1.3 PLC的技术特点与应用

1.3.1 PLC的分类

目前，PLC的种类很多，性能和规格都有很大的差别。通常根据PLC的结构形式、控制规模和功能来进行分类。

1.按结构形式分类

1）整体式PLC

这种结构的PLC将各组成部分（I/O接口电路、CPU、存储器等）安装在一块或少数几块印刷电路板上，并连同电源一起装在机壳内，通常称为主机。其输入/输出接线端子及电源进线分别在机箱的上、下两侧，并有相应的发光二极管指示输入/输出的状态。面板上通常有编程器的插座、扩展单元的接口插座等。其特点是结构紧凑、体积小、质量轻、价格较低。通常小型或超小型PLC常采用这种结构，适用于简单控制的场合。如西门子的S7-200系列产品、松下电子的FPl型产品、欧姆龙（OMRON）公司的CPMlA型产品、三菱公司的FX系列产品。

2）模块式PLC

模块式PLC也称为积木式，PLC的各个组成部分以模块的形式存在，如电源模块、CPU模块、输入/输出模块等，通常把这些模块插到底板，安装在机架上。这种PLC具有装配方便、配置灵活、便于扩展、结构复杂、价格较高等特点。大型的PLC通常采用这种结构，一般用于比较复杂的控制场合。此类PLC如西门子公司的S7-300、S7-400的PLC，OMRON公司的C200H、C2000H系列产品，三菱公司的QnA/AnA等系列产品。

2.按控制规模分类

1）小型PLC

小型PLC的I/O点数一般在128点以下，其中I/O点数小于64点的为超小型或微型PLC。其特点是体积小、结构紧凑，整个硬件融为一体，除了开关量I/O以外，还可以连接模拟量I/O以及其他各种特殊功能模块。它能执行包括逻辑运算、计时、计数、算术运算、数据处理和传送、通信连网以及各种应用指令。

2）中型PLC

中型PLC采用模块化结构，其I/O点数一般在256～2048之间。I/O的处理方式除了采用一般PLC通用的扫描处理方式外，还能采用直接处理方式，即在扫描用户程序的过程中，直接读输入，刷新输出。它能连接各种特殊功能模块，通信连网功能更强，指令系统更丰富，内存容量更大，扫描速度更快。

3）大型PLC

一般I/O点数在2048以上的称为大型PLC。大型PLC的软、硬件功能极强，具有极强的自诊断功能，通信连网功能强，有各种通信连网的模块，可以构成三级通信网，实现工厂生产管理自动化。I/O点数超过8192点的为超大型PLC。

3.按功能分类

1）低档PLC

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，还可有少量模拟量输入/输出、算术运算、数据传送和比较、通信等功能。

2）中档PLC

中档PLC除具有低档PLC功能外，还增加了模拟量输入/输出、算术运算、数据传送和比较、数制转换、远程I/O、子程序、通信连网等功能，有些还增设中断、PID控制等功能。

3）高档PLC

高档PLC除具有中档机功能外，还增加了带符号算术运算、矩阵运算、位逻辑运算、平方根运算及其他特殊功能函数运算、制表及表格传送等。高档PLC具有更强的通信连网功能。

1.3.2 PLC的技术指标

1）I/O点数

输入/输出（I/O）点数是PLC可以接收的输入信号和输出信号的总和，是衡量PLC性能的重要指标之一。I/O点数越多，外部可接的输入设备和输出设备就越多，控制规模就越大。

2）存储容量

存储容量是指用户程序存储器的容量。用户程序存储器的容量大，则可以编制出复杂的程序。一般来说，小型PLC的用户存储器容量为几千字，而大型机的用户存储器容量为几万字。

3）扫描速度

扫描速度是指PLC执行用户程序的速度，是衡量PLC性能的重要指标。一般以扫描1千字用户程序所需的时间来衡量扫描速度，通常以ms/千字为单位。PLC用户手册一般给出执行各条指令所用的时间，可以通过比较各种PLC执行相同的操作所用的时间来衡量扫描速度的快慢。

4）指令的功能与数量

指令功能的强弱、数量的多少也是衡量PLC性能的重要指标。编程指令的功能越强、数量越多，PLC的处理能力和控制能力也越强，用户编程也越简单和方便，越容易完成复杂的控制任务。

