深入了解PLC的基本概念

1.PLC的定义

可编程序控制器（Programmable Controller）简称PC，个人计算机（Personal Computer）也称PC，为了避免混淆，目前都将最初多用于逻辑控制而发展起来的可编程序控制器叫做PLC（Pro-grammable Logic Controller）。

国际电工委员会在1987年颁布的PLC标准草案中对PLC作了如下定义：“PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、定时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应按照易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。”定义中有以下几点应值得注意：

1）PLC是“数字运算操作的电子装置”，其中带有“可以编制程序的存储器”，可以进行“逻辑运算、顺序运算、定时、计数和算术运算”工作，可以认为PLC具有计算机的基本特征。事实上，PLC无论从内部构造、功能及工作原理上看都不折不扣地是一种计算机。

2）PLC是“为工业环境下应用”而设计。工业环境和一般办公环境有较大的区别，PLC具有特殊的构造，使它能在高粉尘、高噪声、强电磁干扰和温度变化剧烈的环境下正常工作；为了能控制“机械或生产过程”，它又要能“易于与工业控制系统形成一个整体”，这些都是个人计算机不可能做到的。因此PLC又不是普通的计算机，它是一种能在工业现场恶劣环境下使用的工业控制计算机。

3）PLC能控制“各种类型”的工业设备及生产过程。它“易于扩展其功能”，它的程序能根据控制对象的不同要求，让使用者“可以编制程序”。也就是说，PLC比以前的工业控制计算机，如单片机等工业控制系统，具有更大的灵活性，它可以方便地应用在各种场合，因此它又是一种通用的工业控制计算机。

通过以上定义还可以了解到，相对于一般意义上的计算机，PLC并不仅仅具有计算机的内核，它还配置了许多使其适用于工业控制的器件。它实质上是经过了一次开发的工业控制用计算机。但是，从另一个方面来说，它是一种通用机，但不经过二次开发，它就不能在任何具体的工业设备上使用。不过，自其诞生以来，电气工程技术人员感受最深刻的也正是PLC二次开发编程十分容易。它在很大程度上使得工业自动化设计从专业设计院走进了厂矿企业，变成了普通工程技术人员甚至普通电气工人都力所能及的工作。再加上其体积小、可靠性高、抗干扰能力强、控制功能完善、适应性强、安装接线简单等众多显著优点，PLC在问世后的短短十几年中便获得了突飞猛进的发展，在工业控制中得到了极其广泛的应用，已跃居现代工业四大支柱（PLC、数控机床、工业机器人、CAD/CAM）之首。

2.PLC的特点及应用

（1）PLC的特点

1）可靠性高，抗干扰能力强。高可靠性是电气控制设备最重要的关键性能。PLC由于采用现代超大规模集成电路技术，严格的生产工艺制造，内部电路采用了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。例如日本三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间已高达30万h。一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的“继电器-接触器控制系统”相比，电气接线及开关接点已减少到原来的数百甚至数千分之一，故障也随之大大降低。此外，PLC具有硬件故障的自我检测功能，出现故障时可迅速及时地发出报警信息。在应用软件中，用户还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样，就使整个PLC系统都具有了极高的可靠性。

2）配套齐全，功能完善，适用性强。PLC发展到今天，已经形成了大、中、小、微等各种规模的系列化产品，可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑控制功能外，现代PLC大都具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来PLC的功能模块大量涌现，使PLC已渗透到了位置控制、运动控制、过程控制、温度控制、计算机数控（CNC）等各种工业控制中。加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。

3）易学好懂易用，深受工程技术人员欢迎。PLC作为现代通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备，其编程语言易于为工程技术人员接受。像梯形图语言的图形符号和表达方式与继电器电路图非常接近，只用PLC的少量开关逻辑控制指令就可以方便地实现“继电器-接触器控制电路”的功能；像步进式顺序控制的状态转移图（SFC），简单，直观，容易设计复杂的多流程顺序控制，并且能够减少程序条数，使程序易于理解。

4）系统设计周期短，维护方便，改造容易。PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大地减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计周期大大缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序便可改变生产过程成为可能。因此很适合多品种、小批量的生产场合。

5）体积小，重量轻，能耗低。以超小型PLC为例，其新近产品的品种底部尺寸小于100mm²，质量小于150g，能耗仅数瓦。由于体积小，很容易嵌入机械内部，是实现机电一体化首选的最理想控制器件。

（2）PLC的应用 目前，PLC在国内外已广泛应用于机械制造、机床、钢铁、石油、化工、电力、建材、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况可归纳为以下几大类：

1）开关量的逻辑控制。这是PLC最基本、最广泛的应用领域，可用它取代传统的“继电器-接触器控制电路”，实现逻辑控制、顺序控制、定时、计数等，既可用于单机设备的控制，又可用于多机群控制及自动化流水线，如数控与组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线、电梯控制、高炉上料、注塑机、印刷机等。

2）模拟量控制。在工业生产过程中，有许多连续变化的模拟量，如温度、压力、流量、液位和速度等，为使PLC能处理模拟量信号，PLC厂家都生产有配套的A/D和D/A转换模块，使PLC可直接用于模拟量控制。

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，早期直接用开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构；现在可使用专用的运动控制模块，如可驱动步进电动机或伺服电动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，广泛地用于各种机械、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控制是一般闭环控制系统中常用的控制方法。目前不仅大中型PLC都有PID模块，许多小型PLC也具有PID功能。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、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。这些数据可以与储存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给别的智能装置，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通信包含PLC之间的通信以及PLC与其他智能设备之间的通信。随着计算机控制技术的不断发展，工厂自动化网络的发展也将会更加迅猛，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。最新生产的PLC都具有通信接口，实现通信非常方便。

