1.2 知识链接：PLC的演化与定义

1.2.1 第一台PLC

显然，对于增氧泵控制来说，采用标准定时器也可以实现上述要求，但是线路较复杂，而且数量要求多。因此在中大型增氧泵控制中，采用PLC（可编程控制器）已经成为潮流，因为一个小小的PLC，它所蕴藏的定时控制器就达256个之多，而且功能强大。

可编程控制器，英文名为Programmable Logic Controller，简称PLC。

在20世纪60年代，汽车生产流水线的自动控制系统基本上都是由继电器控制装置构成的。当时汽车的每一次改型都直接导致继电器控制装置的重新设计和安装。随着生产的发展，汽车型号更新的周期越来越短，这样，继电器控制装置就需要经常重新设计和安装，十分费时、费工、费料，甚至阻碍了更新周期的缩短。为了改变这一现状，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，并提出了十项招标指标，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）输入可以是交流电115 V；（8）输出为交流电115 V，2 A以上，能直接驱动电磁阀、接触器等；（9）在扩展时，原系统只要很小变更；（10）用户程序存储器容量至少能扩展到4 KB。

1969年，美国数字设备公司（DEC）研制出第一台PLC，在美国通用汽车自动装配线上试用，获得了成功。这种新型的工业控制装置以其简单易懂、操作方便、可靠性高、通用灵活、体积小、使用寿命长等一系列优点，很快在美国其他工业领域推广应用。到1971年，已经成功应用于食品、饮料、冶金、造纸等工业。这一新型工业控制装置的出现，也受到了世界其他国家的高度重视。1971，日本从美国引进了这项新技术，很快研制出了日本第一台PLC。1973年，西欧国家也研制出它们的第一台PLC。我国从1974年开始研制，于1977年开始工业应用。

1.2.2 继电器、梯形图逻辑到PLC的演化

继电器无论在过去还是现在一直都得到了广泛的应用。但是作为控制系统的核心，继电器已经很少使用，而是被PLC所替代，这是因为PLC从一开始就融合了继电控制回路。

继电器的原理非常简单。以电磁式继电器为例，它一般是由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力下返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）吸合。这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的，如图1.2所示。

梯形图是实现顺序控制逻辑的专用设计工具，用它来描述的控制逻辑非常直观易懂。如图1.3所示，线圈A、B和线圈C中常开、常闭触点与线圈的逻辑关系可以很方便地用梯形图逻辑来表示，即输入A非与输入B相与，其结果就是输出C。由此看来，梯形图工具使得输入和输出的逻辑关系更加简便，其开发效率高、对电路设计者的要求很低。

梯形图以两条平行的竖线分别表示电源线和地线。在这两条竖线之间，用横线表示电气连接线，将各种代表逻辑量（“ON”或“OFF”）的元件触点及输出执行元件的线圈用横线串接成一条电气回路。多条这样的回路并列在一起，形状如同阶梯，就构成了实现所需顺序控制逻辑的梯形图。

一个典型的顺序控制电路的梯形图如图1.4所示。在梯形图回路中，当所有串联的触点全部都处于“ON”状态时，回路就处于导通状态，回路末端的输出执行元件线圈被接通。例如，当A为“OFF”，B为“ON”时，执行元件C就被接通，产生输出动作。

从图1.4中可以看出，在这个控制电路中，输入和输出是被隔离的，它们之间的关系就是靠梯形图来建立的。假如这个梯形图不是固定的，而是可以随意进行修改的，并通过存储器来保存，那么这个控制器就是可以编程的，这就是PLC。

在PLC的梯形图中，一般都规定执行元件不能多个串联，其触点所代表的逻辑量则可以在梯形图中被多次反复引用，当然电路的各I/O信号也可以在梯形图中被多次反复引用。梯形图是一种软件，是PLC图形化的程序。在继电器电路图中，各继电器可以并行工作，而PLC则是串行工作的，即PLC的CPU在同一时间只能处理一种指令。

1.2.3 PLC的进化

自20世纪60年代第一台PLC问世以来，PLC已很快被应用到汽车制造、机械加工、冶金、矿业、轻工等各个领域，大大推进了机电一体化进程。

经过长时间的发展和完善，PLC的编程概念和控制思想已为广大的自动化行业人员所熟知，这是一个目前任何其他工业控制器（包括DCS和FCS等）都无法与之相提并论的巨大知识资源。实践也进一步证明：PLC系统硬件技术成熟、性能价格比较高、运行稳定可靠、开发过程也简单方便、运行维护成本很低，这些特点造就了PLC的旺盛生命力，造就了PLC的快速进化。

现在的PLC是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术发展起来的一种新型工业控制装置，是工业控制的主要手段和重要的基础设备之一，并与机器人、CAD/CAM并称为工业生产的三大支柱。

