1.1 PLC簡介

1.1.1 PLC的產生和定義

PLC是可編程控制器（Programmable Controller）的簡稱，1968年美國的通用汽車公司首先提出了可編程控制器的概念，1969年美國數字設備公司（DEC）研制出了世界上第一臺PLC，這時的PLC只能用于執行邏輯判斷、計時、計數等順序控制功能，所以稱為可編程邏輯控制器（Programmable Logical Controller）。PLC最早用于取代汽車生產線上的繼電器控制系統，隨即擴展到食品加工、制造、冶金等工業部門。1971年日本引進了這項生產技術，并開始生產自己的PLC，如現在廣泛使用的三菱公司的FX系列PLC。

進入20世紀70年代后，隨著半導體技術及微機技術的發展，PLC采用了微處理器作為中央處理器，輸入/輸出單元和外圍電路也都采用了中、大規模甚至超大規模的集成電路，使PLC具有多項優點，形成了各種規格的系列產品，成為一種新型的工業自動控制標準設備。這時的PLC不僅具有邏輯判斷功能，還具有數據處理、PID控制和數據通信功能，因此被改稱為可編程控制器。

1987年2月，國際電工委員會（IEC）在可編程控制器的標準草案中做了如下定義：“可編程控制器是一種數字運算操作的電子系統，專為在工業環境中應用而設計，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，并通過數字式和模擬式的輸入/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圍設備，易于與工業控制系統連成一個整體，并易于擴充其功能。”

PLC具有很多通用計算機所不具備的功能和結構。如PLC有很多適于各種工業控制系統的模塊，它的內部有一套功能完善且簡單的管理程序，能夠完成故障檢查、用戶程序輸入、修改、執行與監視等。PLC采用以傳統電氣圖為基礎的梯形圖語言編程，方法簡單且易于學習和掌握。在控制系統應用方面，PLC優于計算機，它易于和自動控制系統連接，可以方便靈活地構成不同要求、不同規模的控制系統，其對環境的適應性和抗干擾能力極強，所以可將PLC稱為工業控制計算機。由于這些特點，目前PLC已成為工業自動控制系統的重要支柱。

1.1.2 PLC的功能及特點

1．可靠性高、抗干擾能力強

由于PLC是專為工業控制而設計的，因此除了對元器件進行篩選外，在軟件和硬件上都采用了許多抗干擾的措施，如屏蔽、濾波、隔離、故障診斷和自動恢復等，這些措施大大地提高了PLC的抗干擾能力和可靠性。另外由于PLC采用循環掃描的工作方式，所以能在很大程度上減少軟故障的發生。在一些高檔的PLC中，還采用了雙CPU模塊并行工作的方式，如OMRON 2000H大型機，即使它的一個CPU出現故障，系統也能正常工作，同時還可以修復或更換有故障的CPU模塊，這樣就極大地增加了控制系統整體的可靠性，PLC的平均無故障時間達到30萬小時以上。

2．適應性強，應用靈活

由于PLC是系列化產品，其品種齊全，多數采用模塊式的硬件結構，所以組合和擴展非常方便，用戶可以根據自己的需要靈活選用，以滿足各種不同控制系統的需要。

3．編程方便，易于使用

PLC是面向現場應用的電子設備，一直采用大多數電氣技術人員熟悉的梯形圖語言，梯形圖語言延續使用繼電器控制系統的許多符號和規定，不僅形象直觀，而且易學易懂，電氣工程師和具有一定基礎的技術操作人員都可以在短時間內學會。

4．具有各種接口，與外部設備連接方便，適用范圍廣

目前PLC的產品已經系列化、模塊化，具有各種數字量、模擬量的I/O接口，能直接接入生產現場的多種規格的直流、交流信號，其輸出接口在多數情況下也可以直接與各種執行器（繼電器、接觸器、電磁閥、調節閥等）相連接，因此能方便地進行系統配置，組成規模、功能不同的控制系統。其適應能力非常強，利用它可以控制一臺單機自動化系統，也可以控制一條生產線，還可以使用在復雜的集散控制系統中。

5．功能完善

PLC具有模擬量和數字量輸入/輸出、邏輯運算、定時、計數、數據處理、通信、人機對話、自檢、記錄和顯示等功能，可以實現順序控制、邏輯控制、位置控制和生產過程控制，通過編程器在線和離線修改程序，就能更改系統的控制功能及要求。

1.1.3 PLC的分類及性能指標

1．PLC的分類

（1）根據生產廠家的產品類型和系列分類。目前PLC的生產廠家很多，但主要分為歐、美、日三大塊。在中國市場上，歐洲最具代表性的是西門子公司的產品，美國的代表產品是AB與GE公司的產品，日本的代表產品是三菱、歐姆龍公司的產品。各公司產品型號、規格的命名方式都不統一。

