1.1 PLC概述

1.1.1 PLC的产生与定义

从20世纪20年代起，人们便学会用导线把各种继电器、定时器、接触器及其触点按一定的逻辑关系连接起来组成控制系统，以便于控制各种生产机械，这就是我们所熟悉的传统的继电—接触器控制系统。由于它结构简单、使用方便、价格低廉，在一定范围内能满足控制要求，因此在工业控制领域中得到了广泛应用，并一度占据主导地位。但是这种继电—接触器控制系统有明显的缺点，即设备体积大、动作速度慢、功能单一，仅能做简单的控制，特别是采用硬连线逻辑、接线复杂，一旦生产工艺或对象变动，原有接线和控制柜就需要更换，所以这种系统的通用性和灵活性较差，不利于产品的更新换代。

20世纪60年代，由于小型计算机的出现和大规模生产以及多机群控技术的发展，人们曾想过用小型计算机实现工业控制的要求，但由于价格高、输入/输出电路不匹配，以及编程技术复杂等因素导致小型计算机在工业上未能得到推广。

20 世纪 60 年代末期，美国的汽车制造工业竞争十分激烈。1968 年美国通用汽车公司（GM）为了适应汽车型号的不断更新，生产工艺不断变化的需要，实现小批量、多品种生产，希望能有一种新型工业控制器，它能做到尽可能减少重新设计和更换电器控制系统及接线，以降低成本，缩短周期。通用汽车公司向全球招标开发研制新型的工业控制装置取代继电器控制装置，制定10项招标技术要求，其主要内容如下。

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 可靠性要高于继电器控制装置。

④ 体积小于继电器控制装置，能耗较低。

⑤ 可将数据直接上传到管理计算机，便于监视系统运行状态。

⑥ 在成本上可与继电器控制装置竞争。

⑦ 输入开关量可以是交流115V电压信号。

⑧ 输出的驱动信号为交流115V，2A以上容量，能直接驱动电磁阀线圈。

⑨ 具有灵活的扩展能力，扩展时只需在原有系统上做很小的改动。

⑩ 用户程序存储器容量至少可以扩展到4KB。

1969年美国数字设备公司（DEC）根据美国通用汽车公司的这些要求，成功研制了世界上第一台可编程控制器——PDP-14，此控制器在通用汽车公司的自动装配线上试用，取得了很好的效果。

1971 年，日本从美国引进了这项新技术，并很快研制成日本第一台可编程控制器——DSC-8。1973 年，欧洲也研制出可编程控制器并开始在工业领域应用。我国从 1974 年开始研制，并于1977年开始工业应用。

可编程控制器自问世以来，以其可靠性高、抗干扰能力强、组合灵活、编程简单、维护方便等独特优势被广泛应用于国民经济的各个控制领域，其应用深度和广度己成为衡量一个国家工业先进水平的重要标志。

进入20世纪80年代后，随着大规模和超大规模集成电路技术的迅猛发展，以16位和32位微处理器构成的可编程控制器迅速发展，并且在概念、设计、性能价格比等方面有了重大突破。可编程控制器具有高速计数、中断技术、PID 控制等功能的同时，联网通信能力逐步加强，促使可编程控制器的应用范围和领域不断扩大。

为使这一新型工业控制装置的生产和发展规模化，国际电工委员会（IEC）于1982年11月颁布了可编程控制器标准草案的第一稿，1985年1月又颁布了第二稿，1987年2月颁布了第三稿。第三稿对可编程控制器做了如下定义：“可编程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。它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储和执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作指令，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，都应按易于与工业系统形成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。”该定义强调了PLC应直接应用于工业环境，必须具有很强的抗干扰能力、广泛的适应能力和广阔的应用范围，这是区别于一般微机控制器的重要特征。同时，也强调了PLC用软件方式实现的“可编程”与传统控制装置中通过硬件或硬接线的变更来改变程序的本质区别。

