1.2　PLC概述

1.2.1　PLC的概念

可编程逻辑控制器（PLC）是一种具有微处理器的数字电子设备，用于自动化控制的数位逻辑控制器，可以将控制指令随时载入记忆体内储存与执行。PLC由内部CPU、指令及资料记忆体、输入/输出单元、电源模组、数位类比等单元所模组化组合而成。PLC可接收和发送多种形态的电气或电子信号，并使用它们来控制或监督几乎所有种类的机械与电气系统。

早期的可编程逻辑控制器只有逻辑控制的功能，被命名为可编程控制器（Programmable Controller，PC），后来随着技术的不断发展，这些当初功能简单的计算机模块不仅有逻辑控制，还增加了时序控制、模拟控制、多机通信等各类功能，但是它的缩写PC与个人电脑（Personal Computer）的缩写相同，同时为了体现最初的逻辑控制功能，于是名称也改为可编程逻辑控制器（PLC）。

1.2.2　PLC的优势和特点

PLC是微机技术与传统的继电器接触控制技术相结合的产物，它克服了继电器接触控制系统中机械触点接线复杂、可靠性低、功耗高、通用性和灵活性差的缺点，充分利用了微处理器的优点，又照顾到现场电气操作维修人员的技能与习惯。特别是PLC的程序编制，不要求掌握专业的计算机编程语言知识，而是采用了一套以继电器梯形图为基础的简单指令形式，使用户程序的编制形象、直观、方便易学；调试与查错也都很方便。用户在购到所需的PLC后，只需按说明书的提示，做少量的接线和简易的用户程序编制工作，就可灵活方便地将PLC应用于生产实践。其主要优势和特点表现在以下五大方面：

第一，可靠性高，抗干扰能力强。高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。例如，三菱公司生产的F系列PLC的平均无故障工作时间高达30万小时。一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。从PLC的机外电路来说，使用PLC构成的控制系统和同等规模的继电器接触控制系统相比，电气接线及开关接点减少到数百分之一甚至数千分之一，故障率也就大大降低。此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。因此，整个系统也就具有极高的可靠性。

第二，配套齐全，功能完善，适用性强。PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品，可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来，PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到位置控制、温度控制、CNC（Computerized Numerical Control，计算机数控）等各种工业控制中。PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展使得用PLC组成各种控制系统变得非常容易。

第三，易学易用，实用性强。PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员所接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能，为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。

第四，系统的设计建造工作量小，维护方便，容易改造。PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是，使同一设备通过改变程序来改变生产过程成为可能。这个特点特别适合多品种、小批量的生产场合。

第五，体积小，重量轻，能耗低。以超小型PLC为例，最近出产的PLC品种，其底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。由于体积小，很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。

1.2.3　PLC的产生以及国内外的发展历史

PLC的产生可以说是美国汽车工业生产技术的发展促进的。“二战”后，美国凭借汽车、钢铁、飞机等领域的绝对优势成为世界制造业霸主。1948—1966年，美国一直是全球最大的贸易顺差国，在强大的制造业驱动下，美国需要更先进的生产工具来推动其制造业的发展。

在PLC出现之前，工业生产中广泛应用的电气自动控制系统一般是继电器控制系统。例如，控制电机运行的，都是将继电器、接触器、按钮开关等电器按控制要求连接起来的硬控制系统。继电器接触控制虽然有价格低廉、线路简单、抗干扰能力强的特点，但其体积庞大、改变控制程序必须重新接线、触头间电弧影响触头寿命等缺点越发明显。在工业竞争越来越激烈、产品更新换代越来越频繁的形势下，继电器控制系统难以满足需求。于是市场迫切需要一种更先进的控制系统来取代继电器控制系统。

