任务一　认识PLC

【知识、能力目标】

了解PLC的基本概念；

了解PLC的特点和应用；

熟悉PLC的分类和主要性能指标；

能简述继电接触器控制与PLC控制的主要区别。

一、可编程控制器的产生和发展

1.可编程控制器的产生

在可编程控制器被广泛应用之前，工业生产自动化控制领域中继电接触器控制系统占据着主导地位。继电接触器控制系统具有结构简单、易于掌握、价格便宜等优点，但是，这类控制装置的体积大、动作速度较慢、功能少，尤其是由于它靠硬件接线构成系统，接线繁杂，当生产工艺或控制对象改变时，原有的接线和控制柜就必须进行相应的改变或更换，而且这种变动工作量大、工期长、费用高。可见，继电接触器系统的通用性和灵活性差，它只适应于工作模式固定、控制要求较简单的场合。

随着工业生产的迅速发展，市场竞争越来越激烈，工业产品更新换代的周期日趋缩短，新产品不断涌现，传统的继电接触器控制系统，难以满足现代社会小批量、多品种、低成本、高质量生产方式的生产控制要求，因此，迫切需要一种更可靠、通用，以及依靠用户程序实现逻辑控制的新型自动控制装置，来取代继电接触器控制系统。

1968年，美国最大的汽车制造商——通用汽车公司（GM）为了适应汽车型号不断翻新的要求，提出了这样的设想：将计算机的功能完善、通用灵活等优点，与继电接触器控制简单易懂、操作方便、价格低廉等优点结合起来，将继电接触器控制的硬接线逻辑转变为计算机的软件逻辑编程，制造一种新型的通用控制装置，取代生产线上的继电接触器控制系统。为此，GM提出了10条要求，向制造商公开招标。新型的控制装置要达到以下10项指标：

① 编程简单，可在现场修改程序；

② 维修方便，最好是插件式结构；

③ 可靠性高于继电器控制装置；

④ 体积小于继电器控制装置；

⑤ 数据可直接送入管理计算机；

⑥ 成本可与继电器控制装置竞争；

⑦ 输入可为市电；

⑧ 输出可为市电，负载电流要求2A以上，能直接驱动电磁阀、接触器等负载元件；

⑨ 通用灵活，易于扩展，扩展时原系统只需很小变更；

用户程序存储器容量至少能扩展到4K。

1969年，美国数字设备公司（DEC）根据以上设想和要求研制出世界上第一台可编程序控制器，型号为PDP-14，并在通用汽车公司的自动装配线上试用成功。随后，日本、原联邦德国、法国等国家相继开发出各自的PLC。我国从1974年开始研制可编程控制器，1977年开始工业应用。限于当时的元器件条件及计算机发展水平，早期的PLC主要由分立元件和中小规模集成电路组成，可以完成简单的逻辑控制及定时、计数功能，此时的控制装置为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物，所以将该控制装置称之为可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller），简称PLC。

随着微电子技术和大规模集成电路的发展，20世纪70年代后期，微处理器被应用到PLC中，从而极大扩展了其功能，不仅能进行开关量逻辑控制，还具有模拟量控制、数据处理、网络通信等多种功能，并且体积大大缩小，PLC成了真正具有计算机特征的工业控制装置，并步入了实用化发展阶段。这种采用了微处理器技术的PLC，于1980年由美国电气制造商协会正式将其命名为可编程序控制器（Programmable Controller），简称PC。国际电工委员会（IEC）对可编程序控制器的定义做了多次修改，于1987年2月颁布了第三稿并将其定义为：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有关设备，都应按易于与工业控制器系统连成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。

