第1章 可编程控制器概述

1.1 PLC的基本概念

1.1.1 PLC的定义

可编程控制器（Programmable Controller）是为工业控制应用而设计制造的。早期的可编程控制器称为可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC），如今人们仍然沿用PLC作为可编程控制器的缩写。它是一个以微处理器为核心的数字运算操作的电子系统装置，专为工业现场应用而设计，它采用可编程的存储器，用于在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时/计数和算术运算等操作指令，并通过数字式或模拟式的输入、输出接口，控制各种类型的机械或生产过程。

1987年2月国际电工委员会（International Electrotechnical Commission，IEC）发布了可编程控制器标准草案第三稿，其中对PLC定义如下：可编程控制器是一种数字运算操作电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关的外围设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。

20世纪60年代末，由于市场的需要，工业生产从大批量、少品种的生产方式转变为小批量、多品种的生产方式。但是，当时这种大规模生产线的控制大多是继电器控制系统，体积大，耗电多，容易损坏，而且改变生产程序非常困难。为了改变这种状况，满足生产产品多样性的要求，1968年美国通用汽车公司公开对外招标，要求用新的电气控制装置取代继电器控制装置，以适应灵活、快速地改变生产程序的要求。

1969美国数字设备公司（Digital Equipment Corporation，DEC）研制成功了世界上第一台PLC，并在美国通用汽车的生产线上试验成功，从此开辟了可编程逻辑控制器的时代。1971年，日本引进了这项技术，很快就研制出了日本第一台PLC。1973年，原西德和法国也研制出了自己的PLC。20世纪70年代中期，欧美及日本的PLC产品中多以微处理器及大规模集成电路芯片为其核心部件，使PLC的功能进一步扩展，并且有了自诊断功能，可靠性得到了进一步提高。随着微电子技术的迅猛发展，20世纪80年代中期，PLC的处理速度和可靠性大大提高，不仅增加了多种特殊功能，而且体积进一步缩小，成本大幅度下降。到20世纪90年代中期之后，PLC几乎完全计算机化，其速度更快，功能更强，PLC的各种智能化模块不断被开发出来，一些厂家还推出了PLC的计算机辅助编程软件，许多小型PLC的性能也不可小视。

现在，PLC不仅能进行逻辑控制，在模拟量的闭环控制、数字量的智能控制、数据采集、监控、通信连网及集散控制等方面都得到了广泛的应用。如今大、中型，甚至小型PLC都配有A/D、D/A转换及算术运算功能，有的还具有PID功能。这些功能使PLC应用于模拟量的闭环控制、运动控制、速度控制等具有了硬件基础；PLC具有输出和接收高速脉冲的功能，配合相应的传感器及伺服装置，PLC可以实现数字量的智能控制；PLC配合可编程终端设备（如触摸屏），可以实时显示采集到的现场数据及分析结果，为分析和研究系统提供依据；利用PLC的自检信号可实现系统监控；PLC具有较强的通信功能，可与计算机或其他智能装置进行通信和连网，从而能方便地实现集散控制。功能完备的PLC不仅能满足控制的要求，而且能满足现代化大生产管理的需要。

目前，世界上一些著名电器生产厂家几乎都在生产PLC，产品功能日趋完善，换代周期越来越短。为了进一步扩大PLC在工业自动化领域的应用范围，适应大中小型企业的不同需要，PLC产品大致向两个方向发展：小型PLC向体积缩小、功能增强、速度加快、价格低廉的方向发展，使之能更加广泛地取代继电器控制，更便于实现机电一体化；大中型PLC向高可靠性、高速度、多功能、网络化的方向发展，将PLC系统的控制功能和信息管理功能融为一体，使之能对大规模、复杂系统进行综合性的自动控制。

1.1.2 PLC的特点

PLC作为一种专为工业环境应用而设计的数字运算操作电子系统，其优越性主要体现在以下的几个方面。

1.控制功能强

PLC所采用的CPU一般是具有较强位处理功能的位处理机，为了增强其复杂的控制功能和通信连网等管理功能，可采用双CPU的运行方式，使其功能得到极大的加强。

2.可靠性高，抗干扰能力强

继电器控制系统中，由于器件的老化，脱焊、触点的抖动及触点电弧等现象是不可避免的，大大降低了系统的可靠性。继电器控制系统的维修工作不仅耗资费时，而且由于停产维修所造成的损失也不可估量。而在PLC控制系统中，大量的开关动作是由无触点的半导体电路来完成的，加之PLC在硬件和软件方面都采取了强有力的措施，使产品具有极高的可靠性和抗干扰能力，故此PLC可以直接安装在工业现场而稳定地工作。从国内外使用PLC的实际情况来看，平均无故障率可以达到几万甚至几十万小时以上。因而PLC被誉为“专为适应恶劣的工业环境而设计的计算机”。

3.编程语言简单易学

PLC采用的是梯形图编程语言，与早期的继电器控制图非常相似，理解方式相同，非常清晰直观，了解继电器控制技术的电气人员很容易学会。

4.适用于恶劣的工业环境

PLC采用封装的方式，适合于各种振动、腐蚀、污染、有毒气体的应用场合。

5.PLC与外部设备连接方便

PLC上采用统一接线方式的可拆装的活动端子排，不同端子适合不同的功能。例如，PLC的输入接口可以直接与各种输入设备（如按钮、各种传感器等）连接，输出接口具有较强的驱动能力，可以直接与继电器、接触器、电磁阀等强电电器连接，接线简单，使用非常方便。

6.PLC的扩展能力强

通过增加扩展机架使PLC可用于控制从几个I/O点到几百个I/O点的控制系统。同时也可以根据工业现场的需要，给PLC增加一些特殊功能的模块，如以太网模块、模拟量模块、位置模块、运动控制模块等。

7.体积小、质量轻、易于实现机电一体化

由于PLC内部电路主要采用半导体集成电路，所以具有结构紧凑、体积小、质量轻、功耗低的特点。更由于其能适应各种恶劣的环境和具备很强的抗干扰能力，因而成为实现机电一体化十分理想的控制装置。

8.性价比高

与其他的控制方式相比，PLC控制系统设计周期短，可以在实验室进行模拟调试，使现场的工作量大大减少，省时省力。