2.1　PLC概述

PLC是以传统顺序控制器为基础，综合了计算机技术、微电子技术、自动控制技术、数字技术和通信网络技术而形成的新型通用工业自动控制装置，是现代工业控制的重要支柱。本节主要介绍PLC的产生、发展趋势及用途。

2.1.1　PLC的产生

在采用PLC之前，电气控制装置主要采用继电器、接触器或电子元器件来实现。由连接导线将这些元器件按照一定的控制方式组合在一起，以完成一定的控制功能，具有结构简单、容易掌握、价格便宜，在一定范围内能够满足控制要求等特点。但这种控制方式的电气装置体积大，接线复杂，故障率高，需要经常地、定时地进行检修维修。另外，当生产工艺或对象需要改变时，就需要重新进行硬件组合、增减元器件、改变接线，使用不灵活。

20世纪60年代初，美国的汽车制造业竞争激烈，产品更新换代的周期越来越短，其生产线必须随之频繁地变更。传统的继电器控制很难适应频繁变动的生产线的控制需要，美国通用汽车（GM）公司为适应生产工艺不断更新的需要，提出一种设想：把计算机的功能完善、通用、灵活等优点与继电器控制系统的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点结合起来，制造一种通用控制装置。这种通用控制装置把计算机的编程方法和程序输入方式加以简化并采用面向控制过程、面向对象的语言编程，使不熟悉计算机的人也能方便地使用。美国数字设备公司（DEC）根据这一设想，于1969年研制成功了第一台PDP-14可编程序控制器。该设备用计算机作为核心设备，用存储的程序代替了原来的接线程序控制。其控制功能是通过存储在计算机中的程序来实现的。由于当时主要用于顺序控制，只能进行逻辑运算，故称为可编程序逻辑控制器（PLC）。

这项新技术的成功使用，在工业领域产生了巨大影响，发展极为迅速。日本、德国和法国也先后研制出了可编程序控制器。我国于1977年研制成功了以MC14500微处理器为核心的可编程序控制器。

进入20世纪80年代，随着大规模和超大规模集成电路等微电子技术和计算机技术的迅速发展，也使得可编程序控制器逐步形成了具有特色的多种系列产品。系统中不仅使用了大量的开关量，也使用了模拟量，其功能已经远远超出逻辑控制、顺序控制的应用范围。

1987年，国际电工委员会（IEC）在可编程序控制器国际标准草案中，对可编程序控制器定义如下：“可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为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、模拟式的输入和输出控制各种机械或生产过程。可编程序控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。”

定义强调了可编程序控制器是“数字运算操作的电子系统”，具有“存储器”，具有运算“指令”，可见它是一种计算机，而且是“专为工业环境下应用而设计”的工业计算机。因此，可编程序控制器能直接应用于工业环境，它具有很强的抗干扰能力，广泛的适应能力和应用范围，同时具有“数字式、模拟式的输入和输出”的能力，“易于与工业控制系统联成一个整体”，易于“扩充”。

2.1.2　PLC的发展趋势

PLC总的发展趋势是向高集成度、小体积、大容量、高速度、易使用、高性能方向发展。具体表现在以下几个方面。

1. 向小型化、专用化、低成本方向发展

随着微电子技术的发展，新型器件的功能大幅度提升，价格不断降低。小型PLC的结构更为紧凑，操作使用十分简单。PLC的功能不断增加，将原来大、中型PLC才有的功能部分地移植到小型PLC上，如模拟量处理、数据通信和复杂的功能指令等，但价格却不断下降，成为现代电气控制系统中不可替代的控制装置。

2. 向大容量、高速度方向发展

大型PLC采用多微处理器系统，有的采用32位微处理器，可同时进行多任务操作，提高了处理速度，特别是增强了过程控制和数据处理的功能。另外，存储容量也大大增加。

3. 智能输入／输出模块和现场安装的发展

智能输入／输出模块是以微处理器和存储器为基础的功能部件，它们的CPU与PLC的主CPU并行工作，占用主CPU的时间很少，有利于提高PLC的扫描速度。另外，为了减少系统配线，减少输入／输出信号在长线传输时带来的干扰，很多PLC将输入／输出模块直接安装在控制现场，通过通信电缆或光缆与主CPU进行数据通信，使得现场仪表、传感器、执行器和智能输入／输出模块一体化。

4. 编程软件图形化及组态软件与PLC的软件化

为了给用户提供一个友好、方便、高效的编程界面，大多数PLC公司开发了图形化的编程软件，使用户控制逻辑的表达更加直观、明了，操作也更加方便。组态软件可以方便地进行工业控制流程的实时和动态监控，完成报警，绘制历史曲线并能实现各种复杂的控制功能，同时可节约控制系统的设计时间，提高系统的可靠性。目前，已有很多家厂商推出了在PC上运行的可实现PLC功能的组态软件包。

2.1.3　PLC的用途

在PLC的发展初期，由于价格高于继电器控制装置，使得其应用受到限制。但最近十几年来，微处理芯片及有关元件的价格大幅度下降，使得PLC的价格也下降了，另一方面PLC的功能也大大增强，它能解决复杂的计算和通信问题。这使得PLC的应用越来越广，目前在国内外已广泛应用于钢铁、采矿、水泥、石油、化工、电力、机械制造、汽车、装卸、造纸、纺织、环保和娱乐等行业。PLC的应用范围通常可分成以下5类。

1. 顺序控制

这是PLC应用最广泛的领域，也是最适合使用PLC的领域。它用来取代传统的继电器顺序控制。PLC应用于单机控制、多级群控、生产自动线控制等。例如，注塑机械、印刷机械、订书机械、包装机械、切纸机械、组合机床、磨床、装配生产线、电镀流水线及电梯控制等都使用PLC。

2. 运动控制

PLC制造商目前已提供了拖到步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。在多数情况下，PLC把描述目标位置的数据发送给控制模块，其输出移动一轴或数轴以达到目标位置。每个轴移动时，位置控制模块保持适当的速度和加速度，确保运动平滑。相对来说，位置控制模块比CNC（计算机数字控制）装置的体积更小，价格更低，速度更快，操作更方便。

3. 过程控制

PLC还能控制大量的物理参数，如温度、压力、流量、液位和速度等。PID模块提供了使PLC具有闭环控制的功能，即一个具有PID控制能力的PLC可用于过程控制。当过程控制中某个变量出现偏差时，PID控制算法会计算出正确的控制量，把输出保持在设定值上。

4. 数据处理

在机械加工中，PLC作为主要的控制和管理系统用于CNC系统，可以完成大量的数据处理工作。

5. 通信网络

PLC的通信包括主机与远程输入／输出之间的通信、多台PLC之间的通信、PLC与其他智能控制设备（如计算机、变频器、数控装置等）之间的通信。PLC与其他智能控制设备一起，可以组成“集中管理、分散控制”的分布式控制系统。