第1章 可编程序控制器概述
1.1 PLC的产生与发展
1.1.1 PLC的产生与特点
20世纪60年代末，现代制造业为适应市场需求、提高竞争力，生产出小批量、多品种、多规格、低成本且高质量的产品，要求生产设备的控制系统必须具备更灵活、更可靠、功能更齐全且响应速度更快等特点。随着微处理器技术、计算机技术和现代通信技术的飞速发展，可编程序控制器（Programmable Controller）应运而生。
1．PLC的由来
早期的自动化生产设备基本上都是采用继电-接触器控制方式，系统复杂程度不高，但自动化水平有限。主要存在的问题包括：机械触点和系统运行可靠性差；工艺流程改变时要改变大量的硬件接线，要耗费许多人力、物力和时间；功能局限性大；体积大、耗能多。由此产生的设计和开发周期、运行维护成本及产品调整能力等方面的问题，越来越不能满足工业生产的需求。
由于美国汽车制造工业竞争激烈，为适应生产工艺不断更新的需要，1968年，美国通用汽车公司公开招标，要求用新的控制装置取代机电控制盘。公司提出如下10项指标：
1）编程简单，可在现场修改程序。
2）维护方便，采用插件式结构。
3）可靠性高于继电-接触器控制系统。
4）体积小于继电-接触器控制系统。
5）数据可以直接被送入计算机。
6）成本可与继电-接触器控制系统竞争。
7）输入可为市电（美国市电是115V电压）。
8）输出为市电（可以控制115V交流电压，电流达2A以下的负载），能直接驱动电磁阀、接触器等。
9）通用性强、易于扩展。
10）用户存储器容量大于4KB。
1969年，美国数字设备公司（DEC）研制成功第一台可编程序控制器PDP-14，它具有逻辑运算、定时和计算功能，称为PLC（Programmable Logic Controller）；接着美国MODICON公司开发出可编程序控制器084；1971年，日本研制出本国第一台可编程序控制器DSC-8；1973年，西欧等国也研制出他们的第一台可编程序控制器；我国从1974年开始可编程序控制器的研制，并于1977年开始投入工业应用。如今，可编程序控制器已经实现了国产化，并大量应用在各种自动化设备中。
早期的可编程序控制器采用存储程序指令完成顺序控制，仅具有逻辑运算、计时和计数等顺序控制功能，用于开/关量的控制，通常称为PLC。20世纪70年代，随着微电子技术的发展，其功能得到增强，不再局限于逻辑运算，因此称为PC（Programmable Controller）。但为与个人计算机（PC）相区别，仍称为PLC。
2．PLC的定义
国际电工委员会（IEC）在1987年2月颁布的PLC标准草案（第三稿）中对PLC作了如下定义：可编程序控制器是一种数字运算操作的电子装置，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储程序，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的外围设备，都应按易于与工业控制系统联成一个整体且易于扩展其功能的原则设计。
3．PLC的特点
可编程序控制器是专为工业环境下的应用而设计的工业计算机，主要有以下特点：
1）可靠性高，抗干扰能力强。PLC本身具有较强的自诊断功能，保证在“硬核”都正常的情况下执行用户的控制程序。以本书所使用的日本三菱公司PLC为例，F1、F2系列平均无故障时间长达30万小时。
2）编程简单，设计和施工周期短。PLC常用的编程方法有指令语句表、梯形图、功能图和高级语言等。对于普通操作人员，一般只要几天的训练即可学会编程。使用PLC完成一项控制工程，在系统设计完成后，现场施工和PLC程序设计可同时进行，施工周期短，而且程序的调试与修改方便。
3）控制程序可变，硬件配置方便。在生产工艺流程改变或生产线设备更新的情况下，可通过硬件扩充或少量地改变配置与接线，以及改变内部程序来满足要求，从而避免大量的硬件线路更改与安装工作。
4）功能完善。现代PLC具有数字/模拟量的输入/输出、逻辑和算术运算，定时、计数、顺序控制、功率驱动、通信、人机对话、自检、记录和显示等功能，大大提高设备控制水平。
