PLC

      它采用一种可编程的存储器，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指令，通过数字式或模拟式的输入输出来控制各种类型的机械设备或生产过程。

概述

       可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller，PLC)，一种具有微处理器的用于自动化控制的数字运算控制器，可以将控制指令随时载入内存进行储存与执行。可编程控制器由CPU、指令及数据内存、输入/输出接口、电源、数字模拟转换等功能单元组成。早期的可编程逻辑控制器只有逻辑控制的功能，所以被命名为可编程逻辑控制器，后来随着不断地发展，这些当初功能简单的计算机模块已经有了包括逻辑控制、时序控制、模拟控制、多机通信等各类功能，名称也改为可编程控制器(Programmable Controller)，但是由于它的简写PC与个人电脑(Personal Computer)的简写相冲突，加上习惯的原因，人们还是经常使用可编程逻辑控制器这一称呼，并仍使用PLC这一缩写。 

       工业上使用的可编程逻辑控制器已经相当或接近于一台紧凑型电脑的主机，其在扩展性和可靠性方面的优势使其被广泛应用于各类工业控制领域。不管是在计算机直接控制系统还是集中分散式控制系统DCS，或者现场总线控制系统FCS中，总是有各类PLC控制器的大量使用。PLC的生产厂商很多，如西门子、施耐德、三菱、台达等，几乎涉及工业自动化领域的厂商都会有其PLC产品提供。

基本结构

       可编程逻辑控制器实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，基本组成如图1所示，基本构成详细描述如下：

电源

       电源用于将交流电转换成PLC内部所需的直流电，大部分PLC采用开关式稳压电源供电。

中央处理单元

       中央处理器(CPU)是PLC的控制中枢，也是PLC的核心部件，其性能决定了PLC的性能。

       中央处理器由控制器、运算器和寄存器组成，这些电路都集中在一块芯片上，通过地址总线、控制总线与存储器的输入/输出接口电路相连。中央处理器的作用是处理和运行用户程序，进行逻辑和数学运算，控制整个系统使之协调。 

存储器

       存储器是具有记忆功能的半导体电路，它的作用是存放系统程序、用户程序、逻辑变量和其他一些信息。其中系统程序是控制PLC实现各种功能的程序，由PLC生产厂家编写，并固化到只读存储器(ROM)中，用户不能访问。 

输入单元

       输入单元是PLC与被控设备相连的输入接口，是信号进入PLC的桥梁，它的作用是接收主令元件、检测元件传来的信号。输入的类型有直流输入、交流输入、交直流输入。 

输出单元

       输出单元也是PLC与被控设备之间的连接部件，它的作用是把PLC的输出信号传送给被控设备，即将中央处理器送出的弱电信号转换成电平信号，驱动被控设备的执行元件。输出的类型有继电器输出、晶体管输出、晶闸门输出。 

       PLC除上述几部分外，根据机型的不同还有多种外部设备，其作用是帮助编程、实现监控以及网络通信。常用的外部设备有编程器、打印机、盒式磁带录音机、计算机等。

分类

       PLC可分为以下三类:

       (1)整体式PLC

       整体式PLC是将电源CPU、输入/输出接口等部件都集中装在一个机箱内，具有结构紧凑、体积小、价格低的特点。

       (2)模块式PLC

       模块式PLC是将PLC各组成部分分别做成若干个单独的模块，如CPU模块、输入/输出模块、电源模块(有的含在CPU模块中)以及各种功能模块。

       (3)叠装式PLC

       将整体式PLC和模块式PLC的特点结合起来，即构成所谓叠装式PLC。叠装式PLC的CPU、电源、输入/输出接口等也是各自独立的模块，但它们之间是靠电缆进行连接的，并且各模块可以一层层地叠装起来。这样系统不但可以灵活配置，还可以做得体积小巧。

工作原理

       当可编程逻辑控制器投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，可编程逻辑控制器的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。 

输入采样

       在输入采样阶段，可编程逻辑控制器以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应的单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。 

