第一节 PLC的定义、分类、应用、特点及主要技术指标

一、PLC的定义

国际电工委员会（IEC）于1987年对可编程控制器给出了如下定义：

可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境下的应用而设计。它采用可编程的存储器，用来在其内部存储和执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的命令，并通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的生产机械或生产过程。可编程控制器及其有关设备都应按照易于与工业控制系统联成一体、易于扩充功能的原则设计。

由PLC的定义可以看出：1）PLC为适应于各种较为恶劣的工业环境而设计；2）PLC具有与计算机相似的结构，是一种工业通用计算机；3）PLC必须经过用户二次开发编程方可使用。

综上所述，可编程控制器是在硬接线逻辑控制技术和计算机技术的基础上发展起来的，简称PC，但有时为了与个人计算机（Personal Computer）加以区别，将其简称为PLC。

二、PLC的分类

一般来说，可以按控制规模大小、性能高低、结构特点进行分类。

1. 按PLC的控制规模分类

按PLC的控制规模，可以将其分为大型机、中型机和小型机：

1）小型机的控制点一般在256点之内。其控制点数不多，且控制功能有一定的局限性，但是它小巧、灵活、价格低，很适合于单机控制或小型系统的控制。

控制点是指PLC面板上连接输入、输出端子上的开关量输入点数和输出点数之和。

2）中型机的控制点一般不大于2048点。其控制点数较多，控制功能较强，有些PLC有较强的计算能力，不仅可用于对设备进行直接控制，还可以对多个下一级的PLC进行监控，它适合中型或大型控制系统的控制。

3）大型机的控制点一般多于2048 点。其控制点数多，控制功能很强，有很强的计算能力，同时，其运行速度很快，不仅能完成较复杂的算术运算，还能进行复杂的矩阵运算。它不仅可用于对设备进行直接控制，还可以对多个下一级的PLC进行监控。

2. 按PLC的控制性能分类

按PLC的控制性能可以分为高档机、中档机和低档机：

1）低档机具有逻辑运算、定时、计数、移位以及自诊断、监控等基本功能。还可能增设少量模拟量输入/输出、算术运算、远程I/O、通信等功能。低档机工作速度比较低，能带的输入和输出模块数量比较少，输入和输出模块的种类也比较少。这类PLC只适合于小规模的简单控制，在连网中一般适合作为从站使用。

2）中档机除具有低档机的功能外，还具有较强的模拟量输入/输出、算术运算、数据传送和比较、远程I/O、通信等功能。中档机工作速度比较快，能带的输入/输出模块的数量比较多，输入和输出模块的种类也比较多。这类PLC不仅能完成小型控制任务，也可以完成较大规模的控制任务，在连网中可以作为从站，也可以作为主站使用。

3）高档机除具有中档机的功能外，还有符号算术运算、位逻辑运算、矩阵运算、平方根运算及其他特殊功能函数运算、表格功能等。高档机具有更强的通信连网功能，可用于大规模过程控制系统。高档机工作速度很快，能带的输入/输出模块的数量很多，输入和输出模块的种类也很全。这类PLC不仅能完成中等规模的控制工程，也可以完成大规模的控制任务，在连网中一般作为主站使用。

3. 按结构形式分类

PLC按结构形式可分为整体式和模块式：

1）整体式PLC是将电源、CPU、I/O部件都集中在一个机箱内，具有结构紧凑、体积小、价格低的特点。一般小型PLC采用这种结构。整体式PLC由不同I/O点数的基本单元和扩展单元组成。基本单元内有CPU、I/O接口部件、与I/O扩展单元相连的扩展口和与编程器或EPROM写入器件相连的接口等。扩展单元内只有I/O和电源等而不带CPU。整体式PLC一般还可配备特殊功能单元，如模拟量单元、位置控制单元等。

2）模块式PLC是将PLC各部分分成若干个单独的模块，如CPU模块、I/O模块、电源模块以及各种功能模块。模块式PLC由框架和各种模块组成。这种结构的特点是配置灵活，可根据需要选配不同模块组成一个系统，而且装配方便，便于扩展和维修。一般大、中型PLC采用模块式结构。

