來源：機械工程文萃

隨著計算機技術的發展，存儲邏輯開始進入工業控制領域。可編程序控制器（Programmable Logic Controller，PLC）作為通用的工業控制計算機，是存儲邏輯在工業應用的代表性成果。

自從 1969 年第一臺 PLC 研制成功并應用到汽車制造自動裝配生產線上以來，PLC 不斷更新換代。特別是近二十年來，可編程序控制器技術發展迅速，功能日益強大，在生產過程中應用十分廣泛，作為工業自動化技術三大支柱之一在經濟領域中發揮著越來越重要的作用。

PLC 是以傳統順序控制器為基礎，綜合了計算機技術、微電子技術、自動控制技術、數字技術和通信網絡技術而形成的新型通用工業自動控制裝置，是現代工業控制的重要支柱。本節主要介紹 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，能解決復雜的計算和通信問題，因而 PLC 的應用面越來越廣。

目前，PLC 在國內外已廣泛應用于鋼鐵、采礦、水泥、石油、化工、電力、機械制造、汽車、裝卸、造紙、紡織、環保和娛樂等行業。

PLC 的應用范圍通常可分成以下 5 類

1) 順序控制

順序控制是 PLC 應用最廣泛的領域，也是最適合 PLC 發揮特長的領域。PLC 順序控制用來取代傳統的繼電器順序控制。

PLC 應用于單機控制、多級群控、生產自動線控制等場景，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。在多數情況下，PLC 把描述目標位置的數據發送給控制模塊，其輸出移動一軸或數軸以達到目標位置。每個軸移動時，位置控制模塊保持適當的速度和加速度，確保運動平滑。

相對來說，位置控制模塊比計算機數字控制（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 還能監控大量的物理參數，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。當過程控制中某個變量出現偏差時，PID 控制算法會計算出正確的控制量，把輸出保持在設定值上。

4) 數據處理

在機械加工中，PLC 作為主要的控制和管理系統用于 CNC 系統中，可以完成大量的數據處理工作。

5) 通信網絡

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 與其他智能控制設備（如計算機、變頻器、數控裝置等）之間的通信。PLC 與其他智能控制設備一起，可以組成“集中管理、分散控制”的分布式控制系統。

PLC的特點

1) 可靠性高，抗干擾能力強

為了滿足工業生產對控制設備安全性與可靠性的要求，PLC 采用了微電子技術，大量的開關動作是由無觸點的半導體電路來完成的，在結構上充分考慮了工業生產環境下溫度、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、數據保護等措施。這些技術使得 PLC 具有較高的抗干擾能力。

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

2) 通用靈活

PLC 產品已經序列化生產，結構形式多種多樣，在機型選擇上有很大的余地。另外，PLC 及外圍模塊品種多，用戶可以根據不同任務的要求，選擇不同的組件靈活組合成具有不同硬件結構的控制裝置。

更重要的是，PLC 控制系統的主要功能是通過程序實現的，因此在需要改變設備的控制功能時，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很難做到的。

3) 編程簡單方便

PLC 應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）是一種結構塊控制流程圖，可使編程更加簡單方便。

4)功能完善，擴展能力強

PLC 的輸入／輸出系統功能完善，性能可靠，能夠適應各種形式和性質的開關量和模擬量的輸入／輸出。

PLC 的功能單元能方便地實現D/A、A/D轉換以及PID運算，實現過程控制、數字控制等功能。它還可以和其他計算機系統、控制設備共同組成分布式或分散式控制系統，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) 設計、施工、調試的周期短，維護方便

繼電器接觸器控制系統中的中間繼電器、時間繼電器、計數器等電器元件，在 PLC 控制系統中是以“軟元件”形式出現的，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視等功能，對于其內部的工作狀態、通信狀態、I/O點狀態、異常狀態和電源狀態都有顯示。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 的應用。

PLC的分類

PLC 是應現代化生產的需要而產生的，PLC 的分類也必然要符合現代化生產的需求。一般來說，可以從 3 個角度對 PLC 進行分類，即控制規模、控制性能、結構特點。

1、按PLC的控制規模分類

PLC按控制規模可以分為小型 PLC、中型 PLC 和大型 PLC。

1) 小型PLC

小型 PLC 一般指輸入／輸出點數（I/O 點數）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，以開關量控制為主。

