1.2 可编程控制器的特点及主要功能

1.2.1 可编程控制器的一般特点

可编程控制器的种类虽然千差万别，但为了在工业环境中使用，它们都有许多共同的特点。

1．抗干扰能力强，可靠性极高

工业生产对电气控制设备的可靠性的要求非常高，它应具有很强的抗干扰能力，能在很恶劣的环境下（如温度高、湿度大、金属粉尘多、距离高压设备近、有较强的高频电磁干扰等）长期连续可靠地工作，平均无故障时间（MTBF）长，故障修复时间短。而PLC是专为工业控制设计的，能适应工业现场的恶劣环境。可以说，没有任何一种工业控制设备能够达到可编程控制器的可靠性。在PLC的设计和制造过程中，采取了精选元器件及多层次抗干扰等措施，使PLC的平均无故障时间通常在5万小时以上，有些PLC的平均无故障时间可以达到几十万小时以上，如三菱公司的F1、F2系列的MTBF可达到30万小时，有些高档机的MTBF还要高得多，这是其他电气设备根本做不到的。

绝大多数的用户都将可靠性作为选取控制装置的首要条件，因此，PLC在硬件和软件方面均采取了一系列的抗干扰措施。

在硬件方面，首先是选用优质器件，采用合理的系统结构，加固简化安装，使它能抗震动冲击。对印制电路板的设计、加工及焊接都采取了极为严格的工艺措施。对于工业生产过程中最常见的瞬间强干扰，采取的措施主要是采用隔离和滤波技术。PLC的输入和输出电路一般都用光电耦合器传递信号，做到电浮空，使CPU与外部电路完全切断了电的联系，有效地抑制了外部干扰对PLC的影响。在PLC的电源电路和I/O接口中，还设置多种滤波电路，除了采用常规的模拟滤波器（如LC滤波和Π型滤波）外，还加上了数字滤波，以消除和抑制高频干扰信号，同时也削弱了各种模板之间的相互干扰。用集成电压调整器对微处理器的+5V电源进行调整，以适应交流电网的波动和过电压、欠电压的影响。在PLC内部还采用了电磁屏蔽措施，对电源变压器、CPU、存储器、编程器等主要部件采用导电、导磁良好的材料进行屏蔽，以防外界干扰。

在软件方面，PLC也采取了很多特殊措施，设置了“看门狗”WDT（Watching Dog Timer），系统运行时对WDT定时刷新，一旦程序出现死循环，使之能立即跳出，重新启动并发出报警信号。还设置了故障检测及诊断程序，用以检测系统硬件是否正常、用户程序是否正确，便于自动地做出相应的处理，如报警、封锁输出、保护数据等。当PLC检测到故障时，立即将现场信息存入存储器，由系统软件配合对存储器进行封闭，禁止对存储器的任何操作，以防存储信息被破坏。这样，一旦检测到外界环境正常后，便可恢复到故障发生前的状态，继续原来的程序工作。

这些有效的措施，保证了可编程控制器的高可靠性。

2．编程简单方便

可编程控制器的设计是面向工业企业中一般电气工程技术人员的，它采用易于理解和掌握的梯形图语言，以及面向工业控制的简单指令。这种梯形图语言既继承了传统继电器控制线路的表达形式（如线圈、触点、常开、常闭），又考虑到工业企业中的电气技术人员的读图习惯和微机应用水平。因此，梯形图语言对于企业中熟悉继电器控制线路图的电气工程技术人员是非常亲切的，它形象、直观，简单、易学，尤其对于小型PLC而言，几乎不需要专门的计算机知识，只要进行短暂几天甚至几小时的培训，就能基本掌握编程方法。因此，无论是在生产线的设计中，还是在传统设备的改造中，电气工程技术人员都特别愿意使用PLC。

除了梯形图语言以外，PLC还可以采用其他形式的编程语言，如STL（语句表）语言、功能块图（FBD）、顺序功能图（SFC）及高级语言。

3．使用方便

虽然PLC种类繁多，由于其产品的系列化和模板化，并且配有品种齐全的各种软件，用户可灵活组合成各种规模和要求不同的控制系统，用户在硬件设计方面，只是确定PLC的硬件配置和I/O通道的外部接线。在PLC构成的控制系统中，只需在PLC的端子上接入相应的输入/输出信号即可，不需要诸如继电器之类的固体电子器件和大量繁杂的硬接线电路。在生产工艺流程改变，或生产线设备更新，或系统控制要求改变、需要变更控制系统的功能时，一般不必改变或很少改变I/O通道的外部接线，只要改变存储器中的控制程序即可，这在传统的继电器控制中是难以想像的。PLC的输入/输出端子可直接与交流220V、直流24V等强电相连，并有较强的带负载能力。

