PLC的發(fā)展歷史以及結構原理和其應用

作為工業(yè)自動化的一種典型應用，PLC最初是做為取代繼電器線路、進行順序控制為主而產(chǎn)生的，后來PLC廠家逐步增加了模擬量運算、PID功能以及更可靠的工業(yè)抗干擾技術等功能，并隨著網(wǎng)絡化的需求增加了各種通信接口，同時伴隨著現(xiàn)場總線技術和以太網(wǎng)技術的發(fā)展，PLC的應用范圍越來越廣泛。

什么是PLC

可編程控制器(Programmable Controller)是計算機家族中的一員，是為工業(yè)控制應用而設計制造的。早期的可編程控制器稱作可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller)，簡稱PLC，它主要用來代替繼電器實現(xiàn)邏輯控制。

國際電工委員會（IEC）于1987年頒布了可編程控制器標準草案第三稿。在草案中對可編程控制器定義如下：

“可編程控制器是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計。它采用可編程序的存儲器，用來在其內部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術運算等操作的指令，并通過數(shù)字式和模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。可編程控制器及其有關外圍設備，都應按易于與工業(yè)系統(tǒng)聯(lián)成一個整體，易于擴充其功能的原則設計”。

隨著技術的發(fā)展，這種裝置的功能已經(jīng)大大超過了邏輯控制的范圍，因此，今天這種裝置稱作可編程控制器，簡稱PC。但是為了避免與個人計算機(Personal Computer)的簡稱混淆，所以將可編程控制器簡稱PLC。

PLC的發(fā)展狀況

世界上第一臺PLC

1968年美國通用汽車公司（GE），為了適應汽車型號的不斷更新，生產(chǎn)工藝不斷變化的需要，實現(xiàn)小批量、多品種生產(chǎn)，希望能有一種新型工業(yè)控制器，它能做到盡可能減少重新設計和更換電器控制系統(tǒng)及接線，以降低成本，縮短周期。

當時的設計要求是吸取繼電器和計算機兩者的優(yōu)點：繼電器控制系統(tǒng)體積大、可靠性低、接線復雜、不易更改、查找和排除故障困難，對生產(chǎn)工藝變化的適應性差，但簡單易懂、價格便宜；計算機功能強大、靈活（可編程）、通用性好，但編程困難；采用面向控制過程、面向問題的“自然語言”進行編程，使不熟悉計算機的人也能很快掌握使用。

1969年，美國數(shù)字設備公司(DEC)研制出第一臺PLC，在美國通用汽車自動裝配線上試用，獲得了成功。

這種新型的工業(yè)控制裝置以其簡單易懂，操作方便，可靠性高，通用靈活，體積小，使用壽命長等一系列優(yōu)點，很快地在美國其他工業(yè)領域推廣應用，到1971年，已經(jīng)成功地應用于食品，飲料，冶金，造紙等工業(yè)。

70年代初期

僅有邏輯運算、定時、計數(shù)等順序控制功能，只是用來取代傳統(tǒng)的繼電器控制,通常稱為可編程邏輯控制器（Programmable LogicController）。

1971年日本從美國引進了這項新技術，很快研制出了日本第一臺PLC。1973年，西歐國家也研制出它們的第一臺PLC。我國從1974年開始研制。于1977年開始工業(yè)應用。

70年代中期

微處理器技術應用到PLC中，使PLC不僅具有邏輯控制功能，還增加了算術運算、數(shù)據(jù)傳送和數(shù)據(jù)處理等功能。

80年代以后

隨著大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路等微電子技術的迅速發(fā)展，16位和32位微處理器應用于PLC中，使PLC得到迅速發(fā)展。PLC不僅控制功能增強，同時可靠性提高，功耗、體積減小，成本降低，編程和故障檢測更加靈活方便，而且具有通信和聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)處理和圖象顯示等功能。

近年來PLC發(fā)展迅速

PLC集三電（電控、電儀、電傳）為一體、性能價格比高、高可靠性的特點，已成為自動化工程的核心設備。PLC成為具備計算機功能的一種通用工業(yè)控制裝置，其使用量高居首位。

PLC成為現(xiàn)代工業(yè)自動化的三大技術支柱（PLC、機器人、CAD/CAM）之一。

我國PLC市場的三大流派

我國改革開放后，美國AB、GE、MODICON、TI，日本OMRON、三菱、富士，德國西門子等廠家的產(chǎn)品不斷進入我國，并在各行各業(yè)的工控系統(tǒng)中占據(jù)重要地位。

