1.PLC的产生

可编程序控制器（Programmable Logic Controller，PLC），是以微处理器为基础，融合了计算机技术、自动控制技术和通信技术等现代科技而发展起来的一种新型工业自动控制装置。随着计算机技术的发展，可编程序控制器作为通用的工业控制计算机，其功能日益强大，性价比越来越高，已经成为工业控制领域的主流设备之一，并与CAD/CAM、机器人技术一起，被誉为当代工业自动化的三大支柱，广泛应用在电气控制、网络通信和数据采集等多个领域。

在PLC出现之前，工业电气控制领域一直都是继电器控制占主导地位。但是继电器控制系统存在体积大、可靠性低、查找和排除故障困难，特别是其接线复杂、不易更改，对生产工艺变化的适应性差等缺点。

1968年美国通用汽车公司（GM）为了适应汽车型号的不断更新、生产工艺不断变化的需要，希望能有一种，能尽可能减少重新设计和更换继电器控制系统及接线，以降低成本，缩短周期新型的工业控制器。于是就设想将计算机功能强大、灵活、通用性好等优点与继电器控制系统简单易懂、价格便宜等优点结合起来，制成一种通用控制装置，而且这种装置采用面向控制过程、面向问题的“自然语言”进行编程，使不熟悉计算机的人也能很快地掌握使用。

美国通用汽车公司在1969年公开招标要求用新的控制装置取代继电器控制装置，并提出了十项招标技术要求，即：

①编程方便，现场可修改程序；

②维修方便，采用模块化结构；

③可靠性高于继电器控制装置；

④体积小于继电器控制装置；

⑤数据可直接送入管理计算机；

⑥成本可与继电器控制装置竞争；

⑦输入可以是交流115V（美国电压标准）；

⑧输出为交流115V、2A以上；

⑨在扩展时原系统只要很小的变更；

⑩用户程序存储器的容量至少能扩展到4KB。

1969年美国数字设备公司根据美国通用汽车公司的上述要求，成功研制了世界上第一台可编程序控制器，并在通用汽车公司的自动装配线上试用，取得很好的效果。从此这项技术迅速发展起来。

2.PLC的定义

PLC问世以来，尽管时间不长，但发展迅速，为了使其生产和发展标准化，国际电工委员会（IEC）在1987年颁布的PLC标准草案第3稿中，对PLC作了以下定义：“可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，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，并通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关外围设备，都应按易于与工业控制系统连成一个整体、易于扩充其功能的原则来设计”。

从上述定义可以看出，PLC应具有如下特征。

1）定义强调了PLC应直接应用于工业环境，它必须具有很强的抗干扰能力、广泛的适应能力和应用范围，这是区别于一般微机控制系统的重要特征。

2）定义强调了PLC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而设计”的工业计算机。通过程序控制各种类型的机械或生产过程，除了能完成各种各样的控制功能外，还具有与其他计算机通信联网的功能。

需要强调的是，PLC与以往所讲的继电器控制装置在“可编程”方面有着本质的区别，后者是通过硬件或硬接线的变更来改变程序，而PLC引入了微处理半导体存储器等新一代的微电子器件，并用规定的指令进行编程，能灵活地修改，即用软件方式实现的“可编程”的目的。

早期的可编程序控制器仅有逻辑运算、定时、计数等顺序控制功能，只是用来取代传统的继电器控制，通常称为可编程序逻辑控制器。随着微电子技术和计算机技术的发展，20世纪70年代中期微处理器技术应用到PLC中，使PLC不仅具有逻辑控制功能，还增加了算术运算、数据传送和数据处理等功能，其功能已远远超出了上述定义的范围。

3.PLC的特点

PLC技术之所以迅速发展，除了工业自动化领域的客观需要外，主要原因在于与现有的各种控制方式相比，它具有一系列深受用户欢迎的特点。它较好地解决了工业领域中普遍关注的可靠、安全、灵活、方便和经济等问题。主要有以下特点。

1）可靠性高、抗干扰能力强。

传统的继电器控制系统使用了大量的中间继电器、时间继电器。由于接触不良，容易出现故障。PLC用软件代替大量的中间继电器和时间继电器，仅剩下与输入和输出有关的少量硬件元器件，硬件接线比继电器控制系统少得多，因而触点接触不良造成的故障大为减少。

为保证在恶劣的工业环境下可靠性地工作，PLC采用了一系列硬件和软件的抗干扰措施，具有很强的抗干扰能力，平均无故障时间可达几十万个小时，PLC已被公认为最可靠的工业控制设备之一。