近年来，可编程控制器迅速发展，几乎每年都推出不少新系列产品，其功能已远远超出了上述定义的范围。

1.1.2 PLC的特点

PLC技术之所以得到高速发展，除了工业自动化的客观需要外，主要是因为它具有许多独特的优点。它较好地解决了工业领域中人们普遍关心的可靠、安全、灵活、方便、经济等问题。PLC技术主要有以下特点。

1.可靠性高、抗干扰能力强

可靠性高、抗干扰能力强是PLC最重要的特点之一。PLC的平均无故障时间可达几十万个小时，之所以有这么高的可靠性，是由于它采用了一系列的硬件和软件的抗干扰措施。

（1）硬件方面。I/O通道采用光电隔离，有效地抑制了外部干扰源对PLC的影响；对供电电源及线路采用多种形式的滤波，从而消除或抑制了高频干扰；对CPU等重要部件采用良好的导电、导磁材料进行屏蔽，以减少空间电磁干扰；对有些模块设置了联锁保护、自诊断电路等功能。

（2）软件方面。PLC采用扫描工作方式，减少了由外界环境干扰引起的故障；在PLC系统程序中设有故障检测和自诊断程序，能对系统硬件电路等故障实现检测和判断；一旦由外界干扰引起故障时，能立即将当前重要信息加以封存，禁止任何不稳定的读写操作，当外界环境正常后，便可恢复到故障发生前的状态，继续原来的工作。

2.编程简单、使用方便

目前，大多数PLC采用的编程语言是梯形图语言，它是一种面向生产、面向用户的编程语言。梯形图与继电器控制线路图相似——形象、直观，使用者不需要掌握计算机知识，当生产流程需要改变时，可以通过现场改变程序来实现，非常方便、灵活。同时，PLC编程器的操作和使用也很简单，这也是PLC获得普及和推广的主要原因之一。许多PLC还针对具体问题设计了各种专用编程指令及编程方法，进一步简化了编程。

3.功能完善、通用性强

现代PLC不仅具有逻辑运算、定时、计数、顺序控制等功能，还具有A/D和D/A转换、数值运算、数据处理、PID控制、运动控制、通信联网等智能功能。同时，由于PLC产品的系列化、模块化，还配有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，因此可以组成满足各种要求的控制系统。

4.设计安装简单、维护方便

由于PLC用软件代替了传统电气控制系统的硬件，使得控制柜的设计、安装接线这类工作量大为减少。PLC的用户程序大部分可在实验室进行模拟调试，缩短了应用设计和调试周期。在维修方面，由于PLC的故障率极低，因此维修工作量很小，而且PLC具有很强的自诊断功能，如果出现故障，使用者可根据PLC上的指示或编程器上提供的故障信息，迅速查明原因，维修极为方便。

5.体积小、重量轻、能耗低

由于PLC采用了集成电路，其结构紧凑、体积小、能耗低，所以是实现机电一体化的理想控制设备。

1.1.3 PLC的应用领域

近年来，PLC已在国内外广泛应用于冶金、石油、化工、建材、机械制造、电力、汽车、轻工、环保及文化娱乐等行业，随着微处理器芯片及有关元器件的价格大幅度下降，PLC成本也随之下降。与此同时，PLC的性能在不断完善，功能也在增多增强，应用领域也在逐渐拓宽，使得PLC的应用已由早期的开关逻辑控制扩大到工业控制的各个领域。根据PLC的特点，可以将其应用归纳为如下9种类型。

1.开关逻辑控制

利用PLC最基本的逻辑运算、定时、计数等功能实现逻辑控制，可以取代传统的继电器控制，用于单机控制、多机群控制、生产自动线控制等，例如机床、注塑机、印刷机械、装配生产线、粮食生产线、电镀流水线及电梯的控制等，这是 PLC 最基本的应用，也是 PLC最广泛的应用领域。