歐洲：德國的西門子(SIEMENS)、AEG及法國的TI公司

美國：A-B（Allen-Bradly）(其產(chǎn)品約占美國PLC市場50％的份額)、GE（GeneralElectric）、莫迪康(MODICON)公司、德州儀器(T1)公司、 歌德(Gould)公司、西屋公司

日本：三菱電機（Mitsubishi Electric）、歐姆龍（OMRON）、 FUJI （日本主要發(fā)展中小型PLC，在世界小型PLC市場上， 日本產(chǎn)品約占有70％的份額。在中國，OMRON產(chǎn)品的銷量居首位。）

目前國內市場還有韓國、***等PLC產(chǎn)品；現(xiàn)在市場上出現(xiàn)了系列化的國產(chǎn)PLC，其價格相對低廉，性價比較高。

1974年我國開始仿制美國的第二代PLC產(chǎn)品，但因元器件質量和技術問題等原因未能推廣。直到1977年，我國才研制出第一臺具有實用價值的PLC，并開始批量生產(chǎn)和應用于工業(yè)過程的控制。

PLC的結構及各部分的作用

PLC的類型繁多，功能和指令系統(tǒng)也不盡相同，但結構與工作原理則大同小異，通常由主機、輸入/輸出接口、電源擴展器接口和外部設備接口等幾個主要部分組成。PLC的硬件系統(tǒng)結構如下圖所示：

1、主機

主機部分包括中央處理器（CPU）、系統(tǒng)程序存儲器和用戶程序及數(shù)據(jù)存儲器。CPU是PLC的核心，它用以運行用戶程序、監(jiān)控輸入/輸出接口狀態(tài)、作出邏輯判斷和進行數(shù)據(jù)處理，即讀取輸入變量、完成用戶指令規(guī)定的各種操作，將結果送到輸出端，并響應外部設備（如電腦、打印機等）的請求以及進行各種內部判斷等。

PLC的內部存儲器有兩類，一類是系統(tǒng)程序存儲器，主要存放系統(tǒng)管理和監(jiān)控程序及對用戶程序作編譯處理的程序，系統(tǒng)程序已由廠家固定，用戶不能更改；另一類是用戶程序及數(shù)據(jù)存儲器，主要存放用戶編制的應用程序及各種暫存數(shù)據(jù)和中間結果。

2、輸入/輸出（I/O）接口

I/O接口是PLC與輸入/輸出設備連接的部件。輸入接口接受輸入設備（如按鈕、傳感器、觸點、行程開關等）的控制信號。輸出接口是將主機經(jīng)處理后的結果通過功放電路去驅動輸出設備（如接觸器、電磁閥、指示燈等）。I/O接口一般采用光電耦合電路，以減少電磁干擾，從而提高了可靠性。I/O點數(shù)即輸入/輸出端子數(shù)是PLC的一項主要技術指標，通常小型機有幾十個點，中型機有幾百個點，大型機將超過千點。

3、電源

圖中電源是指為CPU、存儲器、I/O接口等內部電子電路工作所配置的直流開關穩(wěn)壓電源，通常也為輸入設備提供直流電源。

4、編程

編程是PLC利用外部設備，用戶用來輸入、檢查、修改、調試程序或監(jiān)示PLC的工作情況。通過專用的PC/PPI電纜線將PLC與電腦聯(lián)接，并利用專用的軟件進行電腦編程和監(jiān)控。

5、輸入/輸出擴展單元

I/O擴展接口用于將擴充外部輸入/輸出端子數(shù)的擴展單元與基本單元（即主機）連接在一起。

6、外部設備接口

此接口可將打印機、條碼掃描儀,變頻器等外部設備與主機相聯(lián)，以完成相應的操作。

PLC的特點

(一)高可靠性

1、所有的I/O接口電路均采用光電隔離，使工業(yè)現(xiàn)場的外電路與PLC內部電路之間電氣上隔離。

2、各輸入端均采用R-C濾波器，其濾波時間常數(shù)一般為10~20ms.

3、各模塊均采用屏蔽措施，以防止輻射干擾。

4、采用性能優(yōu)良的開關電源。

5、對采用的器件進行嚴格的篩選。

6、良好的自診斷功能，一旦電源或其他軟，硬件發(fā)生異常情況，CPU立即采用有效措施，以防止故障擴大。

7、大型PLC還可以采用由雙CPU構成冗余系統(tǒng)或有三CPU構成表決系統(tǒng),使可靠性更進一步提高。

(二)豐富的I/O接口模塊

PLC針對不同的工業(yè)現(xiàn)場信號，如：

交流或直流；

開關量或模擬量；

電壓或電流；

脈沖或電位；

強電或弱電等。

有相應的I/O模塊與工業(yè)現(xiàn)場的器件或設備，如：

按鈕

行程開關

接近開關

傳感器及變送器

電磁線圈

控制閥

直接連接。另外為了提高操作性能，它還有多種人-機對話的接口模塊； 為了組成工業(yè)局部網(wǎng)絡，它還有多種通訊聯(lián)網(wǎng)的接口模塊，等等。