2）编程简单、使用方便。

目前，大多数PLC采用的编程语言是梯形图语言，它是一种面向生产、面向用户的编程语言。梯形图与继电器控制电路图相似，形象、直观，不需要掌握计算机知识，很容易掌握。当生产流程需要改变时，可以现场改变程序，使用方便、灵活。同时，PLC编程器的操作和使用也很简单。这也是PLC获得普及和推广的主要原因之一。

许多PLC还针对具体问题，设计了各种专用编程指令及编程方法，进一步简化了编程。

3）采用模块化结构，组合灵活、使用方便。

PLC的各个部件均采用模块化设计，各模块之间可由机架和电缆连接。规模可根据用户的实际需求自行组合，使系统的性能价格比更加合理。

4）功能完善、通用性强。

现代PLC不仅具有逻辑运算、定时、计数、顺序控制等功能，而且具有模-数（A-D）和数-模（D-A）转换、数值运算、数据处理、PID控制和通信联网等功能。同时，由于PLC产品的系列化、模块化，有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，可以组成满足各种要求的控制系统。

5）设计安装简单、维护方便。

由于PLC用软件代替了传统的继电器控制系统的硬件，使控制柜的设计、安装及接线工作量大为减少。PLC的用户程序大部分可在实验室进行模拟调试，缩短了应用设计和调试周期。

在维修方面，由于PLC的故障率极低，维修工作量很小；而且PLC具有很强的自诊断功能。如果出现故障，可根据PLC的指示或编程器上提供的故障信息，迅速查明原因，维修极为方便。

6）体积小、重量轻、能耗低。

由于PLC采用了半导体集成电路，其结构紧凑、体积小、能耗低，因而是实现机电一体化的理想控制设备。

4.PLC的分类

PLC产品种类繁多，其规格和性能也各不相同。通常可根据PLC的结构形式的不同、功能的差异和I/O（输入/输出）点数的多少等进行分类。

（1）按结构形式分类

根据PLC的结构形式，可将PLC分为整体式和模块式两类。

1）整体式PLC。

整体式PLC是将电源、CPU、存储器、I/O接口安装在一个标准机壳内，组成一个PLC的基本单元（主机）。基本单元上设有I/O扩展单元接口、通信接口等，可以和扩展单元模块相连接。小型机系统还提供许多特殊功能模块，如I/O模块、热电偶模块、定位模块、通信模块等。通过不同的配置，可完成不同的控制任务。

整体式PLC的特点：结构紧凑、体积小、价格低、容易装配在工业控制设备的内部，适合生产机械的单机控制。

2）模块式PLC。

模块式PLC是将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。大、中型PLC一般采用模块式结构。

模块式PLC的特点：配置灵活，可根据需要选配不同规模的系统，而且装配方便，便于扩展和维修。

还有一些PLC将整体式和模块式的特点结合起来，形成叠装式PLC。叠装式PLC的CPU、电源、I/O接口等也是各自独立的模块，但它们之间是靠电缆进行连接的，并且各个模块间可以一层层的叠装。这样，不但系统可以灵活配置，还可做得体积小巧。

（2）按功能分类

根据PLC的功能不同，可将PLC分为低档、中档和高档三类。

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I/O、算术运算、数据传送和比较和通信等功能。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。

2）中档PLC。

除具有低档PLC的功能外，还具有较强的模拟量I/O、算术运算、数据传送和比较、数制转换、远程I/O、子程序和通信联网等功能。有些还可增设中断控制和PID控制等功能，适用于复杂控制系统。

3）高档PLC。(www.daowen.com)

除具有中档PLC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。

（3）按I/O点数分类

根据PLC的I/O点数的多少，可将PLC分为微型机、小型机、中型机、大型机和超大型机等。

1）微型机。

I/O点数为64点以内，单CPU，内存容量为256～1000B。如广成公司产的SPLC。

2）小型机。

I/O点数为64～256之间，单CPU，内存容量为1～3.6KB。如西门子公司的S7-200 PLC。

3）中型机。

I/O点数为256～2048之间，双CPU，内存容量为3.6～13KB。如西门子公司的S7-300PLC。

4）大型机。

I/O点数为2048以上，多CPU，内存容量为13KB以上。如西门子公司的S7-400PLC。若I/O点数超过8192的为超大型PLC。

在实际应用中，—般PLC功能的强弱与其I/O点数是相互关联的，即PLC的功能越强，其可配置的I/O点数就越多。因此，通常我们所说的小型、中型和大型PLC，除指其I/O点数不同外，同时也表示其对应功能为低档、中档和高档。

