2.2　PLC的特点、分类及技术指标

PLC是工业自动化的基础平台。在工业现场用于对大量的数字量和模拟量进行检测与控制，如电磁阀的开／闭，电动机的启／停，温度、压力、流量等参数的PID控制等。本节主要介绍PLC的特点、分类及技术指标。

2.2.1　PLC的特点

1. 可靠性高，抗干扰能力强

为了满足工业生产对控制设备安全性与可靠性的要求，PLC采用了微电子技术，大量的开关动作是由无触点的半导体电路来完成的，在结构上充分考虑工业生产环境下温度、湿度、粉尘、振动等方面的影响；在硬件上采用隔离、滤波、屏蔽、接地等抗干扰措施；在软件上采用故障诊断、数据保护等措施。这些都使PLC具有较高的抗干扰能力。目前，各个厂家生产的PLC的平均无故障时间都远超IEC规定的10×10⁴h，有的甚至达到了几十万小时。

2. 通用灵活

PLC产品已经序列化，结构形式多种多样，在机型上有很大的选择余地。另外，PLC及外围模块品种多，用户可以根据不同任务的要求，选择不同的组件灵活组合不同硬件结构的控制装置。更重要的是，在PLC控制系统中，其主要功能是通过程序实现的。在需要改变设备的控制功能时，只需修改程序，而修改接线的工作量是很小的。这一点是一般继电器控制很难实现的。

3. 编程简单方便

PLC应用程序的编制和调试非常方便，编程可采用与继电器接触器控制电路十分相似的梯形图语言，这种编程语言形象直观，容易掌握，即使没有计算机知识的人也很容易掌握。另外，顺序功能图（SFC）是一种结构块控制流程图，使编程更加简单方便。

4. 功能完善，扩展能力强

PLC的输入／输出系统功能完善，性能可靠，能够适应各种形式和性质的开关量和模拟量的输入／输出。PLC的功能单元能方便地实现D/A、A/D转换以及PID运算，实现过程控制、数字控制等功能。它还可以和其他微机系统、控制设备共同组成分布式或分散式控制系统，能够很好地满足各种类控制的需要。

5. 设计、施工、调试的周期短，维护方便

继电器接触器控制系统中的中间继电器、时间继电器、计数器等电器元件在PLC控制系统中是以“软元件”形式出现的，并且用程序代替了硬接线，安装接线工作量少，工作人员也可提前根据具体的控制要求在PLC到货之前进行编程，大大地缩短了施工工期。

PLC体积小，重量轻，便于安装。PLC具有完善的自诊断及监视等功能，对于其内部的工作状态、通信状态、输入／输出点状态、异常状态和电源状态都有显示。工作人员通过它可以查出故障原因，便于迅速处理。

由于PLC具有上述特点，因此PLC的应用范围极为广泛。可以说，只要有工厂，有控制要求，就会有PLC的应用。

2.2.2　PLC的分类

PLC是因现代化生产的需要而产生的，PLC的分类也必然要符合现代化生产的需求。一般来说，可以从三个维度对PLC进行分类。其一是从PLC的控制规模大小分类，其二是从PLC的性能高低分类，其三是从PLC的结构特点分类。

1. 按PLC的控制规模分类

按控制规模分类，PLC可以分为小型PLC、中型PLC和大型PLC。

1）小型PLC

小型PLC的输入／输出点数一般小于256点，单CPU，8位或16位处理器，用户存储器容量4KB以下，一般以开关量控制为主。由于控制点数少，其控制功能有一定的局限性。但是，它小巧、灵活，可以直接安装在电气控制柜内，很适合单机控制或小型系统的控制。德国西门子（SIEMENS）公司的S7-200和S7-1200系列、日本三菱公司的FX系列等均属于小型机。

2）中型PLC

中型PLC的输入／输出点数一般为256～2048点，双CPU或多CPU，用户存储器容量2～8KB或更大。它具有开关量和模拟量的控制功能，还具有更强的数字计算能力。由于控制点数较多，控制功能很强，它可用于对设备直接控制，还可以对多个下一级的PLC进行监控，适用于中型或大型控制系统的控制。德国西门子公司的S7-300系列、日本OMRON公司的C200H系列、日本三菱公司的Q系列的部分机型等均属于中型机。

