PLC

PLC
原圖鏈接圖片來源於中國自動化網

PLC又稱為可編程邏輯控制器是種專門為在工業環境下應用而設計的數字運算操作電子系統。它採用一種可編程的存儲器，在其內部存儲執行邏輯運算、順序控制、定時、計數和算術運算等操作的指令，通過數字式或模擬式的輸入輸出來控制各種類型的機械設備或生產過程。

中文名 ：可編程邏輯控制器

外文名： Programmable Logic Controller

簡 稱: PLC

出現時間 ;1969年

特 點 ：工作可靠、可編程等

所屬學科； 計算機

簡介

原圖鏈接圖片來源於智能製造網

可編程序控制器，英文稱Programmable Controller，簡稱PC。但由於PC容易和個人計算機（Personal Computer）混淆，故人們仍習慣地用PLC作為可編程序控制器的縮寫。它是一個以微處理器為核心的數字運算操作的電子系統裝置，專為在工業現場應用而設計，它採用可編程序的存儲器，用以在其內部存儲執行邏輯運算、順序控制、定時/計數和算術運算等操作指令，並通過數字式或模擬式的輸入、輸出接口，控制各種類型的機械或生產過程。

PLC是微機技術與傳統的繼電接觸控制技術相結合的產物，它克服了繼電接觸控制系統中的機械觸點的接線複雜、可靠性低、功耗高、通用性和靈活性差的缺點，充分利用了微處理器的優點，又照顧到現場電氣操作維修人員的技能與習慣，特別是PLC的程序編制，不需要專門的計算機編程語言知識，而是採用了一套以繼電器梯形圖為基礎的簡單指令形式，使用戶程序編制形象、直觀、方便易學；調試與查錯也都很方便。用戶在購到所需的PLC後，只需按說明書的提示，做少量的接線和簡易的用戶程序編制工作，就可靈活方便地將PLC應用於生產實踐。

現在工業上使用的可編程邏輯控制器已經相當或接近於一台緊湊型電腦的主機，其在擴展性和可靠性方面的優勢使其被廣泛應用於目前的各類工業控制領域。不管是在計算機直接控制系統還是集中分散式控制系統DCS，或者現場總線控制系統FCS中，總是有各類PLC控制器的大量使用。PLC的生產廠商很多，如西門子、施耐德、三菱、台達等，幾乎涉及工業自動化領域的廠商都會有其PLC產品提供。

發展歷史

原圖鏈接圖片來源於中國石材網

起源

美國汽車工業生產技術要求的發展促進了PLC的產生，20世紀60年代，美國通用汽車公司在對工廠生產線調整時，發現繼電器、接觸器控制系統修改難、體積大、噪聲大、維護不方便以及可靠性差，於是提出了著名的「通用十條」招標指標。 [3] 1969年，美國數字化設備公司研製出第一台可編程控制器(PDP-14)，在通用汽車公司的生產線上試用後，效果顯著；1971年，日本研製出第一台可編程控制器(DCS-8)；1973年，德國研製出第一台可編程控制器；1974年，我國開始研製可編程控制器：1977年，我國在工業應用領域推廣PLC。 [3]

最初的目的是替代機械開關裝置(繼電模塊)。然而，自從1968年以來，PLC的功能逐漸代替了繼電器控制板，現代PLC具有更多的功能。其用途從單一過程控制延伸到整個製造系統的控制和監測。 [4]

發展

原圖鏈接圖片來源於呢圖網

在工業生產過程中，大量的開關量順序控制，它按照邏輯條件進行順序動作，並按照邏輯關係進行連鎖保護動作的控制，及大量離散量的數據採集。傳統上，這些功能是通過氣動或電氣控制系統來實現的。1968年美國GM（通用汽車）公司提出取代繼電氣控制裝置的要求，第二年，美國數字公司研製出了基於集成電路和電子技術的控制裝置，首次採用程序化的手段應用於電氣控制，這就是第一代可編程序控制器，稱Programmable Controller（PC）。

個人計算機（簡稱PC）發展起來後，為了方便，也為了反映可編程控制器的功能特點，可編程序控制器定名為Programmable Logic Controller（PLC），現在，仍常常將PLC簡稱PC。

