任务1.1 认识PLC的产生、定义及分类

任务引入

由现代工业生产自动化三大支柱可知，PLC已成为一种可靠的控制器，那么，它是在哪种社会生产的历史背景下产生的？有哪些功能？又是如何进行分类的？

任务分析

完成本节任务，需要了解PLC的产生、定义及其分类的相关知识。

相关知识

1.1.1 PLC的产生

PLC产生以前，通常以继电器-接触器控制系统对电动机等控制对象实现自动控制。以各种继电器为主要元器件的电气控制线路承担着生产过程自动控制的艰巨任务。这些器件组成的控制系统需要大量的导线、大容量的控制柜，占据大量的空间，当这些继电器-接触器运行时又产生大量噪声，消耗大量电能。为保证电气控制系统正常运行，需要安排大量的电气技术人员进行维护，有时某个电气元件的损坏，甚至某个继电器或接触器的触点接触不良都会影响整个系统的正常运行。检查和排除故障又是非常困难的，现场电气技术人员的技术水平也直接影响设备恢复运行的速度，尤其是在生产工艺发生变化时，可能需要增加很多继电器-接触器或电气控制柜，重新接线或改线的工作量极大，甚至可能需要重新设计电气控制系统。面对这种局面，人们迫切需要一种新的工业控制装置来取代传统的继电器-接触器控制系统，使电气控制系统工作更可靠、更容易维修、更能适应经常变化的生产工艺要求。

为适应生产工艺和流程经常变化的控制需要，在20世纪60年代，人们曾试图用小型计算机取代继电器-接触器控制系统来实现工业控制，但初期的计算机控制系统不仅成本高、抗干扰能力差，而且编程技术较复杂，不易掌握，因而没能得到推广和应用。现代工业需要一种能集合传统的继电器-接触器控制系统和先进的计算机控制系统的优点，用于开关量控制的自动控制装置，由此，在半导体集成电路和计算机技术发展的基础上，可编程序控制器应运而生了。

20世纪60年代末期，美国汽车制造业竞争激烈。各生产厂家的汽车型号不断更新，它必然要求生产线的控制也随之改变，以及对整个控制系统重新配置。为此要寻求一种比继电器-接触器控制系统更可靠、响应速度更快、功能更强大的通用工业控制装置。在1968年美国通用汽车公司（GM）提出了著名的10条技术指标在社会上招标，要求控制设备制造商为其生产线提供一种新型的通用工业控制装置，它应具有以下特点：

1）编程简单，可在现场修改程序；

2）维修方便，采用插件式结构；

3）可靠性高于继电器控制装置；

4）体积小于继电器控制盘；

5）数据可直接进入管理计算机；

6）成本可与继电器控制盘竞争；

7）输入可以是交流115V（美国电压标准）；

8）输出为交流115V，2A以上；

9）扩展时原系统改变最小；

10）用户存储器至少能扩展到4KB。

1969年美国数据设备公司（DEC）根据上述要求，研制开发出世界上第一台可编程序控制器，并在GM公司汽车生产线上首次应用成功，取得了显著的经济效益。当时人们把它称为可编程序逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）。

可编程序控制器这一装置的出现，受到全世界工程技术界的极大关注。纷纷投入力量研制。第一个把PLC商品化的是美国歌德电子公司（GOULD Inc），时间也是1969年。1971年，日本从美国引进了这项新技术，研制出日本第一台可编程序控制器。1973～1974年，德国和法国也都相继研制出自己的可编程序控制器，德国西门子公司（SIEMENS）于1973年研制出欧洲第一台PLC。我国从1974年开始研制，1977年开始工业应用。

20世纪70年代后期，随着微电子技术和计算机技术的发展，可编程序逻辑控制器具备更多的计算机功能，不仅用逻辑编程取代硬接线逻辑，还增加了运算、数据传送和处理等功能，真正成为一种电子计算机工业控制装置，而且做到了小型化和超小型化。这种采用微型计算机技术的工业控制装置的功能远远超出逻辑控制、顺序控制的范围，故称可编程序控制器，简称为PC（Programmable Controller）。但由于PC容易和个人计算机（Personal Computer）混淆，故人们仍习惯地用PLC作为可编程序控制器的缩写。

进入20世纪80年代以来，随着大规模和超大规模集成电路等微电子技术的迅猛发展，以16位和32位微处理器构成的微型计算机化PLC得到了惊人的发展，使PLC在概念、设计、性能价格比以及应用等方面都有了新的突破，不仅控制功能增强，功耗、体积减小，成本下降，可靠性提高，编程和故障检测更为灵活方便，而且远程I/O和通信网络、数据处理以及图像显示也有了长足的发展。

