來源：機(jī)械工程文萃

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，存儲(chǔ)邏輯開始進(jìn)入工業(yè)控制領(lǐng)域。可編程序控制器（Programmable Logic Controller，PLC）作為通用的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，是存儲(chǔ)邏輯在工業(yè)應(yīng)用的代表性成果。

自從 1969 年第一臺(tái) PLC 研制成功并應(yīng)用到汽車制造自動(dòng)裝配生產(chǎn)線上以來，PLC 不斷更新?lián)Q代。特別是近二十年來，可編程序控制器技術(shù)發(fā)展迅速，功能日益強(qiáng)大，在生產(chǎn)過程中應(yīng)用十分廣泛，作為工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)三大支柱之一在經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域中發(fā)揮著越來越重要的作用。

PLC 是以傳統(tǒng)順序控制器為基礎(chǔ)，綜合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、數(shù)字技術(shù)和通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)而形成的新型通用工業(yè)自動(dòng)控制裝置，是現(xiàn)代工業(yè)控制的重要支柱。本節(jié)主要介紹 PLC 的用途、特點(diǎn)、分類及性能指標(biāo)。

PLC的用途

最近十幾年來，隨著微處理芯片及有關(guān)元件的價(jià)格大幅度下降，PLC 的價(jià)格也隨之下降，而功能卻大大增強(qiáng)，能解決復(fù)雜的計(jì)算和通信問題，因而 PLC 的應(yīng)用面越來越廣。

目前，PLC 在國內(nèi)外已廣泛應(yīng)用于鋼鐵、采礦、水泥、石油、化工、電力、機(jī)械制造、汽車、裝卸、造紙、紡織、環(huán)保和娛樂等行業(yè)。

PLC 的應(yīng)用范圍通常可分成以下 5 類

1) 順序控制

順序控制是 PLC 應(yīng)用最廣泛的領(lǐng)域，也是最適合 PLC 發(fā)揮特長的領(lǐng)域。PLC 順序控制用來取代傳統(tǒng)的繼電器順序控制。

PLC 應(yīng)用于單機(jī)控制、多級(jí)群控、生產(chǎn)自動(dòng)線控制等場(chǎng)景，例如注塑機(jī)械、印刷機(jī)械、訂書機(jī)械、包裝機(jī)械、切紙機(jī)械、組合機(jī)床、磨床、裝配生產(chǎn)線、電鍍流水線及電梯控制等。

2) 運(yùn)動(dòng)控制

PLC 制造商目前已提供了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)或伺服電動(dòng)機(jī)的單軸或多軸位置控制模塊。在多數(shù)情況下，PLC 把描述目標(biāo)位置的數(shù)據(jù)發(fā)送給控制模塊，其輸出移動(dòng)一軸或數(shù)軸以達(dá)到目標(biāo)位置。每個(gè)軸移動(dòng)時(shí)，位置控制模塊保持適當(dāng)?shù)乃俣群图铀俣龋_保運(yùn)動(dòng)平滑。

相對(duì)來說，位置控制模塊比計(jì)算機(jī)數(shù)字控制（Computer Number Control，CNC）裝置體積更小，價(jià)格更低，速度更快，操作更方便。

3) 過程控制

PLC 還能監(jiān)控大量的物理參數(shù)，例如溫度、壓力、流量、液位和速度等。比例-積分-微分（Proportion Integration Differentiation，PID）模塊使 PLC 具有閉環(huán)控制的功能，即一個(gè)具有 PID 控制能力的 PLC 可用于過程控制。當(dāng)過程控制中某個(gè)變量出現(xiàn)偏差時(shí)，PID 控制算法會(huì)計(jì)算出正確的控制量，把輸出保持在設(shè)定值上。

4) 數(shù)據(jù)處理

在機(jī)械加工中，PLC 作為主要的控制和管理系統(tǒng)用于 CNC 系統(tǒng)中，可以完成大量的數(shù)據(jù)處理工作。

5) 通信網(wǎng)絡(luò)

PLC 的通信包括主機(jī)與遠(yuǎn)程 I/O 之間的通信、多臺(tái) PLC 之間的通信、PLC 與其他智能控制設(shè)備（如計(jì)算機(jī)、變頻器、數(shù)控裝置等）之間的通信。PLC 與其他智能控制設(shè)備一起，可以組成“集中管理、分散控制”的分布式控制系統(tǒng)。

PLC的特點(diǎn)

1) 可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)

