PLC的用途、應(yīng)用和特點

來源：機械工程文萃

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，存儲邏輯開始進入工業(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)控制計算機，是存儲邏輯在工業(yè)應(yīng)用的代表性成果。

自從 1969 年第一臺 PLC 研制成功并應(yīng)用到汽車制造自動裝配生產(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，功能日益強大，在生產(chǎn)過程中應(yīng)用十分廣泛，作為工業(yè)自動化技術(shù)三大支柱之一在經(jīng)濟領(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)，綜合了計算機技術(shù)、微電子技術(shù)、自動控制技術(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、分類及性能指標。

PLC的用途

最近十幾年來，隨著微處理芯片及有關(guān)元件的價格大幅度下降，PLC 的價格也隨之下降，而功能卻大大增強，能解決復(fù)雜的計算和通信問題，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?？煞殖梢韵?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)用于單機控制、多級群控、生產(chǎn)自動線控制等場景，例如注塑機械、印刷機械、訂書機械、包裝機械、切紙機械、組合機床、磨床、裝配生產(chǎn)線、電鍍流水線及電梯控制等。

2) 運動控制

PLC 制造商目前已提供了步進電動機或伺服電動機的單軸或多軸位置控制模塊。在多數(shù)情況下，PLC 把描述目標位置的數(shù)據(jù)發(fā)送給控制模塊，其輸出移動一軸或數(shù)軸以達到目標位置。每個軸移動時，位置控制模塊保持適當(dāng)?shù)乃俣群图铀俣龋_保運動平滑。

相對來說，位置控制模塊比計算機數(shù)字控制（Computer Number Control，CNC）裝置體積更小，價格更低，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)過程控制中某個變量出現(xiàn)偏差時，PID 控制算法會計算出正確的控制量，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 的通信包括主機與遠程 I/O 之間的通信、多臺 PLC 之間的通信、PLC 與其他智能控制設(shè)備（如計算機、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

1) 可靠性高，抗干擾能力強

為了滿足工業(yè)生產(chǎn)對控制設(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)動作是由無觸點的半導(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。

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

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，因此在需要改變設(shè)備的控制功能時，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，即使沒有計算機知識的人也很容易掌握。而順序功能圖（Sequential Function Chart，SFC）是一種結(jié)構(gòu)塊控制流程圖，可使編程更加簡單方便。

4)功能完善，擴展能力強

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現(xiàn)D/A、A/D轉(zhuǎn)換以及PID運算，實現(xiàn)過程控制、數(shù)字控制等功能。它還可以和其他計算機系統(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《機械工程文萃》，工程師的加油站！

5) 設(shè)計、施工、調(diào)試的周期短，維護方便

繼電器接觸器控制系統(tǒng)中的中間繼電器、時間繼電器、計數(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，對于其內(nèi)部的工作狀態(tài)、通信狀態(tài)、I/O點狀態(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，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 個角度對 PLC 進行分類，即控制規(guī)模、控制性能、結(jié)構(gòu)特點。

1、按PLC的控制規(guī)模分類

PLC按控制規(guī)?？梢苑譃樾⌒?PLC、中型 PLC 和大型 PLC。

1) 小型PLC

小型 PLC 一般指輸入／輸出點數(shù)（I/O 點數(shù)）小于 256 點、采用單 CPU（8位或16位）、用戶程序存儲器的容量在 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)，很適合單機控制或小型系統(tǒng)的控制。

德國西門子（SIEMENS）公司（以下簡稱西門子公司）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 點數(shù)為 256~2048 點、采用雙 CPU 或多 CPU、用戶程序存儲器的容量為 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的數(shù)字計算能力。

由于中型 PLC 控制點數(shù)較多，控制功能很強，可用于對設(shè)備直接控制，還可以對多個下一級的 PLC 進行監(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 系列的部分機型均屬于中型PLC。

3) 大型PLC

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

大型 PLC 不僅可用于對設(shè)備直接控制，還可以對多個下一級的 PLC 進行監(jiān)控，組成一個集散的生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)。大型 PLC 適用于設(shè)備自動化過程、過程自動化控制和過程監(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、中檔機和高檔機。

