西门子KTP1000

PLC是一种数字运算的电子系统。这样就限制了它的范围，是在数字运算范围内的电子系统，和其他的电子系统就分开了。也许大家会想到个人计算机也是数字运算的电子系统，为什么不能用呢?这就是它定义的第二部分。

（2）专为工业环境应用而设计的。个人计算机一般是在室温下应用的，而PLC是在工业环境下应用的，它的抗恶劣环境能力强，可以应用在高温下、沙漠中和海洋里等。

（3）控制各种机械或生产过程。PLC并不能做什么的工作，主要是做些机械的、生产性的活动。

（4）它采用可编程的存储器，用来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（这里主要是讲PLC的运行，主要是运行这些指令）。

通过上面对这个定义的理解，头脑中一定会形成这样一个印象，PLC并不是一个简单的器件，而是一个软件加硬件的结合，它的程序（软件）是核心部分，硬件主要是在外部用来控制机械或者生产过程。可以想像为PLC就是放在某个地方能够用来做控制的东西就可以了。

PLC与单片机有什么区别呢?

（1）PLC更注重于工业应用，对于防干扰、设备接口、联网、模块化都有完善的技术支撑，使用更简单，但成本高。

（2）单片机技术含量高，使用灵活但是工作量很大，对于抗干扰、模块化要求低，成本低廉，应用广泛。特别适合开发消费电子、商业应用的电子、玩具、家电等。

（3）PLC是建立在单片机之上的产品，单片机是一种集成电路，两者不具有可比性。

（4）单片机可以构成各种各样的应用系统，从微型、小型到中型、大型都可以，PLC是单片机应用系统的一个特例。

（5）不同厂家的PLC有相同的工作原理，类似的功能和指标，有一定的互换性，质量有保证，编程软件正朝标准化方向迈进。这正是PLC获得广泛应用的基础。而单片机应用系统则是八仙过海，各显神通，功能千差万别，质量参差不齐，学习、使用和维护都很困难。

后，从工程的角度，谈谈PLC与单片机系统的选用。

（1）对单项工程或重复数极少的项目，采用PLC方案是明智、快捷的途径，成功率高，可靠性好，但成本较高。

（2）对于量大的配套项目，采用单片机系统具有成本低、效益高的优点，但这要有相当的研发力量和行业经验才能使系统稳定、可靠地运行。好的方法是将单片机系统嵌入PLC，这样可大大简化单片机系统的研制时间，使性能得到保障，效益也就有保证。

那么，PLC到底是哪里来的呢?下面就看本章的第二个问题。

1.2 PLC的产生和发展

早期的控制系统都是继电器控制系统，但是到了20世纪60年代和70年代，继电器控制的缺点就暴露出来了。当然它是有很多优点的，简单易懂、操作方便、价格便宜（例如，一些常开常闭触点、线圈，就这些简单的符号就能表达一个系统，让别人一看简单易懂。在操作方面都是些按钮，操作简便，继电器价格也便宜）。到现在为止并不是说继电器已经完全抛弃了或者不用了，但是主要是用在一些小的系统上。

如果是在一些比较大的系统，对于继电器控制来说，就存在明显的缺点，如接线比较复杂（见图1-1）、生产工艺变化的适应性较差等，特别是它是靠硬连线逻辑构成的系统（硬连线就是一般的导线）。对于这些情况大家会想到如果能用程序来修改不就更好了吗?这就是后来的PLC。

在20世纪60年代到70年代，计算机系统也得到了发展，它优点就是功能完备、灵活性、通用性好。特别是计算机的计算能力特别强。在这个时候，有人就会想到把继电器系统和计算机系统二合一，计算机系统编程容易、计算速度快，就内置在继电器系统上，而继电器系统操作方便就负责外围的设备。提出这种设想的是1968年美国的通用汽车公司，当时主要是为它生产汽车而考虑的，但是他们对计算机不是很了解。到了1969年，美国数字设备公司研制出了世界上台PLC，型号称为PDP-14

（1）模式选择器。用于手动选择操作模式：

STOP=停机模式；不执行程序

TERM=运行程序；可以通过编程器进行读/写访问

RUN=运行程序；通过编程器仅能进行读操作

状态指示器 SF=系统错误；CPU内部错误

（LED）RUN=运行模式；绿灯

STOP=停机模式；黄灯

DP=分布式I/O（仅对CPU 215）

（2）存储器卡。存储器卡的插槽。存储器卡用来在没有供电的情况下不需要电池就可以保存用户程序。

（3）PPI连接。编程设备、文本显示器或其他的CPU通过这里连接

到目前为止，PLC的发展经历了五个阶段：

阶段：从台PLC到20世纪70年初期，CPU是采用中小规模集成电路，存储器为磁芯存储器（抗电磁干扰能力差）。

第二阶段：20世纪70年代初期到70年代末期。CPU是采用微处理器，存储器是EPROM。

第三阶段：20世纪70年代末期到80年代中期。CPU采用8位和16位微处理器，有些还采用多微处理器。存储器采用EPROM、EAROM、CMOS RAM。

第四阶段：20世纪80年代中期到90年代中期。PLC全面采用8位、16位的微处理芯片的位片式芯片，处理速度达到1ns/步。

第五阶段：20世纪90年代中期到现在。PLC采用16位和32位微处理芯片，有的已经使用RISC芯片。

PLC的发展与PC的发展相比较是落后一点，主要原因不是CPU装不上去，而是PLC的发展一定要和外围设备的发展相配套。

PLC会向哪个方向发展呢?

