引言

可編程控制器（Programmable Controller）是計(jì)算機(jī)家族中的一員，是為工業(yè)控制應(yīng)用而設(shè)計(jì)制造的，是現(xiàn)代工控自動(dòng)化不可缺少的技術(shù)支持。早期的可編程控制器稱作可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller），簡稱PLC，它主要用來代替繼電器實(shí)現(xiàn)邏輯控制。隨著技術(shù)的發(fā)展，這種裝置的功能已經(jīng)大大超過了邏輯控制的范圍，因此，今天這種裝置稱作可編程控制器，簡稱PC。但是為了避免與個(gè)人計(jì)算機(jī)（Personal Computer）的簡稱混淆，所以將可編程控制器簡稱PLC。

1、PLC的定義

PLC問世以來，盡管時(shí)間不長，但發(fā)展迅速。為了使其生產(chǎn)和發(fā)展標(biāo)準(zhǔn)化，美國電氣制造商協(xié)會(huì)NEMA（National Electrical Manufactory Association）經(jīng)過四年的調(diào)查工作，于1984年首先將其正式命名為PC（Programmable Controller），并給PC作了如下定義：

“PC是一個(gè)數(shù)字式的電子裝置，它使用了可編程序的記憶體儲(chǔ)存指令。用來執(zhí)行諸如邏輯，順序，計(jì)時(shí)，計(jì)數(shù)與演算等功能，并通過數(shù)字或類似的輸入/輸出模塊，以控制各種機(jī)械或工作程序。一部數(shù)字電子計(jì)算機(jī)若是從事執(zhí)行PC之功能著，亦被視為PC，但不包括鼓式或類似的機(jī)械式順序控制器?！?/p>

總之，可編程控制器是一臺(tái)計(jì)算機(jī)，它是專為工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計(jì)制造的計(jì)算機(jī)。它具有豐富的輸入/輸出接口，并且具有較強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力。但可編程控制器產(chǎn)品并不針對某一具體工業(yè)應(yīng)用，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，其硬件需根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行選用配置，其軟件需根據(jù)控制要求進(jìn)行設(shè)計(jì)編制。

2、PLC的特點(diǎn)

2.1 高可靠性

（1）所有的I/O接口電路均采用光電隔離，使工業(yè)現(xiàn)場的外電路與PLC內(nèi)部電路之間電氣上隔離。

（2）各輸入端均采用R-C濾波器，其濾波時(shí)間常數(shù)一般為10~20ms.

（3）各模塊均采用屏蔽措施，以防止輻射干擾。

（4）采用性能優(yōu)良的開關(guān)電源。

（5）對采用的器件進(jìn)行嚴(yán)格的篩選。

（6）良好的自診斷功能，一旦電源或其他軟，硬件發(fā)生異常情況，CPU立即采用有效措施，以防止故障擴(kuò)大。

（7）大型PLC還可以采用由雙CPU構(gòu)成冗余系統(tǒng)或有三CPU構(gòu)成表決系統(tǒng)，使可靠性更進(jìn)一步提高。

2.2 豐富的I/O接口模塊

PLC針對不同的工業(yè)現(xiàn)場信號，如：交流或直流；開關(guān)量或模擬量；電壓或電流；脈沖或電位；強(qiáng)電或弱電等。有相應(yīng)的I/O模塊與工業(yè)現(xiàn)場的器件或設(shè)備，如：按鈕；行程開關(guān)；接近開關(guān)；傳感器及變送器；電磁線圈；控制閥等直接連接。另外為了提高操作性能，它還有多種人-機(jī)對話的接口模塊； 為了組成工業(yè)局部網(wǎng)絡(luò)，它還有多種通訊聯(lián)網(wǎng)的接口模塊，等等。

2.3 采用模塊化結(jié)構(gòu)

為了適應(yīng)各種工業(yè)控制需要，除了單元式的小型PLC以外，絕大多數(shù)PLC均采用模塊化結(jié)構(gòu)。PLC的各個(gè)部件，包括CPU，電源，I/O等均采用模塊化設(shè)計(jì)，由機(jī)架及電纜將各模塊連接起來，系統(tǒng)的規(guī)模和功能可根據(jù)用戶的需要自行組合。

2.4 編程簡單易學(xué)

PLC的編程大多采用類似于繼電器控制線路的梯形圖形式，對使用者來說，不需要具備計(jì)算機(jī)的專門知識，因此很容易被一般工程技術(shù)人員所理解和掌握。

