1.1 可编程控制器的产生、定义和分类

1.1.1 可编程控制器的产生

一种新型的控制装置，一项先进的应用技术，总是根据工业生产的实际需要而产生的。

在可编程控制器产生之前，以各种继电器为主要元件的电气控制线路承担着生产过程自动控制的艰巨任务，可能由成百上千只各种继电器构成复杂的控制系统，需要用成千上万根导线连接起来，安装这些继电器需要大量的继电器控制柜，且占据大量的空间。当这些继电器运行时，又产生大量的噪声，消耗大量的电能。为保证控制系统的正常运行，需安排大量的电气技术人员进行维护，有时某个继电器的损坏，甚至某个继电器的触点接触不良，都会影响整个系统的正常运行。如果系统出现故障，要进行检查和排除故障又非常困难，全靠现场电气技术人员长期积累的经验。尤其是在生产工艺发生变化时，可能需要增加很多的继电器或继电器控制柜，重新接线或改线的工作量极大，甚至可能需要重新设计控制系统。尽管如此，这种控制系统的功能也仅仅局限在能实现具有粗略定时、计数功能的顺序逻辑控制。因此，人们迫切需要一种新的工业控制装置来取代传统的继电器控制系统，使电气控制系统工作更可靠、更容易维修、更能适应经常变化的生产工艺要求。

1968年，美国通用汽车公司（GM）为改造汽车生产设备的传统控制方式，解决因汽车不断改型而重新设计汽车装配线上各种继电器的控制线路问题，提出了著名的10条技术指标面向社会公开招标，要求制造商为其装配线提供一种新型的通用控制器，它应具有以下特点：

（1）编程简单，可在现场方便地编辑及修改程序；

（2）价格便宜，其性价比要高于继电器控制系统；

（3）体积要明显小于继电器控制柜；

（4）可靠性要明显高于继电器控制系统；

（5）具有数据通信功能；

（6）输入可以是AC115V；

（7）输出为AC115V，2A以上；

（8）硬件维护方便，最好是插件式结构；

（9）扩展时，原有系统只需做很小改动；

（10）用户程序存储器容量至少可以扩展到4KB。

于是可编程控制器应运而生。1969年，美国数字设备公司（DEC）根据上述要求研制出世界上第一台可编程控制器，型号为PDP-14，并在GM公司的汽车生产线上首次应用成功，取得了显著的经济效益。当时人们把它称为可编程序逻辑控制器（Programmable Logic Controller，简称PLC）。

随着微电子技术的发展，20世纪70年代中期以来，由于大规模集成电路（LSI）和微处理器在PLC中的应用，使PLC的功能不断增强，它不仅能执行逻辑控制、顺序控制、计时及计数控制，还增加了算术运算、数据处理、通信等功能，具有处理分支、中断、自诊断的能力，使PLC更多地具有了计算机的功能。

可编程控制器这一新技术的出现，受到世界范围内工程技术界的极大关注，纷纷投入力量研制。第一个把PLC商品化的是美国的哥德公司（GOULD），时间也是1969年，型号为084。1971年，日本从美国引进了这项新技术，研制出日本第一台可编程控制器DSC-8。1973年至1974年，德国和法国也都相继研制出自己的可编程控制器，德国西门子公司（SIEMENS）于1973年研制出欧洲第一台PLC，型号为SIMATICS4。我国从1974年开始研制，1977年开始工业应用。

可编程控制器从产生到现在，尽管时间很短，但由于其具有编程简单、可靠性高、使用方便、维护容易、价格适中等优点，使其得到了迅猛的发展，在冶金、机械、石油、化工、纺织、轻工、建筑、运输、电力等部门得到了广泛的应用。

1.1.2 可编程控制器的定义

1980年，美国电气制造商协会（NEMA）将可编程控制器正式命名为Programmable Controller，简称为PC。

关于可编程控制器的定义，因其仍在不断地发展，所以国际上至今还未能对其下最后的定义。1980年，NEMA将可编程控制器定义为：“可编程控制器是一种带有指令存储器，数字的或模拟的输入/输出接口，以位运算为主，能完成逻辑、顺序、定时、计数和算术运算等功能，用于控制机器或生产过程的自动控制装置。”