5.PLC的主要技术指标

1）存储容量。

存储容量一般是指用户程序存储器的容量。用户程序存储器的容量大，可以编制出复杂的程序。—般来说，小型PLC的用户存储器容量为几千字节，而大型PLC的用户存储器容量为几万字节。有些PLC的用户程序存储器需要外插的存储卡，或者可以用存储卡扩充。

2）I/O点数。

I/O点数是PLC可以接受的输入信号和输出信号的总和，是衡量PLC性能的重要指标。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。

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。一般以扫描一千步用户程序所需的时间来衡量扫描速度，通常以ms/千步为单位。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，来比较扫描速度的快慢。

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PLC厂家非常重视特殊功能单元的开发，特殊功能单元的种类日益增多，功能越来越强，使PLC的控制功能日益扩大。例如：高速计数模块，位置控制模块和闭环控制模块等。

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、联网功能的扩展和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。

6.PLC的应用

从应用类型看PLC的应用大致可归纳为以下几个方面。

1）开关量逻辑控制。

PLC具有强大的逻辑运算功能，可以实现各种简单和复杂的逻辑控制；利用PLC最基本的逻辑运算、定时和计数等功能实现逻辑控制，可以取代传统的继电器控制；PLC在单机控制、多机群控制和自动生产线控制等领域应用广泛。

2）运动控制。

大多数PLC都有驱动步进电动机或伺服电动机的单轴或多轴位置控制模块。广泛用于各种机械设备，如对各种机床、装配机械和机器人等进行运动控制。

3）模拟量控制。

PLC中配置有A-D和D-A转换模块。其中A-D模块能将现场的温度、压力、流量和速度等模拟量经过A-D转换变为数字量，再经PLC中的微处理器进行处理（微处理器处理的是数字量），来进行控制或者经D-A模块转换后，变成模拟量去控制被控对象，这样就可以实现PLC对模拟量的控制。

4）过程控制。

现代大、中型PLC都具有多路模拟量I/O模块和PID控制功能，有的小型PLC也具有模拟量I/O。所以PLC可实现模拟量控制，而且具有PID控制功能的PLC可构成闭环控制，用于过程控制。这一功能已广泛用于锅炉、反应堆、水处理、酿酒以及闭环位置控制和速度控制等方面。

5）数据处理。

现代的PLC都具有数学运算、数据传送、转换、排序和查表等功能，可进行数据的采集、分析和处理，同时可通过通信接口将这些数据传送给其他智能装置（如计算机数值控制设备）进行处理。

6）通信联网。

现代PLC一般都有通信功能，PLC的通信包括PLC与PLC、PLC与上位计算机和PLC与其他智能设备之间的通信，PLC系统与通用计算机可直接或通过通信处理单元、通信转换单元相连构成网络，以实现信息的交换，并可构成“集中管理、分散控制”的多级分布式控制系统，满足工厂自动化系统发展的需要。

7）其他。

PLC还有许多特殊功能模块，适用于各种特殊控制的要求，如定位控制模块等。

7.PLC的发展趋势

（1）向高速度、大容量、高性能的方向发展

随着自动化水平的不断提高，要求PLC具有更快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/千步左右。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。大型的PLC采用多微处理器系统，如有的采用32位微处理器，可同时进行多任务操作，PLC的功能进一步加强，以适应各种控制需要。

（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，功能强大。

小型PLC内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。

（3）大力开发功能模块，加强联网通信能力

为满足各种自动化控制系统的要求，近年来，开发出了许多功能模块，如高速计数模块、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和存储器的智能模块，既扩展了PLC功能，又增强了灵活性，扩大了PLC的应用范围。

加强PLC的联网通信的能力，是PLC技术进步的潮流。PLC的联网通信有两类：一类是PLC之间的联网通信，各PLC生产厂家都有自己的专有联网手段；另一类是PLC与计算机之间的联网通信，一般PLC都有专用通信模块与计算机通信。为了加强联网通信能力，PLC厂家之间也在协商制定通用的通信标准，以构成更大的网络系统，PLC已成为集散控制系统（DCS）不可缺少的重要组成部分。

（4）增强外部故障的检测与处理能力

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%，电路占5%。前两项共占20%，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。因此，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—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和与计算机兼容的高级语言（如BASIC语言、C语言）等。多种编程语言的并存、互补与发展是PLC进步的一种趋势。