5）内部元件的种类与数量

在编制PLC程序时，需要用到大量的内部元件来存放变量、中间结果、保持数据、定时计数、模块设置和各种标志位等信息。这些元件的种类与数量越多，表示PLC的存储和处理各种信息的能力越强。

6）特殊功能单元

特殊功能单元种类的多少与功能的强弱是衡量PLC产品的一个重要指标。近年来各PLC厂商非常重视特殊功能单元的开发，特殊功能单元种类日益增多，功能越来越强，使PLC的控制功能日益扩大。

7）可扩展能力

PLC的可扩展能力包括I/O点数的扩展、存储容量的扩展、连网功能的扩展、各种功能模块的扩展等。在选择PLC时，经常需要考虑PLC的可扩展能力。

1.3.3 PLC的功能与特点

1.PLC的主要功能

PLC是一种根据生产线的顺序控制的要求，为了取代传统的“继电-接触器”控制系统而发展起来的工业自动控制设备，它必须首先具备满足顺序控制要求的基本逻辑运算功能。随后，由于技术的进步与PLC应用范围的日益扩大，在顺序控制的基础上又不断开发了可以满足各种工业控制要求的特殊控制功能。近年来，为了适应信息、网络技术的发展，PLC作为基本的工业控制设备，网络与通信功能已经成为PLC的重要技术指标之一。总之，虽然各种PLC的性能、价格有较大的区别，但主要功能相近，包括图1-12所示的几部分。

1）基本控制功能

逻辑控制功能是PLC必备的基本功能。本质上说，这是一种以计算机“位”运算为基础，按照程序的要求，通过对来自设备外围的按钮、行程开关、接触器触点等开关量（也称为数字量）信号进行逻辑运算处理，并控制外围指示灯、电磁阀、接触器线圈的通、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，但是，目前它已经成为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常用的基本功能。

2）特殊控制功能

PLC的特殊控制功能包括模/数（A/D）转换、数/模（D/A）转换、温度的调节与控制、位置控制等。这些特殊控制功能的实现，一般需要选用PLC的特殊功能模块。

A/D转换与D/A转换多用于过程控制或闭环调节系统。在PLC中，通过特殊的功能模块与功能指令，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采样，并通过必要的运算（如PID）实现闭环自动调节。当然，需要时也可以对这些物理量进行各种形式的显示。

在PLC中，位置控制一般是通过PLC的特殊应用指令，通过对命令的写入与状态的读取对位置控制模块的位移量、速度、方向等进行控制。位置控制模块一般以脉冲的形式输出位置给定指令，指令脉冲再通过伺服驱动器（或步进驱动器）驱动伺服电机（或步进电机），带动进给传动系统实现闭环位置控制。

3）网络与通信功能

随着信息技术的发展，网络与通信在工业控制中已经显得越来越重要。早期的PLC通信，一般仅仅局限于PLC与外设（编程器或编程计算机等）间的简单串行口通信。然而，现代PLC的通信不仅可以进行PLC与外设间的通信，而且可以在PLC与PLC之间、PLC与其他工业控制设备之间、PLC与上位机之间、PLC与工业网络间进行通信，并可以通过现场总线、网络总线组成系统，从而使得PLC可以方便地进入工厂自动化系统。

不过并不是所有的PLC都具有上述的全部功能，有的小型PLC只具上述部分功能，但价格比较便宜。

2.PLC的基本特点

PLC是一种专为工业环境下设计的计算机控制器，归纳起来，它具有以下基本特点。

1）可靠性特别高、抗干扰能力强

PLC采用了大规模集成电路，元器件和接线的数量大大减少；采用了光电耦合隔离及各种滤波方法，有效地防止了干扰信号的进入；内部采用电磁屏蔽，防止辐射干扰；电源使用开关电源，防止了从电源引入的干扰；具有良好的自诊断功能；对使用的元器件进行了严格的筛选且设计时就留有充分的余地，充分地保证了元器件的可靠性；PLC采用了可靠性设计，如冗余设计、掉电保护、故障诊断和其他针对工业生产中恶劣的环境而使用的硬件等措施。正因为如此，目前市场上主流的PLC其平均无故障时间都达到数万小时以上。

