第1章 PLC概述

1.1 PLC的产生与发展

1.1.1 知识：PLC的产生与定义

1.PLC的产生

在PLC（可编程逻辑控制器）问世以前，工厂自动化控制是以“继电-接触器控制系统”占主导地位。所谓“继电-接触器控制系统”是以继电器、接触器、按钮和开关等为主要器件所组成的逻辑控制系统；作为常用电气自动控制系统的一种，它的基本特点是结构简单、成本低、抗干扰能力强、故障检修方便及运用范围广。“继电-接触器控制系统”不仅可以实现生产设备、生产过程的自动控制，而且还可以满足大容量、远距离和集中控制的要求，至今仍是工业自动控制领域最基本的控制系统之一。

随着工业现代化的发展，企业的生产规模越来越大，劳动生产率及产品质量的要求不断提高，原有的“继电-接触器控制系统”的缺点日趋明显：体积大、耗电多、故障率高、寿命短及运行速度不高，特别是一旦生产任务和工艺发生变化，就必须重新设计，并改变硬件结构；这就造成了时间和资金的严重浪费，企业急需开发一种新的控制装置来将其取代。

20世纪50年代末，人们曾设想利用计算机解决“继电-接触器控制系统”存在的通用性及灵活性差、功能局限以及通信、网络方面欠缺的问题，但由于当时的计算机原理复杂、生产成本高、程序编制难度大及可靠性问题突出等，使得它在一般工业控制领域难以普及与应用。

到了20世纪60年代，美国汽车工业生产流水线的自动控制系统基本是由“继电-接触器控制系统”组成。随着汽车行业的发展，汽车型号更新的周期也越来越短，每一次汽车改型都导致“继电-接触器控制系统”重新设计和安装，限制了生产效率和产品质量的提高。

为了改变这一现状，最早由美国汽车制造商——通用汽车公司（GM公司）于1968年提出：把计算机通用、灵活和功能完善的特点与“继电-接触器控制系统”简单易懂、使用方便和生产成本低的特点结合起来，生产出一种通用性好、采用基本相同的硬件，满足生产中的顺序控制要求，利用简单语言编程，能让完全不熟悉计算机的人也能方便使用的控制器的设想。当时，该公司为了适应汽车市场多品种、小批量的生产要求，提出使用新一代控制器的设想，并对新控制器提出著名的GM10条：

1）编程简单方便，可在现场修改程序。

2）硬件维护方便，采用插件式结构。

3）可靠性高于“继电-接触器控制系统”。

4）体积小于“继电-接触器控制系统”。

5）可将数据直接送入计算机。

6）成本上可与“继电-接触器控制系统”竞争。

7）输入可以是交流115V。

8）输出为交流115V/2A以上，能直接驱动电磁阀、交流接触器等。

9）扩展时，只需要对原系统进行很小的改动。

10）用户程序存储器容量至少可以扩展到4KB。

根据以上要求，美国数字设备公司（DEC）在1969年首先研制出世界上第一台PLC，型号为PDP-14，并在通用汽车公司的自动生产线上试用成功。从此这项技术在美国其他工业控制领域迅速发展起来，受到了世界各国工业控制企业的高度重视。其后，美国Modicon（莫迪康）公司开发出PLC 084；1971年，日本研制出该国第一台PLC DSC-8；1973年，西欧国家也研制出他们的第一台PLC。我国从1974年开始PLC的研制，1977年开始投入工业应用；如今，PLC已经实现了国产化，并大量应用在进口和国产设备中。

早期可编程逻辑控制器是采用存储程序指令完成顺序控制而设计的，仅具有逻辑运算、定时和计数等顺序控制功能，用于开关量的控制，通常称为PLC（Programmable Logic Controller）。20世纪70年代，随着微电子技术的发展，PLC功能增强，不再局限于当初的逻辑运算，因此称为PC（Programmable Controller，可编程控制器）；但因为与个人计算机（PC）重复，为加以区别，仍简称PLC。

2.PLC的定义与分类

国际电工委员会（IEC）颁布的PLC标准草案（第3稿）中对PLC做了如下定义：“可编程控制器是一种数字运算操作的电子装置，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，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，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关的外围设备（外设），都应按易于工业控制系统联成一个整体、易于扩展其功能的原则设计。”

通常，PLC可根据I/O（输入/输出）点数、结构形式和功能等进行分类。

（1）按I/O点数 PLC可分为小型、中型和大型等。I/O点数为256点以下的为小型PLC，其中，I/O点数小于64点的为超小型或微型PLC；I/O点数为256～2048点的为中型PLC；I/O点数为2048点以上的为大型PLC，其中，I/O点数超过8192点的为超大型PLC。

（2）按结构形式 PLC可分为整体式、模块式和紧凑式等，分别如图1-1～图1-3所示。整体式PLC是将电源、CPU（中央处理器）和I/O接口等部件都集中装在一个机箱内，具有结构紧凑、体积小和价格低等特点；模块式PLC是将PLC各组成部分分别做成若干个单独的模块，如CPU模块、I/O模块、电源模块（有的含在CPU模块中）以及各种功能模块；紧凑式PLC则是各种单元、CPU自成模块，但不安装基板，各单元层层叠装，它结合整体式结构紧凑和模块式独立灵活的特点。