20世纪60年代，美国通用汽车公司在对工厂生产线进行调整时，发现继电器、接触器控制系统修改难、体积大、噪声大、维护不方便而且可靠性差，于是提出了著名的“通用十条”招标指标。本来，Dick Morley只因厌倦了重复的机床操作员工作，想要发明一个集所有功能于一个编辑器的“神器”，于是写出了自己的梯形图逻辑。在这种措施的鼓励下，由Dick Morley和George Schwenk于1964年成立的Bedford Associates（贝德福德协会）因此获得了通用的原型机测试资格。1968年Bedford Associates成立了第七家控制公司，取名Modicon（莫迪康），其在Dick Morley领导下于1969年成功推出了自己的PLC产品，基于该产品是Modicon的第84个项目，产品取名“Modicon 084”。“Modicon 084”可编程控制器及后续产品很快在离散制造业的控制器中占据统治地位，还逐渐扩散到流程工业和间歇制造的批量生产过程，Dick Morley由此被誉为“PLC之父”。

最初使用PLC的目的是替代机械开关装置。然而，自1969年以来，PLC的功能逐渐代替了继电器控制板。现代PLC具有更多的功能，其用途从单一过程控制延伸到整个制造系统的控制和监测。1969年，美国数字化设备公司研制出第一台可编程控制器（PDP-14），在通用汽车公司的生产线上正式试用。Dick Morley基于集成电路和电子技术发展的控制装置使得电气控制功能实现程序化，功能越来越强大，其概念和内涵也不断扩展，这就是第一代可编辑控制器，但当时还不叫PLC，而是叫作PC。后来随着个人电脑（也叫PC）的快速发展，为了反映可编程控制器的功能特点，美国A- B公司将可编程控制器命名为可编程逻辑控制器，即PLC，并将“PLC”作为其产品的注册商标。

美国人发明了PLC之后，其他国家也纷纷跟进，1971年日本成功研制出第一台PLC产品DCS-8；紧接着1973年德国西门子公司也研制出欧洲第一台型号为SIMATIC S4的可编程逻辑控制器。中国与国际先进国家几乎同步研究半导体、电子技术，因此在欧美研制出PLC不久后，中国也于1974年研制出第一台可编程逻辑控制器，并于1977年开始应用在工业上。

从20世纪70年代中后期开始，PLC进入了实用化发展阶段，计算机技术得以全面引入PLC中，使其功能发生了飞跃。更快的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能以及极高的性价比，都奠定了其在现代工业中的地位。

自20世纪80年代初，PLC在先进工业国家中获得了广泛应用，同时世界上生产PLC的国家日益增多，其产量日益上升，标志着PLC已经步入成熟应用阶段。至90年代中期，这段时间是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持在30%~40%。在这一时期，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方面也得到了大幅度提高，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（Distributed Control System，集散控制系统）。

到20世纪末期，工业发展大爆发，为更加适用于现代工业，使应用PLC的工业控制设备的配套变得更加容易，各种各样的大型机和超小型机、特殊功能单元、人机界面单元、通信单元等产品诞生了。

纵观全世界，美国PLC发展最早、最快。1984年已有48家厂家，生产150多种PLC；1987年有63家厂家，生产243种PLC；1996年有70余家厂家，生产近300种PLC。著名厂家有艾伦—布拉德利（A- B，Allen- Bradley）公司，莫迪康（Modicon）公司，通用电气（GE- FSNUC）公司，德州仪器（TI，Texas Instruments）公司，西屋电气（Westinghouse Electric）公司，国际并行机器（IPM，International Parallel Machines）公司等。

欧洲方面，PLC的厂家有60余家。德国西门子（Siemens）于1973年研制出第一台PLC。后来德国的金钟默勒（Klockner Moeller Gmbh）公司、AEG公司和法国的TE（Telemecanique）公司（施耐德旗下）以及瑞士的Selectron公司等也发展起来，在全球占有重要地位。

日本自从美国引进PLC技术，1971年由日立（Hitachi）公司研制成功日本第一台PLC，现在日本生产PLC的厂家有40余家，其中著名品牌有：三菱电机（Mitsubishi Electric）、欧姆龙（Omron）、富士电机（Fuji Electric）、东芝（Toshiba）、光洋（Koyo）、松下电工（MEW）、和泉（IDEC）、夏普（Sharp）、安川（Yaskawa）等。