2）编程简单，易学、易懂

PLC可采用的编程语言包括梯形图和助记符等。PLC的梯形图与继电器电路的梯形图相似，直观易用。而且，PLC采用软件编制程序来完成控制任务，通过修改程序就能适应生产上的改变。因此，工程人员很容易接受和掌握。

3）采用模块化结构，系统组成灵活方便

由于PLC采用的是模块式结构，一般由主模块（包含CPU的模块）、电源、各种输入/输出模块构成，并可根据需要配备通信模块或远程I/O模块。模块间的连接可通过机架底座或电缆来连接，因而十分方便。PLC既具有可与工业现场的各种电信号相接的输入/输出接口，同时还具有可与上位机相接的通信接口。它可以根据需要进行规模上的或者控制功能上的扩展。

4）安装调试简单方便

当用PLC构成控制系统时，只需将现场的各种设备与执行机构和PLC的I/O接口端子正确连接，用简单的编程方法将程序存入存储器内，即可正常工作。如果是在现场，可以使用手持编程器直接对PLC进行编程调试；如果是在实验室也可以使用个人计算机与PLC相连接后进行编程调试。而且，PLC的输入/输出的接线端均有发光二极管指示，调试起来十分方便。

由于PLC不需要继电器、转换开关等，它的输出可直接驱动执行机构，中间一般不需要设置转换单元，因此大大简化了接线，减少设计及施工的工作量。同时PLC又能事先进行模拟调试，减少了现场调试的工作量，并且PLC的监视功能很强，模块化结构大大减小了维修量。

1.3.4 PLC与工业PC及DCS的比较

自从微型计算机问世以来，工业控制一直是其重要的应用领域。在工业控制上，除PLC外，工业控制计算机（简称为工业PC）与集散控制系统（简称为DCS）也是其中的代表性产品。为了便于读者进一步了解，现将三者区别简述如下。

1.PLC与工业PC

工业控制计算机（工业PC）是以通用微型计算机为基础的工业现场自动控制设备，它的特点是具有标准化的总线结构，因此各机型间的兼容性好，与计算机间的通信容易。而PLC的接口标准目前还没有完全统一，标准化程度较差，其兼容性与通信性能与工业PC相比还有一定的差距。

在硬件方面，工业PC与通用计算机的本质无太大的区别，它需要通过各种接口板与现场检测信号、执行元件相连接；也不像PLC那样具有较多的、适应各种控制要求的功能模块可供选择。因此，其工业现场工作可靠性与通用性与PLC相比存在一定的差距。

在软件方面，工业PC可以像通用计算机那样使用形式多样、功能丰富的应用软件，可以适应算法复杂、实时性强的控制场合，但对编程人员的要求较高。PLC的软件特点是通俗易懂，编程方便，便于掌握，且由于内部采用了循环扫描的工作方式，程序可靠性高。

2.PLC与DCS

集散控制系统（DCS）产生于20世纪70年代，它与PLC一样都是以微型计算机为基础的工业自动控制装置，但DCS发展的基础与方向与PLC有所不同。

首先，在控制功能方面，DCS是在生产过程仪表控制的基础上发展起来的计算机控制装置，控制功能侧重于模拟量处理、回路调节、状态显示等方面。而PLC是在继电-接触器控制系统的基础上发展起来的计算机控制装置，控制功能侧重于开关量处理、顺序控制、逻辑运算方面。

其次，在发展趋势上，为了扩大产品的应用领域，PLC的重要发展方向是功能化、网络化。通过具有各种特殊功能的模块（如温度测量与调节模块、模拟量输入/输出模块、PID调节模块等）与网络连接手段，当代PLC已经可以很容易地通过各种现场总线（如CC-Link、PROFIBUS等）、工业以太网，构成完整的分布式PLC控制系统，应用范围不断向传统的DCS控制领域拓展。同样，作为DCS也在传统的模拟量处理、回路调节、状态显示功能的基础上，不断增加顺序控制、逻辑运算功能，以构成可以满足不同要求的集散控制系统，故就控制功能而言，两者已经日趋接近。

但是，正如前面所述，与传统的DCS相比，PLC由于其特殊的软硬件设计，在可靠性与使用的方便灵活性上还是具有独特的优势。