由于可编程序控制器的缩写PC容易与个人计算机（Personal Computer）的简称PC相混淆，故人们通常仍把可编程控制器简称为PLC。

2.可编程控制器的发展

PLC问世以来，其发展极为迅速。由最初的一位机发展为8位机，现在的大型PLC已采用了32位微处理器，可同时进行多任务操作，其技术已经相当成熟。

目前，世界上有PLC生产厂200多家，比较著名的有：美国的A-B公司、通用电气公司，日本的三菱、松下电工、欧姆龙，德国的西门子，法国的施耐德等。生产的可编程控制器品种非常繁多，产品的更新换代也极快。PLC的结构不断改进，功能日益增强，性能价格比越来越高。展望未来，PLC在规模和功能上正朝着两个方向发展。大型PLC不断向大容量、高速度、多功能的方向发展，使之能取代工业控制微机对大规模复杂系统进行综合性的自动控制；另一方面，小型PLC向超小型、简易、廉价方向发展，使之能真正完全取代最小的继电接触器系统，适应单机、数控机床和工业机器人等领域的控制要求。另外，不断增强PLC的联网通信功能，便于分散控制与集中管理的实现；大力开发智能I/O模块，极大地增强PLC的过程控制能力，提高它的适应性和可靠性；不断使PLC的编程语言与编程工具向标准化和高级化发展。

二、PLC 的特点和应用

1. PLC的主要特点

（1）可靠性高

这是用户选择控制装置的首要条件。由于PLC是专门为工业控制设计的，在设计和制造过程中采取了诸如屏蔽、隔离、滤波、联锁等安全保护措施，有效地抑制了外部干扰、防止误动作。另外，PLC是集成电路为基本元件的电子设备，内部处理过程不依赖于机械触点，故障大大降低。此外，PLC自带硬件故障检测功能，出现故障可及时发出报警信息。在应用软件方面，应用者可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样，整个PLC系统具有极高的可靠性。

（2）使用方便，通用性强

PLC控制系统的构成简单方便。PLC的输入和输出设备与继电接触器控制系统类似，但它们可以直接连接在PLC的I/O端。如只需将产生输入信号的设备（按钮、开关等）与PLC的输入端子连接；将接收输出信号的被控设备（接触器、电磁阀等）与PLC的输出端子连接，仅用螺钉旋具就可完成全部的接线工作。

PLC的通用性好。PLC用程序代替了继电接触器控制中的硬接线，其控制功能是通过软件来完成的，当控制要求改变时一般可主要通过修改软件程序来满足新的要求，而不必改变或少量改变PLC的硬件设备。可见，PLC具有极好的通用性。

（3）功能完善，组合方便

现代的PLC几乎能满足所有工业控制领域的需要。由于PLC的产品已经标准化、系列化和模块化，不仅具有逻辑运算、定时、计数、步进等功能，而且还能完成A/D、D/A转换，数字运算和数据处理、通信联网、生产过程控制等。PLC产品具有各种扩展单元，它能根据实际需要，方便地适应各种工业控制中不同输入、输出点数及不同输入、输出方式的系统：既可用于开关量控制，又可用于模拟量控制；既可控制单机、一条生产线，又可控制一个机群、多条生产线；既可用于现场控制，又可用于远程控制。

（4）编程简单，维护方便

目前PLC的编程语言以梯形图应用最广。梯形图编程沿用了继电接触器控制线路中的一些图形符号和定义，十分直观清晰，对于熟悉继电接触器控制系统的人员来说极易掌握。

PLC具有完善的故障检测、自诊断等功能。一旦发生故障，能及时地查出自身故障，并通过PLC机上各种发光二极管报警显示，使操作人员能迅速地检查、判断、排除故障。PLC还具有较强的在线编程能力，使用维护非常方便。

（5）体积小、重量轻、功耗低

由于PLC采用了大规模集成电路，因此整个产品结构紧凑、体积小、重量轻、功耗低，可以很方便地将其装入机械设备内部，是一种实现机电一体化较理想的控制设备。

2. PLC的应用

自世界上第一台PLC诞生至今，PLC技术得到了迅猛发展，获得了极其广泛的应用。早期的PLC仅仅是取代继电接触器控制，而现在可以说，凡有控制系统存在的地方就有PLC。它的应用几乎覆盖了机械、冶金、矿山、石油化工、轻工、电力、建筑、交通运输等各行各业，成为工业自动化领域中最重要、应用最多的控制设备，并已跃居现代工业自动化三大支柱（PLC、机器人、CAD/CAM）的首位。

