第1章 PLC基础

1.1 概述

国际电工委员会（IEC）于1985年对可编程序逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）定义如下：可编程序逻辑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，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，并通过数字和模拟的信号输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关设备，都应按易于与工业控制系统连成一个整体、易于扩充功能的原则设计。PLC是一种工业计算机，种类繁多，不同厂商的产品有各自的特点，但作为工业标准设备，PLC又有一定的共性。

1.1.1 PLC的发展历史

20世纪60年代以前，汽车生产线的自动控制系统基本上都由继电器控制装置构成的。当时每次改型都直接导致继电器控制装置的重新设计和安装，汽车改型和升级换代比较困难。为了改变这一现状，1969年美国通用汽车（GM）公司公开招标，要求用新的装置取代继电器控制装置，并提出十项招标指标，要求新的装置具备编程方便、现场可修改程序、维修方便、采用模块化设计、体积小、可与计算机通信等功能。同年，美国数字设备公司（DEC）研制出了世界上第一台PLC PDP-14，并在GE公司的生产线上试用成功，取得了满意的效果，PLC从此诞生。但当时的PLC只能取代继电器接触器控制，功能仅限于逻辑运算、计时、计数等。伴随着微电子技术、控制技术与信息技术的不断发展，PLC的功能不断增强。美国电气制造商协会（NEMA）于1980年正式将其命名为“Programmable Controller”，为了避免其简称与个人计算机的英文简称PC相混淆，因此仍称为PLC。PLC是在继电器控制系统基础上发展起来的。

由于PLC具有易学易用、操作方便、可靠性高、体积小、通用灵活和使用寿命长等系列优点，因此，很快就在工业中得到了广泛的应用。同时，这一新技术也受到其他国家的重视。1971年日本引进这项技术，很快研制出了日本第一台PLC，欧洲于1973年研制出第一台PLC，我国从1974年开始研制，1977年国产PLC正式投入工业应用。

20世纪80年代以来，随着电子技术的迅猛发展，以16位和32位微处理器构成的微机化PLC得到快速发展（如GE公司的RX7i，信息处理能力几乎和个人计算机相当），使得PLC在设计、性能价格比及应用方面有了突破，不仅控制功能增强、功耗和体积减小、成本下降、可靠性提高、编程和故障检测更为灵活方便，而且随着远程技术和通信网络、数据处理和图像显示的发展，已经使得PLC普遍用于控制复杂生产过程。PLC已经成为工厂自动化的三大支柱（PLC、机器人和CAD/CAM）之一。

1.1.2 PLC的主要特点

PLC之所以高速发展，除了能很好地满足工业自动化的客观需要外，还有许多适合工业控制的独特的优点，它较好地解决了工业控制领域中普遍关心的可靠、安全、灵活、方便、经济等问题。其主要特点有以下几方面。

1.抗干扰能力强，可靠性高

在传统的继电器控制系统中，使用了大量的中间继电器、时间继电器，由于器件的固有缺点，如器件老化、接触不良、触点抖动等现象，大大降低了系统的可靠性。而在PLC控制系统中大量的开关动作由无触点的半导体电路完成，因此故障大大减少。

此外，PLC的硬件和软件方面采取措施提高了其可靠性。在硬件方面，所有的I/O接口都采用了光隔离，使得外部电路与PLC内部电路实现了物理隔离。各模块都采用了屏蔽措施，以防止辐射干扰。电路中采用了滤波技术，以防止或抑制高频干扰。在软件方面，PLC具有良好的自诊断功能，在系统的软硬件发生异常时，CPU会立即采取有效措施，以防止故障扩大。通常PLC具有看门狗功能。

对于大型的PLC系统，还可以采用双CPU构成冗余系统或三CPU构成表决系统，使系统的可靠性进一步提高。

2.程序简单易学，系统的设计调试周期短

PLC是面向用户的设备，PLC的生产厂商充分考虑现场技术人员的技能和习惯，采用梯形图或面向工业控制的简单指令形式调试设备。梯形图与继电器原理图很相似，直观、易懂、易掌握，不需要学习专门的计算机知识和语言。设计人员可以在设计室进行设计、修改和模拟调试程序，非常方便。