由于受控制點數所限，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，很適合單機控制或小型系統的控制。

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，具有開關量和模擬量的控制功能以及更強的數字計算能力。

由于中型 PLC 控制點數較多，控制功能很強，可用于對設備直接控制，還可以對多個下一級的 PLC 進行監控，適用于中型或大型控制系統的控制。

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，不僅能完成較復雜的算術運算，還能進行復雜的矩陣運算。

大型 PLC 不僅可用于對設備直接控制，還可以對多個下一級的 PLC 進行監控，組成一個集散的生產過程控制系統。大型 PLC 適用于設備自動化過程、過程自動化控制和過程監控系統。

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量和種類比較少。

這類 PLC 只適合小規模的簡單控制，在聯網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，也能完成比較復雜的三角函數運算、指數運算和 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 不僅能完成小規模的控制任務，也可以完成較大規模的控制任務，在聯網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、三角函數運算、指數運算和 PID 運算，還能進行復雜的矩陣計算，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 不僅能完成中等規模的控制任務，也可以完成規模很大的控制任務，在聯網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 按結構可以分為整體式和組合式兩類

3、按PLC的結構分類

1) 整體式

整體式結構的 PLC 把電源、CPU、存儲器、I/O 系統緊湊地安裝在一個標準機殼內，作為一個整體，構成 PLC 的基本單元。

一個基本單元就是一臺完整的PLC，可以實現各種控制。控制點數不符合需要時，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。

整體式結構的優點是非常緊湊、體積小、成本低、安裝方便，其缺點是輸入與輸出點數有限定的比例。小型PLC多為整體式結構。例如西門子公司的S7-200系列和日本三菱公司的FX系列PLC即為整體式結構。

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

組合式結構的 PLC 是把 PLC 系統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。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。組合式結構的 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。

組合式結構的 PLC 特點是 CPU、輸入、輸出均為獨立的模塊，模塊尺寸統一，安裝簡便，I/O 模塊（按點數）選型自由，安裝調試、擴展和維修方便。

中型機和大型機多為組合式結構，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 的構成如下圖所示，模塊之間通過底板上的總線相互聯系。CPU 與各擴展模塊之間若通過電纜連接，距離一般不應超過 10m。

圖 2 組合式 PLC 構成示意圖

PLC的技術指標 PLC 的技術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。

一般指標主要體現在環境溫度、環境濕度、抗振、抗沖擊、抗噪聲、抗干擾和耐壓等性能上。

輸入特性主要體現在輸入電路的隔離程度、輸入靈敏度、響應時間和所需電源等性能上。

輸出特性主要體現在回路構成（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 的內存和外存的大小，一般從幾千字節到幾兆字節。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 網等。當前，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。

元件種類和數量的多少不僅反映了 PLC 的性能，也說明了 PLC 的規模。I/O 元件的數量說明了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、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，一般以字節為單位計算。每 1024 字節為 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來表示容量，一般中、小型的 PLC 存儲指令的條數為 2000 條。

2) 輸入/輸出（I/O）點數

I/O 點數指輸入點數及輸出點數之和。I/O 點數越多，外部可接入的輸入器件和輸出器件就越多，控制規模就越大，因此 I/O 點數是衡量 PLC 規模的指標。國際上流行將 I/O 總點數在 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 執行程序的速度。一般以執行 1KB 所用的時間來衡量掃描速度。不同功能的指令執行速度差別較大，目前也有以布爾指令的執行速度來表征 PLC 工作的快慢。有些品牌的 PLC 在用戶手冊中給出執行各種指令所用的時間，可以通過比較各種 PLC 執行類似操作所用的時間來衡量 PLC 工作速度的快慢。

4) 指令的功能和數量

指令功能的強弱及數量的多少體現了 PLC 能力的強弱。一般來說編程指令種類及條數越多，處理能力、控制能力就越強，用戶程序的編制也就越容易。

5) 內部元件的種類及數量

在編制程序時，需要用到大量的內部元件來存儲變量、中間結果、定時計數信息、模塊設置參數及各種標志位等。這類元件的種類及數量越多，表示 PLC 的信息處理能力越強。

6) 智能單元的數量

為了完成一些特殊的控制任務，PLC 廠商都為自己的產品設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 點數的擴展、存儲容量的擴展、聯網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，就可以根據具體控制工程的要求，從眾多 PLC 中選取合適的產品了。

審核編輯：湯梓紅