1) 低檔機

這類 PLC 具有基本的控制功能和一般的運算能力，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

這類 PLC 具有較強的控制功能和較強的運算能力，不僅能完成一般的邏輯運算，也能完成比較復(fù)雜的三角函數(shù)運算、指數(shù)運算和 PID 運算，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

這類 PLC 具有強大的控制功能和強大的運算能力，不僅能完成邏輯運算、三角函數(shù)運算、指數(shù)運算和 PID 運算，還能進行復(fù)雜的矩陣計算，工作速度很快，能夠帶動的輸入和輸出模塊的數(shù)量很多，種類全面。公眾號《機械工程文萃》，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、存儲器、I/O 系統(tǒng)緊湊地安裝在一個標準機殼內(nèi)，作為一個整體，構(gòu)成 PLC 的基本單元。

一個基本單元就是一臺完整的PLC，可以實現(xiàn)各種控制?？刂泣c數(shù)不符合需要時，可再連接擴展單元，擴展單元不帶CPU。基本單元和若干擴展單元可組成較大的系統(tǒng)。

整體式結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是非常緊湊、體積小、成本低、安裝方便，其缺點是輸入與輸出點數(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，像溫度檢測模塊、位置檢測模塊、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 特點是 CPU、輸入、輸出均為獨立的模塊，模塊尺寸統(tǒng)一，安裝簡便，I/O 模塊（按點數(shù)）選型自由，安裝調(diào)試、擴展和維修方便。

中型機和大型機多為組合式結(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 PLC 的技術(shù)指標包括硬件指標和軟件指標。

1、硬件指標

硬件指標包括一般指標、輸入特性和輸出特性。

一般指標主要體現(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、最大負載、最小負載、響應(yīng)時間和外部電源等性能上。

2、軟件指標

軟件指標主要包括程序容量、編程語言、通信功能、運行速度、指令類型、元件種類和數(shù)量等。公眾號《機械工程文萃》，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。一般可分為遠程 I/O 通信、計算機通信、點到點通信、高速總線、MAP 網(wǎng)等。當(dāng)前，通信能力是衡量 PLC 性能的一項主要指標。

運行速度是指操作處理時間的長短，可以用基本指令執(zhí)行時間來衡量，時間越短越好，一般在微秒級以下。指令的功能越強，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、高速計數(shù)、定位、PID）多少，說明了 PLC 性能的高低。

3、主要性能指標介紹

1) 存儲容量

這里的存儲容量指用戶程序存儲器的容量。存儲容量決定了 PLC 可以容納的用戶程序的大小，一般以字節(jié)為單位計算。每 1024 字節(jié)為 1KB。中、小型 PLC 的存儲容量一般在 8KB 以下，大型 PLC 的存儲容量可達到 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 存儲指令的條數(shù)為 2000 條。

2) 輸入/輸出（I/O）點數(shù)

I/O 點數(shù)指輸入點數(shù)及輸出點數(shù)之和。I/O 點數(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 點數(shù)是衡量 PLC 規(guī)模的指標。國際上流行將 I/O 總點數(shù)在 64 點及以下的 PLC 稱為微型 PLC；64~256 點的稱為小型 PLC；256~2048 點的稱為中型 PLC；2048 點以上的稱為大型 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 在用戶手冊中給出執(zhí)行各種指令所用的時間，可以通過比較各種 PLC 執(zhí)行類似操作所用的時間來衡量 PLC 工作速度的快慢。

4) 指令的功能和數(shù)量

指令功能的強弱及數(shù)量的多少體現(xiàn)了 PLC 能力的強弱。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，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，需要用到大量的內(nèi)部元件來存儲變量、中間結(jié)果、定時計數(shù)信息、模塊設(shè)置參數(shù)及各種標志位等。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。

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弱是衡量 PLC 產(chǎn)品水平高低的重要指標。

7) 擴展能力

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

在了解了 PLC 的各種指標后，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