為了滿足工業(yè)生產(chǎn)對(duì)控制設(shè)備安全性與可靠性的要求，PLC 采用了微電子技術(shù)，大量的開關(guān)動(dòng)作是由無觸點(diǎn)的半導(dǎo)體電路來完成的，在結(jié)構(gòu)上充分考慮了工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境下溫度、濕度、粉塵、振動(dòng)等方面的影響：在硬件上采用了隔離、濾波、屏蔽、接地等抗干擾措施；在軟件上采用了故障診斷、數(shù)據(jù)保護(hù)等措施。這些技術(shù)使得 PLC 具有較高的抗干擾能力。

目前各個(gè)廠家生產(chǎn)的 PLC，平均無故障時(shí)間都遠(yuǎn)超國際電工委員會(huì)（International Electrotechnical Commission，IEC）規(guī)定的 10 萬小時(shí)，有的甚至達(dá)到了幾十萬小時(shí)。

2) 通用靈活

PLC 產(chǎn)品已經(jīng)序列化生產(chǎn)，結(jié)構(gòu)形式多種多樣，在機(jī)型選擇上有很大的余地。另外，PLC 及外圍模塊品種多，用戶可以根據(jù)不同任務(wù)的要求，選擇不同的組件靈活組合成具有不同硬件結(jié)構(gòu)的控制裝置。

更重要的是，PLC 控制系統(tǒng)的主要功能是通過程序?qū)崿F(xiàn)的，因此在需要改變?cè)O(shè)備的控制功能時(shí)，只需修改程序及少量的接線，工作量是很小的，而這是一般繼電器控制系統(tǒng)很難做到的。

3) 編程簡(jiǎn)單方便

PLC 應(yīng)用程序的編制非常方便。編程可采用與繼電器接觸器控制電路十分相似的梯形圖語言，這種編程語言形象直觀，容易掌握，即使沒有計(jì)算機(jī)知識(shí)的人也很容易掌握。而順序功能圖（Sequential Function Chart，SFC）是一種結(jié)構(gòu)塊控制流程圖，可使編程更加簡(jiǎn)單方便。

4)功能完善，擴(kuò)展能力強(qiáng)

PLC 的輸入／輸出系統(tǒng)功能完善，性能可靠，能夠適應(yīng)各種形式和性質(zhì)的開關(guān)量和模擬量的輸入／輸出。

PLC 的功能單元能方便地實(shí)現(xiàn)D/A、A/D轉(zhuǎn)換以及PID運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)過程控制、數(shù)字控制等功能。它還可以和其他計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、控制設(shè)備共同組成分布式或分散式控制系統(tǒng)，能夠很好地滿足各種控制的需要。公眾號(hào)《機(jī)械工程文萃》，工程師的加油站！

5) 設(shè)計(jì)、施工、調(diào)試的周期短，維護(hù)方便

繼電器接觸器控制系統(tǒng)中的中間繼電器、時(shí)間繼電器、計(jì)數(shù)器等電器元件，在 PLC 控制系統(tǒng)中是以“軟元件”形式出現(xiàn)的，并且又用程序代替了硬接線，因此安裝接線工作量少；工作人員也可提前根據(jù)具體的控制要求在 PLC 到貨之前進(jìn)行編程，大大地縮短了施工工期。

PLC 體積小、重量輕，便于安裝。PLC 具有完善的自診斷及監(jiān)視等功能，對(duì)于其內(nèi)部的工作狀態(tài)、通信狀態(tài)、I/O點(diǎn)狀態(tài)、異常狀態(tài)和電源狀態(tài)都有顯示。工作人員通過它可以查出故障原因，便于迅速處理。

由于 PLC 具有上述特點(diǎn)，使得 PLC 的應(yīng)用范圍極為廣泛，可以說只要有工廠、有控制要求就會(huì)有 PLC 的應(yīng)用。

PLC的分類

PLC 是應(yīng)現(xiàn)代化生產(chǎn)的需要而產(chǎn)生的，PLC 的分類也必然要符合現(xiàn)代化生產(chǎn)的需求。一般來說，可以從 3 個(gè)角度對(duì) PLC 進(jìn)行分類，即控制規(guī)模、控制性能、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。

1、按PLC的控制規(guī)模分類

PLC按控制規(guī)模可以分為小型 PLC、中型 PLC 和大型 PLC。

1) 小型PLC

小型 PLC 一般指輸入／輸出點(diǎn)數(shù)（I/O 點(diǎn)數(shù)）小于 256 點(diǎn)、采用單 CPU（8位或16位）、用戶程序存儲(chǔ)器的容量在 4KB 以下的PLC，以開關(guān)量控制為主。