国内方面，PLC从最初的从外国引进，到后来吸收PLC的关键技术试图进行国产化，PLC经过了一个迅速发展的历程，主要可以分成三个阶段。第一阶段，引进阶段。我国在20世纪70年代末和80年代初开始引进PLC。我国早期参与引进PLC的单位有：北京机械工业自动化研究所、上海工业自动化仪表研究所、大连组合机床研究所、成都机床电器研究所、中国科学院计算技术研究所及自动化研究所、长春一汽、上海起重电器厂、上海香岛机电制造公司、上海自力电子设备厂等单位，但是，以上单位都没有形成规模化生产。第二阶段，吸收阶段。随着改革开放进行，国内PLC生产走合资模式。比如，辽宁无线电二厂引进德国西门子；无锡电器和日本光洋合资；中美合资的厦门A- B公司；上海香岛机电制造公司；上海欧姆龙公司；西安西门子公司等。第三阶段，建立品牌阶段。21世纪以后，随着PLC在国内的进一步发展，国内厂商的PLC主要集中于小型PLC，如欧辰、亿维等，还有一些厂商生产中型PLC，如盟立、南大傲拓等，还有许多小厂商是贴牌生产或仿造生产，真正自主研发生产的占少数，而且集中在中国台湾，并且台湾厂商比大陆厂商做得更好些，市场也更广阔。从技术角度来看，国内外的小型PLC差距正在缩小，如无锡信捷、兰州全志等公司生产的微型PLC已经比较成熟，有些国产PLC（如和利时、凯迪帝）已经拥有符合IEC标准的编程软件、支持现场总线技术等。当前比较有名的品牌有台达、永宏、盟立、和利时等。图1-2显示了2014年和2019年全球PLC市场占比对比，可以看出，国内PLC品牌的竞争近年来取得非常大的进步，不过主要表现在小型PLC上，在大型PLC方面离真正批量生产、市场化经营乃至创建品牌还有很长的路要走。

1.2.4　PLC的应用领域

PLC在工业自动化中起着举足轻重的作用，在国内外已广泛应用于机械、冶金、石油、化工、轻工、纺织、电力、电子、食品、交通等行业。经验表明，80%以上的工业控制可以使用PLC来完成。在日本工业最辉煌时期，凡8个以上中间继电器组成的控制系统都已采用PLC来取代。

PLC作为安全和精准工控手段，可控制温度、压力、气体流量、液体流量等工业需要，将原本的半自动化与手动化工作演变为自动化工作，包括常见的空气开关、压力变送器、流量表等。从控制内容看，PLC主要应用于以下几方面：

（1）开环控制。开关量的开环控制是PLC的最基本控制功能。PLC的指令系统具有强大的逻辑运算能力，很容易实现定时、计数、顺序（步进）等各种逻辑控制。大部分PLC就是用来取代传统的继电器接触控制系统的。

（2）模拟量闭环。模拟量的闭环控制系统中，除了要有开关量的输入/输出外，还要有模拟量的输入/输出点，以便采样输入和调节输出，实现对温度、流量、压力、位移、速度等参数的连续调节与控制。目前的PLC不但大型、中型机具有这种功能，一些小型机也具有这种功能。

（3）数字量控制。控制系统具有旋转编码器和脉冲伺服装置（如步进电动机）时，可利用PLC获得接收和输出高速脉冲的功能，实现数字量控制。较为先进的PLC还专门开发了数字控制模块，可实现曲线插补功能，2010年后又推出了新型运动单元模块，能提供数字量控制技术的编程语言，使PLC更容易实现数字量控制。

（4）数据采集监控。由于PLC主要用于现场控制，因此采集现场数据是十分必要的功能。在此基础上，将PLC与上位计算机或触摸屏相连接，既可以观察这些数据的当前值，又能及时进行统计分析。有的PLC具有数据记录单元，可以用一般个人电脑的存储卡插入该单元中，以保存采集到的数据。PLC的另一个特点是自检信号多，利用这个特点，PLC控制系统可以实现自诊断式监控，减少系统的故障，增强系统的可靠性。