2.模拟量控制

在现代工业生产过程中，除必要的开关量和数字量外，还有许多连续变化的模拟量，如温度、压力、流量、液位等。而PLC内部所处理的量为数字量，为了能接受模拟量输入和输出信号，PLC中配置有A/D和D/A转换模块，先将现场的温度、压力等模拟量经过A/D模块转换为数字量，再送入微处理器进行处理，微处理器处理过的数字量又经D/A模块转换为模拟量去控制被控对象，这样就可实现PLC对模拟量的控制。

3.顺序（步进）控制

在工业控制中，PLC的顺序控制可以用移位寄存器和步进指令实现。除此之外，还可采用IEC规定的用于顺序控制的标准化语言——顺序功能图（Sequential Function Chart，SFC）编写程序，使得PLC在实现按照事件或输入状态的顺序时，能够更加容易地控制相应输出。

4.运动控制

大多数PLC都有拖动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。这一功能广泛用于各种机械设备，如对各种机床、装配机械、机器人等进行运动控制。

5.定时控制

PLC具有定时控制的功能，它可以为用户提供几十甚至上百个定时器，其定时的时间设置可由用户根据控制时间要求在编写用户程序时设定，定时时间可任意设定，也可由操作人员在工业现场通过编程器进行修改或重新设定，实现定时或延时的控制。通过编程既可以实现通电延时功能，也可实现断电延时功能。

6.计数控制

计数控制也是控制系统不可缺少的，PLC也同样为用户提供了几十甚至上百个计数器，实现对某些信号的计数功能，其设定方式同定时器一样，既可实现增计数控制，也可实现减计数控制。若用户需要对频率较高的信号进行跟踪计数，可选用高速计数模块。

7.过程控制

大中型PLC都具有多路模拟量I/O模块和PID控制功能，有的小型PLC也具有模拟量输入输出。所以PLC可实现模拟量控制，而且具有PID控制功能的PLC可构成闭环控制，用于过程控制。这一功能已广泛用于锅炉、反应堆、水处理、酿酒、闭环位置控制和速度控制等方面。

8.数据处理

现代PLC具有数据处理的能力。它不仅能进行算术运算、数据传送，而且还能进行数据比较、数据转换、数据显示和打印以及数据通信等。对于大中型PLC还可以进行浮点运算、函数运算等。

9.通信和联网

PLC的控制己从早期的单机控制发展到了多机控制，实现了工业自动化。现代的PLC一般都具有通信功能，应用远程I/O模块可实现远程控制；应用通信模块可实现PLC与PLC、PLC与计算机、PLC与远程I/O模块之间的通信。也可以构成“集中管理，分散控制”的分布式控制系统（DCS系统）。因此，PLC是实现工业生产自动化的理想工业控制装置。

1.1.4 PLC的发展状况与趋势

1.可编程控制器的发展状况

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、定时及计数功能。微处理器出现后，人们很快将其引入到PLC领域，使PLC增加了运算、数据传送及处理等功能，完成了真正具有计算机特征的工业控制功能。

纵观PLC控制功能的发展，其历程大致经历了以下4个阶段。

第一阶段，从第一台PLC诞生到20世纪70年代中期，是PLC的崛起阶段。PLC首先在汽车工业获得大量应用，继而在其他产业部门也开始应用。由于大规模集成电路的出现，采用8位微处理器芯片作为CPU，推动PLC技术飞跃发展。这一阶段的产品主要用于逻辑运算和定时、计数运算，控制功能比较简单。

第二阶段，从20世纪70年代中期到70年代末期，是PLC的成熟阶段。由于超大规模集成电路的出现，16位微处理器和51单片机相继问世，促使PLC向大规模、高速度、高性能方向发展。这一阶段产品的功能扩展到数据传送、比较和运算、模拟量运算等。

