PLC特点与功能详解

如前所述，PMC（Programmable Machine Controller）只是用于机床控制的可编程序控制器（Programmable Logic Controller，PLC）的一种别称，两者并无实质性的区别。考虑到传统的习惯，并和FANUC公司统一名称，本章仍使用通用名称PLC，并以地址I、Q、M表示PLC的输入、输出、内部继电器；梯形图中的符号也将使用PLC通用符号；但在本书后述FANUC系统的PMC程序设计内容中，将以PMC来代替PLC，并以地址X、Y、R表示PMC的输入、输出、内部继电器等。

1.PLC的产生与发展

PLC是随着科学技术的进步与生产方式的转变，为适应多品种、小批量生产的需要，而产生、发展起来的一种新型工业控制装置。从1969年问世以来，虽然只有40年时间，但由于其通用性好、可靠性高、使用简单，因而在工业自动化的各领域得到了广泛的应用。曾经有人将PLC技术与数控技术（CNC）、CAD/CAM技术、工业机器人技术并称为现代工业自动化技术的四大支柱。

PLC最初是为了解决传统的继电器触点控制系统存在的体积大、可靠性低、灵活性差、功能弱等问题，而开发的一种自动控制装置。这一设想最早由美国最大的汽车制造商——通用汽车（GM）公司于1968年提出，1969年由美国数字设备公司（DEC）率先研制出样机并获成功；接着，由美国GOULD公司在当年将其商品化并推向市场。1971年，通过引进美国技术，日本研制出了第一台PLC；1973年，德国SIEMENS公司也研制出了欧洲第一台PLC；1974年，法国随之也研制出了PLC。从此，PLC得到了快速发展，并被广泛用于各种工业控制的场合。

PLC的发展大致经历了以下4个阶段。

1970～1980年：结构定型阶段。在这一阶段，各种类型的顺序控制器不断出现（如逻辑电路型、1位机型、通用计算机型、单板机型等），但被迅速淘汰，最终以微处理器为核心的现有PLC结构形式取得了市场认可，并得以迅速推广；PLC的原理、结构、软件、硬件趋向统一与成熟；其应用也开始向机床、生产线等领域拓展。

1980～1990年：应用普及阶段。在这一阶段，PLC的生产规模日益扩大，价格不断下降，应用被迅速普及。各PLC生产厂家的产品开始形成系列，相继出现了固定型、可扩展型、模块化这3种延续至今的基本结构；其应用范围开始遍及顺序控制的全部领域。

1990～2000年：性能提高阶段。在这一阶段，随着微电子技术的进步，CPU的运算速度大幅度上升、位数不断增加、用于各种特殊控制的功能模块被不断开发，PLC的功能日益增强，应用范围由最初的顺序控制向现场控制领域延伸。同时，PLC的体积大幅度缩小，出现了各种小型化、微型化PLC。

2000年至今：高性能、网络化阶段。在本阶段，为了适应信息技术的发展与工厂自动化的需要，PLC的功能不断开发与完善。PLC在继续提高CPU运算速度、位数的同时，开发了适用于过程控制、运动控制的特殊功能与模块，应用范围开始拓展到工业自动化的全部领域。与此同时，为了适应IT技术的发展，PLC的网络与通信功能得到迅速完善，PLC不仅可以连接传统的编程与输入/输出设备，还可通过各种现场总线构成网络系统，它为工厂自动化奠定了基础。

当前，PLC的网络化控制主要包括I/O网络化、内部设备网络化和系统网络化等。I/O网络是PLC与远程I/O模块间的互联网，其实质是通过通信的手段，对PLC的I/O连接范围所进行的延伸与扩展，以省略I/O连接电缆与导线，故又称“省配线网”。内部设备网络是指PLC与设备内部其他控制装置之间的互联网，如PLC与变频器、伺服驱动器、温度自动控制与调节装置、现场控制设备的链接等，以便通过PLC对其他控制装置进行集中控制。系统网络是指生产现场多台设备、多种控制装置间的互联网，它可对众多的独立设备及控制装置进行集中统一的管理，构成FMC、FMS、CIMS等工厂自动化控制系统。

2.PLC的特点

虽然PLC生产厂家众多，功能相差较大，但与其他类型的工业控制装置相比，它们都具有如下共同的特点。

1）可靠性高。作为一种通用的工业控制器，PLC必须能够在各种不同的工业环境中正常工作。对工作环境的要求低、抗干扰能力强、平均无故障工作时间（MTBF）长是PLC在各行业得到广泛应用的重要原因之一。PLC的可靠性与生产制造过程的质量控制及硬件、软件设计密切相关。(www.xing528.com)