PLC的定義有許多種。國際電工委員會（IEC）對PLC的定義是：可編程控制器是一種數字運算操作的電子系統，專為在工業環境下應用而設計。它採用可編程序的存貯器，用來在其內部存貯執行邏輯運算、順序控制、定時、計數和算術運算等操作的指令，並通過數字的、模擬的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產過程。可編程序控制器及其有關設備，都應按易於與工業控制系統形成一個整體，易於擴充其功能的原則設計。

上世紀80年代至90年代中期，是PLC發展最快的時期，年增長率一直保持為30~40%。在這時期，PLC在處理模擬量能力、數字運算能力、人機接口能力和網絡能力得到大幅度提高，PLC逐漸進入過程控制領域，在某些應用上取代了在過程控制領域處於統治地位的DCS系統。

PLC具有通用性強、使用方便、適應面廣、可靠性高、抗干擾能力強、編程簡單等特點。PLC在工業自動化控制特別是順序控制中的地位，在可預見的將來，是無法取代的。

基本結構

原圖鏈接圖片來源於環球貿易網

1、主機

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

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處理後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接口一般採用光電耦合電路，以減少電磁干擾，從而提高了可靠性。I/O點數即輸入/輸出端子數是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

原圖鏈接圖片來源於九正建材網

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、調試程序或監示PLC的工作情況。通過專用的PC/PPI電纜線將PLC與電腦聯接，並利用專用的軟件進行電腦編程和監控。

5、輸入/輸出擴展單元

I/O擴展接口用於將擴充外部輸入/輸出端子數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，以完成相應的操作。

工作原理

原圖鏈接圖片來源于海為網

PLC是採用「順序掃描，不斷循環」的方式進行工作的。即在PLC運行時，CPU根據用戶按控制要求編制好並存於用戶存儲器中的程序，按指令步序號（或地址號）作周期性循環掃描，如無跳轉指令，則從第一條指令開始逐條順序執行用戶程序，直至程序結束。然後重新返回第一條指令，開始下一輪新的掃描。在每次掃描過程中，還要完成對輸入信號的採樣和對輸出狀態的刷新等工作。

PLC的一個掃描周期必經輸入採樣、程序執行和輸出刷新三個階段。

PLC在輸入採樣階段：首先以掃描方式按順序將所有暫存在輸入鎖存器中的輸入端子的通斷狀態或輸入數據讀入，並將其寫入各對應的輸入狀態寄存器中，即刷新輸入。隨即關閉輸入端口，進入程序執行階段。

PLC在程序執行階段：按用戶程序指令存放的先後順序掃描執行每條指令，經相應的運算和處理後，其結果再寫入輸出狀態寄存器中，輸出狀態寄存器中所有的內容隨着程序的執行而改變。

輸出刷新階段：當所有指令執行完畢，輸出狀態寄存器的通斷狀態在輸出刷新階段送至輸出鎖存器中，並通過一定的方式（繼電器、晶體管或晶閘管）輸出，驅動相應輸出設備工作。

功能特點

原圖鏈接圖片來源於控制工程網

1、可靠性高。由於PLC大都採用單片微型計算機，因而集成度高，再加上相應的保護電路及自診斷功能，提高了系統的可靠性。

2、編程容易。PLC的編程多採用繼電器控制梯形圖及命令語句，其數量比微型機指令要少得多，除中、高檔PLC外，一般的小型PLC只有16條左右。由於梯形圖形象而簡單，因此容易掌握、使用方便，甚至不需要計算機專業知識，就可進行編程。

3、組態靈活。由於PLC採用積木式結構，用戶只需要簡單地組合，便可靈活地改變控制系統的功能和規模，因此，可適用於任何控制系統。

4、輸入/輸出功能模塊齊全。PLC的最大優點之一，是針對不同的現場信號(如直流或交流、開關量、數字量或模擬量、電壓或電流等)，均有相應的模板可與工業現場的器件(如按鈕、開關、傳感電流變送器、電機啟動器或控制閥等)直接連接，並通過總線與CPU主板連接。

5、安裝方便。與計算機系統相比，PLC的安裝既不需要專用機房，也不需要嚴格的屏蔽措施。使用時只需把檢測器件與執行機構和PLC的I/O接口端子正確連接，便可正常工作。

6、運行速度快。由於PLC的控制是由程序控制執行的，因而不論其可靠性還是運行速度，都是繼電器邏輯控制無法相比的。

近年來，微處理器的使用，特別是隨着單片機大量採用，大大增強了PLC的能力，並且使PLC與微型機控制系統之間的差別越來越小，特別是高檔PLC更是如此。 [8]

