只要在線圈兩端加上一定的電壓，線圈中就會(huì)流過一定的電流，從而產(chǎn)生電磁效應(yīng)，銜鐵就會(huì)在電磁力的作用下克服返回彈簧的拉力吸向鐵芯，從而帶動(dòng)銜鐵的動(dòng)觸點(diǎn)與靜觸點(diǎn)（常開觸點(diǎn)）吸合。當(dāng)線圈斷電后，電磁的吸力也隨之消失，銜鐵就會(huì)在彈簧的反作用力下返回原來的位置，使動(dòng)觸點(diǎn)與原來的靜觸點(diǎn)（常閉觸點(diǎn)）吸合。這樣吸合、釋放，從而達(dá)到了在電路中的導(dǎo)通、切斷的目的，如圖1.2所示。

梯形圖是實(shí)現(xiàn)順序控制邏輯的專用設(shè)計(jì)工具，用它來描述的控制邏輯非常直觀易懂。如圖1.3所示，線圈A、B和線圈C中常開、常閉觸點(diǎn)與線圈的邏輯關(guān)系可以很方便地用梯形圖邏輯來表示，即輸入A非與輸入B相與，其結(jié)果就是輸出C。由此看來，梯形圖工具使得輸入和輸出的邏輯關(guān)系更加簡便，其開發(fā)效率高、對電路設(shè)計(jì)者的要求很低。

梯形圖以兩條平行的豎線分別表示電源線和地線。在這兩條豎線之間，用橫線表示電氣連接線，將各種代表邏輯量（“ON”或“OFF”）的元件觸點(diǎn)及輸出執(zhí)行元件的線圈用橫線串接成一條電氣回路。多條這樣的回路并列在一起，形狀如同階梯，就構(gòu)成了實(shí)現(xiàn)所需順序控制邏輯的梯形圖。

一個(gè)典型的順序控制電路的梯形圖如圖1.4所示。在梯形圖回路中，當(dāng)所有串聯(lián)的觸點(diǎn)全部都處于“ON”狀態(tài)時(shí)，回路就處于導(dǎo)通狀態(tài)，回路末端的輸出執(zhí)行元件線圈被接通。例如，當(dāng)A為“OFF”，B為“ON”時(shí)，執(zhí)行元件C就被接通，產(chǎn)生輸出動(dòng)作。

從圖1.4中可以看出，在這個(gè)控制電路中，輸入和輸出是被隔離的，它們之間的關(guān)系就是靠梯形圖來建立的。假如這個(gè)梯形圖不是固定的，而是可以隨意進(jìn)行修改的，并通過存儲(chǔ)器來保存，那么這個(gè)控制器就是可以編程的，這就是PLC。

在PLC的梯形圖中，一般都規(guī)定執(zhí)行元件不能多個(gè)串聯(lián)，其觸點(diǎn)所代表的邏輯量則可以在梯形圖中被多次反復(fù)引用，當(dāng)然電路的各I/O信號也可以在梯形圖中被多次反復(fù)引用。梯形圖是一種軟件，是PLC圖形化的程序。在繼電器電路圖中，各繼電器可以并行工作，而PLC則是串行工作的，即PLC的CPU在同一時(shí)間只能處理一種指令。

1.2.3 PLC的進(jìn)化

自20世紀(jì)60年代第一臺(tái)PLC問世以來，PLC已很快被應(yīng)用到汽車制造、機(jī)械加工、冶金、礦業(yè)、輕工等各個(gè)領(lǐng)域，大大推進(jìn)了機(jī)電一體化進(jìn)程。

經(jīng)過長時(shí)間的發(fā)展和完善，PLC的編程概念和控制思想已為廣大的自動(dòng)化行業(yè)人員所熟知，這是一個(gè)目前任何其他工業(yè)控制器（包括DCS和FCS等）都無法與之相提并論的巨大知識(shí)資源。實(shí)踐也進(jìn)一步證明：PLC系統(tǒng)硬件技術(shù)成熟、性能價(jià)格比較高、運(yùn)行穩(wěn)定可靠、開發(fā)過程也簡單方便、運(yùn)行維護(hù)成本很低，這些特點(diǎn)造就了PLC的旺盛生命力，造就了PLC的快速進(jìn)化。

