電氣百科：PLC在控制系統中的應用分析

可編程控制器（ProgrammableLogicController）簡稱PLC或PC，是從早期的繼電器邏輯控制系統發展而來，它不斷吸收微計算機技術使之功能不斷增強，逐漸適合復雜的控制任務。

PLC之所以有生命力，在于它更加適合工業現場和市場的要求：高可靠性、強抗各種干擾的能力、編程安裝使用簡便、低價格長壽命。比之單片機，它的輸入輸出端更接近現場設備，不需添加太多的中間部件或需要更多的接口，這樣節省了用戶時間和成本。PLC的下端(輸入端)為繼電器、晶體管和晶閘管等控制部件，而上端一般是面向用戶的微型計算機。人們在應用它時，可以不必進行計算機方面的專門培訓，就能對可編程控制器進行操作及編程。用來完成各種各樣的復雜程度不同的工業控制任務。

自1836年繼電器問世，人們就開始用導線將它同開關器件巧妙地連接，構成用途各異的邏輯控制或順序控制。至今，在PLC的編程語言——梯形圖中還可以看到這些布線的影子。直到60年代末、70年代初可編程控制器問世，隨著微電子技術、計算機技術和數據通信技術的飛速發展，以及微處理器的出現，PLC產品朝小型和超小型化方面進行了一次飛躍，最終使早期的PLC從最初的邏輯控制、順序控制，發展成為具有邏輯判斷、定時、計數、記憶和算術運算、數據處理、聯網通信及PID回路調節等功能的現代PLC。

一、可編程控制器的主要功能

PLC是應用面很廣，發展非常迅速的工業自動化裝置，在工廠自動化(FA)和計算機集成制造系統(CIMS)內占重要地位。今天的PLC功能，遠不僅是替代傳統的繼電器邏輯。

PLC系統一般由以下基本功能構成：·多種控制功能·數據采集、存儲與處理功能·通信聯網功能·輸入/輸出接口調理功能·人機界面功能·編程、調試功能1、控制功能邏輯控制：PLC具有與、或、非、異或和觸發器等邏輯運算功能，可以代替繼電器進行開關量控制。

定時控制：它為用戶提供了若干個電子定時器，用戶可自行設定：接通延時、關斷延時和定時脈沖等方式。

計數控制：用脈沖控制可以實現加、減計數模式，可以連接碼盤進行位置檢測。

順序控制：在前道工序完成之后，就轉入下一道工序，使一臺PLC可作為多部步進控制器使用。

數據采集、存儲與處理功能數學運算功能：

基本算術：加、減、乘、除。

擴展算術：平方根、三角函數和浮點運算。

比較：大于、小于和等于。

數據處理：選擇、組織、規格化、移動和先入先出。

模擬數據處理：PID、積分和濾波。3、輸入/輸出接口調理功能具有A/D、D/A轉換功能，通過I/O模塊完成對模擬量的控制和調節。位數和精度可以根據用戶要求選擇。

具有溫度測量接口，直接連接各種電阻或電偶。4、通信、聯網功能現代PLC大多數都采用了通信、網絡技術，有RS232或RS485接口，可進行遠程I/O控制，多臺PLC可彼此間聯網、通信，外部器件與一臺或多臺可編程控制器的信號處理單元之間，實現程序和數據交換，如程序轉移、數據文檔轉移、監視和診斷。

通信接口或通信處理器按標準的硬件接口或專有的通信協議完成程序和數據的轉移。如西門子S7-200的Profibus現場總線口，其通信速率可以達到12Mbps。

在系統構成時，可由一臺計算機與多臺PLC構成“集中管理、分散控制”的分布式控制網絡，以便完成較大規模的復雜控制。通常所說的SCADA系統，現場端和遠程端也可以采用PLC作現場機。5、人機界面功能提供操作者以監視機器/過程工作必需的信息。允許操作者和PC系統與其應用程序相互作用，以便作決策和調整。

實現人機界面功能的手段：從基層的操作者屏幕文字顯示，到單機的CRT顯示與鍵盤操作和用通信處理器、專用處理器、個人計算機、工業計算機的分散和集中操作與監視系統。6、編程、調試等使用復雜程度不同的手持、便攜和桌面式編程器、工作站和操作屏，進行編程、調試、監視、試驗和記錄，并通過打印機打印出程序文件。

二、可編程控制器的主要特點

1、可靠性高PLC的MTBF一般在40000～50000h以上，西門子、ABB、松下等微小型PLC可達10萬h以上，而且均有完善的自診斷功能，判斷故障迅速，便于維護。2、模塊化組合靈活可編程控制器是系列化產品，通常采用模塊結構來完成不同的任務組合。I/O從8～8192點，有多種機型、多種功能模板可靈活組合，結構形式也是多樣的。3、功能強PLC應用微電子技術和微計算機，簡單型式都具有邏輯、定時、計數等順序控制功能。基本型式再加上模擬I/O、基本算術運算、通信能力等。復雜型式除了具有基本型式的功能外，還具有擴展的計算能力、多級終端機制、智能I/O、PID調節、過程監視、網絡通信能力、遠程I/O、多處理器和高速數據處理能力。4、編程方便PLC適用針對工業控制的梯形圖、功能塊圖、指令表和順序功能表圖(SFC)編程，不需要太多的計算機編程知識。新的編程工作站配有綜合的軟件工具包，并可在任何兼容的個人計算機上編程。5、適應工業環境PLC的技術條件能在一般高溫、振動、沖擊和粉塵等惡劣環境下工作，能在強電磁干擾環境下可靠工作。這是PLC產品的市場生存價值。6、安裝、維修簡單與計算機系統相比，PLC安裝不需要特殊機房和嚴格的屏蔽。使用時只要各種器件連接無誤，系統便可工作，各個模件上設有運行和故障指示裝置，便于查找故障，大多數模件可以帶電插拔，模件可更換，使用戶可以在最短的時間內查出故障，并排除，最大限度地壓縮故障停機時間，使生產迅速恢復。然后再對故障模件進行修復，這對大規模生產場合尤為適宜。