由于受控制點(diǎn)數(shù)所限，其控制功能有一定的局限性。但是，小型 PLC 小巧、靈活，可以直接安裝在電氣控制柜內(nèi)，很適合單機(jī)控制或小型系統(tǒng)的控制。

德國西門子（SIEMENS）公司（以下簡(jiǎn)稱西門子公司）的 S7-200 和 S7-1200 系列、日本三菱公司的 FX 系列等均屬于小型 PLC。

2) 中型PLC

中型 PLC 一般指 I/O 點(diǎn)數(shù)為 256~2048 點(diǎn)、采用雙 CPU 或多 CPU、用戶程序存儲(chǔ)器的容量為 2~8KB 或更大的 PLC，具有開關(guān)量和模擬量的控制功能以及更強(qiáng)的數(shù)字計(jì)算能力。

由于中型 PLC 控制點(diǎn)數(shù)較多，控制功能很強(qiáng)，可用于對(duì)設(shè)備直接控制，還可以對(duì)多個(gè)下一級(jí)的 PLC 進(jìn)行監(jiān)控，適用于中型或大型控制系統(tǒng)的控制。

西門子公司的 S7-300 系列、日本 OMRON 公司的 C200H 系列、日本三菱公司的 Q 系列的部分機(jī)型均屬于中型PLC。

3) 大型PLC

大型 PLC 一般指 I/O 點(diǎn)數(shù)大于 2048 點(diǎn)采用雙 CPU 或多 CPU（16 位或 32 位）、用戶程序存儲(chǔ)器的容量為 8~16KB 或更大的 PLC。由于其控制點(diǎn)數(shù)多，控制功能很強(qiáng)，有很強(qiáng)的計(jì)算能力，運(yùn)行速度很高，不僅能完成較復(fù)雜的算術(shù)運(yùn)算，還能進(jìn)行復(fù)雜的矩陣運(yùn)算。

大型 PLC 不僅可用于對(duì)設(shè)備直接控制，還可以對(duì)多個(gè)下一級(jí)的 PLC 進(jìn)行監(jiān)控，組成一個(gè)集散的生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)。大型 PLC 適用于設(shè)備自動(dòng)化過程、過程自動(dòng)化控制和過程監(jiān)控系統(tǒng)。

西門子公司的 S7-400 系列、日本 OMRON 公司的 CVM1 和 CS1 系列、日本三菱公司的 Q 系列的部分機(jī)型均屬于大型 PLC。

2、按PLC的控制性能分類

PLC 按控制性能可以分為低檔機(jī)、中檔機(jī)和高檔機(jī)。

1) 低檔機(jī)

這類 PLC 具有基本的控制功能和一般的運(yùn)算能力，工作速度比較低，支持的輸入和輸出模塊的數(shù)量和種類比較少。

這類 PLC 只適合小規(guī)模的簡(jiǎn)單控制，在聯(lián)網(wǎng)中一般適合作為從站使用。例如，西門子公司的 S7-200 系列就屬于這一類。

2) 中檔機(jī)

這類 PLC 具有較強(qiáng)的控制功能和較強(qiáng)的運(yùn)算能力，不僅能完成一般的邏輯運(yùn)算，也能完成比較復(fù)雜的三角函數(shù)運(yùn)算、指數(shù)運(yùn)算和 PID 運(yùn)算，工作速度比較快，支持的輸入和輸出模塊的數(shù)量比較多，輸入和輸出模塊的種類也比較多。

這類 PLC 不僅能完成小規(guī)模的控制任務(wù)，也可以完成較大規(guī)模的控制任務(wù)，在聯(lián)網(wǎng)中既可以作為從站使用，也可以作為主站使用。例如，西門子公司的 S7-300 系列就屬于這一類。

3) 高檔機(jī)

這類 PLC 具有強(qiáng)大的控制功能和強(qiáng)大的運(yùn)算能力，不僅能完成邏輯運(yùn)算、三角函數(shù)運(yùn)算、指數(shù)運(yùn)算和 PID 運(yùn)算，還能進(jìn)行復(fù)雜的矩陣計(jì)算，工作速度很快，能夠帶動(dòng)的輸入和輸出模塊的數(shù)量很多，種類全面。公眾號(hào)《機(jī)械工程文萃》，工程師的加油站！

這類 PLC 不僅能完成中等規(guī)模的控制任務(wù)，也可以完成規(guī)模很大的控制任務(wù)，在聯(lián)網(wǎng)中一般作為主站使用。例如，西門子公司的 S7-400 系列就屬于這一類。