1985年1月，国际电工委员会（IEC）在颁布可编程控制器标准草案第二稿时，又对PLC作了明确定义：“可编程控制器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和顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的或模拟的输入/输出接口，控制各种类型的机器设备或生产过程。可编程控制器及其有关设备的设计原则是它应按易于与工业控制系统联成一个整体和具有扩充功能。”

该定义强调了可编程控制器是“数字运算操作的电子系统”，它是一种计算机，它是“专为工业环境下应用而设计”的工业控制计算机。

虽然可编程控制器的简称为PC，但它与近年来人们熟知的个人计算机（Personal Computer，也简称为PC）是完全不同的概念。为加以区别，国内外很多杂志及在工业现场的工程技术人员，仍然把可编程控制器称为PLC。为了照顾到这种习惯，在后续章节的介绍中，仍称可编程控制器为PLC。

1.1.3 可编程控制器的分类

可编程控制器具有多种分类方式，了解这些分类方式有助于PLC的选型及应用。

1．根据I/O点数分类

PLC的输入/输出点数表明了PLC可从外部接收多少个输入信号和向外部发出多少个输出信号，实际上也就是PLC的输入/输出端子数。根据I/O点数的多少可将PLC分为微型机、小型机、中型机、大型机和巨型机。一般来说，点数多的PLC，功能也相应较强。

1）微型机

I/O点数（总数）在64点以下，内存容量为256B～1KB，称为微型机。微型机的结构为整体式，主要用于小规模的开关量控制。

2）小型机

I/O点数（总数）为65～128点，内存容量为1～3.6KB，称为小型机。一般只具有逻辑运算、定时、计数和移位等功能，适用于中小规模开关量的控制，可用它实现条件控制、顺序控制等。有些小型PLC，也增加了一些算术运算和模拟量处理等功能，能适应更广泛的需要。目前的小型PLC一般也具有数据通信等功能。

微型机和小型机的特点是价格低，体积小，适用于控制自动化单机设备，开发机电一体化产品。

3）中型机

I/O点数为129～512点，内存容量为3.6～13KB，称为中型机。它除了具备逻辑运算功能之外，还增加了模拟量输入/输出、算术运算、数据传送、数据通信等功能，可完成既有开关量又有模拟量的复杂控制。中型机的软件比小型机丰富，在已固化的程序内，一般还有PID调节、整数/浮点运算等功能模块。

中型机的特点是功能强，配置灵活，适用于小规模的综合控制系统。

4）大型机

I/O点数为513～896点，内存容量为13KB，称为大型机。大型机的功能更加完善，具有数据运算、模拟调节、联网通信、监视记录、打印等功能。监控系统采用CRT显示，能够表示生产过程的工艺流程、各种曲线、PID调节参数选择图等。大型机适用于具有诸如温度、压力、流量、速度、角度、位置等模拟量控制和大量开关量控制的复杂机械及连续生产过程控制的场合。

5）巨型机

I/O点数大于896点，内存容量大于13KB，称为巨型机。巨型机的特点是I/O点数特别多，控制规模宏大，组网能力强，可用于大规模的过程控制，构成分布式控制系统或整个工厂的集散控制系统。

上述划分方式并不十分严格，也不是一成不变的。随着PLC的发展，划分标准已经有过多次修改。

2．根据结构形式分类

从结构上看，PLC可分为整体式、模板式及分散式3种形式。

1）整体式PLC

一般的微型机和小型机多为整体式结构。这种结构PLC的电源、CPU、I/O部件都集中配置在一个箱体中，有的甚至全部装在一块印制电路板上。图1-1所示为SIEMENS公司的S7-200PLC，即为整体式结构。

