PLC与其他控制系统比较：电气控制与PLC应用技术

图3．5　PLC的扫描工作过程

（2）PLC的扫描周期

PLC在RUN工作模式时，执行一次如图3．5所示的扫描操作所需的时间称为扫描周期，其典型值约为1～100 ms。扫描周期与用户程序的长短、指令的种类和CPU执行指令的速度有很大的关系。当用户程序较长时，指令执行时间在扫描周期中占相当大的比例。

有的编程软件或编程器可以提供扫描周期的当前值，有的还可以提供扫描周期的最大值和最小值。

（3）输入、输出滞后时间

输入、输出滞后时间又称系统响应时间，是指PLC外部输入信号发生变化的时刻至它控制的有关外部输出信号发生变化的时刻之间的时间间隔，它由输入电路滤波时间、输出电路的滞后时间和因扫描工作方式产生的滞后时间这三部分组成。

输入单元的RC滤波电路用来滤除由输入端引入的干扰噪声，消除因外接输入触点动作时产生抖动引起的不良影响。滤波电路的时间常数决定了输入滤波时间的长短，其典型值为10 ms左右。输出单元的滞后时间与输出单元的类型有关，继电器型输出电路的滞后时间一般在10ms左右；双向晶闸管型输出电路在负载通电时的滞后时间约为1ms，负载由通电到断电时的最大滞后时间为10 ms；晶体管型输出电路的滞后时间一般在1 ms以下。

由扫描工作方式引起的滞后时间最长可达两个多扫描周期。PLC总的响应延时一般只有几十毫秒，对于一般的系统是无关紧要的。要求输入／输出信号之间的滞后时间尽量短的系统，可以选用扫描速度快的PLC或采取其他措施。

因此，影响输入／输出滞后的主要原因有：输入滤波器的惯性；输出继电器接点的惯性；程序执行的时间；程序设计不当的附加影响等。对于用户来说，选择了一个PLC，合理的编制程序是缩短响应时间的关键。

3．4　PLC与其他典型控制系统的比较

3．4．1　PLC与继电器控制系统的区别

继电器控制系统虽有较好的抗干扰能力，但使用了大量的机械触点，使设备连线复杂，且触点在接通和断开时易受电弧的损害，寿命短，系统可靠性差。

PLC的梯形图与传统的电气原理图非常相似，主要原因是PLC的梯形图沿用了继电器控制的电路元件符号和术语，仅个别之处有些不同。同时，信号的输入／输出形式及控制基本上也是相同的。但PLC的控制与继电器的控制又有根本的不同之处，主要表现在以下几个方面：

（1）控制逻辑

继电器控制逻辑采用硬接线逻辑，利用继电器机械触点的串联或并联及时间继电器等组合控制逻辑。其接线多而复杂、体积大、功耗大、故障率高，一旦系统构成后，想再改变或增加很困难。另外，继电器触点数目有限，每个只有4～8对触点，因此灵活性和扩展性很差。而PLC采用存储器逻辑，其控制逻辑以程序方式存储在内存中，要改变控制逻辑，只需改变程序即可，故称作“软接线”，因此灵活性和扩展性都很好。

（2）工作方式

电源接通时，继电器控制线路中各继电器同时都处于受控状态，即该吸合的都应吸合，不该吸合的都因受某种条件限制不能吸合，它属于并行工作方式。而PLC的控制逻辑中，各内部器件都处于周期性循环扫描过程中，各种逻辑、数值输出的结果都是按照在程序中的前后顺序计算得出的，所以它属于串行工作方式。

（3）可靠性和可维护性

继电器控制逻辑使用了大量的机械触点，连线也多。触点开闭时会受到电弧的损坏，并有机械磨损，寿命短，因此可靠性和可维护性差。而PLC采用微电子技术，大量的开关动作由无触点的半导体电路来完成，体积小、寿命长、可靠性高。PLC还配有自检和监督功能，能检查出自身的故障，并随时显示给操作人员；还能动态地监视控制程序的执行情况，为现场调试和维护提供了方便。

