消防强切模块与继电器接线图

5.1.1 PLC的产生及定义

在PLC出现之前，工业生产流水线的自动控制系统基本上都是由继电器－接触器控制系统构成的，其设备体积大、触点寿命低、可靠性差、接线复杂、改接麻烦，维修和排除故障困难。为改变这一现状，人们曾试图用小型计算机来实现工业控制代替传统的继电器－接触器控制，但因价格昂贵、输入输出电路不匹配、编程复杂等原因，而没能得到推广和应用。1968年，美国通用汽车公司(GM)提出了“多品种、小批量、不断翻新汽车品牌型号”的战略，要实现此战略，需要一种新的工业控制装置，可以随着生产品种的改变，灵活方便地改变控制方案以满足控制的要求。GM公司提出了以下10项技术指标(GM10条)并在社会上招标，要求制造商为其装配线提供一种新型的通用控制器:

(1)编程简单，可在现场方便地编辑及修改程序;

(2)硬件维护方便，最好是插件式结构;

(3)可靠性要明显高于继电器控制柜;

(4)体积要明显小于继电器控制柜;

(5)具有数据通信功能;

(6)在成本上可与继电器控制柜竞争;

(7)输入可以是交流115V(美国电网电压为110V);

(8)输出为交流115V，2A以上，能直接驱动电磁阀;

(9)在扩展时，原系统只需很小变更;

(10)用户程序存储器容量至少能扩展到4k B。

1969年美国数据通信公司(DEC公司)研制出第一台PLC，在GM公司生产线上获得成功。根据这种新型工业控制装置可以通过编程改变控制方案这一特点以及专门用于逻辑控制的这一情况，这种新型的工业控制装置被称为“可编程逻辑控制器”，简称为PLC(Pro-grammable Logic Controller)。

对于PLC的定义，国际电工委员会(IEC)在1987年2月颁布的可编程控制器标准的第三稿中写道:“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，是专为在工业环境下应用设计的。它采用可编程序的存储器，用来在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，并采用数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统联成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。”

从1969年至今，PLC经历了四次换代:第一代PLC大多用一位机开发，用磁芯存储器存储，只有逻辑控制功能;第二代PLC产品换成了8位微处理器及半导体存储器，PLC产品开始系列化;第三代PLC产品随着高性能微处理器及位片式CPU的大量使用，处理速度大大提高，促使它向多功能及联网通信方向发展;第四代PLC产品不仅全面使用16位、32位高性能微处理器，高性能位片式微处理器，RISC(Reduced Instruction Set Computer)精简指令系统CPU等高级CPU，而且可在一台PLC中配置多个处理器，进行多通道处理。PLC的功能日益增强，它不仅能执行逻辑控制、顺序控制、定时及计数控制，还增加了算术运算、数据处理、通信等功能，具有处理分支、中断、自诊断能力，使PLC从开关量的逻辑控制扩展到数字控制及生产过程控制领域，真正成为一种电子计算机工业控制装置。同一时期，由PLC组成的PLC网络也得到飞速发展，由PLC组成的多级分布式PLC网络成为CIMS(Comput-er-Integrated Manufacturing System)系统不可或缺的基本组成部分。因此人们将PLC称为工业生产自动化的三大支柱(PLC、机器人和计算机辅助设计/制造CAD/CAM)之一。目前PLC已广泛应用于冶金、矿业、机械、电力、轻工等领域，为工业自动化提供了有力的工具，加速了机电一体化的进程。

5.1.2 PLC的特点

1.抗干扰能力强，可靠性高

高可靠性是电气控制设备的关键性能。为了能使PLC在恶劣环境中正常工作不受影响，或在恶劣条件消失后自动恢复正常，各PLC生产厂商在硬件和软件方面采取了多种措施，采用现代大规模集成电路技术和严格的生产工艺制造，使PLC除了本身具有较强的自诊断能力，能及时给出错误信息，停止运行等待修复外，还具有了很强的抗干扰能力。

硬件方面，PLC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系统设计有完善的通道保护和信号调理电路。从屏蔽、滤波、隔离、电源调整与保护、模块式结构等方面提高了PLC的抗干扰能力。软件方面，设置故障检测、信息保护与恢复、警戒时钟WDT(看门狗)、加强对程序的检查和校验等，也大大提高了PLC的工作可靠性。

以上措施保证了PLC能在恶劣的环境中可靠工作，使平均故障间隔时间(MTBF)指标高，故障修复时间短。目前，各生产厂家的PLC平均无故障安全运行时间都远大于国际电工委员会(IEC)规定的10万小时的标准。