一些PLC外殼由可在不良工作環境下工作的合金組成，結構簡單，上面帶有散熱槽，在高溫下，該外殼不像塑料制品那樣變形，還可抗無線電頻率(RF高頻)電磁干擾、防火等。7、運行速度快隨著微處理器的應用，使PLC的運行速度增快，使它更符合處理高速度復雜的控制任務，它與微型計算機之間的差別不是很明顯。8、總價格低PLC的重量、體積、功耗和硬件價格一直在降低，雖然軟件價格占的比重有所增加，但是各廠商為了競爭也相應地降低了價格。另外，采用PLC還可以大大縮短設計、編程和投產周期，使總價格進一步降低。

PLC系統與工業總線計算機和DCS系統相互滲透，互為借鑒，相互競爭而發展。促進了工業的進步。

PLC產品面臨現場總線的發展，將再次革新，滿足工業與民用控制的更高需要。三、PLC的通信及聯網PLC的通信包括PLC之間、PLC與上位計算機之間以及PLC與其他智能設備間的通信。PLC系統與通用計算機可以直接或通過通信處理單元、通信轉接器相連構成網絡，以實現信息的交換，并可構成“集中管理、分散控制”的分布式控制系統，滿足工廠自動化(FA)系統發展的需要，各PLC系統或遠程I/O模塊按功能各自放置在生產現場分散控制，然后采用網絡連接構成集中管理的分布式網絡系統。

以西門子公司的SIMATICNET為例，在其提出的全集成自動化(TIA)的系統概念中，核心內容即包括組態和編程的集成、數據管理的集成以及通信的集成。通信網絡是這個系統重要的、關鍵的組件，提供了部件和網絡間完善的工業通信。

SIMATICNET包含了三個主要層次：

AS-I網——傳感器和執行器通信的國際標準，掃描時間5ms，傳輸媒體為未屏蔽的雙絞線，線路長度為300m，最多為31個從站。

PROFIBUS——工業現場總線，用于車間級和現場級的國際標準，傳輸率最大12m/s，傳輸媒體為屏蔽雙線電纜(最長9.6km)或光纜(最長90km)，最多可接127個從站。

工業以太網——用于區域和單元聯網的國際標準，網絡規模可達1024站1.5km(電氣網絡)或200km(光學網絡)。

在這一網絡體系中，尤其值得一提的是PROFIBUS現場總線，PROFIBUS是目前最成功的現場總線之一，已得到廣泛地應用。它是不依賴生產廠家的、開放式的現場總線，各種各樣的自動化設備均可通過同樣的接口交換信息。為數眾多的生產廠家提供了優質的PROFIBUS產品，用戶可以自由地選擇最合適的產品。PROFIBUS已經成為德國國家標準DIN19245和歐洲標準prEN50170，并在世界擁有了最多的用戶數量。四、PLC與工業控制計算機(IPC)和集散控制系統(DCS)的比較1、各自技術發展的起源計算機是為了滿足快速大量數據處理要求的設備。硬件結構方面，總線標準化程度高，兼容性強，軟件資源豐富，特別是有實時操作系統的支持，故對要求快速、實時性強、模型復雜和計算工作量大的工業對象的控制占有優勢。

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集散系統從工業自動化儀表控制系統發展到以工業控制計算機為中心的集散系統，所以其在模擬量處理、回路調節方面具有一定優勢，初期主要用在連續過程控制，側重回路調節功能。

PLC是由繼電器邏輯系統發展而來，主要用在離散制造、工序控制，初期主要是代替繼電器控制系統，側重于開關量順序控制方面。

近年來隨著微電子技術、大規模集成電路技術、計算機技術和通信技術等的發展，PLC在技術和功能上發生了飛躍。在初期邏輯運算的基礎上，增加了數值運算、閉環調節等功能，增加了模擬量和PID調節等功能模塊；運算速度提高，CPU的能力趕上了工業控制計算機；通信能力的提高發展了多種局部總線和網絡(LAN)，因而也可構成為一個集散系統。特別是個人計算機也被吸收到PLC系統中。

PLC在過程控制的發展將是一智能變送器和現場總線，暨向下拓展功能，開放總線。2、相同點在微電子技術發展的背景下，從硬件的角度來看，PLC、工業計算機、集散系統(DCS)之間的差別正在縮小，都將由類似的一些微電子元件、微處理器、大容量半導體存儲器和I/O模件組成。編程方面也有很多相同點。3、區別點由于PLC和計算機屬于兩類產品，經過幾十年的發展都形成了自身的裝置特點和軟件工具。實際上的區別繼續存在。

PLC用編程器或計算機編程，編程語言是梯形圖、功能塊圖、順序功能表圖和指令表等。集散系統自身或用計算機結構形成組態構成開發系統環境。

特別提出的是與STD總線工控機的區別，無論從維修、安裝和模件功能都很相似。PLC更適用于黑模式下運行，但在線運行時若要進行較大的程序修改，其能力略遜于STD工控機，但是從開關量控制而言，PLC的性能優于STD工控機。

總的來說，在選擇控制器時，首先要從工程要求、現場環境和經濟性等方面考慮。沒有什么控制器絕對完善，也沒有哪種產品絕對差，只能說選擇更適用的產品。