第1章　PLC编程必备基础

1.1　认识PLC

1987年2月，国际电工委员会（IEC）对可编程控制器的定义：“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计。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，并通过数字式和模拟式的输入/输出接口，控制各种类型的机械或生产过程。可编程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而设计。”

可编程控制器在其内部结构和功能上都类似于通用计算机，所不同的是可编程控制器还具有很多通用计算机所不具备的功能和结构。如PLC有一套功能完善且简单的管理程序，能够完成故障检查、用户程序输入、修改、执行与监视等功能；PLC还有很多适应于各种工业控制系统的模块；PLC采用以传统电气图为基础的梯形图语言编程，方法简单且易于学习和掌握。所以在控制系统应用方面PLC优于计算机，它易于和自动控制系统相连接，可以方便灵活地构成不同要求、不同规模的控制系统，其环境适应性和抗干扰能力极强，故将可编程控制器称为工业控制计算机。

目前，可编程控制器与数控机床和工业机器人已成为现代工业自动化的三大支柱。

（1）PLC的几种流派　PLC产品按地域大体可以分成三个流派：美国产品、日本产品、欧洲产品。

美国PLC：如罗克韦尔（Rockwell）公司（包括AB公司）产品，通用电气（GE）产品。

日本PLC：如欧姆龙（OMRON）公司的产品，三菱（MITSUBISHI）公司的产品。

欧洲PLC：如西门子（SIEMENS）公司和施耐德（法国Schneider）公司的产品。

（2）PLC的分类

①按结构形式分

a.整体式：特点是将PLC的基本部件（如CPU板、输入板、输出板、电源板等）紧凑地安装于一个标准机壳内而构成一个整体，组成PLC的一个基本单元（主机）或扩展单元。基本单元上设有扩展端口，通过扩展电缆与扩展单元相连，配有许多专用的特殊功能模块（如模拟量输入/输出模块、热电偶、热电阻模块、通信模块等）以构成PLC不同的配置。整体式结构的PLC体积小，成本低，安装方便。微型和小型PLC一般为整体式结构。如西门子的S7-200型PLC。

b.模块式：由一些标准模块（如CPU模块、输入模块、输出模块、电源模块和各种功能模块等）单元构成，将这些模块插在框架上和基板上即可。各个模块功能是独立的，外形尺寸是统一的，可根据需要灵活配置。目前大中型PLC都采用这种方式。如西门子的S7-300和S7-400系列。

图1-1所示为PLC外形结构。

②按功能分

a.低档PLC：具有逻辑运算、定时、计数、移位及自诊断、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，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。

b.中档PLC：除具有低档PLC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、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控制等功能，适用于复杂控制系统。

c.高档PLC：除具有中档机的功能外，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的运算、制表及表格传送功能等。高档PLC机具有更强的通信联网功能，可用于大规模过程控制，可构成分布式网络控制系统，实现工厂自动化。

③按I/O点数分　可分为小型、中型和大型。

a.小型PLC：小型PLC的功能以开关量控制为主，其输入/输出（I/O）总点数在256点以下，用户程序存储器容量在4KB左右。现在高性能小型PLC还具有一定的通信能力和少量的模拟量处理能力。其价格低廉，体积小巧，适合于控制单台设备和开发机电一体化产品。

典型的小型PLC有SIEMENS公司的S7-200系列、OMRON公司的CPM2A系列、MITSUBISHI公司的FX系列和AB公司的SLC500系列等整体式PLC产品。

b.中型PLC：中型PLC的I/O点数在256～2048点之间，用户程序存储器容量达到8K字左右。中型PLC不仅具有开关量和模拟量的控制功能，还具有更强的数字计算能力，它的通信功能和模拟量处理功能更强大，适用于更复杂的逻辑控制系统及连续生产线的过程控制系统。

典型的中型PLC有SIEMENS公司的S7-300系列、OMRON公司的C200H系列、AB公司的SLC500系列等模块式PLC产品。

c.大型PLC：大型PLC的I/O点数在2048点以上，用户程序储存器容量达到16K字以上。大型PLC具有计算、控制和调节的能力，还具有强大的网络结构和通信联网能力，有些PLC还具有冗余能力。其监视系统采用CRT显示，能够表示过程的动态流程，记录各种曲线，PID调节参数等；它配备多种智能板，构成一台多功能系统。这种系统还可以和其他型号的控制器互连，和上位机相连，组成一个集中分散的生产过程和产品质量控制系统。大型PLC适用于设备自动化控制、过程自动化控制和过程监控系统。