（3）按功能 PLC可分为低档、中档和高档等。低档PLC具有逻辑运算、定时、计数、移位以及自诊断、监控等基本功能，还可有少量模拟量输入/输出、算术运算、数据传送和比较、通信等功能；中档PLC除具有低档PLC的功能外，还增加了模拟量输入/输出、算术运算、数据传送和比较、数制转换、远程I/O、子程序和通信联网等功能，有些还增设中断、PID（比例-积分-微分）控制等功能；高档PLC除具有中档PLC的功能外，还增加带符号算术运算、矩阵运算、位逻辑运算、二次方根运算及其他特殊功能函数运算、制表及表格传送等功能，具有更强的通信联网功能。

1.1.2 知识：PLC的特点

PLC是专为工业环境应用而设计制造的微型计算机，它并不针对某一具体工业应用，而是有着广泛的通用性。PLC被广泛使用，是和它的突出特点以及优越的性能分不开的。PLC的主要特点归纳如下。

1.可靠性高、抗干扰能力强

为了更好地适应工业生产环境中高粉尘、高噪声、强电磁干扰和温度变化剧烈等特殊情况，PLC在设计制造过程中对硬件采用屏蔽、滤波、电源调整与保护、隔离、模块式结构等一系列硬件抗干扰措施，对软件采取了故障检测、信息保护与恢复、设置警戒时钟WDT（看门狗）、加强对程序的检查和校验、对程序及动态数据进行电池后备等多种抗干扰措施。PLC的出厂试验项目中，有一项就是抗干扰试验；它要求能承受幅值为1000V，上升时间为1ns，脉冲宽度为1μs的干扰脉冲。一般，平均故障间隔时间可达几十万、甚至上千万h；制成系统亦可达4万～5万h，甚至更长时间。

2.编程简单、使用方便

目前，大多数PLC仍采用继电器控制形式的“梯形图编程方式”，既继承了传统控制电路的清晰直观，又考虑到大多数工厂企业电气技术人员的读图习惯及编程水平，所以非常容易接受和掌握。梯形图语言的编程元件的符号和表达方式与继电器控制电路原理图相当接近。通过阅读PLC的用户手册或短期培训，电气技术人员和技术工很快就能学会用梯形图编制控制程序，同时还提供功能图、语句表等编程语言。

3.通用性强、灵活性好及功能齐全

PLC品种齐全的各种硬件装置，可以组成能满足各种要求的控制系统，用户不必自己再设计和制作硬件装置。用户在硬件确定以后，在生产工艺流程改变或生产设备更新的情况下，不必改变PLC的硬件设备，只需改变程序就可以满足要求。因此，PLC除应用于单机控制外，在工厂自动化中也被大量采用。现代PLC不仅有逻辑运算、定时、计数和顺序控制等功能，还具有数字和模拟量的输入输出、功率驱动、通信、人机对话、自检和记录显示等功能，既可控制一台生产机械、一条生产线，又可控制一个生产过程。

4.安装简单、调试维护方便

由于PLC采用了软件来取代继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器和计数器等器件，控制柜的设计安装接线工作量大为减少。同时，PLC的用户程序可以在实验室模拟调试，更减少了现场的调试工作量。并且，PLC的低故障率及很强的监视功能、模块化等特点，使其维修也极为方便。

5.体积小、能耗低及性价比高

PLC是将微电子技术应用于工业设备的产品，其结构紧凑、坚固、体积小、质量小及功耗低。并且由于PLC的强抗干扰能力、易于装入设备内部，是实现机电一体化的理想控制设备，目前以PLC作为控制器的CNC（计算机数字控制机床）设备和机器人装置已成为典型。随着集成电路芯片功能的提高和价格的降低，PLC硬件的价格一直在不断地下降。虽然PLC的软件价格在系统中所占的比重在不断提高，但是，由于缩短了整个工程项目的进度提高了工程质量，使用PLC还是具有较高的性价比。

综上所述，PLC的优越性能使其在工业上得到迅速普及。目前，PLC在家庭、建筑、电力、交通和商业等众多领域也得到了广泛的应用。

1.1.3 知识：PLC的发展

经过了几十年的更新发展，PLC的上述特点越来越为工业控制领域的企业和专家所认识和接受，在美国、德国和日本等工业发达国家已经成为重要的产业之一。生产厂家不断涌现、品种不断翻新、产量产值大幅上升，而价格则不断下降，使得PLC的应用范围持续扩大，从单机自动化到工厂自动化，从机器人、柔性制造系统到工业局部网络，PLC正以迅猛的发展势头渗透到工业控制的各个领域。从1969年第一台PLC问世至今，它的发展大致可以分为以下几个阶段：

