可编程控制器概论



可编程控制器，英文称Programmable Logic Controller，简称PLC。
1.1 可编程控制器基本原理


PLC是基于电子计算机，且适用于工业现场工作的电控制器。它源于继电控制装置，但它不像继电装置那样，通过电路的物理过程实现控制，而主要靠运行存储于PLC内存中的程序，进行入出信息变换实现控制。


PLC基于电子计算机，但并不等同于普通计算机。普遍计算机进行入出信息变换，多只考虑信息本身，信息的入出，只要人机界面好就可以了。而PLC则还要考虑信息入出的可靠性、实时性，以及信息的使用等问题。特别要考虑怎么适应于工业环境，如便于安装，抗干扰等问题。


1.1.1 可编程控制器实现控制的要点


入出信息变换、可靠物理实现，可以说是PLC实现控制的两个基本要点。


入出信息变换靠运行存储于PLC内存中的程序实现。PLC程序既有生产厂家的系统程序(不可更改)，又有用户自行开发的应用（用户）程序。系统程序提供运行平台，同时，还为PLC程序可靠运行及信号与信息转换进行必要的公共处理。用户程序由用户按控制要求设计。什么样的控制要求，就应有什么样的用户程序。

可靠物理实现主要靠输人（INPUT）及输出（OUTPUT）电路。PLC的I/O电路，都是专门设计的。输入电路要对输入信号进行滤波，以去掉高频干扰。而且与内部计算机电路在电上是隔离的，靠光耦元件建立联系。输出电路内外也是电隔离的，靠光耦元件或输出继电器建立联系。输出电路还要进行功率放大，以足以带动一般的工业控制元器件，如电磁阀、接触器等等。


I/O电路是很多的，每一输入点或输出点都要有一个I或O电路。PLC有多I/O用点，一般也就有多少个I/O用电路。但由于它们都是由高度集成化的电路组成的，所以，所占体积并不大。


输入电路时刻监视着输入状况，并将其暂存于输入暂存器中。每一输入点都有一个对应的存储其信息的暂存器。


输出电路要把输出锁存器的信息传送给输出点。输出锁存器与输出点也是一一对应的

这里的输入暂存器及输出锁存器实际就是PLC处理器I/O口的寄存器。它们与计算机内存交换信息通过计算机总线，并主要由运行系统程序实现。把输人暂存器的信息读到PLC的内存中，称输入刷新。PLC内存有专门开辟的存放输入信息的映射区。这个区的每一对应位（bit）称之为输入继电器，或称软接点。这些位置成1，表示接点通，置成0为接点断。由于它的状态是由输入刷新得到的，所以，它反映的就是输入状态。


输出锁存器与PLC内存中的输出映射区也是对应的。一个输出锁存器也有一个内存位（bit）与其对应，这个位称为输出继电器，或称输出线圈。靠运行系统程序，输出继电器的状态映射到输出锁存器。这个映射也称输出刷新。输出刷新主要也是靠运行系统程序实现的。这样，用户所要编的程序只是，内存中输入映射区到输出映射区的变换，特别是怎么按输入的时序变换成输出的时序。这是一个数据及逻辑处理问题。由于PLC有强大的指令系统，编写出满足这个要求的程序是完全可能的，而且也是较为容易的。

图 1-1-1 PLC 典型开机流程

1.1.2 可编程控制器实现控制的过程


简单地说，PLC实现控制的过程一般是：

(如图1-1-1 PLC 典型开机流程 )

输入刷新--再运行用户程序--再输出刷新--再输入刷新--再运行用户程序--再输出刷新……永不停止地循环反复地进行着。


图1－1－1所示的流程图反映的就是上述过程。它也反映了信息的时间关系。


有了上述过程，用PLC实现控制显然是可能的。因为：有了输入刷新，可把输入电路监控得到的输入信息存入PLC的输入映射区；经运行用户程序，输出映射区将得到变换后的信息；再经输出刷新，输出锁存器将反映输出映射区的状态，并通过输出电路产生相应的输出。又由于这个过程是永不停止地循环反复地进行着，所以，输出总是反映输入的变化的。只是响应的时间上，略有滞后。当然，这个滞后不宜太大，否则，所实现的控制不那么及时，也就失去控制的意义。


为此，PLC的工作速度要快。速度快、执行指令时间短，是PLC实现控制的基础。事实上，它的速度是很快的，执行一条指令，多的几微秒、几十微秒，少的才零点几，或零点零几微秒。而且这个速度还在不断提高中。


图1－1－1所示的过程是简化的过程，实际的 PLC工作过程还要复杂些。除了 I/O刷新及运行用户程序，还要做些公共处理工作。


公共处理工作有：循环时间监控、外设服务及通讯处理等。


监控循环时间的目的是避免"死循环"，避免程序不能反复不断地重复执行。办法是用"看门狗"（Watching dog）。只要循环超时，它可报警，或作相应处理.


外设服务是让PLC可接受编程器对它的操作，或通过接口向输出设备如打印机输出数据.