3）大型PLC

大型PLC的输入／输出点数一般大于2048点，双CPU或多CPU，16位或32位处理器，用户存储器容量8～16KB或更大。由于控制点数多，控制功能很强，有很强的计算能力，运行速度很高，大型PLC不仅能完成较复杂的算术运算，还能进行复杂的矩阵运算。它不仅可用于对设备直接控制，还可以对多个下一级的PLC进行监控，组成一个集散的生产过程控制系统。大型机适用于设备自动化过程、过程自动化控制和过程监控系统。德国西门子公司的S7-400系列、日本OMRON公司的CVM1和CS1系列、日本三菱公司的Q系列的部分机型等均属于大型机。

2. 按PLC的控制性能分类

按控制性能分类，PLC可以分为高档机、中档机和低档机。

1）低档机

这类PLC具有基本的控制功能和一般的运算能力，工作速度比较慢，能带的输入和输出模块的数量比较少，输入和输出模块的种类也比较少。这类PLC只适合小规模的简单控制。在联网中，一般适合作从站使用。德国西门子公司的S7-200系列就属于这一类，S7-1200属于中低档机。

2）中档机

这类PLC具有较强的控制功能和较强的运算能力，它不仅能完成一般的逻辑运算，也能完成比较复杂的三角函数、指数和PID运算，工作速度比较快，能带的输入和输出模块的数量比较多，输入和输出模块的种类也比较多。这类PLC不仅能完成小型的控制，也可以完成较大规模的控制任务。在联网中，既可以作从站使用，也可以作主站使用。德国西门子公司的S7-300系列就属于这一类。

3）高档机

这类PLC具有强大的控制功能和强大的运算能力。它不仅能完成逻辑运算、三角函数、指数和PID运算，还能进行复杂的矩阵计算，工作速度很快，能带的输入和输出模块的数量很多，输入和输出模块的种类全面。这类PLC不仅能完成中等规模的控制工程，也可以完成规模很大的控制任务。在联网中，一般作主站使用。德国西门子公司的S7-400系列就属于这一类。

3. 按PLC的结构分类

PLC按结构可以分为整体式和组合式两类。

1）整体式

整体式结构的PLC把电源、CPU、存储器、输入／输出系统紧凑地安装在一个标准机壳内，构成一个整体，构成PLC的基本单元。一个基本单元就是一台完整的PLC，可以实现各种控制。控制点数不符合需要时，可再接扩展单元，扩展单元不带CPU。有基本单元和若干扩展单元组成较大的系统。整体式结构的特点是非常紧凑、体积小、成本低、安装方便，其缺点是输入／输出的点数有限定的比例。小型机多为整体式结构。德国西门子公司的S7-200系列和日本三菱公司的FX系列PLC为整体式结构。整体式PLC组成如图2-1所示。

2）组合式

组合式结构的PLC是把PLC系统的各个组成部分按功能分成若干模块，如CPU模块、输入模块、输出模块、电源模块等，将这些模块插在框架或基板上即可。各模块功能比较单一，模块的种类却日趋丰富。例如，一些PLC除了基本的输入／输出模块外，还有一些特殊功能模块，如温度检测模块、位置检测模块、PID控制模块、通信模块等。组合式结构的PLC采用搭积木的方式，在一块基板上插上所需模块组成系统。组合式结构PLC的特点是CPU、输入、输出均为独立的模块，模块尺寸统一，安装整齐，输入／输出点选型自由，安装调试、扩展、维修方便。中型机和大型机多为组合式结构。德国西门子公司的S7-300系列、S7-400系列以及日本三菱公司的Q系列PLC就属于组合式结构。组合式PLC组成如图2-2所示。模块之间通过底板上的总线相互联系。CPU与各扩展模块之间若通过电缆连接，距离一般不应超过10m。

