可编程控制器的概述

可编程控制器的概述

1 PLC的发展历史

1968年美国通用汽车公司提出取代继电器控制装置的要求。1969 年，美国数字设备公司研制出了第一台可编程控制器 PDP—14 ，在美国通用汽车公司的生产线上试用成功，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这是第一代可编程序控制器，称Programmable，是世界上公认的第一台PLC。

20世纪70年代初出现了微处理器。人们很快将其引入可编程控制器，使PLC增加了运算、数据传送及处理等功能，完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。此时的PLC为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。个人计算机发展起来后，为了方便和反映可编程控制器的功能特点，可编程序控制器定名为Programmable Logic Controller（PLC）。

20世纪70年代中末期，可编程控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。

20世纪80年代初，可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。

20世纪80年代至90年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为30~40%。在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于

统治地位的DCS系统。

20世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。这个时期发展了大型机和超小型机、诞生了各种各样的特殊功能单元、生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。

2 PLC的构成

（1）CPU——是PLC的核心部分。与通用微机CPU一样，CPU在PC系统中的作用类似于人体的神经中枢。

（2）存储器

（3）I/O（输入/输出部件）（I/O模块：接口电路、I/O映像存储器）

（4）编程器等外部设备

（5）电源：内部——开关稳压电源，供内部电路使用；大多数机型还可以向外提供DC24V稳压电源，为现场的开关信号、外部传感器供电。

3 PLC的基本特点

（1）高可靠性，抗干扰强

（2）功能强大，性价比高

（3）编程简易，现场可修改

（4）配套齐全，使用方便

（5）寿命长，体积小，能耗低

（6）系统的设计、安装、调试、维修工作量少，维护方便

4 PLC的功能

（1）逻辑控制

（2）定时控制

（3）计数控制

（4）步进(顺序)控制

（5）PID控制

（6）数据控制：PLC具有数据处理能力

（7）通信和联网

（8）其它：PLC还有许多特殊功能模块，适用于各种特殊控制的要求，如：定位控制模块，CRT模块

5 PLC的应用领域

在自动化控制领域，PLC是一种重要的控制设备。目前，世界上有200多厂家生产300多品种PLC产品，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。

6.1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。

6.2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。

6.3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。

6.4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。

6.5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。

6.6通信及联网

PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。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。

PLC的应用领域仍在扩展，在日本，PLC的应用范围已从传统的产业设备和机械的自动控制，扩展到以下应用领域：中小型过程控制系统、远程维护服务系统、节能监视控制系统，以及与生活关联的机器、与环境关联的机器，而且均有急速的上升趋势。值得注意

的是，随着PLC、DCS相互渗透，二者的界线日趋模糊的时候，PLC从传统的应用于离散的制造业向应用到连续的流程工业扩展。

6 PLC的分类

PLC产品种类繁多，其规格和性能也各不相同。对PLC的分类可以根据结构、功能的差异等进行大致分类。

6.1按I/O点数分类

PLC按其I/O点数多少一般可分为以下4类：

（1） 微型PLC：I/O点数小于64点的PLC为超小型或微型PLC。

（2） 小型PLC：I/O点数为256点以下，用户程序存储容量小于8KB的为小型PLC。它可以连接开关量和模拟量I/O模块以及其他各种特殊功能模块，能执行包括逻辑运算、计时、计数、算术运算、数据处理和传送、通信联网等功能。如西门子公司的S7-200PLC，三菱公司的 F1、F2和FX0系列 PLC都属于小型机。

（3）中型PLC：I/O点数在512～2048点之间的为中型PLC。它除了具有小型机所能实现的功能外，还具有更强大的通信联网功能、更丰富的指令系统、更大的内存容量和更快的扫描速度。如西门子公司的 S7-300PLC、三菱公司的AIS系列PLC都属于中型机

（4）大型PLC：I/O 点数为2048点以上的为大型PLC。它具有极强的软件和硬件功能、自诊断功能、通信联网功能，它可以构成三级通信网，实现工厂生产管理自动化。另外大型PLC还可以采用三个CPU构成表决式系统，使机器具有更高的可靠性。如西门子

公司的S7-400系列 PLC、三菱公司的A3M、A3N系列PLC都属于大型机。

6.2按结构分类

PLC按其结构可分为整体式、模块式及叠装式 3 种。

（1）整体式 PLC

将CPU、I/O单元、电源、通信等部件集成到一个机壳内的称为整体式 PLC。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相连的接口。扩展单元内只有I/O接口和电源等，没有CPU。基本单元和扩展单元之间一般用扁平电缆连接。它还配备特殊功能单元，如模拟量单元、位置控制单元等，使其功能得以扩展。整体式 PLC一般都是小型机。

（2）模块式PLC

模块式PLC是将PLC的每个工作单元都制成独立的模块，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由母板(或框架)以及各种模块组成。把这些模块按控制系统需要选取后，安插到母板上，就构成了一个完整的PLC系统。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。例如，西门子公司的 S7-300系列、S7-400 系列PLC都采用模块式结构形式。

（3）叠装式PLC

将整体式和模块式的特点结合起来，构成所谓叠装式PLC。叠装式PLC将CPU模块、

电源模块、通信模块和一定数量的I/O单元集成到一个机壳内，如果集成的I/O模块不够使用，可以进行模块扩展。其CPU、电源、I/O接口等也是各自独立的模块，但它们之间要靠电缆进行连接，并且各模块可以一层层地叠装。叠装式PLC集整体式PLC与模块式PLC优点于一身，它不但系统配置灵活，而且体积较小，安装方便。西门子公司的S7-200系列 PLC 就是叠装式的结构形式。

6.3按功能分类

根据 PLC 所具有的功能不同，可将PLC分为低档、中档、高档 3类。

（1）低档 PLC

具有逻辑运算、定时、计数、移位以及自诊断、监控等基本功能，还可有少量的模拟量 I/O、算术运算、数据传送和比较、通信等功能。主要用于逻辑控制、顺序控制或少量模拟量控制的单机控制系统。

（2）中档 PLC

除具有低档PLC的功能外，还具有较强的模拟量I/O、算术运算、数据传送和比较、数制转换、远程 I/O、子程序、通信联网等功能。有些还可增设中断控制、PID (比例、积分、微分控制)控制等功能，以适用于复杂控制系统。

（3）高档 PLC

除具有中档PLC的功能外，还增加了带符号算术运算、矩阵运算、函数、表格、CRT可编程控制器原理与应用显示、打印和更强的通信联网功能，可用于大规模过程控制或构

成分布式网络控制系统,实现工厂自动化。 一般低档机多为小型PLC，采用整体式结构；中档机可为大、中、小型PLC，其中小型PLC多采用整体式结构，中型和大型PLC采用模块式结构。

7 PLC的发展方向

（1）产品规模向大、小两个方向发展 大：I/O点数达14336点、32位微处理器、多CPU并行工作、大容量存储器、扫描速度高速化。小：由整体结构向小型模块化结构发展，增加了配置的灵活性，降低了成本。

（2）PLC在闭环过程控制中应用日益广泛。

（3）不断加强通讯功能。

（4）新器件和模块不断推出 高档的PLC除了主要采用CPU以提高处理速度外，还有带处理器的EPROM或RAM的智能I/O模块、高速计数模块、远程I/O模块等专用化模块。

（5）编程工具丰富多样，功能不断提高，编程语言趋向标准化。有各种简单或复杂的编程器及编程软件，采用梯形图、功能图、语句表等编程语言，亦有高档的PLC指令系统。

（6）发展容错技术 采用热备用或并行工作、多数表决的工作方式。

（7）追求软硬件的标准化。