三、PLC的应用领域

随着微电子技术的快速发展，PLC的制造成本不断下降，而功能却大大增强。应用的领域已覆盖了所有工业企业，其应用范围大致可归纳为以下几种：

1. 开关量逻辑控制

这是PLC最基本、最广泛的应用领域。PLC的输入和输出信号都是通/断的开关信号，对控制的输入、输出点数可以不受限制，从十几个点到成千上万个点，理论上可以通过扩展实现。在开关量逻辑控制中，它取代传统的继电器-接触器控制系统，实现逻辑控制和顺序控制。用PLC进行开关量控制遍及许多行业，如机床电气控制、电梯运行控制、冶金系统的高炉上料、汽车装配线、啤酒灌装生产线等。

2. 运动控制

PLC可用于直线运动或圆周运动的控制。早期直接用开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动模块，以实现对各种机械的运动控制。目前，制造商已提供了拖动步进电动机或伺服电动机的单轴或多轴位置控制模块，即把描述目标位置的数据送给模块，模块移动一轴或多轴到目标位置。当每个轴运动时，位置控制模块保持适当的速度和加速度，确保运动平滑。

3. 闭环过程控制

PLC通过模块实现模拟量与数字量的A/D、D/A转换，能够实现对模拟量的控制。可实现对温度、压力、流量、液面高度等连续变化的模拟量的PID控制，如锅炉、冷冻、反应堆、水处理、酿酒等。

4. 数据处理

现代的PLC具有数学运算（包括矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传递、排序和查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析和处理，可以与存储器中存储的参考数据进行比较，也可以传送给其他智能装置或传送给打印机打印制表。具有把支持顺序控制的PLC与数字控制设备紧密结合的能力，即CNC功能。数据处理一般用在大、中型控制系统中。

5. 连网通信

PLC的通信包括PLC与PLC之间、PLC与上位计算机之间和其他智能设备之间的通信。PLC和计算机之间具有串行接口，利用双绞线、同轴电缆将它们连成网络，以实现信息的交换。还可以构成“集成管理，分散控制”的分布控制系统。连网增加系统的控制规模，甚至可以使整个工厂实现工厂自动化。

并不是所有的PLC都具有上述全部功能，有的小型PLC只具有上述部分功能，价格比较便宜。

四、PLC的特点

1. 可靠性高、抗干扰能力强

各PLC的生产厂商在硬件和软件方面采取了多种措施，使PLC除了本身具有较强的自诊断能力、能及时给出出错信息及停止运行等待修复外，还使PLC具有了很强的抗干扰能力。

（1）硬件方面

主要模块均采用大规模或超大规模集成电路，大量开关动作由无触点的电子存储器完成， I/O系统设计有完善的保护和信号处理电路。

1）屏蔽：对电源变压器、CPU、编程器等主要部件，采用导电、导磁良好的材料进行屏蔽，以防外界干扰。

2）滤波：对供电系统及信号输入电路采用多种形式的滤波，如LC或Π形滤波网络，以消除或抑制高频干扰，也削弱了各模块之间的相互影响。

3）电源调整与保护：对微处理器这个核心部件所需的+5V电源，采用多级滤波，并用集成电压调整器进行调整，以适应交流电网的波动和过电压、欠电压的影响。

4）隔离：在微处理器与I/O电路之间，采用光电隔离措施，有效地隔离I/O接口与CPU之间的电联系，减少故障和误动作；各I/O口之间也彼此隔离。

5）采用模块式结构：这种结构有助于在故障情况下短时修复。一旦查出某一模块出现故障，即可迅速更换，使系统恢复正常工作，同时也有助于快速查找故障原因。

（2）软件方面

PLC在软件上具有极强的自检及保护功能。

1）故障检测：软件定期地检测外界环境，如掉电、欠电压、电池电压过低及强干扰信号等，以便及时进行处理。

2）信息保护与恢复：当偶发性故障条件出现时，不破坏PLC内部的信息。一旦故障条件消失，即可恢复正常，继续原来的程序工作。因此，PLC在检测到故障条件时，立即把当前状态存入存储器，通过软件配合对存储器进行封闭，禁止对存储器的任何操作，以防存储信息被冲掉。