PLC的主要应用示意图如图4-1所示。

图4-1 PLC的主要应用示意图

3.PLC与“继电器-接触器”控制系统的比较

在PLC出现以前的一个世纪中，“继电器-接触器”硬件电路是逻辑控制、顺序控制的唯一执行者，它结构简单，价格低廉，一直被广泛应用。但它与PLC控制系统相比却有许多缺点，

表4-1 PLC与“继电器-接触器”控制系统的比较

4.PLC与微机（PC）的区别

采用微电子技术制作的PLC也是由CPU、RAM、ROM、I/O接口等5大件构成的，与微机有相似的构造，但又不同于一般的微机，特别是它采用了特殊的抗干扰技术，使它更适于恶劣环境下的工业现场控制。PLC与微机（PC）的比较见表4-2。(www.xing528.com)

表4-2 PLC与微机（PC）的比较

（续）

5.PLC的新发展

PLC作为现代工业四大支柱之首，在先进发达工业国家中已成为自动化控制系统重要的基本电控装置。它具有控制方便、可靠性高、容易掌握、体积小、价格适宜等显著特点。据不完全统计，当今世界PLC生产厂家约200多家，生产300多个品种，占工控机市场份额的50%以上，PLC将在工控机市场中占有主要地位，并保持继续上升的势头。目前主要应用在汽车（23%）、粮食加工（16.4%）、化学/制药（14.6%）、金属/矿山（11.5%）、纸浆/造纸（11.3%）等行业。PLC在20世纪60年代末引入我国时，只用作离散量的控制，其功能只是控制离散量输出的接触器等，最早只能完成以继电器梯形逻辑的操作。新一代的PLC具有PID调节功能，它的应用已从开关量控制扩大到模拟量控制领域，广泛地应用于航天、冶金、轻工、建材等行业。目前正向着以下几个方面迅猛发展：

（1）微型、小型PLC功能明显增强 很多著名的PLC厂家相继推出高速、高性能、小型特别是微型的PLC。三菱的FXOS14（8个24VDC输入，6个继电器输出），其尺寸仅为58mm×89mm，仅大于信用卡几个毫米，而功能却有所增强，使PLC的应用领域扩大到远离工业控制的其他行业，如快餐厅、医院手术室、旋转门和车辆等，甚至引入家庭住宅、娱乐场所和商业部门。

（2）集成化发展趋势增强 由于现代高新技术控制内容的复杂化和高难度化，使PLC向集成化方向发展，PLC与PC集成、PLC与DCS集成、PLC与PID集成等，并强化了通信能力和网络化功能，尤其是以PC为基础的控制产品增长速度最快。PLC与PC集成，即将计算机、PLC及操作人员的人-机接口结合在一起，使PLC能利用计算机丰富的软件资源，而计算机能和PLC的模块交互存取数据。以PC为基础的控制容易编程和维护用户的利益，开放的体系结构提供较大的灵活性，最终将提高生产率和降低生产成本。

（3）向开放性转变PLC目前存在的最严重缺点，是PLC的软、硬件体系结构是封闭的而不是开放的，绝大多数的PLC是专用总线、专用通信网络及协议，编程虽多为梯形图，但各公司的组态、寻址、语言结构不一致，导致各种PLC互不兼容，致使广大PLC用户开发应用互不统一，使用很不方便，学用开发费力费神、劳民伤财。国际电工协会（IEC）在1992年颁布了IEC1131-3《可编程序控制器的编程软件标准》，为各PLC厂家编程的标准化铺平了道路。现在开发以PC为基础、在WINDOWS平台下，符合IEC1131-3国际标准的新一代开放体系结构的PLC正在规划中。

（4）新一代PLC将要实现

1）CPU处理速度进一步加快。

2）控制系统分散化。

3）可靠性进一步提高。

4）控制与管理功能一体化。

5）向两极化（大型化和小型化）方向发展。

6）编程语言和编程工具向标准化和多样化发展。

7）I/O组件标准化、功能组件智能化。

8）通信网络化。

9）大记忆容量，快处理速度发展。

10）发展故障诊断技术和容错技术。

总之，PLC的新发展可概括为以下几个方面：

1）在系统构成规模上，向超大型、超小型方向发展。

2）在增强控制能力和扩大应用范围上，进一步开发各种智能I/O模块。

3）在系统集成方面进一步提高安全性、可靠性。

4）在控制与管理功能一体化方面，进一步增强通信联网能力。

5）在编程语言与编程工具方面，达到多样化、高级化、标准化。

在全球PLC制造商中，根据美国Automation Research Corp（ARC）调查，世界PLC五大主导厂家分别为Siemens（西门子）公司、Allen-Bradley（A-B）公司、Schneider（施耐德）公司、Mitsubishi（三菱）公司、Omrom（欧姆龙）公司，他们的销售额约占全球总销售额的三分之二。

我国的PLC生产目前也有一定的发展，小型PLC已批量生产，中型PLC已有产品，大型PLC已开始研制。国内PLC形成产品化的生产企业约30多家，产品市场占有率不超过10%，主要生产单位有苏州电子计算机厂、苏州机床电器厂、上海兰星电气有限公司、天津市自动化仪表厂、杭州通灵控制电脑公司、北京机械工业自动化所和江苏嘉华实业有限公司等。目前国内产品在价格上占有明显的优势，但在质量上还稍有欠缺、不足。