（4）控制速度

继电器控制逻辑依靠触点的机械动作实现控制，工作频率低，触点的开闭动作一般在几十毫秒数量级。另外，机械触点还会出现抖动问题。而PLC是由程序指令控制半导体电路来实现控制，属于无触点控制，速度极快，一般一条用户指令的执行时间在微秒数量级，且不会出现抖动。

（5）定时控制

继电器控制逻辑利用时间继电器进行时间控制。一般来说，时间继电器存在定时精度不高，定时范围窄，且易受环境湿度和温度变化的影响，调整时间困难等问题。PLC使用半导体集成电路做定时器，时基脉冲由晶体振荡器产生，精度相当高，且定时时间不受环境的影响，定时范围最小可为0．001 s，最长几乎没有限制，用户可根据需要在程序中设置定时值，然后由软件来控制定时时间。

（6）设计和施工

使用继电器控制逻辑完成一项控制工程，其设计、施工、调试必须依次进行，周期长，而且修改困难。工程越大，这一点就越突出。而用PLC完成一项控制工程，在系统设计完成以后，现场施工和控制逻辑的设计（包括梯形图设计）可以同时进行，周期短，且调试和修改都很方便。

从以上几个方面的比较可知，PLC在性能上比继电器控制逻辑优异，特别是可靠性高、通用性强、设计施工周期短、调试修改方便，而且体积小、功耗低、使用维护方便。但在很小的系统中使用时，价格要高于继电器系统。

3．4．2　PLC与单片机控制系统的区别

PLC控制系统和单片机控制系统在不少方面有较大的区别，是两个完全不同的概念。因为一般院校的电类专业都开设PLC和单片机的课程，所以这也是学生们经常问及的一个问题，在这里可从以下几个方面进行一下分析。

（1）本质区别(www.xing528.com)

单片机控制系统是基于芯片级的系统，而PLC控制系统是基于模块级的系统。其实PLC本身就是一个单片机系统，它是已经开发好的单片机产品。开发单片机控制系统属于底层开发，而设计PLC控制系统是在成品的单片机控制系统上进行的二次开发。

（2）使用场合

单片机控制系统适合于在家电产品（如冰箱、空调、洗衣机、吸尘器等）、智能化的仪器仪表、玩具和批量生产的控制器产品等场合使用。

PLC控制系统适合在单机电气控制系统、工业控制领域的制造业自动化和过程控制中使用。

（3）使用过程

设计开发一个单片机控制系统，需要先设计硬件系统，画硬件电路图，制作印刷电路板，购置各种所需的电子元器件，焊接电路板，进行硬件调试，进行抗干扰设计和测试等大量的工作；需要使用专门的开发装置和低级编程语言编制控制程序，进行系统联调。

设计开发一个PLC控制系统，不需要设计硬件系统，只需购置PLC和相关模块，进行外围电气电路设计和连接，不必操心PLC内部的计算机系统（单片机系统）是否可靠和它们的抗干扰能力，这些工作厂家已为用户做好，所以硬件工作量不大。软件设计使用工业编程语言，相对比较简单。进行系统调试时，因为有很好的工程工具（软件和计算机）帮助，所以也非常容易。

（4）使用成本

因为使用的场合和对象完全不同，所以这两者之间的成本没有可比性。但如果硬要对同样的工业控制项目（仅限于小型系统或装置）使用这两种系统进行一个比较时，可以得出如下结论：

①从使用的元器件总成本看，PLC控制系统要比完成同样任务的单片机控制系统成本要高得多；

②如果同样的项目就有一个或不多的几个，则使用PLC控制系统其成本不一定比使用单片机系统高，因为设计单片机控制系统要进行反复的硬件设计、制板、调试，其硬件成本也不低，因而其工作量成本非常高。做好的单片机系统其可靠性（和大公司的PLC产品相比）也不一定能保证，所以日后的维护成本也会相应提高。如果这样的控制系统是一个有批量的任务，即做一大批，这时使用单片机进行控制系统开发比较合适。但是，在工业控制项目中，绝大部分场合还是使用PLC控制系统为好。