(三)采用模塊化結構

為了適應各種工業(yè)控制需要，除了單元式的小型PLC以外，絕大多數(shù)PLC均采用模塊化結構。

PLC的各個部件，包括CPU，電源，I/O等均采用模塊化設計，由機架及電纜將各模塊連接起來，系統(tǒng)的規(guī)模和功能可根據(jù)用戶的需要自行組合。

(四)編程簡單易學

PLC的編程大多采用類似于繼電器控制線路的梯形圖形式，對使用者來說，不需要具備計算機的專門知識，因此很容易被一般工程技術人員所理解和掌握。

(五)安裝簡單，維修方便

PLC不需要專門的機房，可以在各種工業(yè)環(huán)境下直接運行。使用時只需將現(xiàn)場的各種設備與PLC相應的I/O端相連接，即可投入運行。各種模塊上均有運行和故障指示裝置，便于用戶了解運行情況和查找故障。

由于采用模塊化結構，因此一旦某模塊發(fā)生故障，用戶可以通過更換模塊的方法，使系統(tǒng)迅速恢復運行。

PLC的應用領域

PLC不僅用于開關量控制，還用于模擬量及數(shù)字量的控制，可采集與存儲數(shù)據(jù)，還可對控制系統(tǒng)進行監(jiān)控；還可聯(lián)網(wǎng)、通訊，實現(xiàn)大范圍、跨地域的控制與管理。PLC已日益成為工業(yè)控制裝置家族中一個重要的角色。

1、用于開關量控制

PLC控制開關量的能力是很強的。所控制的入出點數(shù)，少的十幾點、幾十點，多的可到幾百、幾千，甚至幾萬點。由于它能聯(lián)網(wǎng)，點數(shù)幾乎不受限制，不管多少點都能控制。

所控制的邏輯問題可以是多種多樣的：組合的、時序的；即時的、延時的；不需計數(shù)的，需要計數(shù)的；固定順序的，隨機工作的；等等，都可進行。

PLC的硬件結構是可變的，軟件程序是可編的，用于控制時，非常靈活。必要時，可編寫多套，或多組程序，依需要調用。它很適應于工業(yè)現(xiàn)場多工況、多狀態(tài)變換的需要。

用PLC進行開關量控制實例是很多的，冶金、機械、輕工、化工、紡織等等，幾乎所有工業(yè)行業(yè)都需要用到它。目前，PLC首用的目標，也是別的控制器無法與其比擬的，就是它能方便并可靠地用于開關量的控制。

2、用于模擬量控制

模擬量，如電流、電壓、溫度、壓力等等，它的大小是連續(xù)變化的。工業(yè)生產(chǎn)，特別是連續(xù)型生產(chǎn)過程，常要對這些物理量進行控制。

作為一種工業(yè)控制電子裝置，PLC若不能對這些量進行控制，那是一大不足。為此，各PLC廠家都在這方面進行大量的開發(fā)。目前，不僅大型、中型機可以進行模擬量控制，就是小型機，也能進行這樣的控制。

PLC進行模擬量控制，要配置有模擬量與數(shù)字量相互轉換的A／D、D／A單元。它也是I/O單元，不過是特殊的I/O單元。

A/D單元是把外電路的模擬量，轉換成數(shù)字量，然后送入PLC。D/A單元，是把PLC的數(shù)字量轉換成模擬量，再送給外電路。

作為一種特殊的I/O單元，它仍具有I/O電路抗干擾、內外電路隔離，與輸入輸出繼電器（或內部繼電器，它也是PLC工作內存的一個區(qū)。可讀寫）交換信息等等特點。

用PLC進行模擬量控制的好處是，在進行模擬量控制的同時，開關量也可控制。這個優(yōu)點是別的控制器所不具備的，或控制的實現(xiàn)不如PLC方便。

3、用于運動控制

實際的物理量，除了開關量、模擬量，還有運動控制。如機床部件的位移，常以數(shù)字量表示。

PLC也是基于計算機的技術，并日益完善。故它也完全可以用于數(shù)字量控制。

PLC可接收計數(shù)脈沖，頻率可高達幾k到幾十k赫茲?？捎枚喾N方式接收這脈沖，還可多路接收。有的PLC還有脈沖輸出功能，脈沖頻率也可達幾十k。有了這兩種功能，加上PLC有數(shù)據(jù)處理及運算能力，若再配備相應的傳感器（如旋轉編碼器）或脈沖伺服裝置（如環(huán)形分配器、功放、步進電機），則完全可以依NC的原理實現(xiàn)種種控制。