1970—1980年：PLC的结构定型阶段。在这一阶段，由于PLC刚诞生，各种类型的顺序控制器不断出现（如逻辑电路型、1位机型、通用计算机型和单板机型等），但迅速被淘汰。最终以微处理器为核心的现有PLC结构形成，取得了市场的认可，得以迅速发展推广。PLC的原理、结构、软件和硬件趋向统一与成熟，应用领域由最初的小范围、有选择使用逐步向机床、生产线扩展。

1980—1990年：PLC的普及阶段。在这一阶段，PLC的生产规模日益扩大，价格不断下降，PLC被迅速普及。各PLC生产厂家产品的价格、品种开始系列化，并且形成了I/O点型、基本单元加扩展块型和模块化结构型这3种延续至今的基本结构模型。PLC的应用范围开始向顺序控制的全部领域扩展。比如，三菱公司在本阶段的主要产品有F、F1和F2小型PLC系列产品，K/A系列的中、大型PLC产品等。

1990—2000年：PLC的高性能与小型化阶段。在这一阶段，随着微电子技术的进步，PLC的功能日益增强，PLC的CPU运算速度大幅度上升、位数不断增加，使得适用于各种特殊控制的功能模块不断被开发，PLC的应用范围由单一的顺序控制向现场控制拓展。此外，PLC的体积大幅度缩小，出现了各类微型化PLC。三菱公司在本阶段的主要产品有FX小型PLC系列产品，AIS/A2US/Q2A系列的中、大型PLC系列产品等。

2000年至今：PLC的高性能与网络化阶段。在本阶段，为了适应信息技术的发展与工厂自动化的需要，PLC的各种功能不断进步。一方面，PLC在继续提高CPU运算速度、位数的同时，开发了适用于过程控制、运动控制的特殊功能与模块，使PLC的应用范围开始涉及工业自动化的全部领域。与此同时，PLC的网络与通信功能得到迅速发展，不仅可以连接传统的编程与输入/输出设备，还可以通过各种总线构成网络，为工厂自动化奠定基础。

PLC从产生到现在已经经历了几十年的发展，实现了从一开始的简单逻辑控制到现在的运动控制、过程控制、数据处理和联网通信，随着科学技术的进步，面对不同的应用领域、不同的控制需求，PLC还将有更大的发展。目前，PLC的发展趋势主要体现在规模化、高性能、多功能、模块智能化、网络化和标准化等几个方面。

1.产品规模向大、小两个方向发展

大型化是指大、中型PLC向大容量、智能化和网络化发展，使之能与计算机组成集成控制系统，对大规模、复杂系统进行综合性的自动控制。现已有I/O点数达14336点的超大型PLC，使用32位微处理器，多CPU并行工作和大容量存储器，功能更强。小型PLC由整体结构向小型模块化结构发展，使配置更加灵活，为了满足市场需要已开发了各种简易、经济的超小型、微型PLC，最小配置的I/O点数为8～16点，以适应单机及小型自动控制的需要。

2.高性能、高速度和大容量发展

PLC的扫描速度是衡量PLC性能的一个重要指标。为了提高PLC的处理能力，要求PLC具有更好的响应速度和更大的存储容量。目前，有的PLC的扫描速度可达0.1ms/千步左右。在存储容量方面，有的PLC最高可达几十兆字节。为了扩大存储容量，有的公司已使用了磁泡存储器或硬盘。

3.模块智能化发展

分级控制、分布控制是增强PLC控制功能、提高处理速度的一个有效手段。智能I/O模块是以微处理器和存储器为基础的功能部件，它们可独立于主机CPU工作，分担主机CPU的处理任务。主机CPU可随时访问智能模块、修改控制参数，这样有利于提高PLC的控制速度和效率，简化设计、编程工作量，提高动作可靠性、实时性，满足复杂控制的要求。为满足各种控制系统的要求，目前已开发出许多功能模块，如高速计数模块、模拟量调节（PID控制）、运动控制（步进、伺服和凸轮控制等）、远程I/O模块、通信和人机接口模块等。

4.网络化发展

加强PLC的联网能力是实现分布式控制、适应工业自动化控制和计算机集成制造系统发展所需要的。PLC的联网与通信主要包括PLC与PLC之间、PLC与计算机之间，以及PLC与远程I/O之间的信息交换。随着PLC和其他工业控制计算机组网构成大型控制系统以及现场总线的发展，PLC将向网络化和通信的简便化方向发展。

5.标准化发展

随着生产过程对自动化要求的不断提高，PLC的能力也在不断增强，过去那种不开放的、各品牌各成一派的结构显然不合适，为提高兼容性，在通信协议、总线结构和编程语言等方面需要一个统一的标准。国际电工委员会为此制定了国际标准IEC 61131，该标准由总则、设备性能和测试、编程语言、用户手册、通信、模糊控制的编程、可编程控制器的应用和实施指导8部分和两个技术报告组成。几乎所有的PLC生产厂家都支持IEC 61131，并向该标准靠拢。