1.2 PLC特点、分类与发展应用

1.2.1 PLC的特点

作为一种新型的工业自动控制装置，PLC具有以下一些特点。

（1）高可靠性和强抗干扰能力

高可靠性和强抗干扰能力是PLC最突出的特点之一，主要表现在以下方面。

· 用软件代替传统继电器控制系统中大量的中间继电器和时间继电器，仅剩下与输入和输出有关的少量硬件，接线大大减少，因触点接触不良造成的故障大为减少；

· 所有的I/O接口电路均采用光电隔离，使现场的外电路与PLC内部电路之间电气上隔离；

· 各输入端均采用RC滤波器，并采取屏蔽措施；

· 采用性能优良的开关电源；

· 对采用的器件进行严格的筛选；

· 良好的自诊断功能，一旦电源或其他软、硬件发生异常情况，CPU立即采用有效措施，以防止故障扩大；

· 大型PLC还可以采用由双CPU构成冗余系统或有三个CPU构成的表决系统，使可靠性更进一步增强。

因此，PLC具有很高的可靠性和很强的抗干扰能力，平均无故障工作时间可达数万小时，可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场并持续工作。

（2）丰富的I/O接口模块

为了实现与工业生产过程控制中的各种工业现场设备的相互连接，PLC除具有普通计算机的基本部分（如CPU、存储器等）外，还有丰富的I/O接口模块。对不同的工业现场信号（交流或直流、开关量或模拟量、电压或电流、脉冲或电位、强电或弱电等），设计有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备（按钮、行程开关、接近开关、传感器及变送器、电磁线圈、控制阀等）直接连接。

另外，为了提高系统的操作灵活性，许多PLC还有多种人-机对话的接口模块，为了组成工业局部网络，还有多种通信联网的接口模块等。

（3）灵活性好

为了适应各种工业控制需要，除了一些小型PLC以外，绝大多数PLC均采用模块化结构。PLC的各个部件，包括CPU、电源、I/O等均采用模块化设计，由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。

相对于传统的电气控制线路，PLC为改进和修改原设备提供了极其方便的手段，通过修改或重新编写应用程序，就可以用一台PLC实现不同的控制功能。

（4）编程简单易学

PLC大多采用梯形图作为主要的编程语言。梯形图是一种面向用户的编程语言，它的表达方式类似于继电器控制系统电路图，具有形象直观、易学易懂的特点。

对于熟悉继电器控制电路图的电气技术人员来说，很快就可以学会梯形图语言，并用来编制用户所需程序。

（5）系统安装简单，维修方便

PLC不需要专门的机房，可以在各种工业环境下直接运行。使用时只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O端相连接，即可投入运行。

PLC的各种模块上大多都有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障。由于采用模块化结构，因此一旦某模块发生故障，用户可以通过更换模块的方法，使系统迅速恢复运行。

1.2.2 PLC的分类

目前，PLC的种类很多，规格性能不一。通常可根据它的结构形式、容量或功能进行分类。

1．按结构形式的分类

按照硬件的结构形式，PLC可分为如下几类。

（1）整体式PLC：这种结构的PLC将电源、CPU、输入输出部件等集中配置在一起，装在一个箱体内，通常称为主机。整体式结构的PLC具有结构紧凑、体积小、重量轻、价格较低等特点，但主机的I/O点数固定，使用上不太灵活。小型的PLC通常使用这种结构，适用于比较简单的控制场合。

（2）模块式PLC：也称为积木式结构，即把PLC的各组成部分以模块的形式分开，如电源模块、CPU模块、输入模块、输出模块等，把这些模块插在底板上，组装在一个机架内。这种结构的PLC配置灵活、装配方便、便于扩展，但结构较复杂，价格较高。大型的PLC通常采用这种结构，适用于比较复杂的控制场合。

（3）叠装式PLC：这是一种新的结构形式，它吸收了整体式和模块式PLC的优点，如三菱公司的FX2系列PLC，它的基本单元、扩展单元和扩展模块等高等宽，但是长度不同。它们不用基板，仅用扁平电缆，紧密拼装后组成一个整齐的长方体，输入、输出点数的配置也相当灵活。

2．按容量的分类

PLC的容量主要是指其输入/输出点数。按容量大小，可将PLC分为如下几类。

（1）小型PLC:I/O点数一般在256点以下；

（2）中型PLC:I/O点数一般在256～1024点之间；

（3）大型PLC:I/O点数在1024点以上。

3．按功能的分类

按PLC功能上的强弱，可分为如下几类。

（1）低档机：具有逻辑运算、计时、计数等功能，有的有一定的算术运算、数据处理和传送等功能，可实现逻辑、顺序、计时计数等控制功能。

（2）中档机：除具有低档机的功能外，还具有较强的模拟量输入输出、算术运算、数据传送等功能，可完成既有开关量又有模拟量的控制任务。

（3）高档机：除具有中档机的功能外，还具有带符号运算、矩阵运算等功能，使得运算能力更强，还具有模拟量调节、强大的联网通信等功能，能进行智能控制、远程控制、大规模控制，可构成分布式控制系统，实现工厂自动化管理。

当然，上述分类的标准不是固定的，而是随PLC整体性能的提高在不断变化。

1.2.3 PLC的发展趋势

经过几十年的迅速发展，PLC的功能越来越强大，应用范围也越来越广泛，其足迹已遍及国民经济的各个领域，形成了能够满足各种需要的PLC应用系统。随着市场需求的不断提高，PLC的发展体现出以下趋势。