（5）学习的难易程度

学习单片机要学习的知识很多。首先是必须具备较好的电子技术基础和计算机控制基础及接口技术知识，要学习印刷电路板设计及制作，要学习汇编语言编程和调试，还需要对底层的硬件和软件的配合有足够的了解。

学习PLC要具备传统的电气控制技术知识，需要学习PLC的工作原理，对其硬件系统组成及使用有一定了解，要学习以梯形图为主的工业编程语言。

如果从同一个起跑线出发，不论从硬件还是从软件方面的学习看，单片机远比PLC需要的知识多，学习的内容也多，难度也大。

（6）就业方向

在一些智能仪器仪表厂、开发智能控制器和智能装置的公司、进行控制产品底层开发的公司等单位，对单片机（或嵌入式系统、DSP等）方面的技术人才有较大的需求；在一般的厂矿企业，制造业生产流水线、流程工业、自动化系统集成公司等单位，对PLC（DCS、FCS等）方面的人才有较大需求。

3．4．3　PLC与DCS、FCS控制系统的区别

（1）三大系统的要点

PLC、DCS、FCS是目前工业自动化领域所使用的三大控制系统，下面简单介绍各自的特点，然后再介绍一下它们之间的融合。

1）DCS

集散控制系统（DCS，Distributed Control System）是集4C（Communication Computer，Control，CRT）技术于一身的监控系统。它主要用于大规模的连续过程控制系统中，如石化、电力等，在20世纪70年代到90年代末占据主导地位。其核心是通信，即数据公路。它的基本要点是：从上到下的树状大系统，其中通信是关键；控制站连接计算机与现场仪表、控制装置等设备；整个系统为树状拓扑和并行连线的链路结构，从控制站到现场设备之间有大量的信号电缆；信号系统为模拟信号、数字信号的混合；设备信号到I／O板一对一物理连接，然后由控制站挂接到局域网LAN；可以做成很完善的冗余系统；DCS是控制（工程师站）、操作（操作员站）、现场仪表（现场测控站）的3级结构。

2）PLC

最初，PLC是为了取代传统的继电器控制系统而开发的，所以它最适合在以开关量为主的系统中使用。由于计算机技术和通信技术的飞速发展，使得大型PLC的功能极大地增强，以至于它后来能完成DCS的功能。另外加上它在价格上的优势，所以在许多过程控制系统中PLC也得到了广泛的应用。大型PLC构成的过程控制系统的要点是：采用从上到下的结构，PLC既可以作为独立的DCS，也可以作为DCS的子系统；可实现连续PID控制等各种功能；可用一台PLC为主站，多台同类型PLC为从站，构成PLC网络；也可用多台PLC为主站，多台同类型PLC为从站，构成PLC网络。

3）FCS

现场总线技术以其彻底的开放性、全数字化信号系统和高性能的通信系统给工业自动化领域带来了“革命性”的冲击，其核心是总线协议，基础是数字化智能现场设备，本质是信息处理现场化。FCS的要点是：它可以在本质安全、危险区域、易变过程等过程控制系统中使用，也可以用于机械制造业、楼宇控制系统中，应用范围非常广泛；现场设备高度智能化，提供全数字信号；一条总线连接所有的设备；系统通信是互联的、双向的、开放的，系统是多变量、多节点、串行的数字系统；控制功能彻底分散。

（2）PLC、DCS和FCS系统之间的融合

每种控制系统都有它的特色和长处，在一定时期内，它们相互融合的程度可能会大大超过相互排斥的程度。这三大控制系统也是这样，比如PLC在FCS中仍是主要角色，许多PLC都配置上了总线模块和接口，使得PLC不仅是FCS主站的主要选择对象，也是从站的主要装置。DCS也不甘落后，现在的DCS把现场总线技术包容了进来，对过去的DCS I／O控制站进行了彻底的改造，编程语言也采用标准化的PLC编程语言。第四代的DCS既保持了其可靠性高、高端信息处理功能强的特点，也使得底层真正实现了分散控制。目前在中小型项目中使用的控制系统比较单一和明确，但在大型工程项目中，使用的多半是DCS，PLC和FCS的混合系统。