3.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。各种模块上均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。

4.采用模块化结构，体积小、重量轻

为了适应工业控制需求，除了整体式PLC外，绝大多数PLC采用模块化结构。PLC的各部件，包括CPU、电源、I/O等，都采用模块化设计。此外，PLC相对于通用工控机，其体积和重量要小得多。

5.丰富的I/O模块，扩展能力强

PLC针对不同的工业现场信号（如交流或直流、开关量或模拟量、电压或电流、脉冲波或电位、强电或弱电等）有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备（如按钮、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，为了提高操作性能，它还有多种人机对话模块；为了组成工业局部网络，它还有多种通信联网模块等。

1.1.3 PLC的应用范围

目前，PLC在国内外已广泛应用于机床、控制系统、自动化楼宇、钢铁、石油、化工、电力、建材、汽车、纺织机械、交通运输、环保及文化娱乐等各行各业。随着PLC性能价格比的不断提高，其应用范围还将不断扩大。其具体应用大致可归纳为如下几类。

1.顺序控制

这是PLC最基本、最广泛应用的领域。PLC取代传统的继电器进行顺序控制，用于单机控制、多机群控制、自动化生产线的控制，如数控机床、注塑机、印刷机械、电梯控制和纺织机械等。

2.计数和定时控制

PLC为用户提供了足够的定时器和计数器，并设置了相关的定时和计数指令，PLC的计数器和定时器精度高、使用方便可以取代继电器系统中的时间继电器和计数器。

3.位置控制

大多数的PLC制造厂商，都提供控制步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块，可广泛用于各种机械，如金属切削机床、装配机械等。

4.模拟量处理

PLC通过模拟量的I/O模块，实现模拟量与数字量的转换，并对模拟量进行控制，有的还具有PID控制功能，如用于锅炉的水位、压力和温度控制。

5.数据处理

现代的PLC具有数学运算、数据传递、转换、排序和查表等功能，也能完成数据的采集、分析和处理。

6.通信联网

PLC的通信包括PLC之间、PLC与上位计算机、PLC和其他智能设备之间的通信。PLC系统与通用计算机可以直接或通过通信处理单元、通信转接器相连构成网络，以实现信息的交换，并可构成“集中管理、分散控制”的分布式控制系统，满足工厂自动化系统的需要。

1.1.4 PLC的分类与性能指标

1.PLC的分类

（1）按组成结构形式分类

可以分为两类：一类是整体式PLC（也称单元式），其特点是电源、中央处理单元、I/O接口都集成在一个机壳内；另一类是标准模块式结构化的PLC（也称组合式），其特点是电源模块、中央处理单元模块、I/O模块等在结构上是相互独立的，可根据具体的应用要求，选择合适的模块，安装在固定的机架或导轨上，构成一个完整的PLC应用系统。

（2）按I/O点容量分类

1）小型PLC，小型PLC的I/O点数一般在256点以下，如西门子的S7-200 SMART PLC。

2）中型PLC，中型PLC采用模块化结构，其I/O点数一般为256～1024，如西门子的S7-300 PLC。

3）大型PLC，一般I/O点数在1024个以上的称为大型PLC，如西门子的S7-400 PLC。

2.PLC的性能指标

各厂商的PLC虽然各有特色，但其主要性能指标是相同的。

（1）输入/输出点数

输入/输出（I/O）点数是最重要的一项技术指标，是指PLC的面板上连接外部输入、输出端口数，常称为“点数”，用输入与输出点数的和表示。点数越多，表示PLC可接入的输入和输出越多，控制规模越大。I/O点数是PLC选型时最重要的指标之一。