通讯处理是实现PLC与PLC，或PLC与计算机，或PLC与其它工业控制装置或智能部件间信息交换的。这也是增强PLC控制能力的需要。


也就是说，实际的PLC工作过程总是：公共处理--I/O刷新--运行用户程序--再公共处理--……反复不停地重复着。

1.1.3 可编程控制器实现控制的方式

用这种不断地重复运行程序实现控制称扫描方式。是用计算机进行实时控制的一种方式。此外，计算机用于控制还有中断方式。在中断方式下，需处理的控制先申请中断，被响应后正运行的程序停止运行，转而去处理中断工作（运行有关中断服务程序）。待处理完中断，又返回运行原来程序。哪个控制需要处理，哪个就去申请中断。哪个不需处理，将不被理睬。显然，中断方式与扫描方式是不同的。


在中断方式下，计算机能得到充分利用，紧急的任务也能得到及时处理。但是，如果同时来了几个都要处理的任务该怎么办呢？优先级高的还好办，低的呢？可能会出现照顾不到之处。所以，中断方式不大适合于工作现场的日常使用。


但是，PLC在用扫描方式为主的情况下，也不排斥中断方式。即，大量控制都用扫描方式，个别急需的处理，允许中断这个扫描运行的程序，转而去处理它。这样，可做到所有的控制都能照顾到，个别应急的也能进行处理。


PLC的实际工作过程比这里讲的还要复杂一些，分析其基本原理，也还有一些理论问题。有关人员如果能把上面介绍的入出变换、物理实现--信息处理、I/O电路--空间、时间关系--扫描方式并辅以中断方式，作为一种思路加以研究，弄清了它，也就好理解PLC是怎样去实现控制的，也就好把握住PLC基本原理的要点了。至于更深入的问题，在进一步学习中，将再作具体介绍。

1.2 可编程控制器基本特点


从讨论PLC的工作原理知，PLC的输入与输出在物理上是彼此隔开的，其间的联系是靠运行存储于它的内存中的程序实现。它的入出相关，不是靠物理过程，不是用线路；而是靠信息过程，用软逻辑联系。它的工作基础是用好信息。


信息不同于物质与能量，有自身的规律。信息便于处理，便于传递，便于存储；信息还可重用，等等。正是由于信息的这些特点，决定了PLC的基本特点。


下面介绍PLC的四个特点：


1.2.1 功能丰富


PLC的功能非常丰富。这主要与它具有丰富的处理信息的指令系统及存储信息的内部器件有关。


它的指令多达几十条、几百条，可进行各式各样的逻辑问题的处理，还可进行各种类型数据的运算。凡普通计算机能做到的，它也都可作到。


它的内部器件，即内存中的数据存储区，种类繁多，容量宏大。I/O继电器，可以用以存储入、出点信息的，少的几十、几百，多的可达几千、几万，以至10几万。这意味着它可进行这么多I/O点的入出信息变换，进行这么大规模的控制。
它的内部种种继电器，相当于中间继电器，数量更多。内存中一个位就可作为一个中间继电器，怎么不多！


它的计数器、定时器也很多，是继电电路所望尘莫及的。小小的箱体或模块，其内部定时器、计数器可达成百、成千。这也是因为只要用内存中的一个字，再加一些标志位，即可成为定时器、计数器，所以才那么多。


而且，这些内部器件还可设置成丢电保持的，或丢电不保持的，即上电后予以清零的。以满足不同的使用要求。这些也是继电器件所难以做到的。


它的数据存储区还可用以存储大量数据，几百、几千、几万字的信息都可以存，而且，掉电后还不丢失。


PLC还有丰富的外部设备，可建立友好的人机界面，以进行信息交换。可送入程序，送入数据，可读出程序，读出数据。而且读、写时可在图文并茂的画面上进行。数据读出后，可转储，可打印。数据送入可键入，可以读卡入，等等。


PLC还具有通讯接口，可与计算机链接或联网，与计算机交换信息。自身也可联网，以形成单机所不能有的更大的、地域更广的控制系统。


PLC还有强大的自检功能，可进行自诊断。其结果可自动记录。这为它的维修增加了透明度，提供了方便。


丰富的功能为PLC的广泛应用提供了可能；同时，也为工业系统的自动化、远动化及其控制的智能化创造了条件。


像PLC这样集丰富功能于一身，是别的电控制器所没有的；更是传统的继电控制电路所无法比拟的。

1.2.2 使用方便

用PLC实现对系统的控制是非常方便的。这是因为：首先PLC控制逻辑的建立是程序, 用程序代替硬件接线。编程序比接线，更改程序比更改接线，当然要方便得多！


其次PLC的硬件是高度集成化的，已集成为种种小型化的模块。而且，这些模块是配套的，已实现了系列化与规格化。种种控制系统所需的模块，PLC厂家多有现货供应，市场上即可购得。所以，硬件系统配置与建造也非常方便。


