任务1.2 学习PLC的特点、主要功能及性能指标

任务引入

现代工业生产过程是多种多样的，它们对控制要求也各不相同。而不同厂家各种机型的PLC，其功能也各不相同，为了能够在各种工业环境中使用，所有厂家的PLC都有哪些共同的特点呢？在工业现场都能够完成哪些方面的控制要求？种类繁多的PLC都有哪些性能指标？

任务分析

完成本节3个小任务，需要了解PLC的特点、主要功能及其性能指标的相关知识。

相关知识

1.2.1 PLC的特点

由PLC的产生和发展过程可知，PLC的设计是以用户需要为出发点，以直接应用于各种工业环境为目标，但又不断采用先进技术求发展。可编程序控制器经过几十年的发展，已日臻完善。其主要特点如下。

1.可靠性高、抗干扰能力强

工业生产一般对控制设备可靠性要求很高，要求它有很强的抗干扰能力，能够在恶劣环境下可靠地工作。平均故障间隔时间长，故障修复时间短，这是PLC的一大特点，一般PLC平均整机无故障时间可长达几万～几十万小时。PLC本身具有很强的自诊断功能，保证在“硬核”（如CPU、RAM、I/O总线等）正常的情况下执行用户的执行程序。一旦出现CPU故障、RAM故障或I/O故障，就立即给出CPU出错信号，并停止用户程序的执行，切断所有输出信号等待修复。有些高档PLC具有CPU并行操作功能，若某个CPU出了故障，系统仍能正常工作，并给出带病工作信号，要求修复出现故障的CPU，这就提高了PLC工作的可靠性。为了提高PLC工作的可靠性及其抗干扰能力，PLC在其硬件、软件上采取的主要措施有以下两方面。

（1）硬件措施

1）屏蔽。对电源变压器、CPU、信号线等主要部件，采用导电、导磁性能良好的材料进行屏蔽，以防外界干扰。

2）滤波。对供电系统及输入线路采用多种形式的滤波，以消除或抑制高频干扰，也削弱了各种模块间的相互影响。

3）电源调整与保护。对PLC的24V电源采用专用的工业电源，对微处理器所需的+5V电源采用多级滤波，并采用集成电压调整器进行调整，以适应交流电网的波动和过电压、欠电压的影响。

4）隔离。在微处理器与I/O电路之间采用光电隔离措施，有效地隔离I/O之间电信号的直接联系，减少故障和误动作。

5）采用模块式结构。该结构有助于在故障情况下短时修复，一旦查出某个模块出现故障，就能迅速更换，使系统恢复正常工作，同时也有助于加快查找故障原因。

（2）软件措施

1）故障检测。软件定期检测外界环境，如掉电、欠电压、强干扰信号等，以便及时处理。

2）信息保护和恢复。当偶发性故障条件出现时，不破坏PLC内部信息，一旦故障条件消失，就可恢复正常，继续原来的工作。

3）设置了警戒时钟WDT。如果程序循环时间超过了WDT规定时间，预示程序进入死循环，立即报警。

4）加强对程序的检查和校验。一旦程序有错，立即报警并停止执行。

5）对程序及动态数据进行电池后备。停电后利用后备电池供电，有关状态及信息就不会因此而丢失。

2.软件编程简单易学、编程方便且程序可变、具有很好的柔性

PLC是面向工业企业中一般电气工程技术人员而设计的，设计者充分考虑到现场工作人员的技能和习惯，采用易于理解和掌握的梯形图语言，以及面向工业控制的简单指令。这种梯形图语言既继承了传统继电器控制线路的表达形式（如线圈、触点、动合、动断），又考虑到工业企业中电气技术人员的看图习惯和计算机应用水平。因此，梯形图语言对于企业中熟悉继电器控制线路的电气工程技术人员是非常亲切的。它形象、直观、简单、易学，尤其是对于小型PLC而言，几乎不需要专门的计算机知识，只要进行短暂几天甚至几小时的培训，就能基本掌握编程方法。