PLC 按結(jié)構(gòu)可以分為整體式和組合式兩類

3、按PLC的結(jié)構(gòu)分類

1) 整體式

整體式結(jié)構(gòu)的 PLC 把電源、CPU、存儲(chǔ)器、I/O 系統(tǒng)緊湊地安裝在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)機(jī)殼內(nèi)，作為一個(gè)整體，構(gòu)成 PLC 的基本單元。

一個(gè)基本單元就是一臺(tái)完整的PLC，可以實(shí)現(xiàn)各種控制。控制點(diǎn)數(shù)不符合需要時(shí)，可再連接擴(kuò)展單元，擴(kuò)展單元不帶CPU。基本單元和若干擴(kuò)展單元可組成較大的系統(tǒng)。

整體式結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是非常緊湊、體積小、成本低、安裝方便，其缺點(diǎn)是輸入與輸出點(diǎn)數(shù)有限定的比例。小型PLC多為整體式結(jié)構(gòu)。例如西門子公司的S7-200系列和日本三菱公司的FX系列PLC即為整體式結(jié)構(gòu)。

整體式 PLC 的組成如下圖所示：

圖 1 整體式PLC組成示意圖

2) 組合式

組合式結(jié)構(gòu)的 PLC 是把 PLC 系統(tǒng)的各個(gè)組成部分按功能分成若干模塊，如 CPU 模塊、輸入模塊、輸出模塊、電源模塊等，將這些模塊插在框架或基板上即可組成一套完整的控制系統(tǒng)。雖然各模塊功能比較單一，但模塊的種類卻日趨豐富。

例如，一些 PLC 除了基本的 I/O 模塊外，還有一些特殊功能模塊，像溫度檢測(cè)模塊、位置檢測(cè)模塊、PID 控制模塊、通信模塊等。組合式結(jié)構(gòu)的 PLC 采用搭積木的方式，通過在一塊基板上插上所需模塊來組成系統(tǒng)。

組合式結(jié)構(gòu)的 PLC 特點(diǎn)是 CPU、輸入、輸出均為獨(dú)立的模塊，模塊尺寸統(tǒng)一，安裝簡(jiǎn)便，I/O 模塊（按點(diǎn)數(shù)）選型自由，安裝調(diào)試、擴(kuò)展和維修方便。

中型機(jī)和大型機(jī)多為組合式結(jié)構(gòu)，例如，西門子公司的 S7-300 系列、S7-400 系列以及日本三菱公司的 Q 系列 PLC。

組合式 PLC 的構(gòu)成如下圖所示，模塊之間通過底板上的總線相互聯(lián)系。CPU 與各擴(kuò)展模塊之間若通過電纜連接，距離一般不應(yīng)超過 10m。

圖 2 組合式 PLC 構(gòu)成示意圖

PLC的技術(shù)指標(biāo) PLC 的技術(shù)指標(biāo)包括硬件指標(biāo)和軟件指標(biāo)。

1、硬件指標(biāo)

硬件指標(biāo)包括一般指標(biāo)、輸入特性和輸出特性。

一般指標(biāo)主要體現(xiàn)在環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、抗振、抗沖擊、抗噪聲、抗干擾和耐壓等性能上。

輸入特性主要體現(xiàn)在輸入電路的隔離程度、輸入靈敏度、響應(yīng)時(shí)間和所需電源等性能上。

輸出特性主要體現(xiàn)在回路構(gòu)成（這里指的是繼電器輸出、晶體管輸出或晶閘管輸出）、回路隔離、最大負(fù)載、最小負(fù)載、響應(yīng)時(shí)間和外部電源等性能上。

2、軟件指標(biāo)

軟件指標(biāo)主要包括程序容量、編程語言、通信功能、運(yùn)行速度、指令類型、元件種類和數(shù)量等。公眾號(hào)《機(jī)械工程文萃》，工程師的加油站！

程序容量是指 PLC 的內(nèi)存和外存的大小，一般從幾千字節(jié)到幾兆字節(jié)。存儲(chǔ)器的類型一般為 RAM、EPROM 和 EEPROM。

編程語言是指 PLC 用來編制用戶程序的語言。PLC 可以使用的編程語言很多，有梯形圖、語句表、順序功能圖和功能塊圖等。每多一種編程語言都會(huì)使編制用戶程序更快捷、更方便。

通信功能是指 PLC 是否具有通信能力以及具有何種通信能力。一般可分為遠(yuǎn)程 I/O 通信、計(jì)算機(jī)通信、點(diǎn)到點(diǎn)通信、高速總線、MAP 網(wǎng)等。當(dāng)前，通信能力是衡量 PLC 性能的一項(xiàng)主要指標(biāo)。