按PLC的控制类型，其应用可分为以下几个方面。

（1）开关量控制

这是PLC最基本、最广泛的应用方面，用PLC取代继电器控制和顺序控制器控制。在单机控制、群机控制和自动生产线控制方面都有很多成功的应用实例。例如：机床电气控制，纺织机械、注塑机、包装机械、食品机械的控制，汽车、轧钢自动生产线的控制，家用电器（电视机、电冰箱等）自动装配线的控制，电梯、皮带运输机的控制等。

（2）模拟量控制

PLC通过模拟量I/O模块，可以实现模拟量和数字量之间的转换，并对温度、压力、速度、流量等连续变化的模拟量进行控制。具有PID闭环控制功能的PLC，可用于闭环系统的过程控制、位置控制和速度控制等，如典型的闭环过程控制有锅炉运行控制、连轧机的速度和位置控制等。

（3）运动控制

PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。在机械加工行业，PLC与计算机数控（CNC）紧密结合，实现对机床的运动控制，最典型的应用是数控机床。世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。

（4）数据处理

现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。

（5）通信和联网

多功能的PLC具有较强的通信联网功能，可实现PLC与PLC之间、PLC与上位计算机或其他智能设备间的通信，从而可形成多层分布式控制系统或工厂自动化网络。通常采用多台PLC分散控制，由上位计算机集中管理。

三、PLC的分类及技术性能指标

1. PLC的分类

PLC的产品繁多，各厂家生产的型号、规格和性能也各不相同，通常可按以下几种情况分类。

（1）按产地分类

按产地分类，PLC可分为日系、欧美、中国等。其中日系具有代表性的为三菱、欧姆龙、松下等；欧美系列具有代表性的为西门子、A-B、通用电气等；中国系列具有代表性的为和利时、浙江中控等。

（2）按I/O点分类

按I/O点数分类，PLC可分为大型机、中型机及小型机等。大型机一般I/O点数＞2048点，具有多CPU，16位/32位处理器，用户存储器容量一般为8～16K，具有代表性的为西门子S7-400系列、通用公司的GE-Ⅳ系列等；中型机一般I/O点数为256～2048点，单/双CPU，用户存储器容量一般为4～8K，如西门子S7-300系列、三菱Q系列等；小型机一般I/O点数＜256点，单CPU，8位或16位处理器，用户存储器容量一般为4K字以下，如西门子S7-200系列、三菱FX系列等。

（3）按结构分类

按结构分类，PLC主要可分为整体式和模块式。

① 整体式PLC。将组成PLC的各个部分（CPU、存储器、I/O部件等）集中于一体，安装在少数几块印刷电路板上，并连同电源一起装配在一个机壳内形成一个整体，这个整体通常称为主机或基本单元。这种结构具有简单紧凑、体积小、重量轻、价格低等优点，易于安装在工业设备的内部，适合于单机控制。一般小型和超小型PLC采用整体式结构。

② 模块式PLC。将PLC划分为相对独立的几部分制成标准尺寸的插件式模块，主要有CPU模块、输入模块、输出模块、电源模块等，然后用搭积木的方式将其组装在一个电源机架内。PLC厂家备有不同槽数的机架供用户选用。用户可根据需要方便、灵活地进行组合，构成不同功能的PLC 控制系统。这种结构的PLC配置灵活、装配和维修方便、功能易于扩展，缺点是结构复杂、价格较高。一般大、中型PLC采用模块式结构。