3.使用灵活方便、扩展性好

PLC及其扩展模块品种繁多，所构成的产品已系列化和模块化，并且配有品种齐全的各种软件，用户可灵活组合成各种大小和不同要求的控制系统，PLC的输入/输出可直接与交流220V、直流24V等相连，并有较强的带负载能力。在由PLC组成的控制系统中，只需要在PLC的输入/输出端子上接入相应的导线即可。而导线的另一端可以接按钮、限位开关、继电器线圈、接触器线圈等，大量而又繁杂的中间环节的硬接线线路不见了。在生产工艺流程改变或生产线设备更新，或系统控制要求改变，需要变更控制系统的功能时，除了I/O通道上的外部接线需做很小的调整外，只是把用户程序做相应的修改就可以了。同一个PLC装置用于不同的控制对象，只是输入/输出的组件和应用软件的不同。

4.操作及维护方便

用户所编写的控制程序可通过编程器输入到PLC的存储器中。当PLC工作时，编程器还可随时监控，使得PLC的操作及维护都很方便。PLC还具有很强的自诊断能力，能随时检查出自身的故障，并显示给操作人员，如I/O通道的状态、RAM的后备电池的状态、数据通信的异常、PLC内部电路的异常等信息。正是通过PLC的这种完善的诊断和显示能力，当PLC主机或外部的输入装置及执行机构发生故障时，操作人员能迅速检查、判断故障原因、确定故障位置，以便采取迅速有效的措施。如果是PLC本身故障，在维修时只需要更换插入式模板或其他易损件即可完成，既方便又减少了影响生产的时间。

5.设计、施工、调试的周期短

用继电器控制完成一项控制工程，必须首先按工艺要求画出电气原理图，然后画出继电器屏（柜）的布置或接线图等，再进行安装调试，且以后修改起来非常不便。而采用PLC控制，由于其硬件、软件齐全，设计和施工可同时进行。同时用软件编程取代了继电器硬接线，使得控制柜的设计及安装工作量大为减少，具体的编程工作也可在PLC到货之前进行，因而缩短了设计周期。因为PLC是通过程序完成控制任务的，采用方便用户的工业编程语言，用户程序大都可以在实验室模拟调试，模拟调试后再进行生产现场联机统调，使得调试方便、快速、安全，因此大大缩短了设计和投运周期。

6.体积小、重量轻、功耗低

由于PLC是专门为工业控制而设计的，其结构紧凑、坚固、体积小巧，易于装入机械设备内部，是实现机电一体化的理想控制设备。

正是由于有了上述优点使得PLC受到了广泛的欢迎。

1.2.2 PLC的主要功能

PLC是采用微电子技术来完成各种控制功能的自动化设备，可以在现场输入信号作用下，按照预先输入的程序，控制现场的执行机构按照一定规律进行动作。其主要功能如下。

1.顺序逻辑控制

顺序逻辑控制是PLC最基本最广泛的应用领域，用来取代继电器控制系统，实现逻辑控制和顺序控制。它既可用于单机或多机控制，又可用于自动化生产线的控制。PLC根据控制要求准确无误地处理输入信号、输出信号的各种逻辑关系。

2.运动控制

在机械加工行业，PLC与计算机控制（CNC）集成在一起，用以完成机床的运动控制。PLC制造商已提供了拖动步进电动机或伺服电动机的单轴或多轴的位置控制模块，在多数情况下，PLC把描述目标位置的数据送给模块，模块移动一轴或数轴到目标位置。当每个轴移动时，位置控制模块保持适当的运动加速度，确保运动平滑。

3.定时控制

PLC为用户提供了一定数量的定时器，并设置了定时器指令，为了保证定时精度，定时器的时基单位又分为几个档次，有0.1级、0.01级、0.001级，也可以按照一定方式进行定时时间的扩展。PLC定时精度高，定时设定方便、灵活。