運(yùn)行速度是指操作處理時(shí)間的長短，可以用基本指令執(zhí)行時(shí)間來衡量，時(shí)間越短越好，一般在微秒級(jí)以下。指令的功能越強(qiáng)，說明 PLC 的性能越佳。

元件種類和數(shù)量的多少不僅反映了 PLC 的性能，也說明了 PLC 的規(guī)模。I/O 元件的數(shù)量說明了PLC的輸入輸出能力；I/O 元件的種類（直流、交流、模擬量、高速計(jì)數(shù)、定位、PID）多少，說明了 PLC 性能的高低。

3、主要性能指標(biāo)介紹

1) 存儲(chǔ)容量

這里的存儲(chǔ)容量指用戶程序存儲(chǔ)器的容量。存儲(chǔ)容量決定了 PLC 可以容納的用戶程序的大小，一般以字節(jié)為單位計(jì)算。每 1024 字節(jié)為 1KB。中、小型 PLC 的存儲(chǔ)容量一般在 8KB 以下，大型 PLC 的存儲(chǔ)容量可達(dá)到 256KB~2MB。也有的 PLC 用存放用戶程序指令的條數(shù)來表示容量，一般中、小型的 PLC 存儲(chǔ)指令的條數(shù)為 2000 條。

2) 輸入/輸出（I/O）點(diǎn)數(shù)

I/O 點(diǎn)數(shù)指輸入點(diǎn)數(shù)及輸出點(diǎn)數(shù)之和。I/O 點(diǎn)數(shù)越多，外部可接入的輸入器件和輸出器件就越多，控制規(guī)模就越大，因此 I/O 點(diǎn)數(shù)是衡量 PLC 規(guī)模的指標(biāo)。國際上流行將 I/O 總點(diǎn)數(shù)在 64 點(diǎn)及以下的 PLC 稱為微型 PLC；64~256 點(diǎn)的稱為小型 PLC；256~2048 點(diǎn)的稱為中型 PLC；2048 點(diǎn)以上的稱為大型 PLC。

3) 掃描速度

掃描速度是指 PLC 執(zhí)行程序的速度。一般以執(zhí)行 1KB 所用的時(shí)間來衡量掃描速度。不同功能的指令執(zhí)行速度差別較大，目前也有以布爾指令的執(zhí)行速度來表征 PLC 工作的快慢。有些品牌的 PLC 在用戶手冊(cè)中給出執(zhí)行各種指令所用的時(shí)間，可以通過比較各種 PLC 執(zhí)行類似操作所用的時(shí)間來衡量 PLC 工作速度的快慢。

4) 指令的功能和數(shù)量

指令功能的強(qiáng)弱及數(shù)量的多少體現(xiàn)了 PLC 能力的強(qiáng)弱。一般來說編程指令種類及條數(shù)越多，處理能力、控制能力就越強(qiáng)，用戶程序的編制也就越容易。

5) 內(nèi)部元件的種類及數(shù)量

在編制程序時(shí)，需要用到大量的內(nèi)部元件來存儲(chǔ)變量、中間結(jié)果、定時(shí)計(jì)數(shù)信息、模塊設(shè)置參數(shù)及各種標(biāo)志位等。這類元件的種類及數(shù)量越多，表示 PLC 的信息處理能力越強(qiáng)。

6) 智能單元的數(shù)量

為了完成一些特殊的控制任務(wù)，PLC 廠商都為自己的產(chǎn)品設(shè)計(jì)了專用的智能單元，如模擬量控制單元、定位控制單元、速度控制單元以及通信工作單元等。智能單元種類的多少和功能的強(qiáng)弱是衡量 PLC 產(chǎn)品水平高低的重要指標(biāo)。

7) 擴(kuò)展能力

PLC 的擴(kuò)展能力含 I/O 點(diǎn)數(shù)的擴(kuò)展、存儲(chǔ)容量的擴(kuò)展、聯(lián)網(wǎng)功能的擴(kuò)展及各種模塊的連接擴(kuò)展等。絕大部分 PLC 可以用 I/O 擴(kuò)展單元進(jìn)行 I/O 點(diǎn)數(shù)的擴(kuò)展；有的 PLC 可以使用各種功能模塊進(jìn)行擴(kuò)展。但 PLC 的擴(kuò)展功能總是有限制的。

在了解了 PLC 的各種指標(biāo)后，就可以根據(jù)具體控制工程的要求，從眾多 PLC 中選取合適的產(chǎn)品了。

審核編輯：湯梓紅