整体式PLC结构紧凑，体积小，重量轻，价格低，容易装配在工业控制设备的内部，比较适合于生产机械的单机控制。

整体式PLC的缺点是主机的I/O点数固定，使用不够灵活，维修也较麻烦。

2）模板式PLC

模板式结构的PLC如图1-2所示。这种形式的PLC各部分以单独的模板分开设置，如电源模板、CPU模板、输入模板、输出模板及其他智能模板等。这种PLC（如S7-400）一般设有机架底板，在底板上有若干插槽，使用时，各种模板直接插入机架底板即可。也有的PLC （如S7-300）为串行连接，没有底板，各个模板安装在机架导轨上，而各个模板之间是通过背板总线连接的。这种结构的PLC配置灵活，装备方便，维修简单，易于扩展，可根据控制要求灵活配置所需模板，构成功能不同的各种控制系统。一般中型机、大型机和巨型机均采用这种结构。

模板式PLC的缺点是结构较复杂，各种插件多，因而增加了造价。

3）分散式PLC

所谓分散式PLC的结构就是将可编程控制器的CPU、电源、存储器集中放置在控制室，而将各I/O模板分散放置在各个工作站，由通信接口进行通信连接，由CPU集中指挥。

以上3种形式的可编程控制器的外观结构示意图如图1-3所示。

3．根据用途分类

1）用于顺序逻辑控制

早期的可编程控制器主要用于取代继电器控制电路，完成如顺序、联锁、计时和计数等开关量的控制，因此，顺序逻辑控制是可编程控制器最基本的控制功能，也是可编程控制器应用最多的场合。比较典型的应用如自动电梯的控制、自动化仓库的自动存取、各种管道上的电磁阀的自动开启和关闭、皮带运输机的顺序启动，或自动化生产线的多机控制等，这些都是顺序逻辑控制。要完成这类控制，不要求可编程控制器有太多的功能，只要有足够数量的I/O点即可，因此可选用低档的可编程控制器。

2）用于闭环过程控制

对于闭环控制系统，除了要用开关量I/O点实现顺序逻辑控制外，还要有模拟量的I/O点，以供采样输入和调节输出，实现过程控制中的PID调节，形成闭环过程控制系统。而中期的可编程控制器由于具有数值运算和处理模拟量信号的功能，可以设计出各种PID控制器。现在随着可编程控制器控制规模的增大，PLC可控制的回路数已从几个增加到几十个甚至几百个，因此可实现比较复杂的闭环控制系统，实现对温度、压力、流量、位置、速度等物理量的连续调节。比较典型的应用如连轧机的速度和位置控制、锅炉的自动给水、加热炉的温度控制等。要完成这类控制，不仅要求可编程控制器有足够数量的I/O点，还要有模拟量的处理能力，因此对PLC的功能要求高，根据能处理的模拟量的多少，至少应选用中档的可编程控制器。

3）用于多级分布式和集散控制系统

在多级分布式和集散控制系统中，除了要求所选用的可编程控制器具有上述功能外，还要求具有较强的通信功能，以实现各工作站之间的通信、上位机与下位机的通信，最终实现全厂自动化，形成通信网络。由于近期的PLC都具有很强的通信和联网功能，建立一个自动化工厂已成为可能。显然，能胜任这种工作的可编程控制器为高档PLC。

4）用于机械加工的数字控制和机器人控制

机械加工行业也是PLC广泛应用的领域，可编程控制器与CNC（Computer Number Control）技术有机地结合起来，可以进行数字控制。由于PLC处理速度的不断提高和存储器容量的不断扩大，使CNC的软件不断丰富，用户对机械加工的程序编制越来越方便。随着人工视觉等高科技技术的不断完善，各种性能的机器人相继问世，很多机器人制造公司也选用PLC作为机器人的控制器，因此PLC在这个领域的应用也将越来越多。

4．根据生产厂家分类

PLC的生产厂家很多，每个厂家生产的PLC，其点数、容量、功能各有差异，但都自成系列，指令及外设向上兼容，因此在选择PLC时，若选择同一系列的产品，则可以使系统构成容易、操作人员使用方便，备品配件的通用性及兼容性好。比较有代表性的有：德国西门子（SIEMENS）公司的S5系列、S7系列，日本欧姆龙（OMRON）公司的 C系列，三菱（MITSUBISHI）公司的FX系列，日本松下（PANASONIC）公司的FP系列，法国施耐德（SCHNEIDER）公司的TWIDO系列，美国通用电气（GE）公司的GE系列，美国AB公司的PLC-5系列等。