在PLC运行过程中，在PLC的面板上（或显示器上）可以显示生产过程中用户感兴趣的各种状态和数据，使操作人员做到心中有数，即使在出现故障甚至发生事故时，也能及时处理。

4．维护方便

PLC的控制程序可通过编程器输入到PLC的用户程序存储器中。编程器不仅能对PLC控制程序进行写入、读出、检测、修改，还能对PLC的工作进行监控，使得PLC的操作及维护都很方便。PLC还具有很强的自诊断能力，能随时检查出自身的故障，并显示给操作人员，如I/O通道的状态、RAM的后备电池的状态、数据通信的异常、PLC内部电路的异常等信息。正是通过PLC这种完善的诊断和显示能力，当PLC本机或外部的输入装置及执行机构发生故障时，使操作人员能迅速检查、判断故障原因，确定故障位置，以便采取迅速有效的措施。如果是PLC本身故障，在维修时只需要更换插入式模板或其他易损件即可，既方便又减少了影响生产的时间。

有人曾预言，将来自动化工厂的电气工人，将一手拿着螺丝刀，一手拿着编程器。这也是可编程控制器得以迅速发展和广泛应用的重要因素之一。

5．设计、施工、调试周期短

用可编程控制器完成一项控制工程时，由于其硬、软件齐全，所以设计和施工可同时进行。由于用软件编程取代了继电器硬接线实现的控制功能，使得控制柜的设计及安装接线工作量大为减少，缩短了施工周期。同时，由于用户程序大都可以在实验室里模拟调试，模拟调试好后再将PLC控制系统在生产现场进行联机统调，使得调试方便、快速、安全，因此，大大缩短了设计和投运周期。

6．易于实现机电一体化

因为可编程控制器的结构紧凑，体积小，重量轻，可靠性高，抗震防潮和耐热能力强，使之易于安装在机器设备内部，制造出机电一体化产品。随着集成电路制造水平的不断提高，可编程控制器体积将进一步缩小，而功能却进一步增强，与机械设备有机地结合起来，在CNC和机器人的应用中必将更加普遍，以PLC作为控制器的CNC设备和机器人装置将成为典型的机电一体化产品。

1.2.2 可编程控制器与继电器逻辑控制系统的比较

在可编程控制器出现之前，继电器硬接线电路是逻辑控制、顺序控制的唯一执行者，它结构简单，价格低廉，一直被广泛应用。但它与PLC控制相比有许多缺点，见表1-1。

1.2.3 可编程控制器与其他工业控制器的比较

自从微型计算机诞生以后，工程技术人员就一直努力将微型计算机技术应用到工业控制领域，这样，在工业控制领域就产生了几种有代表性的工业控制器：可编程控制器（PLC）、PID控制器（又称PID调节器）、集散控制系统（DCS）、微型计算机（PC）和工业控制计算机（IPC）。由于PID控制器一般只适用于过程控制中的模拟量控制，并且目前的PLC或DCS中均具有PID的功能。所以，只对可编程控制器与通用的微型计算机、集散控制系统、工业控制计算机分别进行比较。

1．可编程控制器与通用的微型计算机的比较

采用微电子技术制作的作为工业控制器的可编程控制器，它也是由CPU、RAM、ROM、I/O接口等构成的，与微型计算机有相似的构造，但又不同于一般的微型计算机，特别是它采用了特殊的抗干扰技术，有着很强的接口能力，使它更能适用于工业控制。

PLC与微型计算机各自的特点见表1-2。

2．可编程控制器与集散控制系统的比较

可编程控制器与集散控制系统都是用于工业现场的自动控制设备，都是以微型计算机为基础的，都可以完成工业生产中大量的控制任务。但是，它们之间又有一些不同。

1）发展基础不同

可编程控制器是由继电器逻辑控制系统发展而来的，所以它在开关量处理、顺序控制方面具有自己的绝对优势，发展初期主要侧重于顺序逻辑控制方面。集散控制系统是由仪表过程控制系统发展而来的，所以它在模拟量处理、回路调节方面具有一定的优势，发展初期主要侧重于回路调节功能。

2）扩展方向不同

随着微型计算机的发展，可编程控制器在初期逻辑运算功能的基础上，增加了数值运算及闭环调节功能。运算速度不断提高，控制规模越来越大，并开始与网络或上位机相连，构成了以PLC为核心部件的分布式控制系统。集散控制系统自20世纪70年代问世后，也逐渐地把顺序控制装置、数据采集装置、回路控制仪表、过程监控装置有机地结合在一起，构成了能满足各种不同控制要求的集散控制系统。

3）由小型计算机构成的中小型DCS将被PLC构成的DCS所替代

PLC与DCS从各自的基础出发，在发展过程中互相渗透，互为补偿，两者的功能越来越接近。目前，很多工业生产过程既可以用PLC实现控制，也可以用DCS实现控制。但是，由于PLC是专为工业环境下应用而设计的，其可靠性要比一般的小型计算机高得多，所以，以PLC为控制器的DCS必将逐步占领以小型计算机为控制器的中小型DCS市场。