2.通用性强，控制程序可变，适应面广

目前，PLC品种齐全的硬件装置，可以组成能满足各种要求的控制系统。用户在硬件确定之后，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，只需改编程序就可以满足要求。因此，PLC广泛地应用于工厂自动化控制中。

3.编程简单，使用方便

目前，大多数PLC采用类似于继电器－接触器控制电路的“梯形图”编程形式，继承了传统控制电路的清晰直观，对使用者来说，不需要具备计算机的专门知识，很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。PLC控制系统采用软件编程来实现控制功能，其外围只需将信号输入设备(按钮、开关等)和接收输出信号执行控制任务的输出设备，如接触器、电磁阀等执行元件，与PLC的输入输出端子相连接，安装简单，工作量少。

4.体积小、质量轻、功耗低、维护方便

PLC是将微电子技术应用于工业设备的产品，结构紧凑、坚固、体积小、质量轻、功耗低。以松下电工FP0型PLC为例:其外形尺寸仅为60mm×105mm×90mm，质量1.5kg，功耗小于25VA，易于装入机电设备内部，具有很好的抗干扰能力。在用户的维修方面，由于PLC的故障率很低，并且有完善的诊断和显示功能，PLC或外部的输入装置和执行机构发生故障时，可以根据PLC上发光二极管或编程器上提供的信息，迅速查明原因;如果是PLC本身，可用更换模块的方法，迅速排除PLC的故障，因此维修极为方便。

5.设计、施工、调试周期短

由于PLC采用了软件来取代继电器－接触器控制系统中大量器件，控制柜的设计安装工作量大为减少。另外，PLC的用户程序大都可以在实验室模拟调试，模拟调试好后再将PLC控制系统安装到现场，进行联机统调，使得调试方便、快速、安全，因此大大缩短了应用设计和调试周期。

PLC与继电器－接触器控制系统的比较见表5-1。

表5-1 PLC与继电器－接触器控制系统的比较

5.1.3 PLC的应用

随着PLC技术的不断进步和发展，目前已经能完成很多控制功能，如逻辑控制、定时/计数控制、步进控制、数据处理、A/D与D/A转换、运动控制、过程控制、远程I/O控制、通信联网与监控、定位控制等。经过20多年的工业运行，PLC迅速渗透到工业控制的各个领域，诸如农业、交通、食品工业、机械制造、娱乐、医疗、建筑、环保、冶金、采矿、电力、轻工、汽车等行业，如图5-1所示。PLC的应用范围不断扩大，主要归纳为以下五方面。

1.开关量逻辑控制

开关量逻辑控制是PLC最基本最广泛的应用。PLC可取代传统继电器－接触器控制系统和顺序控制器，既可用于单台设备的控制，也可用于多级群控及自动化流水线的控制。

2.运动控制

PLC可通过配置单轴或多轴位置控制模块、高速计数模块等来控制步进电动机或伺服电动机，从而使运动部件能以适当的速度或加速度实现平滑的直线运动或圆弧运动。广泛用于精密金属切削机床、装配机械、机械手、机器人、电梯等设备的控制。

图5-1 PLC的应用领域

3.工业过程控制

工业过程控制是指PLC对工业生产过程中如温度、压力、流量、速度、液位等连续变化的模拟量，通过配用A/D、D/A转换模块及智能PID模块实现单回路或多回路闭环控制，使这些物理参数保持在设定值上。其中，PID调节是用得较多的一种控制方法。过程控制广泛地应用在各种加热炉、锅炉等的控制以及化工、轻工、机械、冶金、电力、建材等许多领域的生产过程中。

4.数据处理

PLC具有数学运算(包括函数运算、逻辑运算、矩阵运算等)，数据的传输、转换、排序、检索、移位以及数制转换、位操作编码、译码等功能，可以完成数据的采集、分析和处理任务。这些数据可以实现实时监控，也可与存储在数据存储器中的参考值进行比较，或用通信功能传送到其他的智能装置以及将它们打印制表。数据处理一般用于大、中型控制系统，如无人控制的柔性制造系统(FMS)，也可以用于造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。

5.通信及联网

PLC有强大的联网、通信能力。PLC不仅可与个人计算机相连接通信，也可以利用PLC的网络通信功能模块及远程I/O控制模块来实现多台PLC之间的连接，以达到上位计算机与PLC之间及PLC与PLC之间的指令下达、数据交换和数据共享，这种由PLC进行分散控制、计算机进行集中管理的方式，能够完成较大规模的复杂控制，甚至实现整个工厂生产的自动化，实现了多级控制。

可以说，工业控制的场合中，都离不开PLC，但并不是所有的PLC都具有上述全部功能，PLC具体功能要看产品的型号、配置模块等。