（2）根據PLC的I/O點數和存儲器容量分類。按照PLC I/O點數、存儲器容量的不同，PLC大體上可以分為大、中、小三個等級。小型PLC的I/O點數在256點以下，用戶程序存儲器容量為2K字以下（1K=1024，存儲一個1或0的二進制碼稱為一位，一個字為16位）。有的PLC用“步”來衡量，一步占用一個地址單元，它表示PLC能存放多少用戶程序。中型PLC的I/O點數在256～2048之間，用戶程序存儲器容量一般為2～8K字。大型PLC的I/O點數在2048點以上，用戶程序存儲器容量在8K字以上。

（3）按照結構形式分類。PLC按照結構形式不同可分為單元式、模塊式和疊裝式3種結構形式。

① 單元式（箱體式）結構的PLC。這種結構的PLC是將PLC的電源、中央處理器、輸入/輸出部件集中配置在一起，有的甚至全部安裝在一塊印制電路板上，裝在一個箱體內，通常稱為主機（或基本單元），如三菱公司的FX0N、FX2N系列PLC。整體式PLC結構緊湊，體積小，質量輕，價格低，但主機的I/O點數固定，使用不靈活，小型PLC常使用這種結構。

② 模塊式（積木式）結構的PLC。這種結構的PLC是將PLC的各個部分以模塊的形式分開，如電源模塊、CPU模塊、輸入模塊、輸出模塊，把這些模塊插入機架底板上，組裝在一個機架內。這種結構配置靈活，裝配方便，便于擴展，一般中型和大型PLC常采用這種結構，如三菱公司的A系列PLC，但模塊式結構較為復雜，且造價較高。

③ 疊裝式結構的PLC。這種結構的PLC是單元式和模塊式相結合的產物。把某一系列PLC工作單元的形式制作成尺寸一致的外觀，CPU、I/O口及電源也可以做成獨立的，采用電纜連接各個單元，在控制設備中安裝時可以一層一層地疊裝，這就是疊裝式PLC，如西門子公司的S7-200系列PLC就屬于這種形式。

（4）按照PLC功能的強弱分類。按照PLC功能的強弱可以大致分為低檔機、中檔機、高檔機三種。低檔PLC具有邏輯運算、定時、計數等基本功能，有的還增設了模擬量處理、算術運算、數據傳送等功能，可以實現邏輯、順序、計時、計數等控制。中檔PLC除了具有低檔機的功能外，還具有較強的模擬量輸入/輸出、算術運算、數據傳送、通信聯網等功能，可完成既有開關量又有模擬量的控制任務。高檔PLC除具有中檔機的功能外，增設帶符號算術運算、矩陣運算等功能，使其運算能力提高，高檔機還具有模擬調節、聯網通信、監視、記錄和打印等功能，使PLC的功能更多更強，能進行遠程控制和大規模過程控制，構成集散控制系統。

2．PLC的主要性能指標

（1）輸入/輸出（I/O）點數。I/O點數是指PLC的外部輸入、輸出端子數。PLC的輸入、輸出信號有開關量和模擬量兩種，對于開關量用最大的I/O點數表示，而對于模擬量用最大的I/O通道數表示。

（2）PLC內部繼電器的種類和點數。它包括輔助繼電器、特殊輔助繼電器、定時器、計數器和移位寄存器等。

（3）用戶程序存儲量。PLC的用戶程序存儲器用于存儲通過編程器編入的用戶程序。通常用K字（KW）、K字節（KB）、K位來表示。

（4）掃描時間。掃描時間是指PLC執行一次解讀用戶邏輯程序所需的時間，一般情況下用一個粗略指標表示，即用每執行1000條指令所需時間來估算，通常為10ms左右，小型機可能大于20ms。也有用ms/K為單位表示的，如20ms/K字表示掃描1K字的用戶程序需要的時間為20ms。

（5）編程語言及指令功能。PLC常用的編程語言有梯形圖語言、助記符語言、流程圖語言及某些高級語言等，目前使用最多的是前兩種，不同的PLC具有不同的編程語言。PLC的指令可分為基本指令和擴展指令，基本指令是各種類型的PLC都有的，主要是邏輯指令，不同廠家、不同型號的PLC其指令擴展的深度是不同的。

（6）工作環境。一般PLC的工作溫度為0～55℃，最高為60℃，儲藏溫度為 -20～+85℃，相對濕度為5%～95%，空氣條件是周圍不能混有可燃性、易爆性和腐蝕性氣體。

（7）可擴展性。小型PLC的基本單元（主機）多為開關量的I/O接口，各個生產廠家在PLC基本單元的基礎上，發展了各種智能擴展模塊，如模擬量處理模塊、高速處理模塊、溫度控制模塊、通信模塊等。智能擴展模塊的多少是反映PLC產品功能的指標之一。