同计算机的发展类似，目前，可编程序控制器正朝着两个方向发展。

一是朝着小型、简易、价格低廉的方向发展。如OMRON公司的CQM1、SIEMENS公司的S7-200一类可编程序控制器，2009年又推出了S7-1200，SIEMENS公司将会把新的通信和控制技术应用在S7-1200这款产品上，同样，SIEMENS也将会用S7-1200这款产品强力打造全球PLC中低端市场。这种可编程序控制器可以广泛地取代继电器控制系统，用于单机控制和规模比较小的自动化生产线控制。

二是朝着大型、高速、多功能和多层分布式全自动网络化方向发展。这类可编程序控制器一般为多处理器系统，有较大的存储能力和功能很强的输入/输出接口。系统不仅具有逻辑运算、计时、计数等功能，还具备数值运算、模拟调节、实时监控、记录显示、计算机接口、数据传送等功能，还能进行中断控制、智能控制、过程控制、远程控制等。通过网络可以与上位机通信，配备数据采集系统、数据分析系统、彩色图像系统的操纵台，可以实现自动化工厂的全面要求。它会向高速度、大容量方向发展。目前很多已经使用64bitRISC芯片，多CPU并行、分时、分任务处理，这样速度可以达到ns级。

大中型CPU的扫描速度在0.2ms/K步。

目前PLC大容量是几百千字节（KB），大是几兆字节（MB）

是一个电动机主电路图，也就是它的接线图。上面接的是电源，这个符号是熔丝标志，电源可以得到过滤，不会出现过载现象。虚线表示是联动开关，表明这三个开关一起动作。通过接线连接下面两个电动机M1和M2。KM1和KM2也是联动开关，在实际中就是强电开关，就是我们平时见到的闸刀开关，是手动方式操作的。如果采用继电器控制的话，KM1和KM2作为被控对象，用一个线圈的通和断，也就是1和0来决定开关KM1的通和断。从这个图中我们可以设计两个线圈KM1和KM2，通过线圈的吸合作用来实现对该电路的控制。这就是继电器控制。

我们知道PLC控制是继电器控制和计算机控制的结合。继电器控制是负责外围的设备，计算机是负责里面的程序。在图1-6中，左边是输入，右边是输出，核心部分是里面的程序。这里强调一点就是上面仅仅显示的是输入/输出的连线问题，并不代表输入/输出的联系，它们之间的联系是通过中间的程序体现出来的。刚才我们知道SB1可以控制KM1和KM2来实现两个电动机的启动，SB2实现两个电动机的停止。这个是留给我们的程序来做的，下面来看看我们的程序是如何设计的?

其实左边部分和右边部分刚才已经看到了，上面的I0.0和I0.1只是开关SB1和SB2的代号，把它转换成两个线圈了，但是编程用户并不把它当成SB1和SB2，它们只是和程序之间有个对应关系罢了。比较一下图1-5的继电器控制和图1-7的PLC控制，其实它们基本上是一样的，只不过刚才采用的是继电器控制中的常开和常闭符号，现在采用的是梯形图中的常开和常闭符号。它们的工作原理是一样的。例如，当我们按下开关SB1后，线圈I0.0导通，通过吸合作用使梯形图中的常开闭合，I0.1本来就是闭合的，Q0.0线圈是导通的，所以开关KM1吸合，M1启动。10s之后，开关T37吸合，线圈Q0.1是导通的，所以开关KM2吸合，M2启动。

停止过程也一样。细心的人可以看到，图1-5的继电器控制里面SB2是常闭的，在图1-7的PLC控制里面是常开的。这是由PLC的特性所决定的，就是说，所有的开关在刚开始都是开的。看着好像逻辑有问题，但是只要在编写程序时把SB2作为常闭就可以了，只是它的连接线是常开罢了。这样的一个好处就是把连接线和控制电路分开了。这样有三个好处：

（1）接线时就只注意哪些是输入，哪些是输出。

（2）设计程序时方便。如果它是常闭就设计成常闭，是常开就设计成常开。

（3）I0.1和常闭符号之间只差一个非。如果0代表常开，则非0就代表常闭。NOT I0.1代表常闭。

我们再来看看图1-7，SB1是启动按钮，SB2是停止按钮，现在如果把SB1作为停止按钮，SB2是启动按钮，我们没有必要管外面的连线，只需要修改里面的程序就可以了。这就是它比继电器控制有优势的地方了。如果对于比较复杂的系统来说，要重新换一种方法时，如果是继电器控制的话，要拔掉多少根线，然后再要连接多少根线。可是对于PLC控制来说只要修改其中的部分程序就可以了。这样不仅对设计带来了方便，而且可靠性也得到了提高。

从这个简单的例子我们可以看出，对于以后我们进行PLC控制设计时，主要有两个方面：

 分配I/O接口。

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 设计程序。

开关量的逻辑控制是PLC控制基本的控制。目前，PLC控制的首先目标就是开关量的控制。它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可以用于单台设备的控制，也可以用于多机控控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。2.模拟量的闭环控制

PLC厂家都生产配套的A/D、D/A转换模块，可以处理模拟量（温度、压力、流量、液位和速度等），从而实现对模拟量的控制。3.数据采集和监控

PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。