可编程控制器的性能特点与分类

3．2．1　可编程控制器的特点

PLC之所以能够迅速发展，除了它顺应了工业自动化的客观要求之外，更重要的一方面是由于它具有许多适合工业控制的优点，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、经济性等问题。它具有以下几个显著的特点：

（1）功能丰富

与常规的继电器相比，功能丰富是PLC的一大特点。

PLC有丰富的指令系统，有各种各样的I／O接口、通信接口，有大容量的内存，有可靠的自身监控系统，因而具有了逻辑处理、数据运算、定时计数、中断处理、联网通信、自检自诊断等功能。可以说，凡是普通小型计算机能做到的，它几乎也都可做到。

丰富的功能为PLC的广泛应用提供了可能，同时也为工业系统控制的自动化、网络化、信息化及智能化创造了条件。

（2）工作可靠

用PLC实现对系统的控制是非常可靠的。这是因为PLC在硬件与软件两个方面都采取了很多非常有效的根本性措施：

1）在硬件方面

对输入信号多做了滤波，而且输入输出电路与内部CPU是电隔离，其信号靠光耦器件或电磁器件传递。同时，CPU板还有抗电磁干扰的屏蔽措施，可确保PLC程序的运行不受外界的电与磁干扰。

PLC使用的元器件多为无触点的，而且为高度集成的，数量并不太多，也为其可靠工作提供了物质基础。而且所用的元器件都经严格监测、老化与筛选，质量是有可靠保证的。其输出用的继电器虽为触点式的，但它的触点是在密封的真空条件下，故其寿命也可达几十万次。

在机械结构设计与制造工艺上，为使PLC能安全可靠地工作，也采取了很多措施，可确保PLC耐振动、耐冲击。其使用环境温度可高达50℃以上，有的PLC可高达100℃，有的在零下40～50℃还可正常工作。

有的PLC的模块可热备，即一个模块工作，另一个模块也运转，但不参与控制，仅做备份。一旦主作模块出现故障，热备份的可自动接替其工作。

还有更进一步冗余的，采用三取一的设计，CPU、I／O模块、电源模块都冗余或其中部分冗余。三套同时工作，最终输出取决于三者中的多数决定的结果。这可使系统出故障的几率几乎为零，做到万无一失。当然，这样的系统成本是很高的，只用于特别重要的场合，如铁路车站的道岔控制系统。

2）在软件方面

PLC的工作方式一般为扫描加中断，这既可保证它能有序地工作，避免继电控制系统常出现的“冒险竞争”，其控制结果总是确定的；而且又能应急处理急于处理的控制，保证了PLC对应急情况的及时响应，使PLC能可靠地工作。

为监控PLC运行程序是否正常，PLC系统都设置了“看门狗”（Watch dog）监控程序。运行用户程序开始时，先清零“看门狗”定时器，并开始计时。当用户程序一个循环运行完了，则查看定时器的计时值。若超时（一般不超过100 ms），则报警。严重超时，可使PLC停止工作。用户可依报警信号采取相应的应急措施。若定时器的定时值没有超时，则重复起始的过程。PLC将正常工作。显然，有了这个“看门狗”监控程序，可保证PLC用户程序的正常运行，避免出现“死循环”而影响其工作的可靠性。

PLC还有很多防止及检测故障的指令，以产生各重要模块工作正常与否的提示信号：可通过编制相应的用户程序，对PLC的工作状况以及PLC所控制的系统进行监控，以确保其可靠工作。

PLC每次上电后，还都要运行自检程序及对系统进行初始化。这是系统程序（操作系统）配置的，用户可不干预。出现故障时有相应的出错信号提示。

正是PLC在软、硬件诸方面有强有力的可靠性措施，才确保了PLC具有可靠工作的特点。它的平均无故障时间可达几万小时以上；出了故障平均修复时间也很短，几小时，甚至几分钟即可。

（3）使用方便

用PLC实现对系统的控制是非常方便的。

首先，PLC控制逻辑的建立是程序，用程序代替硬件接线。编程序比接线，更改程序比更改接线，当然要方便得多！

其次，PLC的硬件是高度集成化的，已集成为种种小型化的箱体或模块。而且，这些箱体或模块是配套的，已实现了系列化与规格化。种种控制系统所需的箱体或模块，PLC厂商多有现货供应，市场上可方便购得。所以，硬件系统配置与制造也非常方便。