PLC在继电器控制逻辑基础上，与3 C技术（Computer，Control，Communication）相结合，不断发展和完善。它从过去的小规模、单机、顺序控制，已经发展到包括过程控制、传动控制、位置控制、通信控制等场合的大部分现代工业控制领域和部分商用民用控制领域。在通信能力上，由于现场总线的出现，使得一个个独立的PLC系统不再是信息孤岛。实时以太网技术也走进了PLC厂商的视野，甚至在实时以太网产品中已经能够支持CANOpen等现场总线。实时以太网应用的另一方面意义在于，控制层与管理层的界线不再那么截然分明。随着PLC运算能力的不断提高，PLC在数据交换方面的能力和需求也在不断提高，另一方面，IT技术的飞速发展使得微型高速存储设备的容量越来越大，价格越来越低，可靠性却越来越有保障。越来越多的PLC控制系统已经使用了64 MB、128 MB甚至更大容量的Flash存储设备。

从长远来看，PLC的制造商将会根据工业用户的需求集成更多的系统功能，逐渐降低用户的使用难度，缩短开发周期，节约产品开发成本，但这是一个逐渐发展的过程。就目前技术现状而言，一些复杂的控制依然要使用那些“高档”的控制系统，使用相对复杂的编程手段，对工业用户依然要求具备专业的控制技术。

1.2.4 PLC的定义

国际电工委员会IEC于1982年11月和1985年1月分别颁布了PLC标准的第一稿和第二稿，对PLC做了如下的定义：“PLC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命令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械和生产过程。PLC及其有关设备，都应易于与工业控制系统连成一个整体，易于扩充功能的原则而设计。”

1.2.5 PLC实现控制的原理

组成PLC的模块是PLC的硬件基础，只有弄清所选用的PLC都具有哪些模块及其特点，才能正确选用模块，并组成一台完整的PLC（如图1.5所示），以满足控制系统对PLC的要求。

常见的PLC模块有：

（1）CPU模块。它是PLC的硬件核心。PLC的主要性能，如速度、规模都由CPU的性能来体现。

CPU模块由微处理器系统、系统程序存储器和用户程序存储器组成，其本质为一台计算机。该计算机负责系统程序的调度、管理、运行和PLC的自诊断，负担将用户程序做出编译、解释、处理以及调度用户目标程序运行的任务。

（2）电源模块。它为PLC运行提供内部工作电源，而且，有的还可为输入信号提供电源。

PLC的工作电源一般为交流单相电源，电源电压必须与额定电压相符，如110 V AC或220 V AC，当然也有直流24 V供电的。PLC对电源的稳定性要求不高，一般都允许电源电压额定值在± 15 %的范围内波动，有些交流输入电源甚至允许在85 V AC～240 V AC的范围内。

（3）I/O模块。它包括输入/输出（I/O）电路，并根据类型划分成不同规格的模块。

● 输入部分：PLC与生产过程相连接的输入通道。输入部分接受来自生产现场的各种信号，如限位开关、按钮、传感器的信号等。

●输出部分：PLC与生产过程相连接的输出通道。输出部分接收CPU的处理输出，并转换成被控设备所能接受的电压、电流信号，以驱动被控设备。

（4）内存模块。它主要存储用户程序，有的还为系统提供辅助的工作内存，在结构上内存模块都是附加于CPU模块之中。

（5）底板、机架模块。它为PLC各模块的安装提供基板，并为模块间的联系提供总线。若干底板间的联系有的用接口模块，有的用总线接口。不同厂家或同一厂家但不同类型的PLC都不大相同。

箱体式的小型PLC的主箱体就是把上述几种模块集成在一个箱体中，并根据可能提供I/O点数的多少，划分为不同的规格。

箱体式的PLC还有I/O扩展箱体，它不包含CPU，仅有电源及I/O单元的功能。扩展箱体也是按照I/O点数的多少划分成不同的规格。

1.2.6 西门子S7-200 PLC

西门子S7-200系列小型PLC适用于各行各业、各种场合中的检测、监测及控制的自动化，它的强大功能使其无论在独立运行中还是相连成网络都能实现复杂的控制功能。

S7-200 CPU将一个微处理器、一个集成电源和数字量I/O点集成在一个紧凑的封装中，从而形成了一个功能强大的小型PLC，如图1.6所示。

S7-200 PLC具有集成的24 V负载电源，它可以直接连接到传感器、变送器和执行器，CPU 221、CPU 222具有180 mA输出，CPU 224、CPU 224 XP、CPU 226分别输出280 mA或400 mA电流，可用做负载电源。

S7-200 PLC提供了多种类型的CPU以适应各种应用，如表1.1所示为各种CPU特性的简单比较。

S7-200 CPU的种类比较多，根据其输出结构，大致分为两类：输出为晶体管的和输出为继电器的。图1.7（a）和图1.7（b）分别是晶体管输出和继电器输出的基本接线图示意（以CPU 224为例）。