用户程序执行

       在用户程序执行阶段，可编程逻辑控制器总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。

       即，在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。

       在程序执行的过程中如果使用立即I/O指令则可以直接存取I/O点。即使用I/O指令的话，输入过程映像寄存器的值不会被更新，程序直接从I/O模块取值，输出过程映像寄存器会被立即更新，这跟立即输入有些区别。 

输出刷新

       当扫描用户程序结束后，可编程逻辑控制器就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是可编程逻辑控制器的真正输出。

小结

       根据上述过程的描述，可以对PLC工作过程的特点小结如下： 

       ①PLC采用集中采样、集中输出的工作方式，这种方式减少了外界干扰的影响。 

       ②PLC的工作过程是循环扫描的过程，循环扫描时间的长短取决于指令执行速度、用户程序的长度等因素。

       ③输出对输入的影响有滞后现象。PLC采用集中采样、集中输出的工作方式，当采样阶段结束后，输入状态的变化将要等到下一个采样周期才能被接收，因此这个滞后时间的长短又主要取决于循环周期的长短。此外，影响滞后时间的因素还有输入滤波时间、输出电路的滞后时间等。 

       ④输出映像寄存器的内容取决于用户程序扫描执行的结果。

       ⑤输出锁存器的内容由上一次输出刷新期间输出映像寄存器中的数据决定。

       ⑥PLC当前实际的输出状态由输出锁存器的内容决定。

功能特点

       (1)可靠性高。由于PLC大都采用单片微型计算机，因而集成度高，再加上相应的保护电路及自诊断功能，提高了系统的可靠性。

       (2)编程容易。PLC的编程多采用继电器控制梯形图及命令语句，其数量比微型机指令要少得多，除中、高档PLC外，一般的小型PLC只有16条左右。由于梯形图形象而简单，因此容易掌握、使用方便，甚至不需要计算机专业知识，就可进行编程。

       (3)组态灵活。由于PLC采用积木式结构，用户只需要简单地组合，便可灵活地改变控制系统的功能和规模，因此，可适用于任何控制系统。

       (4)输入/输出功能模块齐全。PLC的最大优点之一，是针对不同的现场信号(如直流或交流、开关量、数字量或模拟量、电压或电流等)，均有相应的模板可与工业现场的器件(如按钮、开关、传感电流变送器、电机启动器或控制阀等)直接连接，并通过总线与CPU主板连接。

       (5)安装方便。与计算机系统相比，PLC的安装既不需要专用机房，也不需要严格的屏蔽措施。使用时只需把检测器件与执行机构和PLC的I/O接口端子正确连接，便可正常工作。

       (6)运行速度快。由于PLC的控制是由程序控制执行的，因而不论其可靠性还是运行速度，都是继电器逻辑控制无法相比的。

       近年来，微处理器的使用，特别是随着单片机大量采用，大大增强了PLC的能力，并且使PLC与微型机控制系统之间的差别越来越小，特别是高档PLC更是如此。

发展历史

起源

       1968年美国通用汽车公司提出取代继电器控制装置的要求。1969 年，美国数字设备公司研制出了第一台可编程控制器 PDP—14 ，在美国通用汽车公司的生产线上试用成功，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这是第一代可编程序控制器，称Programmable，是世界上公认的第一台PLC。

       1969年，美国研制出世界第一台PDP-14 

　　1971年，日本研制出第一台DCS-8

　　1973年，德国研制出第一台PLC

　　1974年，中国研制出第一台PLC

发展

       20世纪70年代初出现了微处理器。人们很快将其引入可编程控制器，使PLC增加了运算、数据传送及处理等功能，完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。此时的PLC为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。个人计算机发展起来后，为了方便和反映可编程控制器的功能特点，可编程序控制器定名为Programmable Logic Controller（PLC）。

　　20世纪70年代中末期，可编程控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。

　　20世纪80年代初，可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。

　　20世纪80年代至90年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为30~40%。在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。

　　20世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。这个时期发展了大型机和超小型机、诞生了各种各样的特殊功能单元、生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。