正因如此，可编程序控制器才有这个“可”字。对软件讲，它的程序可编，也有办法编。对硬件讲，它的配置可变，而且也易于变。

具体地讲，PLC有六个方面的方便：

1）配置方便

可按控制系统的需要确定要使用哪家厂商的、哪种类型的PLC，以及用什么箱体或模块，要多少箱体或模块。确定后，到市场上订购即可。

2）安装方便

PLC硬件安装简单，组装容易。外部接线有接线器，接线简单，而且一次接好后，更换模块时，把接线器安装到新模块上即可，可不必再接线。内部什么线都不要接，只要做些必要的DIP开关设定或软件设定就可工作。

3）编程方便

发挥PLC功能，主要通过运行用户程序实现。用户程序要求用户编写。但编写这个程序是较方便的。编程工具可以使用编程器，也可以是计算机。编程语言已有国际标准IEC61131-3规定的标准。而用梯形图语言编程类似于继电电路设计，很受电气工程人员欢迎。用计算机编程时，有的还可用高级语言，如BASIC语言、C语言。而且，几乎所有厂商都提供有专门的计算机编程软件，界面都很友好，为PLC编程提供了方便。在调试程序方面，有些厂商的PLC还有计算机仿真软件，在PLC没到货时就可进行程序调试，为程序设计提供了很大的方便。PLC的程序便于存储、移植及再使用。某定型产品用的PLC的程序完善之后，凡这种产品都可使用。生产一台，复制一份即可。这比起继电器电路台台设备都要接线、调试，要省事及简单得多。

由于有以上3点的方便，用PLC作控制系统集成，其开发过程比过去用继电器要快得多。小系统所用的时间仅几天就够。大系统要多用一些时间，但与PLC有关的也不多，主要是用于其他相关的配置上。

4）维修方便

这是因为PLC工作可靠，出现故障的情况不多，这大大减轻了维修的工作量。即使PLC出现故障，维修也很方便。这是因为PLC都设有很多故障提示信号，如PLC支持内存保持数据的电池电压不足，相应的就有电压低信号指示。而且PLC可作故障情况记录。所以，PLC出了故障，很容易查找与诊断。同时，诊断出故障后排故也很简单。可按箱体或模块排故，而箱体或模块的备件市场可以买到，进行简单的更换就可以。至于软件，调试好后是不会出故障的，至多也只是依据使用经验进行调整，使之完善就是了。

5）升级方便

由于网络技术的发展及远程通信的进步，很多PLC还可进行远程诊断及维护；同时，还可远程升级PLC的操作系统。有了这个技术，可使用户已拥有的PLC也能随着厂商技术的进步，适时地得以相应提升，其技术寿命也可以得到延长。

6）改用方便

PLC用于某设备，若这个设备不再使用了，其所用的PLC还可给别的设备使用，只要改编一下程序就可办到。如果原设备与新设备差别较大，它的一些箱体或模块也还可重用。

曾有人做过为什么要使用PLC的问卷调查。在回答中，多数用户把PLC工作可靠作为选用它的主要原因，即把PLC能可靠工作作为它的首选指标。

多年使用PLC的经验也说明，PLC工作是非常可靠的。正使用的PLC往往不是由于用坏而被淘汰，而是由于PLC技术发展太快，由于技术落后而被淘汰。

（4）经济合算

实际经验不断证明，尽管使用PLC比起常规电器，首次投资要大些，但从全面及长远看，使用PLC还是合算的。这是因为：使用PLC的投资虽大，但它的体积小、所占空间小，辅助设施的投入少；系统集成方便，建造的周期短；使用时省电，运行费用少；工作可靠，停工损失少；维修简单，维修费用少；还可再次使用以及能带来附加价值等，从中可得更大的回报。所以，在多数情况下，它的效益是可观的。