1．向小型化、微型化和大型化、多功能两个方向发展

PLC的主要应用领域是自动化，不同的企业对自动化的要求、规模及投资数额都不相同，存在着不同层次的需求。因此，PLC将朝两个方向发展，一是向小型化、微型化的方向发展，以适应小型企业技术改造的需求，提供性能价格比更高的小型PLC控制系统；二是向大型化、多功能方向发展，为大、中型企业提供高水准的PLC控制系统。其共同特点是，现代PLC的结构和功能不断改进，产品更新换代周期越来越短，并不断地向高性能、高速度、高性能价格比方向发展。

2．过程控制功能不断增强

在PLC发展的初期，它只能完成开关量逻辑控制。随着PLC技术的发展，出现了模拟量I/O模块和专门用于模拟量闭环控制（过程控制）的智能PID模块。现代PLC的模拟量控制功能日益强大，除了专门用于模拟量闭环控制的PID指令和智能PID模块外，一些PLC还具有了模糊控制、自适应控制和参数自整定功能，使调试时间减少，控制精度提高。在过程控制方面，已经很难分清PLC与工业控制计算机、分散控制系统之间的界限。

3．大力开发智能I/O模块

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。主要包括模拟量I/O高速计数输入、中断输入、运动控制、热电偶输入、条形码阅读器、多路BCD码输入/输出、模糊控制器、PID回路控制、通信等模块。

智能I/O模块本身就是一个小的微型计算机系统，具有很强的信息处理能力和控制功能，有的模块甚至可以自成系统，单独工作。它们可以完成PLC的主CPU难以兼顾的功能，简化某些控制领域的系统设计和编程，提高PLC的适应性和可靠性。

4．与个人计算机日益紧密结合

个人计算机的价格便宜，有很强的数据运算、处理和分析能力。目前，个人计算机主要用做PLC的编程器、操作站或人/机接口终端等。在工业控制现场，可以将PLC与加固型的工业计算机连接在同一网络上，这种网络价格低、用途广，已经得到了广泛使用。

将可编程控制器计算机化，使大型可编程控制器具备个人计算机的功能，是PLC另一发展趋势。这类PLC采用功能强大的微处理器和大容量的存储器，将逻辑控制、模拟量控制、数学运算和通信功能紧密结合在一起。可编程控制器与个人计算机、工业控制计算机、分散控制系统在功能和应用方面互相渗透，互相融合，使控制系统的性能价格比不断提高。

5．编程语言趋向标准化

与个人计算机相比，以前可编程控制器的硬件、软件的体系结构是封闭的，而不是开放的。在硬件方面，各厂家的CPU模块和I/O模块互不通用，通信网络和通信协议往往也不是专用的。各厂家PLC的编程语言和指令系统的功能和表达方式也不一致，有的甚至有相当大的差异，因此各厂家的可编程控制器互不兼容。为了解决这一问题，IEC制定了可编程控制器标准IECll31，其中IECll31-3中制定了编程语言的标准。

目前，已有越来越多的工控产品厂商推出了符合IECll31—3标准的PLC指令系统或在个人计算机上运行的软件包，并提供多种编程语言供用户选择使用。一些公司也已做出规划，准备以个人计算机为基础，在Windows平台上开发符合IECll31—3标准的全新一代开放体系结构的可编程控制器。

6．通信与联网能力不断增强

可编程控制器的通信和联网功能可以使PLC与PLC之间、PLC与个人计算机等其他智能设备之间能够进行数字信息交换，形成一个统一的整体，实现分散控制或集中控制。现在，几乎所有的PLC产品都有通信联网功能，通过双绞线、同轴电缆或光纤，信息可以传送到几十公里远的地方；通过Modem和互联网，可以使PLC与世界上其他地方的计算机装置进行通信。

目前，有的PLC使用专用的通信协议进行通信，或使用较多厂商支持的通信协议和通信标准，如现场总线。为了尽量减少用户在通信编程方面的负担，PLC的通信功能日趋完善，使设备之间的通信能够自动周期性地进行，不需要用户为通信编程，用户的工作只是在组成系统时做一些硬件或软件上的初始化设置。

1.2.4 PLC的应用范围

由于PLC自身的特点和优势，在工业控制中PLC已得到了广泛应用，包括机械、冶金、化工、电力、运输、建筑等众多领域，应用范围也在不断扩大。PLC主要的应用领域包括以下几个方面。

（1）开关逻辑和顺序控制

这是PLC应用最广泛、最基本的场合。它的主要功能是完成开关逻辑运算和进行顺序逻辑控制，从而可以实现各种简单或十分复杂的控制要求。

（2）模拟控制

在工业生产过程中，由于许多连续变化的物理量需要进行控制，如温度、压力、流量、液位等，这些都属于模拟量。为了实现工业领域对模拟量控制的广泛要求，目前大部分PLC产品都具备处理这类模拟量的功能。特别是在系统中模拟量控制点数不多，同时混有较多的开关量时，PLC具有其他控制装置所无法比拟的优势。另外某些PLC产品还提供了典型控制策略模块，如PID模块，从而可实现对系统的PID等反馈或其他模拟量的控制运算。

（3）定时控制

PLC具有很强的定时、计数功能，它可以为用户提供数十甚至上百个定时与计数器。其定时时间间隔可以由用户设定。对于计数器，如果需要对于频率较高的信号进行计数，可以选择高速计数器。

（4）数据处理

新型PLC都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、数据显示打印等功能，有些PLC还可以进行浮点运算、函数运算。

（5）信号联锁系统

信号联锁是安全生产所需的。在信号联锁系统中，采用高可靠性的PLC是安全生产的要求。对安全要求高的系统还可采用多重的检出元件和联锁系统，而对其中的逻辑运算等，可采用冗余的PLC实现。

（6）通信

把PLC作为下位机，与上位机或同级的可编程序控制器进行通信，完成数据的处理和信息的交换，实现对整个生产过程的信息控制和管理，因此PLC是实现工厂自动化的理想工具。