3．可编程控制器与工业控制计算机（IPC）的比较

可编程控制器与工业控制计算机（简称工控机，IPC）都是用来进行工业控制的，但是工控机与PLC相比，仍有一些不同。

1）硬件方面

工控机是由通用微型计算机推广应用发展起来的，通常由微型计算机生产厂家开发生产，在硬件方面具有标准化总线结构，各种机型间兼容性强。而PLC则是针对工业顺序控制、由电气控制厂家研制发展起来的，其硬件结构专用，各个厂家产品不通用，标准化程度较差。但是PLC的信号采集和控制输出的功率强，可不必再加信号变换和功率驱动环节，而直接和现场的测量信号及执行机构对接；在结构上，PLC采取整体密封模板组合形式；在工艺上，对印制电路板、插座、机架都有严密的处理；在电路上，又有一系列的抗干扰措施。因此，PLC的可靠性更能满足工业现场环境下的要求。

2）软件方面

工控机可借用通用微型计算机丰富的软件资源，对算法复杂、实时性强的控制任务能较好地适应。PLC在顺序控制的基础上，增加了PID等控制算法，编程采用梯形图语言，易于被熟悉电气控制线路而不太熟悉微型计算机软件的电气技术人员所掌握。但是，一些微型计算机的通用软件还不能直接在PLC上应用，还要经过二次开发。

任何一种控制设备都有自己最适合的应用领域。熟悉、了解PLC与通用微型计算机、集散控制系统、工业控制计算机的异同，将有助于根据控制任务和应用环境来恰当地选用最合适的控制设备，最好地发挥其效用。

1.2.4 可编程控制器的主要功能

可编程控制器是采用微电子技术来完成各种控制功能的自动化设备，可以在现场的输入信号作用下，按照预先输入的程序，控制现场的执行机构，按照一定规律进行动作。其主要功能体现在以下几个方面。

1．顺序逻辑控制

这是PLC最基本、最广泛的应用领域，用来取代继电器控制系统，实现逻辑控制和顺序控制。它既可用于单机控制或多机控制，又可用于自动化生产线的控制。PLC根据操作按钮、限位开关及其他现场给出的指令信号和传感器信号，控制机械运动部件进行相应的操作。

2．运动控制

在机械加工行业，可编程控制器与计算机数控（CNC）集成在一起，用以完成机床的运动控制。很多PLC制造厂家已提供了拖动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模板。在多数情况下，PLC把描述目标位置的数据送给模板，模板移动一轴或数轴到目标位置。当每个轴移动时，位置控制模板保持适当的速度和加速度，确保运动平滑。目前已用于控制无心磨削、冲压、复杂零件分段冲裁、滚削、磨削等应用中。

3．定时控制

PLC为用户提供了一定数量的定时器，并设置了定时器指令，一般每个定时器可实现0.1～999.9s或0.01～99.99s的定时控制，也可按一定方式进行定时时间的扩展。定时精度高，定时设定方便、灵活。同时PLC还提供了高精度的时钟脉冲，用于准确的实时控制。

4．计数控制

PLC为用户提供的计数器分为普通计数器、可逆计数器、高速计数器等，用来完成不同用途的计数控制。当计数器的当前计数值等于计数器的设定值，或在某一数值范围时，发出控制命令。计数器的计数值可以在运行中被读出，也可以在运行中进行修改。

5．步进控制

PLC为用户提供了一定数量的移位寄存器，用移位寄存器可方便地完成步进控制功能。在一道工序完成之后，自动进行下一道工序；一个工作周期结束后，自动进入下一个工作周期。有些PLC还专门设有步进控制指令，使得步进控制更为方便。

6．数据处理

大部分PLC都具有不同程度的数据处理功能，如F2系列、C系列、S5系列PLC等，能完成数据运算如加、减、乘、除、乘方、开方等，逻辑运算如字与、字或、字异或、求反等，移位、数据比较和传送及数值的转换等操作。

7．模数和数模转换

在过程控制或闭环控制系统中，存在温度、压力、流量、速度、位移、电流、电压等连续变化的物理量（或称模拟量）。过去，由于PLC善长于逻辑运算控制，对于这些模拟量的控制主要靠仪表控制（如果回路数较少）或分布式控制系统DCS（如果回路数较多）。目前，不但大、中型PLC具有模拟量处理功能，甚至很多小型PLC（如C系列P型机）也具有模拟量处理功能，而且编程和使用都很方便。

8．通信及联网

目前绝大多数PLC都具备了通信能力，能够在PLC与计算机之间进行同位链接及上位链接。通过这些通信技术，使PLC更容易构成工厂自动化（FA）系统。也可与打印机、监视器等外部设备相连，记录和监视有关数据。