第三阶段，从20世纪70年代末期到80年代中期，是PLC的通信阶段。由于计算机通信技术的发展，PLC的性能也在通信方面有了较大的提高，初步形成了分布式的通信网络体系。但是，由于制造商各自为政，通信系统自成体系，造成了不同厂家产品的互联较为困难。在本阶段，由于社会生产对PLC的需求大幅增加，PLC的数学运算功能较大地扩充，可靠性也进一步提高。

第四阶段，从20世纪80年代中期至今，是PLC由单机控制向系统化控制的加速发展阶段。尤其进入21世纪，由于控制对象的日益多样性和复杂性，采用单个PLC已不能满足控制要求，因此出现了配备A/D单元、D/A单元、高速计数单元、温控单元、位控单元、通信单元、主机链接单元等不同功能的特殊模块构成的功能强大的PLC系统，而且不同系统间可以实现网际互联，还可以与上位管理机进行数据交换。

2.PLC的发展趋势

（1）更快的处理速度，多CPU结构和容错系统。大型和超大型PLC正在向大容量和高速化方向发展，趋向采用计算能力更大，时钟频率更高的CPU芯片。

采用多CPU能提高机器的可靠性，增强系统在技术上的生命力，提高处理能力和响应速度，以及模块化程度。

多CPU技术的一个重要应用是容错系统，近年来有些公司研制了三重全冗余PLC系统或双机热备用系统。采用热备用系统是否经济，取决于实际的需求和价格。而大多数用户只需要及时诊断，及时更换故障器件。为了及时诊断故障，有的公司研制了智能、可编程 I/O系统，供用户了解I/O组件状态和监测系统的故障，也有的公司研制了故障检测程序，还发展了公共回路远距离诊断和网络诊断技术等。

（2）PLC具有计算机功能，编程语言与工具日趋标准化和高级化。国际电工委员会（IEC）在规定PLC的编程语言时，认为主要的程序组织语言是顺序功能表。功能表的每个动作和转换条件可以运用梯形图编程，这种方法使用方便，容易掌握，深受电工和电气技术人员的欢迎，也是PLC能迅速推广的重要因素。然而它在处理较复杂的运算、通信和打印报表等功能时效率低、灵活性差，尤其用于通信时显得笨拙，所以在原梯形图编程语言的基础上加入了高级语言，例如BASIC、PASCAL、C、FORTRAN等。

（3）强化PLC的连网通信能力。近年来，加强PLC的连网能力成为PLC的发展趋势。PLC的连网可分为两类：一类是PLC之间的连网通信，各制造厂家都有自己的数据通道；另一类是PLC与计算机之间的连网通信，一般都由各制造厂家制造专门的接口组件。MAP是制造自动化的通信协议（Manufacturing Automation Protocol），它是一种七层模拟式、宽频带、以令牌总线为基础的通信标准。现在越来越多的公司宣布要与MAP兼容。PLC与计算机之间的联网能进一步实现全工厂的自动化，实现计算机辅助制造（CAM）和计算机辅助设计（CAD）。

（4）记忆容量增大，采用专用的集成电路，适用性增强。记忆容量过去最大为 64KB，现在已增加到 500KB 以上。记忆的芯片过去主要是 RAM、EPROM，现在有 EEPROM、UVEPROM（可擦除编程ROM）、NVRAM（非易失性随机访问存储器）等，对ROM片可以涂改，对RAM片可以在断电时维持住记忆的信息。

（5）向小型化、高性能的整体型发展。在提高系统可靠性的基础上，产品的体积越来越小，功能越来越强。欧姆龙公司推出的CP1H PLC的体积约为150mm×90mm×85mm，内置40个开关量I/O点，4个模拟量输入点以及2个输出量输出点，基本指令的执行时间为0.1µs，特殊指令的执行时间为0.3µs。同时，PLC的制造厂商也开发了多种类型的高性能模块产品，当输入输出点数增加时，可根据过程控制的需求，采用灵活的组合方式进行配套，完成所需的控制功能。