尤其近年来，PLC在处理速度、控制功能、通信能力以及控制领域等方面都不断有新的突破，已经把电气控制、仪表控制、计算机控制和网络控制有机地融为一体。由于可编程序控制系统已经是集计算机技术、通信技术和自动控制技术为一体的新型工业控制装置，故称可编程序计算机控制器，简称为PCC（Programmable Computer Controller）。为统一起见，本书中就以PLC作为可编程序控制器的简称。

1.1.2 PLC的定义

PLC一直在飞速发展中，因此到现在为止，还未能对其下一个十分确切的定义。

1980年，美国电器制造商协会（National Electronic Manufacture Association，NEMA）将可编程序控制器定义为：“可编程序控制器是一种带有指令存储器，数字的或模拟的输入/输出接口，以位运算为主，能完成逻辑、顺序、定时、计数和算术运算等功能，用于控制机器或生产过程的自动控制装置”。

1982年11月国际电工委员会（IEC）曾颁发了可编程序控制器标准草案第一稿，1985年1月发表了第二稿，1987年2月颁布了第三稿。该草案中对可编程序控制器的定义是：“可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其外围设备，都应按易于使工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。”

定义强调了PLC应直接应用于工业环境，它必须具有很强的抗干扰能力、广泛应用的适应能力和应用范围。这也是区别于一般微型计算机控制系统的一种重要控制系统。

定义强调了PLC是“数字运算操作的电子系统”，它也是一种计算机。它是“专为工业环境下应用而设计的”工业计算机。这种工业计算机采用“面向用户的指令”，因此编程方便，它能完成逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作，它还具有数字量、模拟量输入和输出的能力，并且非常容易和工业控制系统形成一体，易于扩充。

应该注意的是，PLC与以往所讲的鼓式、机械式的顺序控制器在“可编程”方面有质的区别。由于PLC引入了微处理器及半导体存储器等新一代电子器件，并用规定的指令进行编程，可以灵活地修改程序，即它是用软件方式来实现“可编程”的目的。

1.1.3 PLC的分类

可编程序控制器产品的种类很多，一般可以从它的输入/输出点数及功能、结构形式进行分类。

1.按输入/输出点数

PLC的控制规模是以配置的输入/输出点数来衡量的，PLC的I/O点数表明了PLC可从外部接收多少个输入信号和向外部发出多少个输出信号，实际上也就是PLC的输入/输出端子数。根据I/O点数的多少可将PLC分为小型机、中型机和大型机，一般来说，点数多的PLC，功能也相应较强。

（1）小型机

小型PLC的功能一般以开关量控制为主，小型PLC输入/输出总点数一般在256点以下，用户程序存储器容量在4KB左右。现在的高性能小型PLC还具有一定的通信能力和少量的模拟量处理能力。这类PLC的特点是价格低廉、体积小巧，适合于控制单台设备和开发机电一体化产品。

典型的小型机有欧姆龙公司的C系列、三菱公司的F1/F2系列、西门子公司的S5-100U和S7-200系列等。

（2）中型机

I/O点数在256～1024之间的称为中型机，它除了具备逻辑运算功能，还增加了模拟量输入/输出、算术运算、数据传送和数据输送等功能，可完成既有开关量又有模拟量的复杂控制。用户程序存储器容量达到8KB左右。中型机的软件比小型机丰富，在已固化的程序内，一般还有PID（比例、积分、微分）调节，整数/浮点运算等功能模板。

中型机的特点是功能强，配置灵活，适用于具有诸如温度、压力、流量、速度、角度和位置等模拟量控制和大量开关量控制的复杂机械，以及连续生产过程控制场合。

典型的中型机有西门子公司的S7-300与SU系列、立石公司的C-500、GE公司的GE-III系列等。

（3）大型机

I/O总点数在1024点以上的称为大型机，融合程序存储器容量达到16KB以上，大型PLC的功能更加完善，具有数据运算、模拟调节、联网通信、监视记录和打印等功能，大型机的内存容量超过640KB，监控系统采用触摸屏显示，能够表示生产过程的工艺流程，记录各种曲线PID调节参数选择图等，能进行中断控制、智能控制和远程控制等。

大型机的特点是I/O点数特别多，控制规模宏大，组网能力强。可用于大规模的过程控制，构成分布式控制系统，或者整个工厂的集散控制系统。

典型的PLC大型机有西门子公司的S7-400、欧姆龙公司的CVNM1和CS1系列、AB公司的SLC5/05等系列产品。以上划分没有十分严格的界限，随着PLC技术的飞速发展，某些小型PLC也具有中型或大型PLC的功能，这也是PLC的发展趋势。