总之，PLC具有功能丰富、工作可靠、使用方便及经济合算的特点，使得它既非常有用，又非常好用、耐用、省用，有无限的发展生命力和非常广泛的应用前景。短短几十年，它从诞生、生长、成熟及不断完善与一代又一代的发展，已成为工业自动化的支柱产品并发展成为强大的高科技产业。可以这么说，在当代，一个工业控制系统或较先进的工业产品，其控制装置若不使用PLC，那是不可想象的。

3．2．2　可编程序控制器的分类

PLC发展到今天，已经有多种形式，而且功能也不尽相同，分类时，可从不同角度对PLC分类。

（1）按结构特点分

根据PLC的结构形式，可将PLC分为整体式和模块式两类。

1）整体式PLC

整体式PLC是将电源、CPU、I／O接口等部件都集中装在一个机箱内，具有结构紧凑、体积小、价格低的特点。小型PLC一般采用这种整体式结构。整体式PLC由不同I／O点数的基本单元（又称主机）和扩展单元组成。基本单元内有CPU、I／O接口、与I／O扩展单元相连的扩展口，以及与编程器或EPROM写入器相连的接口等。扩展单元内只有I／O和电源等，没有CPU。基本单元和扩展单元之间一般用扁平电缆连接。整体式PLC一般还可配备特殊功能单元，如模拟量单元、位置控制单元等，使其功能得以扩展。

2）模块式PLC

模块式PLC是将PLC各组成部分，分别做成若干个单独的模块，如CPU模块、I／O模块、电源模块（有的含在CPU模块中）以及各种功能模块。模块式PLC由框架或基板和各种模块组成。模块装在框架或基板的插座上。这种模块式PLC的特点是配置灵活，可根据需要选配不同规模的系统，而且装配方便，便于扩展和维修。大、中型PLC一般采用模块式结构。

（2）按控制规模分(www.xing528.com)

控制规模是指PLC所能控制的I／O总点数。按控制规模，PLC大致可分为微型机、小型机、中型机、大型机及超大型机。大型机、超大型机控制规模大、功能强、性能高，价格也高；而微型机、小型机控制规模小，功能也差些，性能也低些，但是价格便宜。

1）微型机

其控制点数仅几点，十几点、几十点。例如欧姆龙公司的SP10只能控制10点。西门子公司的LOGO，等等。由于它的价格低廉，使用方便，工作可靠，体积小，而且它的可输出电流比其他PLC都大，有的可达到8 A。因而，可以成为继电器控制的代替品，也因此，有的则称其为可编程继电器（PLR）。

2）小型机

小型机的控制点一般在256点之内，适合于单机控制或小型系统的控制。如欧姆龙公司称之为紧凑型PLC，型号CPM2A，最大I／O点数可达到120点；西门子小型机有S7-200：其处理速度为0．37μs／步；存储器2k；数字量I／O点可达248点；模拟量35路。

3）中型机

中型机的控制点一般不大于2 048点，可用于对设备进行直接控制，还可以对多个下一级的可编程序控制器进行监控，它适合中型或大型控制系统的控制。

西门子中型机有S7-300：处理速度0．2μs／步；存储器32k；数字量I／O点可达1 024点；模拟量128路。

4）大型机

大型机的控制点一般大于2 048点，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进行直接控制，还可以对多个下一级的可编程序控制器进行监控。西门子大型机有S7-400：处理速度0．2μs／步；存储器512k；数字量I／O点可达12 672点。

5）超大型机

控制点数可达万点，甚至几万点。有的PLC可在主机架上安装多个CPU单元，还可用全新的控制方式工作，其控制点数几乎不受什么限制。如美国GE公司的90-70机，其点数可达24 000点，另外还可有8 000路的模拟量。再如美国莫迪康公司的PC-E984-785机，其开关量具总数为32 k（32 768），模拟量有2 048路。西门子的SS-115U-CPU945，其开关量总点数可达8 k，另外还可有512路模拟量。

应该讲，以上这种划分是不严格的，只是大致的，所介绍的情况也是会有变化的，划分的目的只是帮助读者建立控制规模的概念，以便日后进行系统配置及使用。

（3）按生产厂商分

1）欧美产PLC

主要有：德国的西门子、美国的AB、美国的GE、法国的施耐德及瑞士的ABB等公司的PLC产品。其中，西门子公司的PLC应用最为广泛。据调查，西门子PLC产品的市场占有率为70%。其主要产品有：S7-200，S7-200smart，S7-300，S7-400，S7-1200，S7-1500等。

