可编程控制器模块接线图解

第三节　可编程控制器

可编程控制器(Programmable Logic Controller，PLC，如图5-4所示)是在继电-接触器控制系统基础上开发出来的一种新型工业控制器，因为它具有编程简单、使用方便、可靠性高、维护方便等优点，在目前的控制领域中应用相当广泛。

图5-4　可编程控制器

1.可编程控制器的产生和发展

1969年，美国数字设备公司(DEC)根据对生产过程进行控制的需要，研制出了第一台可编程控制器，并在美国通用汽车公司(GM)的汽车自动装配线上试用成功。尽管当时的可编程控制器功能有限、体积庞大，但它标志着这门新技术的产生和迅速发展的开始。

早期的可编程控制器虽然采用了计算机技术的优点和设计思想，并注重了面向用户、用于控制和适合工业现场的特点，但限于当时的技术发展水平，其功能很有限，器件多、线路复杂且体积大，名称也不统一。

可编程控制器从其产生到发展，尽管只有几十年的时间，但由于其编程简单、可靠性高、通用性强的一系列优点，使其得到了飞速发展。可编程控制器的应用领域非常广泛，涉及冶金、化工、机械、纺织、建筑、运输、电力等部门，已逐渐成为自动化领域的重要支柱之一。

2.可编程控制器的定义

1987年国际电工委员会(international electrical committee)颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义:PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。

3.可编程控制器的分类

PLC的类型众多，型号各异，各生产厂家的规格也各不相同，PLC一般可从其I/O点数、结构形式和功能三方面进行分类。

按容量(I/O点数)分类:

根据PLC的I/O点数的这种分类方法，分类界限不是固定不变的，它随PLC的发展而变化。目前可按照这种分类方法把PLC分为小型、中型和大型三类。

(1)小型PLC-I/O点数为256点以下的为小型PLC(其中I/O点数小于64点的为超小型或微型PLC)。

(2)中型PLC-I/O点数为256点以上、2048点以下的为中型PLC。

(3)大型PLC-I/O点数为2048以上的为大型PLC(其中I/O点数超过8192点的为超大型PLC)。

按结构形式分类:

根据PLC的结构形式，可将PLC分为整体式、模块式和叠装式。

(1)整体式PLC。将电源、CPU、I/O接口等部件都集中装在一个机箱内，具有结构紧凑、体积小、价格低的特点。小型PLC一般采用这种整体式结构。

(2)模块式PLC。将PLC各组成部分分别做成若干个单独的模块，如CPU模块、I/O模块、电源模块(有的包含在CPU模块中)以及各种功能模块。模块式PLC由框架或基板和各种模块组成。模块装在框架或基板的插座上。这种模块式PLC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。大、中型PLC一般采用模块式结构。

(3)叠装式PLC。还有一些PLC将整体式和模块式的特点结合起来。

叠装式PLC，其CPU、电源、I/O接口等也是各自独立的模块，但它们之间靠电缆进行连接，并且各模块可以一层层地叠装。这样，不但系统可以灵活配置，还可做得体积小巧。

按功能分类:

根据PLC的功能，可将PLC分为低、中、高三档。

(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系统。

(2)中档PLC。除具有低档PLC功能外，还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。有些还增设中断、PID控制等功能。

(3)高档PLC。除具有中档PLC功能外，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、制表及表格传送等功能。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或构成分布式网络控制系统，实现工厂自动化。

4.可编程控制器的特点及应用

PLC的特点:现代工业生产是复杂多样的，它们对控制的要求也各不相同。可编程控制器由于具有以下特点而深受工厂工程技术人员和工人的欢迎。

(1)可靠性高，抗干扰能力强。这往往是用户选择控制装置的首要条件。可编程控制器生产厂家在硬件方面和软件方面上采取了一系列抗干扰措施，使它可以直接安装于工业现场而稳定可靠地工作。目前各生产厂家生产的可编程控制器，其平均无故障时间都大大超过了IEC规定的10万小时(折合为4166天，约11年)。而且为了适应特殊场合的需要，有的可编程控制器生产商还采用了冗余设计和差异设计(如德国Pilz公司的可编程控制器)，进一步提高了其可靠性。

(2)适应性强，应用灵活。由于可编程控制器产品均成系列化生产，品种齐全，多数采用模块式的硬件结构，组合和扩展方便，用户可根据自己的需要灵活选用，以满足系统大小不同及功能繁简各异的控制系统要求。

(3)编程方便，易于使用。可编程控制器的编程可采用与继电器电路极为相似的梯形图语言，直观易懂，深受现场电气技术人员的欢迎。近年来又发展了面向对象的顺控流程图语言(sequential function chart，SFC)，也称功能图，使编程更简单方便。

(4)控制系统设计、安装、调试方便。可编程控制器中含有大量的相当于中间继电器、时间继电器、计数器等的“软元件”。又用程序(软接线)代替硬接线，安装接线工作量少。设计人员只要有可编程控制器就可以进行控制系统设计，并可在实验室进行模拟调试。

(5)维修方便，维修工作量小。可编程控制器有完善的自诊断、履历情报存储及监视功能。可编程控制器对于其内部工作状态、通信状态、异常状态和I/O点的状态均有显示。工作人员通过它可以查出故障原因，便于迅速处理。