2.5 安裝簡單，維修方便

PLC不需要專門的機(jī)房，可以在各種工業(yè)環(huán)境下直接運(yùn)行。使用時(shí)只需將現(xiàn)場的各種設(shè)備與PLC相應(yīng)的I/O端相連接，即可投入運(yùn)行。各種模塊上均有運(yùn)行和故障指示裝置，便于用戶了解運(yùn)行情況和查找故障。由于采用模塊化結(jié)構(gòu)，因此一旦某模塊發(fā)生故障，用戶可以通過更換模塊的方法，使系統(tǒng)迅速恢復(fù)運(yùn)行。

3、PLC的功能

A 邏輯控制

B 定時(shí)控制

C 計(jì)數(shù)控制

D 步進(jìn)（順序）控制

E PID控制

F 數(shù)據(jù)控制：PLC具有數(shù)據(jù)處理能力。

G 通信和聯(lián)網(wǎng)

H 其它：PLC還有許多特殊功能模塊，適用于各種特殊控制的要求，如：定位控制模塊，CRT模塊。

4、PLC的發(fā)展階段

雖然PLC問世時(shí)間不長，但是隨著微處理器的出現(xiàn)，大規(guī)模，超大規(guī)模集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展和數(shù)據(jù)通訊技術(shù)的不斷進(jìn)步，PLC也迅速發(fā)展，其發(fā)展過程大致可分三個(gè)階段：

4.1 早期的PLC（60年代末—70年代中期）

早期的PLC一般稱為可編程邏輯控制器。這時(shí)的PLC多少有點(diǎn)繼電器控制裝置的替代物的含義，其主要功能只是執(zhí)行原先由繼電器完成的順序控制，定時(shí)等。它在硬件上以準(zhǔn)計(jì)算機(jī)的形式出現(xiàn)，在I/O接口電路上作了改進(jìn)以適應(yīng)工業(yè)控制現(xiàn)場的要求。裝置中的器件主要采用分立元件和中小規(guī)模集成電路，存儲(chǔ)器采用磁芯存儲(chǔ)器。另外還采取了一些措施，以提高其抗干擾的能力。在軟件編程上，采用廣大電氣工程技術(shù)人員所熟悉的繼電器控制線路的方式—梯形圖。因此，早期的PLC的性能要優(yōu)于繼電器控制裝置，其優(yōu)點(diǎn)包括簡單易懂，便于安裝，體積小，能耗低，有故障指使，能重復(fù)使用等。其中PLC特有的編程語言—梯形圖一直沿用至今。

4.2 中期的PLC（70年代中期—80年代中，后期）

在70年代，微處理器的出現(xiàn)使PLC發(fā)生了巨大的變化。美國，日本，德國等一些廠家先后開始采用微處理器作為PLC的中央處理單元（CPU）。這樣，使PLC得功能大大增強(qiáng)。在軟件方面，除了保持其原有的邏輯運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)等功能以外，還增加了算術(shù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)處理和傳送、通訊、自診斷等功能。在硬件方面，除了保持其原有的開關(guān)模塊以外，還增加了模擬量模塊、遠(yuǎn)程I/O模塊、各種特殊功能模塊。并擴(kuò)大了存儲(chǔ)器的容量，使各種邏輯線圈的數(shù)量增加，還提供了一定數(shù)量的數(shù)據(jù)寄存器，使PLC得應(yīng)用范圍得以擴(kuò)大。

4.3 近期的PLC（80年代中、后期至今）

進(jìn)入80年代中、后期，由于超大規(guī)模集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展，微處理器的市場價(jià)格大幅度下跌，使得各種類型的PLC所采用的微處理器的當(dāng)次普遍提高。而且，為了進(jìn)一步提高PLC的處理速度，各制造廠商還紛紛研制開發(fā)了專用邏輯處理芯片。這樣使得PLC軟、硬件功能發(fā)生了巨大變化。

5、PLC的分類

5.1 小型PLC

小型PLC的I/O點(diǎn)數(shù)一般在128點(diǎn)以下，其特點(diǎn)是體積小、結(jié)構(gòu)緊湊，整個(gè)硬件融為一體，除了開關(guān)量I/O以外，還可以連接模擬量I/O以及其他各種特殊功能模塊。它能執(zhí)行包括邏輯運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)、算術(shù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)處理和傳送、通訊聯(lián)網(wǎng)以及各種應(yīng)用指令。

5.2 中型PLC

中型PLC采用模塊化結(jié)構(gòu)，其I/O點(diǎn)數(shù)一般在256~1024點(diǎn)之間。I/O的處理方式除了采用一般PLC通用的掃描處理方式外，還能采用直接處理方式，即在掃描用戶程序的過程中，直接讀輸入，刷新輸出。它能聯(lián)接各種特殊功能模塊，通訊聯(lián)網(wǎng)功能更強(qiáng)，指令系統(tǒng)更豐富，內(nèi)存容量更大，掃描速度更快。