图1-1 整体式PLC

2.根据结构形式分类

根据PLC结构形式的不同，可分为整体式和模块式。

（1）整体式

整体式结构的特点是将PLC的基本部件，如CPU单元、输入/输出单元、电源单元等都集中配置在一个箱体中，安装在一个标准机壳内，构成一个整体，有的甚至全部装在一块印制电路板上，组成PLC的一个基本单元（主机）或扩展单元。基本单元上设有扩展端口，通过扩展电缆与扩展单元相连，配有许多专用的特殊功能模块，如模拟量I/O模块、热电偶、热电阻模块、通信模块等，以构成PLC不同的配置。

整体式PLC结构紧凑、体积小、重量轻、价格低、容易装配在工业控制设备的内部，比较适合于生产机械的单机控制。这种结构的缺点是主机的I/O点数固定，使用不够灵活，维修也比较麻烦。微型和小型PLC一般为整体式结构，如松下的FP0系列、欧姆龙的C系列、三菱的F1系列、西门子的S7-200系列等。图1-1所示为整体式结构PLC的实物外观图片。

（2）模块式

模块式结构的PLC各部分以单独的模块分开设置，如电源模块、CPU模块、I/O模块、各种功能模块及通信模块等。这种PLC一般设有机架底板（也有的PLC为串行连接，没有底板），在底板设有若干插座，使用时，各种模块可灵活配置。模块式PLC装配方便、维修简单、易于扩展，一般中、大型PLC多采用这种结构形式，如西门子的S7-300/400系列。

这种结构形式的缺点是结构复杂，各种插件多，因而造价增加。图1-2所示为模块式结构的PLC实物外观图片。

3.根据用途分类

（1）用于顺序逻辑控制

顺序逻辑控制是可编程序控制器的最基本的控制功能，也是PLC应用最多的场合，比较典型的应用如自动电梯的控制、自动仓库的自动存取、各种管道上的电磁阀的自动开起和关闭、带式运输机的顺序起动，或者自动化生产线的多机控制等，这些都是顺序逻辑控制。要完成这类控制，不要求PLC有太多的功能，只要有足够数量的I/O回路即可，因此可选低档的PLC。

图1-2 模块式PLC

（2）用于闭环过程控制

对于闭环控制系统，除了要用开关量I/O实现顺序逻辑控制外，还要有模拟量I/O回路，以供采样输入和调节输出，实现过程控制中的PID调节，形成闭环过程控制系统，而其中的PLC由于具有数值运算和处理模拟信号的功能，可以设计出各种PID控制器。随着PLC控制规模的增大，可控制的回路数已从几个增加到几十个甚至几百个，因此可实现比较复杂的闭环系统控制功能，实现对温度、压力和速度等物理量的连续调节。比较典型的应用如加热炉的温度、锅炉的自动给水控制等。要完成这类控制，不仅要求PLC有足够数量的I/O点数，还要有模拟量的处理能力，因此对PLC的功能要求高。根据能处理的模拟量的多少，至少应选用中档PLC。

（3）用于数据处理

现代的PLC具有数学运算，包括整数运算、浮点数运算、函数运算、字逻辑运算，以及求反、求补、循环和移位、数据传送、转换、排序和查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析和处理。这些数据可以与存储在存储器中的参考值进行比较，也可以通过通信功能传送到别的智能装置，或者将它们打印制表。

（4）用于多级分布式集散控制系统

对于多级分布式集散控制要求，除了要求所选用的PLC具有上述的功能外，还要求具有较强的通信功能，以实现各工作站之间的通信、上位机与下位机的通信，最终实现全部设备的自动化，形成通信网络。由于近期推出的PLC都具有很强的通信和联网功能，建立一个自动化工厂已成为可能。

4.根据生产厂家分类

PLC的生产厂家众多，各厂家的PLC的I/O点数、容量、功能各有差异，但都自成系列，指令及外设向上兼容。因此在选择PLC时，若选择同一系列的产品，则可以使系统构成容易，操作人员使用方便，备品配件的通用性及兼容性好。比较有代表性的有日本欧姆龙公司的C系列、三菱公司的F系列、美国AB公司的PLC-5系列、德国西门子公司的S5系列和S7系列等。

任务实施

读者自行设计完成该任务的步骤。

任务总结

通过归纳完成PLC的产生及发展的三个阶段、PLC的定义和PLC的分类这3个小任务，就能够明确PLC在现代工业生产中的功能及作用。