5）体积小、重量轻和功耗低。由于PLC采用半导体大规模集成电路，因此整个产品结构紧凑、体积小、重量轻和功耗低，以三菱FX0N-24M型PLC为例，其外形尺寸仅为130mm×90mm×87mm，重量只有600g，功耗小于50W。所以，PLC很容易装入机械设备内部，是实现机电一体化的理想的控制设备。
综上所述，PLC的优越性能使其在工业控制设备中得到迅速普及。目前，PLC在制造、建筑、电力、交通和商业等众多领域都得到了广泛的应用。
1.1.2 PLC的分类和常见品牌
通常，PLC可根据输入/输出（I/O）点数、结构形式和功能等进行分类。
按I/O点数，PLC可分为小型、中型和大型。I/O点数在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。I/O点数在256点以上、2048点以下的为中型PLC。I/O点数在2048以上的为大型PLC，其中I/O点数超过8192点的为超大型PLC。
码1-1 PLC的分类
按结构形式，PLC可分为整体式、模块式和紧凑式，如图1-1～图1-3所示。整体式PLC是将电源、CPU和I/O接口等部件都集中装在一个机箱内，具有结构紧凑、体积小且价格低等特点。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。紧凑式PLC则是各种单元和CPU自成模块，但不安装基板，各单元一层一层地叠装，它结合了整体式结构紧凑和模块式结构独立、灵活的特点。
图1-1 整体式PLC结构形式
图1-2 模块式PLC结构形式
图1-3 紧凑式PLC结构形式
按功能，PLC可分为低档、中档和高档等。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、数据传送和比较及通信等功能。中档PLC除具有低档PLC的基本功能外，还增加了模拟量输入/输出、算术运算、数据传送和比较、数制转换、远程I/O、子程序及通信联网等功能。有些还增设了中断和PID控制等功能。高档PLC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运算、制表及表格传送等。高档PLC具有更强的通信联网功能。
生产PLC的厂家很多，每个厂家的PLC都自成系列，可根据点数、容量和功能上的需求做出不同选择。目前，PLC的常见品牌及其典型系列如表1-1所列。
表1-1 PLC的常见品牌及其典型系列
目前，市面上的可编程序控制器种类繁多，包括西门子系列、三菱和松下等主要的品牌。
1．三菱FX2N系列PLC
三菱FX2N系列可编程序控制器的I/O点数最少为16点，最多可提供256点；内置存储器（RAM）的容量为8KB，也可以通过扩展达到16KB；CPU处理运算速度每个程序步为0.08μs；三菱FX2N系列可编程序控制器提供了各种输入扩展模块、输出扩展模块与特殊功能模块；晶体管输出型基本单元提供2轴独立定位功能，其输出频率最高为20kHz。
FX2N系列PLC的特点：
1）具有较高的执行程序速度，加强了通信功能，提供了各类等级的电源标准，提供了可以满足各类需要的各种特殊功能模块，为满足自动化生产提供灵活多变的控制能力。
2）具有模拟I/O和高速计数器等多种特殊功能模块，可以满足不同用户的需求。
3）能够实现16轴定位控制和脉冲高速输出，为J型热电偶、K型热电偶以及Pt传感器等专门开发了配套的温度模块。
4）在数据通信与网络方面，可以连接到CC-Link、DeviceNet与Profibus DP等开放式网络系统，也可通过传感器层次的网络来实现数据的传输。
5）可以提供24V、400mA DC电源，实现与传感器等外围设备连接。
2．西门子SIMATIC S7-300系列
SIMATIC S7-300系列PLC采用模块化结构，能通过各种模块之间的组合满足系统的控制要求；具有运算速度可达0.6～0.1μs/步的高速指令；在软件工具方面，具有方便用户完成参数赋值处理的功能；在人机界面服务系统方面，降低了人机对话的编程要求；S7-300的CPU具有智能化诊断系统，能够对系统实现连续监控，判断是否存在功能异常、记录错误和超时情况、记录模块更换等；用户可以设置多级口令保护，防止在未经许可的情况下进行复制和修改，还可以高效地对用户的技术机密进行保护；S7-300 PLC为客户提供了一个钥匙，这是一个可以拔出并随身携带的选择开关，在钥匙拔出时，就不能改变设备的操作方式；S7-300 PLC通信功能强大，可完成AS-I总线接口与工业以太网总线系统的连接；串行通信处理器用于实现点到点的通信系统连接；集成在CPU中的MPI接口，可以与手持式编程器、人机界面系统、上位机、其他SIMATIC S7/M7/C7等自动化控制系统以及外部相关设备连接。