現(xiàn)在的PLC是以微處理器為基礎(chǔ)，綜合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和通信技術(shù)發(fā)展起來的一種新型工業(yè)控制裝置，是工業(yè)控制的主要手段和重要的基礎(chǔ)設(shè)備之一，并與機(jī)器人、CAD/CAM并稱為工業(yè)生產(chǎn)的三大支柱。

PLC在繼電器控制邏輯基礎(chǔ)上，與3 C技術(shù)（Computer，Control，Communication）相結(jié)合，不斷發(fā)展和完善。它從過去的小規(guī)模、單機(jī)、順序控制，已經(jīng)發(fā)展到包括過程控制、傳動(dòng)控制、位置控制、通信控制等場合的大部分現(xiàn)代工業(yè)控制領(lǐng)域和部分商用民用控制領(lǐng)域。在通信能力上，由于現(xiàn)場總線的出現(xiàn)，使得一個(gè)個(gè)獨(dú)立的PLC系統(tǒng)不再是信息孤島。實(shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù)也走進(jìn)了PLC廠商的視野，甚至在實(shí)時(shí)以太網(wǎng)產(chǎn)品中已經(jīng)能夠支持CANOpen等現(xiàn)場總線。實(shí)時(shí)以太網(wǎng)應(yīng)用的另一方面意義在于，控制層與管理層的界線不再那么截然分明。隨著PLC運(yùn)算能力的不斷提高，PLC在數(shù)據(jù)交換方面的能力和需求也在不斷提高，另一方面，IT技術(shù)的飛速發(fā)展使得微型高速存儲(chǔ)設(shè)備的容量越來越大，價(jià)格越來越低，可靠性卻越來越有保障。越來越多的PLC控制系統(tǒng)已經(jīng)使用了64 MB、128 MB甚至更大容量的Flash存儲(chǔ)設(shè)備。

從長遠(yuǎn)來看，PLC的制造商將會(huì)根據(jù)工業(yè)用戶的需求集成更多的系統(tǒng)功能，逐漸降低用戶的使用難度，縮短開發(fā)周期，節(jié)約產(chǎn)品開發(fā)成本，但這是一個(gè)逐漸發(fā)展的過程。就目前技術(shù)現(xiàn)狀而言，一些復(fù)雜的控制依然要使用那些“高檔”的控制系統(tǒng)，使用相對復(fù)雜的編程手段，對工業(yè)用戶依然要求具備專業(yè)的控制技術(shù)。

1.2.4 PLC的定義

國際電工委員會(huì)IEC于1982年11月和1985年1月分別頒布了PLC標(biāo)準(zhǔn)的第一稿和第二稿，對PLC做了如下的定義：“PLC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)。它采用可編程序的存儲(chǔ)器，用來在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的命令，并通過數(shù)字式、模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械和生產(chǎn)過程。PLC及其有關(guān)設(shè)備，都應(yīng)易于與工業(yè)控制系統(tǒng)連成一個(gè)整體，易于擴(kuò)充功能的原則而設(shè)計(jì)。”

1.2.5 PLC實(shí)現(xiàn)控制的原理

組成PLC的模塊是PLC的硬件基礎(chǔ)，只有弄清所選用的PLC都具有哪些模塊及其特點(diǎn)，才能正確選用模塊，并組成一臺(tái)完整的PLC（如圖1.5所示），以滿足控制系統(tǒng)對PLC的要求。