还有一些PLC将整体式和模块式的特点结合起来，构成所谓叠装式PLC。

（4）按功能分类

按功能分类，PLC可分为低档、中档、高档三类。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，主要用于逻辑控制、顺序控制或少量模拟量控制的单机控制系统。中档PLC除具有低档PLC的功能外，还具有较强的模拟量输入/输出、算术运算、数据传送和比较、数制转换、远程I/O、子程序、通信联网等功能，有些还可增设中断控制、PID控制等功能，适用于复杂控制系统。高档PLC除具有中档机的功能外，还增加了带符号算术运算、矩阵运算、位逻辑运算、平方根运算，以及其他特殊功能函数的运算、制表及表格传送功能等，高档PLC机具有更强的通信联网功能，可用于大规模过程控制或构成分布式网络控制系统，实现工厂自动化。

2. PLC的技术性能指标

技术性能指标是用户选择使用PLC产品的重要依据。PLC的制造厂家为了反映其产品详细的技术指标，一般都会列出其所生产的PLC的系统规格，它包括硬件指标（一般规格）和软件指标（性能规格）。为了综合表达PLC的性能，通常用下列指标加以表述。

（1）I/O点数

I/O点数是PLC的外部输入、输出端子数量，它表明了PLC可接收的输入信号和输出信号的数量。PLC的输入、输出信号分开关量和模拟量。对于开关量，其I/O总点数用最大I/O点数表示；对于模拟量，I/O总点数用最大I/O通道数表示。

（2）程序存储容量

用户程序存储容量是衡量PLC存储用户程序的一项指标，通常以字为单位计算。约定每16位相邻的二进制数为一个字，1024个字为1K字。一般中小型的PLC用户程序存储容量为8K以下，大型机有的可达数兆。

在编程时，每一条指令所占内存为若干个字，如一般逻辑操作指令每条占1个字。有的PLC用户程序存储器容量是用步数来表示的，一条指令包含若干步，一步占用一个地址单元，一个地址单元为两个字节。如某PLC的内存容量为4000步，则可推知其内存为8K字节。

（3）指令总数

指令总数用以表示PLC软件功能强弱的主要指标。PLC的指令条数越多，表明其软件功能越强。

（4）扫描速度

扫描速度反映PLC执行用户程序的快慢。可以用执行1000步指令所需时间来表示（ms/千步），也可以用执行一条指令的时间来表示（μs/步）。

（5）内部寄存器

内部寄存器的配置及容量是衡量PLC硬件功能的重要指标。PLC内部有许多寄存器用以存放变量状态、中间结果、定时计数等数据，其数量的多少、容量的大小，直接关系到用户编程时是否方便、灵活。

（6）特殊功能模块

PLC特殊功能模块的多少及功能的强弱是衡量其技术水平高低的一个重要的指标。PLC除了基本功能模块外，还配有各种特殊功能模块。基本功能模块实现基本控制功能，特殊功能模块实现某一种特殊的功能。PLC的特殊功能越多，其系统配置、软件开发就越灵活、方便，适应性也就越强。目前已开发出的常用特殊功能模块有：模/数转换（A/D）模块、数/模转换（D/A）模块、高速计数模块、位置控制模块、速度控制模块、温度控制模块、轴定位模块、远程通信模块及高级语言编程模块等。

四、习题与训练

1.1.1　什么是PLC？它有哪些特点？

1.1.2　PLC是如何分类的？

1.1.3　选择题。

（1）下列选项不是PLC的特点（　　）。

A.抗干扰能力强

B.编程方便　　　

C.安装调试方便

D.功能单一

（2）可编程序控制器在硬件设计方面采用了一系列措施，如对干扰的（　　）。

A.屏蔽、隔离和滤波

B.屏蔽和滤波

C.屏蔽和隔离

D.隔离和滤波

（3）可编程序控制器在输入端使用了（　　），来提高系统的抗干扰能力。

A.继电器

B.晶闸管

C.晶体管

D.光电耦合器

1.1.4　通过多种渠道，进一步了解PLC的应用，并举例说明。

1.1.5　走进学校的PLC实训室，了解本校的PLC设备。