1.2.5　PLC的基本性能指标

PLC通过运行程序实现控制，不断扩大控制规模，发挥PLC多种多样的作用，其基本性能可从以下几方面予以概括：

（1）工作速度。指PLC扫描1000步用户程序所需的时间，即PLC的CPU执行指令的速度及对急需处理的输入信号的响应速度，一般以ms/千步为单位。这个时间越短越好，现已从微秒级缩短到零点微秒级，随着微处理器技术的进步，这个时间还在缩短。工作速度是PLC工作的基础，其关系到PLC对输入信号的响应速度，是PLC对系统的控制是否及时的反映。控制不及时，就不可能准确与可靠，特别是对一些需作快速响应的系统。这就是把工作速度作为PLC第一指标的原因。

（2）I/O点数。其与PLC外部输入、输出电路数有关。其代表PLC控制能力，看其能对多少输入/输出点及对多少路模拟进行控制。如控制规模为1024点，那就得有1024条I/O电路。点数多，系统的存储器输入/输出的信号区（输入/输出继电器区或称输入/输出映射区）也大。I/O点数是PLC划分为微、小、中、大和特大型的重要指标。

（3）内存大小。其用来衡量PLC所能存储用户程序的多少。内存越大，能存储的用户程序越长，PLC指令条数越多，指令的功能也越强，能对点数更多的系统进行控制。内存器件种类越多、数量越多，越便于PLC进行种种逻辑量及模拟控制。内存大小也是代表PLC性能的重要指标。

（4）指令系统条数。指PLC具有的基本指令和高级指令的种类和数量，种类、数量越多，软件功能越强。

（5）编程元件的种类和数量。编程元件指输入继电器、输出继电器、辅助继电器、定时器、计数器、通用“字”寄存器、数据寄存器及特殊功能继电器等，其种类和数量是衡量PLC的一个指标。

除了以上五方面指标外，还有组成模块数量、支持软件数量和可靠控制等技术指标。此外，还要考虑经济指标。经济指标最简单的就是看价格。一般来说，同样技术性能的PLC，价格越低，其经济指标就越好；还有就是要看供货情况、技术服务等。

例如，三菱的FX2N-48MR的主要技术数据如下：

工作电源：24V DC

输入点数：24

输出点数：24

输入信号类型：直流或开关量

输入电流：24V DC 5mA

模拟输入：-10V~+10V（-20mA~+20mA）

输出晶体管允许电流：0.3A/点（1.2A/COM）

输出电压规格：30V DC

最大负载：9W

输出反应时间：Off→On 20μs On→Off 30μs

基本指令执行时间：数个μs

程序语言：指令+梯形图+SFC

程序容量：3792STEPS

基本顺序指令：32个（含步进梯形指令）

应用指令：100种

初始步进点：S0~S9

一般步进点：118点，S10~S127

辅助继电器：一般用512+232点（M000~M511+M768~M999）

停电保持用256点（M512~M767）

特殊用280点（M1000~M1279）

定时器：100ms时基64点（T0~T63）

10ms时基63点（T64~T126，M1028为ON时）

1ms时基1点（T127）

计数器：一般用112点（C000~C111，16位计数器）

停电保持用16点（C112~C127，16位计数器）

高速用13点1相5kHz，2相2kHz（C235~C254，全部为停电

保持32位计数器）

数据寄存器：一般用408点（D000~D407）

停电保持用192点（D408~D599）

特殊用144点（D1000~D1143）

指针/中断：P64点；I4点（P0~P63/I001、I101、I201、I301）

串联通信口：程序写入/读出通信口：RS232

一般功能通信口：RS485

主机电源：220V AC

1.2.6　PLC的发展趋势

从市场发展趋势看，伴随着国内工控水平的不断提升与新工业时代革命的到来，国内PLC持续发展，并在新能源、环保等新兴行业中不断取得业务突破点。以国内市场为例，据统计，如图1-3所示，2020年中国PLC行业市场规模为125亿元，同比上升9.65%，未来在自动化升级和智能制造的逻辑下，PLC市场规模有望持续扩张。