3．松下系列
提供3000步以上指令，具有速度达到0.58μs/步的基本指令；输出形式为继电器与晶体管的混合型，可以最大限度地满足多种客户需求；最大可接受4路50kHz信号的高速计数；一台控制单元最多可连续扩展3台FPX的扩展单元。
此外，还具有内置模拟量输入/输出功能、内置日历/时钟、超强安全性能、Network、Ethernet、PLC连接、计算机连接和通用串行通信等功能。
在这些PLC中，西门子PLC的价格相对较为昂贵，对模拟量控制精确度高，但是编程复杂，在高精密设备和复杂生产线控制系统中应用较多；三菱PLC价格较低，编程方法也比较简单，对模拟量控制的精确度比西门子的差，主要用于一般设备的控制；松下系列PLC的功能也是比较完善的，但没有三菱PLC应用得广泛。
我国有不少厂家研制和生产PLC，如深圳的艾默生、德维森，及北京的和利时等，但目前市场占有率有待进一步提高。
1.1.3 PLC的发展
PLC从产生到现在已经经历了几十年的发展，实现了从初始的简单逻辑控制到现在的运动控制、过程控制、数据处理和联网通信，随着科学技术的进步，面对不同的应用领域、不同的控制需求，PLC还将有更大的发展。目前，PLC的发展趋势主要体现在规模化、高性能、多功能、模块智能化、网络化和标准化等方面。
1．产品规模向大、小两个方向发展
大型化是指大中型PLC向大容量、智能化和网络化发展，使之能与计算机组成集成控制系统，对大规模、复杂系统进行综合性的自动控制。现已有I/O点数达14336点的超大型PLC，使用32位微处理器，多CPU并行工作和大容量存储器。小型PLC整体结构向小型模块化方向发展，使配置更加灵活。为适应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。
2．向高性能、高速度、大容量方向发展
PLC的扫描速度是衡量PLC性能的一个重要指标。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，有些PLC的扫描速度可达每千步只需0.1ms左右。在存储容量方面，有些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。
3．向模块智能化方向发展
分级控制和分布控制是增强PLC控制功能和提高处理速度的有效手段。智能I/O模块是以微处理器和存储器为基础的功能部件，它们可独立于主机CPU工作，分担主机CPU的处理任务。主机CPU可随时访问智能模块，修改控制参数，这样有利于提高PLC的控制速度和效率，简化设计、减少编程工作量、提高动作可靠性和实时性，满足复杂控制的要求。为满足各种控制系统的要求，目前已开发出许多功能模块，如高速计数模块、模拟量调节（PID控制）模块、运动控制（步进、伺服、凸轮控制等）模块、远程I/O模块、通信模块和人机接口模块等。
4．向网络化方向发展
加强PLC的联网能力可实现分布式控制，适应工业自动化控制和计算机集成制造系统发展的需要。PLC的联网与通信主要包括PLC与PLC之间、PLC与计算机之间，以及PLC与远程I/O之间的信息交换。随着PLC与其他工业控制计算机组网构成大型控制系统以及现场总线的发展，PLC将向网络化和通信的简便化方向发展。
5．向标准化方向发展
随着生产过程自动化要求的不断提高，PLC的能力也在不断增强，过去那种不开放的、各品牌自成一体的结构显然已经不适合，为提高兼容性，在通信协议、总线结构和编程语言等方面需要一个统一的标准。国际电工委员会为此制定了国际标准IEC61131。该标准由总则、设备性能和测试、编程语言、用户手册、通信、模糊控制的编程、可编程序控制器的应用和实施指导八部分和两个技术报告组成。
几乎所有的PLC生产厂家都表示支持IEC61131，并开始向该标准靠拢。