常見的PLC模塊有：

（1）CPU模塊。它是PLC的硬件核心。PLC的主要性能，如速度、規(guī)模都由CPU的性能來體現(xiàn)。

CPU模塊由微處理器系統(tǒng)、系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器和用戶程序存儲(chǔ)器組成，其本質(zhì)為一臺(tái)計(jì)算機(jī)。該計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)系統(tǒng)程序的調(diào)度、管理、運(yùn)行和PLC的自診斷，負(fù)擔(dān)將用戶程序做出編譯、解釋、處理以及調(diào)度用戶目標(biāo)程序運(yùn)行的任務(wù)。

（2）電源模塊。它為PLC運(yùn)行提供內(nèi)部工作電源，而且，有的還可為輸入信號提供電源。

PLC的工作電源一般為交流單相電源，電源電壓必須與額定電壓相符，如110 V AC或220 V AC，當(dāng)然也有直流24 V供電的。PLC對電源的穩(wěn)定性要求不高，一般都允許電源電壓額定值在± 15 %的范圍內(nèi)波動(dòng)，有些交流輸入電源甚至允許在85 V AC～240 V AC的范圍內(nèi)。

（3）I/O模塊。它包括輸入/輸出（I/O）電路，并根據(jù)類型劃分成不同規(guī)格的模塊。

● 輸入部分：PLC與生產(chǎn)過程相連接的輸入通道。輸入部分接受來自生產(chǎn)現(xiàn)場的各種信號，如限位開關(guān)、按鈕、傳感器的信號等。

●輸出部分：PLC與生產(chǎn)過程相連接的輸出通道。輸出部分接收CPU的處理輸出，并轉(zhuǎn)換成被控設(shè)備所能接受的電壓、電流信號，以驅(qū)動(dòng)被控設(shè)備。

（4）內(nèi)存模塊。它主要存儲(chǔ)用戶程序，有的還為系統(tǒng)提供輔助的工作內(nèi)存，在結(jié)構(gòu)上內(nèi)存模塊都是附加于CPU模塊之中。

（5）底板、機(jī)架模塊。它為PLC各模塊的安裝提供基板，并為模塊間的聯(lián)系提供總線。若干底板間的聯(lián)系有的用接口模塊，有的用總線接口。不同廠家或同一廠家但不同類型的PLC都不大相同。

箱體式的小型PLC的主箱體就是把上述幾種模塊集成在一個(gè)箱體中，并根據(jù)可能提供I/O點(diǎn)數(shù)的多少，劃分為不同的規(guī)格。

箱體式的PLC還有I/O擴(kuò)展箱體，它不包含CPU，僅有電源及I/O單元的功能。擴(kuò)展箱體也是按照I/O點(diǎn)數(shù)的多少劃分成不同的規(guī)格。

1.2.6 西門子S7-200 PLC

西門子S7-200系列小型PLC適用于各行各業(yè)、各種場合中的檢測、監(jiān)測及控制的自動(dòng)化，它的強(qiáng)大功能使其無論在獨(dú)立運(yùn)行中還是相連成網(wǎng)絡(luò)都能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制功能。

S7-200 CPU將一個(gè)微處理器、一個(gè)集成電源和數(shù)字量I/O點(diǎn)集成在一個(gè)緊湊的封裝中，從而形成了一個(gè)功能強(qiáng)大的小型PLC，如圖1.6所示。

S7-200 PLC具有集成的24 V負(fù)載電源，它可以直接連接到傳感器、變送器和執(zhí)行器，CPU 221、CPU 222具有180 mA輸出，CPU 224、CPU 224 XP、CPU 226分別輸出280 mA或400 mA電流，可用做負(fù)載電源。

S7-200 PLC提供了多種類型的CPU以適應(yīng)各種應(yīng)用，如表1.1所示為各種CPU特性的簡單比較。

S7-200 CPU的種類比較多，根據(jù)其輸出結(jié)構(gòu)，大致分為兩類：輸出為晶體管的和輸出為繼電器的。圖1.7（a）和圖1.7（b）分別是晶體管輸出和繼電器輸出的基本接線圖示意（以CPU 224為例）。