（2）扫描速度

扫描速度是指PLC执行程序的速度，以执行1K步指令所需的时间（多用ms）为单位。1步占1个地址单元。

（3）存储容量

存储容量通常用K字（KW）或K字节（KB）、K位（Kbit）来表示。这里1K=1024。有的PLC用步来衡量，一步占用一个地址单元。存储容量表示PLC能存放多少用户程序。例如，三菱FX2N-48MR PLC的存储容量为8000步。有的PLC的存储容量可以根据需要来配置，有的PLC的存储器可以扩展。

（4）指令系统

指令系统表示该PLC软件功能的强弱。指令越多，编程功能就越强。

（5）内部寄存器（继电器）

PLC内部有许多寄存器用来存放变量、中间结果、数据等，还有许多辅助寄存器可供用户使用。因此，寄存器的配置也是衡量PLC功能的一项指标。

（6）扩展能力

扩展能力是反映PLC性能的重要指标之一。PLC除了主控模块外，还可配置实现各种特殊功能的高功能模块，如A/D模块、D/A模块、高速计数模块、远程通信模块等。

1.1.5 PLC与继电器控制系统的比较

在PLC出现以前，继电器硬接线电路是逻辑、顺序控制的唯一执行者，其结构简单、价格低廉，一直被广泛应用。PLC出现后，几乎所有的方面都超过继电器控制系统，两者的比较见表1-1。

1.1.6 PLC的发展趋势

PLC的发展趋势有如下几个方面：

1）向高性能、高速度、大容量发展。

2）网络化。强化通信能力和网络化，向下与多个PLC或多个I/O框架相连；向上与工业计算机、以太网等相连，构成整个工厂的自动化控制系统。即便是微型的S7-200系列PLC也能组成多种网络，通信功能十分强大。

3）小型化、低成本、简单易用。目前，有的小型PLC的价格只有几百元人民币。

4）不断提高编程软件的功能。编程软件可以对PLC控制系统的硬件组态，在屏幕上可以直接生成和编辑梯形图、指令表、功能块图和顺序功能图程序，并可以实现不同编程语言的相互转换。程序可以下载、存盘和打印，通过网络或电话线，还可以实现远程编程。

5）适合PLC应用的新模块。随着科技的发展，对工业控制领域将提出更高、更特殊的要求，因此必须开发特殊功能模块来满足这些要求。

6）PLC的软件化与微机化。目前，已有多家厂商推出了在微机上运行的可实现PLC功能的软件包，也称为“软PLC”。“软PLC”的性能价格比比传统的“硬PLC”更高，是PLC的一个发展方向。

微机化的PLC类似PC，但它采用了微机的CPU，功能十分强大，如GE公司的RX7i和RX3i。

1.1.7 PLC在我国的使用情况

1.国外PLC品牌

目前，PLC在我国得到了广泛的应用，很多知名厂商的PLC在我国都有应用。

1）美国是PLC生产大国，有100多家PLC生产厂商。其中，AB公司的PLC产品规格比较齐全，主推大中型PLC，主要产品系列是PLC-5；GE公司也是知名PLC生产厂商，大中型PLC产品系列有RX3i和RX7i等；德州仪器也生产大、中、小型各系列PLC产品。

2）欧洲的PLC产品也久负盛名。德国的西门子公司、AEG公司和法国的TE公司都是欧洲著名的PLC制造商。其中，西门子公司的PLC产品应用广泛。

3）日本的小型PLC具有一定的特色，性价比较高，比较有名的品牌有三菱、欧姆龙、松下、富士、日立和东芝等。在小型机市场，日系PLC在我国的市场份额占有率曾经高达70%。

2.国产PLC品牌

我国自主品牌的PILC生产厂商有几十家。目前已经市售的众多PLC产品还没有形成规模。单从技术角度来看，国产小型PLC与国际知名品牌小型PLC差距正在缩小，使用越来越多。例如，和利时、深圳汇川和无锡信捷等公司生产的小型PLC已经比较成熟，其可靠性在许多应用中得到了验证，但与世界知名厂商还有相当差距。

总体来说，我国使用的小型PLC主要以日本的品牌为主，而大中型PLC主要以欧美的品牌为主。