2）日产PLC

主要有：欧姆龙（OMRON）、三菱、松下、东芝、富士、光洋、日立等公司的PLC产品。

3）韩国产PLC

主要有LG等公司的产品。它们多是近10多年才发展起来的。品种不太全，性能不太高，质量有待考验，但价格较低。

4）国产PLC

国产分大陆产与台湾产。台湾产PLC品牌主要有：台达、永宏等。大陆产主要有和利时、特维森等公司的产品。

3．2．3　可编程控制器的性能指标

PLC的性能指标是反映PLC性能高低的一些相关的技术指标，主要包括l／O点数、处理速度（扫描时间）、存储器容量、定时器／计数器及其他辅助继电器的种类和数量、各种运算处理能力等。下面予以简要介绍：

（1）I／O点数

PLC的规模一般以I／O点数（输入／输出点数）表示，即输入／输出继电器的数量。这也是在实际应用中最关心的一个技术指标，按输入／输出的点数一般分为小型、中型和大型3种。通常箱体式的主机都带有一定数量的输入和输出继电器，如果不能满足需求，还可以用相应的扩展模块进行扩展，增加I／O点数。

（2）处理速度

PLC的处理速度一般用基本指令的执行时间来衡量，一般取决于所采用CPU的性能。早期PLC的每步运算时间一般为1μs左右，现在的速度则快得多，如西门子的S7-200系列PLC为0．8μs，欧姆龙的CPM2A系列PLC达到0．64μs，1 000步基本指令的运算只需要640μs，大型PLC的工作速度则更高。因此，PLC的处理速度可以满足绝大多数的工业控制要求。

（3）存储器容量

在PLC应用系统中，存储器容量是指保存用户程序的存储器大小，一般以“步”为单位。1步为1条基本指令占用的存储空间，即两个字节。小型PLC一般只有几K步到几十K步，大型PLC则能达到几百K步。西门子S7-200系列PLC的存储容量为2 K～8 K，选配相应的存储卡则可以扩展到几十K。

（4）定时／计数器的点数和精度

定时器、计数器的点数和精度从一个方面反映了PLC的性能。早期定时器的单位时钟一般为100 ms，最大时限（最大定时时间）大多为3 276．7 s。为了满足高精度的控制要求，时钟精度不断提高，如三菱FX2N系列PLC和西门子S7-200系列PLC的定时器有1 ms、10 ms和100ms三种，而松下FP系列PLC的定时器则有1ms、10ms、100ms和1 s 4种，可以满足各种不同精度的定时控制要求。

（5）处理数据的范围

PLC处理的数值为16位二进制数，对应的十进制数范围是0～9 999或－32 768～32 767。但在高精度的控制要求中，处理的数值为32位，范围是－2 147 483 648～2 147 483 647。在过程控制等应用中，为了实现高精度运算，必须采用浮点运算。现在新型的PLC都支持浮点数的处理，可以满足更高的控制要求。

（6）指令种类及条数

指令系统是衡量PLC软件功能高低的主要指标。PLC的指令系统一般分为基本指令和高级指令（也叫功能指令或应用指令）两大类。基本指令都大同小异，相对比较稳定。高级指令则随PLC的发展而越来越多，功能也越强。PLC具有的指令种类及条数越多，则其软件功能越强，编程就越灵活，越方便。

另外，各种智能模块的多少、功能的强弱也是说明PLC技术水平高低的一个重要标志。智能模块越多，功能就越强，系统配置和软件开发也就越灵活，越方便。

3．2．4　PLC的应用领域

目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类。

（1）开关量的逻辑控制

这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。

（2）模拟量控制

在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A／D转换及D／A转换。PLC厂家都生产配套的A／D和D／A转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。

（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。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）过程控制

过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PLC也具有此功能模块。PID处理一般是运行专用的PID子程序。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。

（5）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。

（6）通信及联网

PLC通信含PLC间的通信及PLC与其他智能设备间的通信。随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。新近生产的PLC都具有通信接口，通信非常方便。