2020年国内PLC市场中西门子市场占有率高达44.3%，如图1-4所示，独揽近一半国内PLC市场份额。西门子的产品多以中大型PLC为主，依靠自身强大的技术与行业实力，西门子中大型PLC产品能够持续获得较高的毛利率与市场份额。三菱、欧姆龙、罗克韦尔等厂商的市场占有率紧随其后，产品覆盖大中小型PLC。国内PLC市场仍然以外资品牌为主，西门子、三菱、欧姆龙、罗克韦尔、台达和施耐德六家外资品牌2020年在国内PLC市场占有率高达83.1%，本土PLC厂商的占有率不足两成，伴随着国内技术的进步，国产PLC市场占有率有望提升。

从PLC的技术发展趋势看，随着半导体技术、计算机技术和通信技术的发展，工业控制领域已有翻天覆地的变化，特别是工业4.0时代到来，PLC亦在不断地朝着新的技术发展。除此之外，人工智能的崛起也要求传统PLC做出改变，深度学习算法与大数据技术将进一步应用于PLC之中，智能生产、优化决策、大数据赋能、精准执行和柔性生产等将成为PLC未来发展的重要方向。

首先，从产品规模上看，PLC将朝两极化发展。一方面，PLC产品规模将向速度更快、性价比更高的小型和超小型PLC发展，以适应单机及小型自动控制的需要（超小型化）；另一方面，PLC产品规模将向高速度、大容量、技术完善的大型PLC发展（超大型化）。同时，随着复杂系统控制的要求越来越高、微处理器和计算机技术的不断发展，客户对PLC信息处理速度的要求越来越高，对用户存储器容量的要求越来越高，PLC将向高速度、大存储容量方向发展（比如，CPU处理速度nS级；内存2M字节）。

其次，随信息时代的深入，PLC将朝通信网络化发展。PLC网络控制是当前控制系统和PLC技术发展的潮流，PLC与PLC之间的联网通信、PLC与上位计算机的联网通信已得到广泛应用。目前，PLC制造商都在发展自己专用的通信模块和通信软件，以加强PLC的联网能力，各PLC制造商之间也在协商制定通用的通信标准，以构成更大的网络系统，加强联网和通信的能力。PLC已成为集散控制系统不可缺少的组成部分。

再次，从兼容性上看，PLC将向与驱动器一体化方向发展。随着PLC在产品技术和解决方案上对软件能力的要求越来越高，单一维度的通用产品未来将难以满足市场的需求，一体化专机将成为未来的发展趋势；“控制+驱动”一体化将成为行业内各工业自动化控制设备厂商的发展方向，通过PLC和驱动器产品的一体化，可极大地降低和减小系统成本与体积、提升系统总体性能。因此，产品将向更加规范化、标准化（硬件、软件兼容的PLC）发展。

最后，从结构上看，PLC产品将向模块化、智能化发展。为满足工业自动化各种控制系统的需要，控制的开放和模块化的体系结构将成为PLC发展的目标之一。近年来，PLC制造商先后开发了不少新器件和模块，如智能I/O模块、温度控制模块和专门用于检测PLC外部故障的专用智能模块等，这些模块的开发和应用不仅增强了功能，扩展了PLC的应用范围，还增强了系统的可靠性。

总之，“工控+互联网+智能”成为PLC发展的新趋势。工业3.0实现了生产的自动化，使大量的自动化控制系统及仪表设备得以应用；工业4.0将实现生产的智能化，突破的重点由自动化设备转向智能化软件，通过把行业知识和经验写入智能软件，打造“智慧工业大脑”，实现降本增效、安全可控、绿色环保的智能化生产过程。互联网能力的提升是目前PLC技术的重要发展方向之一，伴随着工业生产规模的不断扩大，对传统的单一设备控制、小范围控制的PLC设备的需求正在逐步缩减，生产规模的扩大与生产中的规模效应对大型PLC设备提出了跨设备、跨厂区的新需求。在5G技术进一步落地的背景之下，技术与需求端倒逼PLC的通信能力提升，“互联网+”成为PLC发展的必经之路。