高、中檔的PLC，還開發(fā)有NC單元，或運動單元，可實現(xiàn)點位控制。運動單元還可實現(xiàn)曲線插補，可控制曲線運動。所以，若PLC配置了這種單元，則完全可以用NC的辦法，進行數(shù)字量的控制。

4、用于數(shù)據(jù)采集

隨著PLC技術的發(fā)展，其數(shù)據(jù)存儲區(qū)越來越大。如德維森公司的PLC，其數(shù)據(jù)存儲區(qū)（DM區(qū)）可達到9999個字。這樣龐大的數(shù)據(jù)存儲區(qū)，可以存儲大量數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)采集可以用計數(shù)器，累計記錄采集到的脈沖數(shù)，并定時地轉存到DM區(qū)中去。

數(shù)據(jù)采集也可用A/D單元，當模擬量轉換成數(shù)字量后，再定時地轉存到DM區(qū)中去。

PLC也可與計算機通訊，由計算機把DM區(qū)的數(shù)據(jù)讀出，并由計算機再對這些數(shù)據(jù)作處理。這時，PLC即成為計算機的數(shù)據(jù)終端。

電力用戶曾使用PLC，用以實時記錄用戶用電情況，以實現(xiàn)不同用電時間、不同計價的收費辦法，鼓勵用戶在用電低谷時多用電，達到合理用電與節(jié)約用電的目的。

5、用于信號監(jiān)控

PLC自檢信號很多，內部器件也很多，多數(shù)使用者未充分發(fā)揮其作用。

其實，完全可利用它進行PLC自身工作的監(jiān)控，或對控制對象進行監(jiān)控。

對一個復雜的控制系統(tǒng)，特別是自動控制系統(tǒng)，監(jiān)控以至進一步能自診斷是非常必要的。它可減少系統(tǒng)的故障，出了故障也好查找，可提高累計平均無故障運行時間，降低故障修復時間，提高系統(tǒng)的可靠性。

6、用于聯(lián)網(wǎng)、通訊

PLC聯(lián)網(wǎng)、通訊能力很強，不斷有新的聯(lián)網(wǎng)的結構推出。

PLC可與個人計算機相連接進行通訊，可用計算機參與編程及對PLC進行控制的管理，使PLC用起來更方便。

為了充分發(fā)揮計算機的作用，可實行一臺計算機控制與管理多臺PLC，多的可達32臺。也可一臺PLC與兩臺或更多的計算機通訊，交換信息，以實現(xiàn)多地對PLC控制系統(tǒng)的監(jiān)控。

PLC與PLC也可通訊?？梢粚σ籔LC通訊。可幾個PLC通訊?？啥嗟綆资装?。

PLC與智能儀表、智能執(zhí)行裝置（如變頻器），也可聯(lián)網(wǎng)通訊，交換數(shù)據(jù)，相互操作?？陕?lián)接成遠程控制系統(tǒng)，系統(tǒng)范圍面可大到10公里或更大。

可組成局部網(wǎng)，不僅PLC，而且高檔計算機、各種智能裝置也都可進網(wǎng)。可用總線網(wǎng)，也可用環(huán)形網(wǎng)。網(wǎng)還可套網(wǎng)。網(wǎng)與網(wǎng)還可橋接。聯(lián)網(wǎng)可把成千上萬的PLC、計算機、智能裝置組織在一個網(wǎng)中。

網(wǎng)間的結點可直接或間接地通訊、交換信息。

聯(lián)網(wǎng)、通訊，正適應了當今計算機集成制造系統(tǒng)（CIMS）及智能化工廠發(fā)展的需要。它可使工業(yè)控制從點（Point）、到線（（Line）再到面（Aero），使設備級的控制、生產(chǎn)線的控制、工廠管理層的控制連成一個整體，進而可創(chuàng)造更高的效益。這個無限美好的前景，已越來越清楚地展現(xiàn)在我們這一代人的面前。

隨著智能工廠以及物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，工廠設備聯(lián)控、PLC與上位機及其他智能產(chǎn)品的數(shù)據(jù)交互、大數(shù)據(jù)應用等領域，將大大推動傳統(tǒng)自動化與網(wǎng)絡技術的密切結合，隨著中國制造業(yè)實現(xiàn)由大變強的升華，PLC應用技術將出現(xiàn)更大的發(fā)展。