系統集成

原圖鏈接圖片來源於機電之家網

在製造工業中存在大量的開關量為主的開環的順序控制，它按照邏輯條件進行順序動作號按照時序動作;另外還有與順序、時序無關的按照邏輯關係進行連鎖保護動作的控制;以及大量的開關量、脈衝量、計時、計數器、模擬量的越限報警等狀態量為主的—離散量的數據採集監視。由於這些控制和監視的要求，使PLC發展成了取代繼電器線路和進行順序控制為主的產品。PLC廠家在原來CPU模板上提逐漸增加了各種通訊接口，現場總線技術及以太網技術也同步發展，使PLC的應用範圍越來越廣泛。 PLC具有穩定可靠、價格便宜、功能齊全、應用靈活方便、操作維護方便的優點，這是它能持久的占有市場的根本原因。 [5]

PLC控制器本身的硬件採用積木式結構，有母板，數字I/O模板，模擬I/O模板，還有特殊的定位模板，條形碼識別模板等模塊，用戶可以根據需要採用在母板上擴展或者利用總線技術配備遠程I/O從站的方法來得到想要的I/O數量。 [5] PLC在實現各種數量的I/O控制的同時，還具備輸出模擬電壓和數字脈衝的能力，使得它可以控制各種能接收這些信號的伺服電機，步進電機，變頻電機等，加上觸摸屏的人機界面支持，施耐德的PLC可以滿足您在過程控制中任何層次上的需求。 [5]

選型規則

原圖鏈接圖片來源於製造交易網

在可編程邏輯控制器系統設計時，首先應確定控制方案，下一步工作就是可編程邏輯控制器工程設計選型。工藝流程的特點和應用要求是設計選型的主要依據。可編程邏輯控制器及有關設備應是集成的、標準的，按照易於與工業控制系統形成一個整體，易於擴充其功能的原則選型所選用可編程邏輯控制器應是在相關工業領域有投運業績、成熟可靠的系統，可編程邏輯控制器的系統硬件、軟件配置及功能應與裝置規模和控制要求相適應。熟悉可編程序控制器、功能表圖及有關的編程語言有利於縮短編程時間，因此，工程設計選型和估算時，應詳細分析工藝過程的特點、控制要求，明確控制任務和範圍確定所需的操作和動作，然後根據控制要求，估算輸入輸出點數、所需存儲器容量、確定可編程邏輯控制器的功能、外部設備特性等，最後選擇有較高性能價格比的可編程邏輯控制器和設計相應的控制系統。 [5]

1、點數估算

I/O點數估算時應考慮適當的餘量，通常根據統計的輸入輸出點數，再增加10%～20%的可擴展餘量後，作為輸入輸出點數估算數據。實際訂貨時，還需根據製造廠商可編程邏輯控制器的產品特點，對輸入輸出點數進行圓整。 [5]

2、存儲器容量

存儲器容量是可編程序控制器本身能提供的硬件存儲單元大小，程序容量是存儲器中用戶應用項目使用的存儲單元的大小，因此程序容量小於存儲器容量。設計階段，由於用戶應用程序還未編制，因此，程序容量在設計階段是未知的，需在程序調試之後才知道。為了設計選型時能對程序容量有一定估算，通常採用存儲器容量的估算來替代。 [5]

存儲器內存容量的估算沒有固定的公式，許多文獻資料中給出了不同公式，大體上都是按數字量I/O點數的10～15倍，加上模擬I/O點數的100倍，以此數為內存的總字數（16位為一個字），另外再按此數的25%考慮餘量。 [5]

3、控制功能選擇

該選擇包括運算功能、控制功能、通信功能、編程功能、診斷功能和處理速度等特性的選擇。 [5]

選擇型號

原圖鏈接圖片來源於企業錄網

PLC產品的種類繁多。PLC的型號不同，對應着其結構形式、性能、容量、指令系統、編程方式、價格等均各不相同，適用的場合也各有側重。因此，合理選用PLC，對於提高PLC控制系統的技術經濟指標有着重要意義。

1、PLC機型

PLC的選擇主要應從PLC 的機型、容量、I/O模塊、電源模塊、特殊功能模塊、通信聯網能力等方面加以綜合考慮。PLC機型選擇的基本原則是在滿足功能要求及保證可靠、維護方便的前提下，力爭最佳的性能價格比。選擇時應主要考慮到合理的結構型式，安裝方式的選擇，相應的功能要求，響應速度要求，系統可靠性的要求，機型儘量統一等因素。