2.2.3　PLC的技术指标

PLC的技术指标包括硬件指标和软件指标。

1. 硬件指标

硬件指标包括一般指标、输入特性和输出特性。

一般指标主要体现在环境温度、环境湿度、使用环境、抗震、抗冲击、抗噪声、抗干扰和耐压等性能上。

输入特性主要体现在输入电路的隔离程度、输入灵敏度、响应时间和所需电源等性能上。

输出特性主要体现在回路构成、回路隔离、最大负载、最小负载、响应时间和外部电源等性能上。这里的回路构成继电器输出、晶体管输出或晶闸管输出。

2. 软件指标

软件指标主要包括程序容量、编程语言、通信功能、运行速度、指令类型、元件种类和数量等。

程序容量是指PLC的内存和外存的大小，一般从几千字节到上百千字节。存储器的类型一般为RAM、EPROM和EEPROM。

编程语言是指有多少种语言支持编制用户程序。PLC编程语言很多，有梯形图、语句表、顺序功能图和功能块图等几种基本语言。多一种编程语言会使编制用户程序更快捷、更方便。

通信功能是指PLC是否具有通信能力，具有何种通信能力。一般可分为远程输入／输出通信、计算机通信、点对点通信、高速总线、MAP网等。当前，通信能力是衡量PLC性能的一项主要指标。

运行速度是指操作处理时间的长短，可以用基本指令执行时间来衡量，时间越短越好，一般在微秒级以下。指令的功能越强，说明PLC的性能越佳。

元件的种类和数量的多少不仅反映了PLC的性能，也说明了PLC的规模。输入／输出元件的数量说明PLC的输入／输出能力，输入／输出元件的类型（直流、交流、模拟量、高速计数、定位、PID）多少，说明PLC性能的高低。

3. 主要性能指标介绍

主要性能指标包括如下7点。

1）存储容量

存储容量指用户程序存储器的容量。存储容量决定了PLC可以容纳的用户程序的长短，一般以字节为单位来计算。每1024个字节为1KB。中、小型PLC的存储容量一般在8KB以下，大型PLC的存储容量可达到256KB～2MB。有的PLC用存放用户程序指令的条数来表示容量，一般中、小型的PLC存储指令的条数为2K条。

2）输入／输出点数

输入／输出点数指输入点及输出点之和。输入／输出点数越多，外部可接入的输入器件和输出器件就越多，控制规模就越大。因此输入／输出点数是衡量PLC规模的指标。国际上流行将输入／输出总点数在64点及以下的PLC称为微型PLC，256点以下的PLC称为小型PLC，总点数为256～2048点的PLC称为中型PLC，总点数在2048点以上的PLC称为大型PLC。

3）扫描速度

扫描速度是指PLC执行程序的速度。一般以执行1KB所用的时间来衡量扫描速度。由于不同功能的指令的执行速度差别较大，目前也可以布尔指令的执行速度表征PLC工作的快慢。有些品牌的PLC在用户手册中给出执行各种指令所用的时间，可以通过比较各种PLC执行类似操作所用的时间来衡量CPU工作速度的快慢。

4）指令的功能和数量

指令功能的强弱及数量的多少反映PLC能力的强弱。一般来说，编程指令种类及条数越多，处理能力、控制能力就越强，用户程序的编制也就越容易。

5）内部元件的种类及数量

在编制程序时，需要用到大量的内部元件来存储变量、中间结果、定时计数信息、模块设置参数及各种标志位等。这类元件的种类及数量越多，表示PLC的信息处理能力越强。

6）智能单元的数量

为了完成一些特殊的控制任务，PLC厂商都为自己的产品设计了专用的智能单元，如模拟量控制单元、定位控制单元、速度控制单元以及通信工作单元等。智能单元种类的多少和功能的强弱是衡量PLC产品水平高低的重要指标。

7）扩展能力

PLC的扩展能力含输入／输出点数的扩展、存储容量的扩展、联网功能的扩展及各种模块的连接扩展等。绝大部分PLC可以用输入／输出扩展单元进行输入／输出点数的扩展，有的PLC可以使用各种功能模块进行扩展。但PLC的扩展功能总是有限制的。

了解PLC的指标体系后，就可以根据具体控制工程的要求，从众多PLC中选取合适的PLC类型。