3）设置警戒时钟看门狗（WDT）：如果程序循环执行时间超过了WDT规定的时间，预示程序进行死循环，立即进行报警。

4）加强对程序的检查和校验：一旦程序有错，立即进行报警，并停止程序执行。

5）对程序及动态数据进行电池后备：停电后，利用后备电池供电，有关状态及信息都不会丢失。

PLC的出厂试验项目中有一项就是抗干扰试验，它要求能承受幅值为1000 V、上升时间为1 ns、脉冲宽度为1 μs的干扰脉冲。一般来说，平均故障间隔时间可达几十万到上千万小时；制成系统亦可达4～5万小时，甚至更长时间。

（3）特殊的工作方式

对于PLC系统来说，它的高可靠性还得益于其特殊的工作方式。PLC采用周期循环扫描的方式工作，对输入/输出操作是集中进行的。在一个循环周期内，仅有一小段时间集中进行I/O操作，也就是说只有这一段集中进行I/O的操作时间内，干扰才会被引入PLC内部，在扫描周期的其余大部分时间，干扰都被阻挡在PLC之外。而且，为了防止输入开关量丢失，要求把循环扫描周期控制在1～100 ms，这个时间比PLC所接的执行机构的机电时间常数小得多。这样一来，即使在某个扫描周期内干扰侵入，造成输出值错误，但是它还来得及使执行机构发生错误动作，下一个扫描周期正确的输出就会将其纠正。因此，PLC的这种工作方式本身就具有抗干扰能力。

随着大规模和超大规模专用集成电路和表面安装技术在PLC硬件设计上的应用，使PLC产品硬件的元器件数量更少、集成度更高、体积更小、可靠性更高。

2. 编程简单，使用方便

用微机实现自动控制的过程中常使用汇编语言编程，这不仅难于掌握，且要求使用者具有一定水平的计算机硬件和软件知识。

PLC是面向用户的设备，因此大部分PLC都充分考虑到现场工程人员的技能和习惯，尽量采用简单易学的编程语言，例如，梯形图或面向工业控制的简单指令形式。梯形图与继电器-接触器控制电路相似，这种编程语言形象直观、容易掌握，不需要专门的计算机知识，只要具有一定电工和工艺知识的人员都可在短时间内学会，并用来编制用户程序，配套的编程器的操作和使用也比较简单，这也是PLC获得迅速普及和推广的原因之一。

目前，大多数PLC仍采用继电器-接触器控制电路形式的“梯形图编程方式”。该方式既继承了传统控制电路的清晰直观，又考虑到大多数工厂企业电气技术人员的读图习惯及编程水平，因此非常容易接受和掌握。梯形图语言的编程元件的符号和表达方式与继电器-接触器控制电路相当接近，通过阅读PLC的用户手册或短期培训，电气技术人员和技术工人很快就能学会用梯形图编制控制程序。PLC同时还提供了功能图、语句表等编程语言。

3. 功能完善，通用性强

现代PLC不仅具有逻辑运算、定时、计数、顺序控制功能，而且具有A/D及D/A转换、数值运算和数据处理等功能，此外还具有功率驱动、通信连网、人机对话、自检、记录显示等功能。因此，既可对开关量进行控制，也可以对模拟量进行控制；既可以控制单个设备，也可以控制一条生产线或全部的工艺生产过程。由于PLC还具有通信连网功能，因此可以与相同或不同类型的PLC通信，并可以连接上位机构成分布式的控制系统。

无论哪一个公司的PLC，都配有品种齐全的各种硬件装置，可以组成能满足各种要求的控制系统，用户不必自己再设计和制作硬件装置。用户在硬件确定以后，在生产工艺流程改变或生产设备更新的情况下，不必改变PLC的硬件设备，只需用编程器在线或离线修改用户程序就可以满足要求。同一个PLC用于不同的控制对象时，只需改变其输入/输出组件和编制不同的用户程序即可。