典型的大型PLC有SIEMENS公司的S7-400、OMRON公司的CVM1和CS1系列、AB公司的SLC5/05等系列。

（3）PLC的特点

①高可靠性，强抗扰力　工业生产对控制设备要求很高，需具有很强的抗干扰能力和高可靠性，能在恶劣环境中可靠工作，平均故障间隔时间长，故障修复时间短。这是PLC控制优于微机控制的一大特点。

PLC控制系统的故障有两种：一种是偶发性故障，因恶劣环境（电磁干扰、超高温、过电压、欠电压）引起。这类故障只要不引起系统部件的损坏，一旦环境条件恢复正常，系统本应随之恢复正常，但因PLC受外界影响后，内部存储的信息被破坏，必须从初始状态重新启动。另一类是永久性故障，因元器件不可恢复的损坏而引起。

PLC设计上采用了从硬件和软件两方面的措施，可防止故障的发生，提高可靠性。

②编程简单，使用方便　这是PLC优于微机的另一个特点。目前大多数PLC采用继电控制形式的“梯形图编程方式”，即有传统控制电路的清晰直观，又适合电气技术人员的读图习惯和微机应用水平，易于接受，比汇编语言更受欢迎。

为进一步简化编程，当今PLC还针对具体问题设计了步进梯形指令、功能指令等。PLC是为车间操作人员而设计的，一般只要很短时间的训练即能学会使用。而微电脑控制系统则要求具有一定知识的人员操作。当然，PLC的功能开发，需要有软件专家的帮助。

③程序可变，柔性很好　当生产工艺流程改变或生产线设备更新时，不必改变PLC硬件，只要改变程序就可满足要求。PLC除应用于单机控制外，被大量应用于柔性制造单元（FMC）、柔性制造系统（FMS），乃至工厂自动化（FA）。

④功能完善，通用性强　现代PLC具有数字量和模拟量输入/输出、逻辑和算术运算、定时、计数、顺序控制、功率驱动、通信联网、人机对话、自检、记录和显示等功能。

⑤扩充方便，组合灵活　PLC产品具有各种扩充单元，可以方便地适应不同工业控制需要的不同输入/输出点及不同输入/输出方式的系统。

⑥简化设计，减少施工　由于PLC采用软件编程来达到控制功能，而不同于继电器控制采用接线来达到控制功能，同时PLC又能率先进行模拟调试，并且操作化功能和监视化功能很强，这些都减少了许多的工作量。简化减少了控制系统设计与施工的工作量。

⑦体小量轻，机电一体　一台收录机大小的PLC具有相当于1.8m高的继电器控制柜的功能，一般节电50％以上。

PLC是工业控制的专用计算机，其结构紧密、坚固、体积小巧，并具备很强的抗干扰能力，使之易于装入机械设备内部，成为了实现“机电一体化”较理想的控制设备。

（4）PLC的应用范围

①顺序控制　PLC应用最广泛的领域，可用于单机、多级群控制式生产自动线控制。如注塑机、印刷机械、组合机床、装配生产线、包装生产线、电镀车间及电梯控制线路等。

②运动控制　PLC有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。多数情况下PLC把描述目标位置的数据送给模块，模块移动一轴或数轴到目标位置。而每个轴移动时，位置控制模块保持适当的速度和加速度以确保运动平滑。

③过程控制　PLC采用PID（比例-积分-微分）模块可以控制大量的物理参数，如温度、压力、速度和流量。由于PID可使PLC具有闭环控制的功能，若控制过程中某变量出现偏差时，PID控制算法会计算出正确的输出，使变量保持设定值，故广泛用于过程控制。

④数据处理　当今机械加工中，出现了把支持顺序控制的PLC和计算数值控制（CNC）设备紧密结合。著名的日本FANUC公司推出的SYSTEM 10/11/12系列，已将CNC控制功能作为PLC的一部分。为实现PLC和CNC设备之间内部数据自由传递而采用了窗口软件，用户通过窗口软件可自由编程，由PLC连至CNC设备使用。CNC系统将变成以PLC为主体的控制和管理体系。

⑤通信联网　为了适应国外近年来兴起的工厂自动化（FA）系统发展需要，发展了PLC之间、PLC与上级计算机之间的通信功能，它们都采用光纤通信多级传递。输入/输出模块按功能各自放置在生产现场分散控制，然后采用网络连接构成集中管理信息的分布式网络系统。