(6)功能完善。除基本的逻辑控制、定时、计数、算术运算等功能外，配合特殊功能模块还可以实现点位控制、PID运算、过程控制、数字控制等功能，为方便工厂管理又可与上位机通信，通过远程模块还可以控制远方设备。

由于具有上述特点，使得可编程控制器的应用范围极为广泛，可以说只要有工厂，有控制要求，就会有PLC的应用。

PLC的应用:目前，PLC在国内外已广泛应用于冶金、石油、化工、建材、机械制造、电力、汽车、轻工、环保及文化娱乐等各行各业，随着PLC性能价格比的不断提高，其应用领域不断扩大。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，以及与生活相关的机器、与环境相关的机器，而且有急速上升的趋势。

PLC应用类型可大致可归纳为以下几个方面。

(1)开关量逻辑控制。这是PLC最基本、也是最广泛的应用领域，它取代了传统的继电器顺序控制，从单机控制、多机群控制到自动生产线的控制，都可以找见它的身影。如专用机床、电梯、装配生产线等。

(2)过程控制。PLC通过模拟量模块、PID指令、甚至模糊控制模块，易于实现温度、压力、流量等模拟量的闭环控制，从而达到过程控制的要求。

(3)运动控制。PLC通过定位模块，可实现单轴或多轴的位置控制功能，从而实现定位、插补等简易CNC的功能，达到运动控制的要求。

(4)数据处理。目前已经出现了将支持顺序控制的PLC和计算机数字控制的CNC组合在一起的趋势，从CNC内置PLC和PLC内置CNC两个方面相互融合。另外，应用组态技术也易于组成以PLC为主体的控制和管理系统。

PLC通过定位模块，可实现单轴或多轴的位置控制功能，从而实现定位、插补等简易CNC的功能，达到运动控制的要求。

(5)通信联网(构成DCS、FCS系统)。PLC的通信包括PLC之间、PLC与上位IPC及其他智能控制设备(如VVVF、CNC等)之间的通信。为了适应工厂自动化(FA)系统、柔性制造系统(FMS)等的发展需要，各PLC制造厂商都在致力于提高PLC的通信联网能力，纷纷推出各具特色的PLC现场总线系统(FCS系统)，如西门子公司的PROFIBUS、三菱公司的CC-LINK系列等，从而用网络联络构成“集中管理、分散控制”的分布式控制系统(DCS)。

5.可编程控制器的发展趋势

随着PLC的推广与应用，用户对PLC的期望也越来越高，这为其发展指明了方向，PLC发展趋势主要体现在如下几个方面:

(1)向高速度、大容量方向发展。为了提高PLC的处理能力，要求PLC具有更好的响应速度和更大的存储容量。目前，有的PLC的扫描速度可达0.1ms/k步左右。PLC的扫描速度已成为很重要的一个性能指标。

在存储容量方面，有的PLC最高可达几十兆字节。为了扩大存储容量，有的公司已使用了磁泡存储器或硬盘。

(2)向超大型、超小型两个方向发展。当前中小型PLC比较多，为了适应市场的多种需要，今后PLC要向多品种方向发展，特别是向超大型和超小型两个方向发展。

现已有I/O点数达14336点的超大型PLC，其使用32位微处理器，多CPU并行工作和大容量存储器，具有很强的功能。

小型PLC由整体结构向小型模块化结构发展，使配置更加灵活，为了市场需要已开发了各种简易、经济的超小型、微型PLC，最小配置的I/O点数为8～16点，以适应单机及小型自动控制的需要，如西门子公司的LOGO系列PLC等。

(3)大力开发智能模块，加强联网与通信能力。为满足各种控制系统的要求，不断开发出许多功能模块，如高速数模块、温度控制模块、远程I/O模块、通信和人机接口模块等。这些带CPU和存储器的智能I/O模块，既扩展了PLC功能，又使用灵活方便，扩大了PLC的应用范围。

(4)增强外部故障的检测与处理能力。根据统计资料表明:在PLC控制系统的故障中，CPU占5%，I/O接口占15%，输入设备占45%，输出设备占30%，线路占5%。

前两项共20%的故障属于PLC的内部故障，它可通过PLC本身的软、硬件实现检测、处理;而其余80%的故障属于PLC的外部故障。PLC生产厂家都致力于研制、发展用于检测外部故障的专用智能模块，进一步提高系统的可靠性。

(5)编程语言多样化。在PLC系统结构不断发展的同时，PLC的编程语言也越来越丰富，功能也不断提高。

除了大多数PLC使用的梯形图语言外，为了适应各种控制要求，出现了面向顺序控制的步进编程语言、面向过程控制的流程图语言、与计算机兼容的高级语言(VB、VC语言等)等。多种编程语言的并存、互补与发展是PLC进步的一种趋势，并向着标准化方向发展。

随着PLC和PC控制的相互融合，PLC还出现了软件化、PC化等趋势，如德国倍福公司的软PLC，以及与触摸屏、组态技术组合的图形化控制器等。

PLC集三电(电控、电仪、电传)为一体，是一种具备计算机功能的通用工业控制装置，具有性能价格比高、可靠性高等特点，是自动化工程的核心设备之一，其使用量高居首位。并已成为现代工业自动化的三大技术支柱(PLC、机器人、CAD/CAM)之一。