PLC除应用于单机控制外，在工厂自动化中也被大量采用。

4. 系统设计、安装容易，调试工作量少，维修工作量小

采用继电器-接触器控制系统完成一项控制工程时，必须首先按工艺要求设计出电气原理图，然后画出继电器控制柜的布置及接线圈，才能提供订货，而且一旦设计完成，再要修改非常困难。而采用PLC控制系统，首先，由于其硬件、软件配置均采用模块化、积木式结构，而且都已商品化，只需按要求选用各种组件组装；其次，在PLC控制系统中，用软件编程取代由许多继电器硬接线来实现的多种功能，因而大大减轻了繁重的安装接线工作；再次，PLC采用面向用户的工业编程语言，具有强制及仿真功能，因此用户程序编程和大部分调试工作都可以在实验室进行。模拟调试好后，再将PLC系统安装到生产现场，进行联机调试，既安全，又快捷方便，大大缩短了设计和投入运行周期。在用户维护方面，由于PLC本身的故障率极低，维护工作量很小，并且PLC有完善的自诊断和显示功能，即使当PLC或外部的输入装置和执行机构发生故障时，也可以根据PLC上发光二极管或在线编程器上提供的信息，迅速地查找原因。如果是PLC本身的故障，可以用更换模块的方法迅速排除，因此维护极为方便。

5. 体积小，重量轻，能耗低

对于复杂的控制系统，使用PLC后，可以减少大量的中间继电器和时间继电器，小型PLC的体积仅相当于几个继电器的大小，因此可将控制柜的体积大大减小；PLC的配线比继电器-接触器控制系统少得多，可省下大量的配线和附件，减少大量的安装接线工时，从而节省大量的费用。

五、PLC的主要性能指标

1. 输入/输出（I/O）点数

I/O点数即PLC面板上连接输入、输出信号用的端子个数，常称为“点数”。通常所说有I/O点数是指开关量输入点数和输出点数之和。I/O点数越多，外部可接入的输入器件和输出器件就越多，控制规模就越大。因此，I/O点数是衡量PLC性能的重要指标之一。国际上流行将PLC的I/O点数作为PLC依规模分类的标准。

2. 存储容量

系统程序存放在系统程序存储器中。这里说的存储容量指的是用户程序存储器的容量，用户程序存储容量决定了PLC可以容纳的用户程序的长短，一般以字节为单位来计算。每1024个字节为1 KB，即1 KB为1024 B。中、小型PLC的存储容量一般在8 KB以下，大型PLC的存储容量可达到256 KB～2 MB。也有的PLC用存放用户程序的指令条数来表示容量。

3. 扫描速度

扫描速度是指PLC执行程序的速度，是衡量PLC性能的重要指标。一般以扫描1KB程序所用的时间来衡量扫描速度。PLC用户手册一般给出执行各指令所用的时间，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. 指令的种类和条数

编程指令的种类和条数是衡量PLC软件功能强弱的主要指标，指令种类和条数越多，软件功能也就越强，就能适应越复杂的控制系统。

5. 特殊I/O单元（高级模块或智能模块）

PLC不仅能完成开关量的逻辑控制，而且利用特殊I/O单元可以完成模拟量控制、运动控制、模糊控制、定位控制、高速中断控制、通信连网等功能。特殊 I/O 单元大多具有自己的CPU、存储器和专用集成电路。在主机（CPU单元）的协调管理下，能够与主机并行工作而不受主机扫描周期的影响，从而使PLC能够完成复杂的、高精度的控制任务。特殊I/O单元种类的多少和功能的强弱是衡量PLC产品水平的重要指标。各生产厂家都非常重视特殊I/O单元的开发，近年来特殊I/O单元的种类日益增多，功能也越来越强。

6. 支持软件

支持软件为用户提供方便的编程环境。PLC 生产厂家提供必要的编程软件，如为SIE-MENS公司的S7-200系列PLC提供的STEP7-Micro/WIN、为SIEMENS公司的S7-300/400系列PLC提供的STEP7编程软件等。软件在个人计算机Windows操作系统下运行，功能强大，使用方便，简单易学。