国外PLC的主要生产厂家通常都是大型著名企业，其技术力量雄厚、生产设备先进、工艺要求严格、质量控制与保证体系健全，可保证产品的生产制造质量。在硬件上，PLC的输入/输出一般采用光耦合器，使内部与外部电路实现电隔离，提高了工作可靠性。在软件设计上，PLC采用了特殊的循环扫描工作方式，大大提高了程序执行的可靠性；加上PLC的用户程序与系统程序相对独立，系统程序可进行用户程序的语法等错误的自动检查，用户程序很难影响系统程序的运行，故一般不会出现计算机常见的死机等故障。

2）通用性好。在硬件上，绝大多数PLC都采用了可扩展型或模块化的结构，其I/O信号数量和形式、动作控制要求等都可根据实际控制要求选择与确定，此外，还具有大量可满足不同的控制要求的特殊功能模块，其使用灵活多变，程序调整与修改、状态监控与维修均非常方便。在软件方面，PLC采用了独特的、面向广大工程设计人员的指令表、梯形图、逻辑功能图、顺序功能图等形象、直观的编程语言，适合各类技术人员的传统习惯，其使用比其他工业计算机控制装置更容易。

PLC与工业控制计算机（工业PC）、集散控制系统（DCS）的主要区别如下。

1）PLC与工业PC。工业PC是以通用计算机为基础的工业现场控制设备，它具有标准化的总线结构，各机型间的兼容性好，与计算机间的通信容易，其兼容性与通信性能优于PLC。工业PC的硬件与通用计算机类似，它不像PLC那样有较多的适应各种控制要求的功能模块可供选择，因此，其可靠性与通用性不及PLC。工业PC可像通用计算机那样使用形式多样、功能丰富的应用软件，故可用于算法复杂、实时性强的控制，但对编程人员的要求较高；而PLC的程序通俗易懂、编程方便，程序的可靠性更高。

2）PLC与DCS。DCS产生于20世纪70年代，它是在生产过程仪表控制基础上发展起来的计算机控制装置，功能侧重于模拟量处理、回路调节、状态显示等方面；PLC是在继电器-接触器控制系统的基础上发展起来的计算机控制装置，功能侧重于开关量处理、顺序控制、逻辑运算方面。但是，随着各种特殊功能模块的不断开发和网络化，当代PLC可很容易地通过各种现场总线，构成完整的PLC网络控制系统，其应用范围正在向传统的DCS控制领域拓展。同样，DCS也在不断开发、增加逻辑顺序处理功能，两者的功能已日趋接近。但由于PLC采用了特殊的软硬件设计，故在可靠性、灵活性上与DCS相比仍具有一定优势。

3.PLC的功能

PLC的主要功能如图2-1所示。

1）基本功能。逻辑控制功能是PLC的基本功能。从本质上说，这是一种以计算机二进制“位”运算为基础，按照程序要求，通过对开关量信号（如按钮、行程开关、接触器触头等）的逻辑运算处理，控制执行元件（如指示灯、电磁阀、接触器线圈等）通/断的功能。在早期的PLC上，顺序控制所需要的定时、计数功能需要通过定时模块与计数模块实现，但目前它们已成为PLC的基本功能之一；此外，逻辑控制中常用的代码转换、数据比较与处理等也是PLC基本功能。

2）特殊控制功能。在PLC上，除基本逻辑处理外的其他功能称为特殊功能，如模-数（A-D）转换、数-模（D-A）转换、温度/流量/压力的调节与控制、速度/位置的控制等，这些特殊控制功能一般需要通过PLC的特殊功能模块实现。A-D转换与D-A转换多用于过程控制与闭环调节系统。通过特殊功能模块与功能指令，PLC可以对过程控制中的温度、压力、流量、速度、位移、电压、电流等连续变化的物理量进行数字化处理，并通过相应的运算（如PID）实现闭环自动调节。PLC的速度/位置控制一般是通过速度/位置控制模块实现，它以模拟量/脉冲的形式输出，可通过变频器、伺服驱动器实现闭环速度与位置控制。

3）网络通信功能。随着信息技术的发展，网络与通信在工业控制中已越来越重要。PLC早期的通信，一般局限于PLC与外设（编程器或编程计算机等）间的简单通信，当代PLC不仅可进行PLC与外设间的通信，而且可以在PLC与PLC间、PLC与其他工业控制设备之间、PLC与上位机之间、PLC与工业网络间通信，通过现场总线、网络总线组成系统，PLC可以方便地进入工厂自动化系统。

图2-1 PLC功能