5.3 大型PLC

一般I/O點(diǎn)數(shù)在1024點(diǎn)以上的稱為大型PLC。大型PLC的軟、硬件功能極強(qiáng)。具有極強(qiáng)的自診斷功能。通訊聯(lián)網(wǎng)功能強(qiáng)，有各種通訊聯(lián)網(wǎng)的模塊，可以構(gòu)成三級通訊網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)工廠生產(chǎn)管理自動(dòng)化。大型PLC還可以采用三CPU構(gòu)成表決式系統(tǒng)，使機(jī)器的可靠性更高。

6、PLC的基本結(jié)構(gòu)

PLC實(shí)質(zhì)是一種專用于工業(yè)控制的計(jì)算機(jī)，其硬件結(jié)構(gòu)基本上與微型計(jì)算機(jī)相同，

6.1 中央處理單元

（CPU）是PLC的控制中樞。它按照PLC系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存儲(chǔ)從編程器鍵入的用戶程序和數(shù)據(jù)；檢查電源、存儲(chǔ)器、I/O以及警戒定時(shí)器的狀態(tài)，并能診斷用戶程序中的語法錯(cuò)誤。當(dāng)PLC投入運(yùn)行時(shí)，首先它以掃描的方式接收現(xiàn)場各輸入裝置的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并分別存入I/O映象區(qū)，然后從用戶程序存儲(chǔ)器中逐條讀取用戶程序，經(jīng)過命令解釋后按指令的規(guī)定執(zhí)行邏輯或算數(shù)運(yùn)算的結(jié)果送入I/O映象區(qū)或數(shù)據(jù)寄存器內(nèi)。等所有的用戶程序執(zhí)行完畢之后，最后將I/O映象區(qū)的各輸出狀態(tài)或輸出寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)傳送到相應(yīng)的輸出裝置，如此循環(huán)運(yùn)行，直到停止運(yùn)行。

為了進(jìn)一步提高PLC的可靠性，近年來對大型PLC還采用雙CPU構(gòu)成冗余系統(tǒng)，或采用三CPU的表決式系統(tǒng)。這樣，即使某個(gè)CPU出現(xiàn)故障，整個(gè)系統(tǒng)仍能正常運(yùn)行。

6.2 存儲(chǔ)器

存放系統(tǒng)軟件的存儲(chǔ)器稱為系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器。存放應(yīng)用軟件的存儲(chǔ)器稱為用戶程序存儲(chǔ)器。

6.2.1 PLC常用的存儲(chǔ)器類型

（1）RAM （Random Assess Memory） 這是一種讀/寫存儲(chǔ)器（隨機(jī)存儲(chǔ)器），其存取速度最快，由鋰電池支持。

（2）EPROM（Erasable Programmable Read Only Memory）這是一種可擦除的只讀存儲(chǔ)器。在斷電情況下，存儲(chǔ)器內(nèi)的所有內(nèi)容保持不變。（在紫外線連續(xù)照射下可擦除存儲(chǔ)器內(nèi)容）。

（3）EEPROM（Electrical Erasable Programmable Read Only Memory）這是一種電可擦除的只讀存儲(chǔ)器。使用編程器就能很容易地對其所存儲(chǔ)的內(nèi)容進(jìn)行修改。

6.2.2 PLC存儲(chǔ)空間的分配

雖然各種PLC的CPU的最大尋址空間各不相同，但是根據(jù)PLC的工作原理，其存儲(chǔ)空間一般包括以下三個(gè)區(qū)域：

（1）系統(tǒng)程序存儲(chǔ)區(qū)

（2）系統(tǒng)RAM存儲(chǔ)區(qū)（包括I/O映象區(qū)和系統(tǒng)軟設(shè)備等）

（3）用戶程序存儲(chǔ)區(qū)系統(tǒng)程序存儲(chǔ)區(qū)：在系統(tǒng)程序存儲(chǔ)區(qū)中存放著相當(dāng)于計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)的系統(tǒng)程序。包括監(jiān)控程序、管理程序、命令解釋程序、功能子程序、系統(tǒng)診斷子程序等。由制造廠商將其固化在EPROM中，用戶不能直接存取。它和硬件一起決定了該P(yáng)LC的性能。

6.3 電源

PLC的電源在整個(gè)系統(tǒng)中起著十分重要得作用。如果沒有一個(gè)良好的、可靠得電源系統(tǒng)是無法正常工作的，因此PLC的制造商對電源的設(shè)計(jì)和制造也十分重視。一般交流電壓波動(dòng)在+10%（+15%）范圍內(nèi)，可以不采取其它措施而將PLC直接連接到交流電網(wǎng)上去。