4.计数控制

PLC为用户提供的计数器分为普通计数器、可逆计数器（增减计数器）、高速计数器等，用来完成不同用途的技术控制。当计数器的当前计数值等于计数器的设定值，或在某一数值范围时，发出控制命令。计数器的计数值可在运行中被读出，也可以在运行中被修改。

5.步进控制

PLC为用户提供了一定数量的位移寄存器，用位移寄存器可方便地完成步进控制功能，在一道工序完成之后，自动进行下一道工序，一个工作周期结束后，自动进行下一个周期。有些PLC还专门设定有步进控制指令，使得步进控制更为方便。

6.数据处理

大部分PLC都具有不同程度的数据处理功能，主要可以完成的数据运算如：加、减、乘、除、乘方、开方等；逻辑运算如：字与、字或、字异或、求反、位移、数据比较和传送及数值的转换等工作。

7.模-数和数-模转换

在过程控制和闭环控制系统中，存在温度、压力、速度、电流、电压等连续变化的物理量（或称为模拟量）。过去由于PLC主要完成逻辑运算控制，对于这些模拟量的控制主要靠仪表控制或分布式控制系统（DCS）。目前，大、中型PLC都具有模拟量处理功能，而且编程和使用都很方便。

8.通信及联网

目前，大多数PLC都具备了通信能力，能够实现PLC与计算机、PLC与PLC之间的通信。通过这些通信技术使PLC更容易构成工厂自动化（FA）系统。PLC也可以与打印机、监视器等外部设备相连，记录和监视有关数据。

1.2.3 PLC的性能指标

性能指标是用户评价和选购机型的依据。目前市场销售的PLC和我国工业企业使用的PLC绝大多数是国外生产的产品。各种机型种类繁多，各个厂家在说明其性能指标时，侧重点也不完全相同。如何评价一台PLC的档次高低、规模大小、使用场所，至今还没有一个统一的衡量标准。但是，当用户在进行PLC的选型时，可以参照各生产厂商提供的技术指标，从以下几个基本方面考虑。

1.I/O点数

I/O点数指PLC主机的输入、输出端子数，这是一项很重要的技术指标，因为在选用PLC时，要根据控制对象需要的I/O点数来选定PLC的机型。当主机的I/O点数不够时，可通过扩展单元来扩展I/O点数。但因为一般的扩展单元只有接口和驱动电路而没有CPU，它是由主机的CPU来寻址的，所以最大扩展点数受CPU寻址能力的限制。

2.内存容量

一般以PLC所能存放用户程序的多少来衡量内存容量。在PLC中程序指令是按“步”存放的（一条指令往往不止一步），一“步”占用一个地址单元，一个地址单元占两个字节。例如，一个内存容量为1000步的PLC，可推知其内存为2KB。

3.指令条数

PLC具有的指令种类越多，其软件功能就越强，所以指令条数的多少是衡量PLC软件功能强弱的主要指标。

4.扫描速度

扫描速度一般指执行一步指令所需要的时间，单位为微秒/步。

5.内部寄存器

PLC内部有许多寄存器，用以存放变量状态、中间结果和数据，还有许多辅助寄存器给用户提供特殊功能，以简化整个系统的设计。因此，内部寄存器的配置情况也是衡量PLC硬件功能强弱的主要技术指标之一。

6.高功能模块

PLC除了主控模块（又称为主机或主控单元）之外，还可以配接各种高功能模块。主控模块实现基本的控制功能，高功能模块则可实现一些特殊的专门功能。因此，高功能模块的配置反映了PLC功能的强弱，是衡量PLC产品档次高低的一个重要标志。目前高功能模块的发展很快，种类日益增多，功能也日益增强。已开发的常用高功能模块主要有：A-D、D-A、称重和通信等模块。

任务实施

请者自行设计完成该任务的步骤。

任务总结

通过归纳完成PLC的特点、PLC的主要功能和PLC的主要性能指标这3个小任务，就能够明确PLC控制系统的特点、主要控制功能及衡量其控制性能的主要性能指标。