2、結構型式

PLC主要有整體式和模塊式兩種結構型式。

整體式PLC的每一個I/O點的平均價格比模塊式的便宜，且體積相對較小，一般用於系統工藝過程較為固定的小型控制系統中；而模塊式PLC的功能擴展靈活方便，在I/O點數、輸入點數與輸出點數的比例、I/O模塊的種類等方面選擇餘地大，且維修方便，一般於較複雜的控制系統。

3、安裝方式

原圖鏈接圖片來源於機電之家網

PLC系統的安裝方式分為集中式、遠程I/O式以及多台PLC聯網的分布式。

集中式不需要設置驅動遠程I/O硬件，系統反應快、成本低；遠程I/O式適用於大型系統，系統的裝置分布範圍很廣，遠程I/O可以分散安裝在現場裝置附近，連線短，但需要增設驅動器和遠程I/O電源；多台PLC聯網的分布式適用於多台設備分別獨立控制，又要相互聯繫的場合，可以選用小型PLC，但必須要附加通訊模塊。 [5]

4、功能要求

一般小型(低檔)PLC具有邏輯運算、定時、計數等功能，對於只需要開關量控制的設備都可滿足。

對於以開關量控制為主，帶少量模擬量控制的系統，可選用能帶A/D和D/A轉換單元，具有加減算術運算、數據傳送功能的增強型低檔PLC。對於控制較複雜，要求實現PID運算 、閉環控制、通信聯網等功能，可視控制規模大小及複雜程度，選用中檔或高檔PLC。但是中、高檔PLC價格較貴，一般用於大規模過程控制和集散控制系統等場合。

5、響應速度

PLC是為工業自動化設計的通用控制器，不同檔次PLC的響應速度一般都能滿足其應用範圍內的需要。如果要跨範圍使用PLC，或者某些功能或信號有特殊的速度要求時，則應該慎重考慮PLC的響應速度，可選用具有高速I/O處理功能的PLC，或選用具有快速響應模塊和中斷輸入模塊的PLC等。

6、可靠性

原圖鏈接圖片來源於九正建材網

對於一般系統PLC的可靠性均能滿足。對可靠性要求很高的系統，應考慮是否採用冗餘系統或熱備用系統。

7、機型儘量統一

一個企業，應儘量做到PLC的機型統一。主要考慮到以下三方面問題：

1)機型統一，其模塊可互為備用，便於備品備件的採購和管理。

2)機型統一，其功能和使用方法類似，有利於技術力量的培訓和技術水平的提高。

3)機型統一，其外部設備通用，資源可共享，易於聯網通信，配上位計算機後易於形成一個多級分布式控制系統。

應用概況

原圖鏈接圖片來源於中國企業鏈網

1、開環控制

開關量的開環控制是PLC的最基本控制功能。PLC的指令系統具有強大的邏輯運算能力，很容易實現定時、計數、順序(步進)等各種邏輯控制方式。大部分PLC就是用來取代傳統的繼電接觸器控制系統。

2、模擬量閉環

對於模擬量的閉環控制系統，除了要有開關量的輸入輸出外，還要有模擬量的輸入輸出點，以便採樣輸入和調節輸出實現對溫度、流量、壓力、位移、速度等參數的連續調節與控制。目前的PLC不但大型、中型機具有這種功能外，還有些小型機也具有這種功能。

3、數字量控制

控制系統具有旋轉編碼器和脈衝伺服裝置(如步進電動機)時，可利用PLC實現接收和輸出高速脈衝的功能，實現數字量控制，較為先進的PLC還專門開發了數字控制模塊，可實現曲線插補功能，近來又推出了新型運動單元模塊，還能提供數字量控制技術的編程語言，使PLC實現數字量控制更加簡單。

4、數據採集監控

由於PLC主要用於現場控制，所以採集現場數據是十分必要的功能，在此基礎上將PLC與上位計算機或觸摸屏相連接，既可以觀察這些數據的當前值，又能及時進行統計分析，有的PLC具有數據記錄單元，可以用一般個人電腦的存儲卡插入到該單元中保存採集到的數據。PLC的另一個特點是自檢信號多．利用這個特點，PLC控制系統可以實現白診斷式監控，減少系統的故障，提高系統的可靠性。