正因如此，用可编程序控制器才有这个"可"字。对软件讲，它的程序可编，也不难编。对硬件讲，它的配置可变，而且也易于变。


具体地讲，PLC有五个方面的方便：


（1）配置方便：可接控制系统的需要确定要使用哪家的 PLC，那种类型的，用什么模块，要多少模块，确定后，到市场上定货购买即可。


（2）安装方便：PLC硬件安装简单，组装容易。外部接线有接线器，接线简单，而且一次接好后，更换模块时，把接线器安装到新模块上即可，都不必再接线。内部什么线都不要接，只要作些必要的DIP开关设定或软件设定，以及编制好用户程序就可工作。


（3）编程方便：PLC内部虽然没有什么实际的继电器、时间继电器、计数器，但它通过程序（软件）与系统内存，这些器件却实实在在地存在着。其数量之多是继电器控制系统难以想象的。即使是小型的PLC，内部继电器数都可以千计，时间继电器、计数也以百计。而且，这些继电器的接点可无限次地使用。PLC内部逻辑器件之多，用户用起来已不感到有什么限制。唯一考虑的只是入出点。而这个内部入出点即使用得再多，也无关紧要。大型PLC的控制点数可达万点以上，哪有那么大的现实系统？若实在不够，还可联网进行控制，不受什么限制。PLC的指令系统也非常丰富，可毫不困难地实现种种开关量，以及模拟量的控制。PLC还有存储数据的内存区，可存储控制过程的所有要保存的信息。……总之，由于PLC功能之强，发挥其在控制系统的作用，所受的限制已不是PLC本身，而是人们的想象力，或与其配套的其它硬件设施了。


PLC的外设很丰富，编程器种类很多，用起来都较方便，还有数据监控器，可监控PLC的工作。使用PLC的软件也很多，不仅可用类似于继电电路设计的梯形图语言，有的还可用BASIC语言、C语言，以至于自然语言。这些也为PLC编程提供了方便。


PLC的程序也便于存储、移植及再使用。某定型产品用的PLC的程序完善之后，凡这种产品都可使用。生产一台，拷贝一份即可。这比起继电器电路台台设备都要接线、调试，要省事及简单得多。


（4）维修方便：这是因为：


①PLC工作可靠，出现故障的情况不多，这大大减轻了维修的工作量。这在讲述PLC的第三个特点时，还将进一步介绍。


②即使PLC出现故障，维修也很方便。这是因为PLC都设有很多故障提示信号，如PLC支持内存保持数据的电池电压不足，相应的就有电压低信号指示。而且，PLC本身还可作故障情况记录。所以，PLC出了故障，很易诊断。同时，诊断出故障后排故也很简单。可按模块排故，而模块的备件市场可以买到，进行简单的更换就可以。至于软件，调试好后不会出故障，再多只要依据使用经验进行调整，使之完善就是了。


（5）改用方便：PLC用于某设备，若这个设备不再使用了，其所用的PLC还可给别的设备使用，只要改编一下程序，就可办到。如果原设备与新设备差别较大，它的一些模块还可重用。

1.2.3 工作可靠

用PLC实现对系统的控制是非常可靠的。这是因为PLC在硬件与软件两个方面都采取了很多措施，确保它能可靠工作。事实上，如果PLC工作不可靠，就无法在工业环境下运用，也就不成其为PLC了。


1·在硬件方面：


PLC的输入输出电路与内部CPU是电隔离。其信息靠光耦器件或电磁器件传递。而且，CPU板还有抗电磁干扰的屏蔽措施。故可确保PLC程序的运行不受外界的电与磁干扰，能正常地工作。


PLC使用的元器件多为无触点的，而且为高度集成的，数量并不太多，也为其可靠工作提供了物质基础。


在机械结构设计与制造工艺上，为使PLC能安全可靠地工作，也采取了很多措施，可确保PLC耐振动、耐冲击。使用环境温度可高达摄氏50多度，有的PLC可高达80--90度。


有的PLC的模块可热备，一个主机工作，另一个主机也运转，但不参与控制，仅作备份。一旦工作主机出现故障，热备的可自动接替其工作。


还有更进一步冗余的，采用三取一的设计，CPU、I/O模块、电源模块都冗余或其中的部分冗余。三套同时工作，最终输出取决于三者中的多数决定的结果。这可使系统出故障的机率几乎为零，做到万无一失。当然，这样的系统成本是很高的，只用于特别重要的场合，如铁路车站的道叉控制系统。


2．在软件方面：


PLC的工作方式为扫描加中断，这既可保证它能有序地工作，避免继电控制系统常出现的"冒险竞争"，其控制结果总是确定的；而且又能应急处理急于处理的控制，保证了PLC对应急情况的及时响应，使PLC能可靠地工作。


为监控 PLC运行程序是否正常，PLC系统都设置了"看门狗"（Watching dog）监控程序。运行用户程序开始时，先清"看门狗"定时器，并开始计时。当用户程序一个循环运行完了，则查看定时器的计时值。若超时（一般不超过100ms），则报警。严重超时，还可使PLC停止工作。用户可依报警信号采取相应的应急措施。定时器的计时值若不超时，则重复起始的过程，PLC 将正常工作。显然，有了这个"看门狗"监控程序，可保证PLC用户程序的正常运行，可避免出现"死循环"而影响其工作的可靠性。


PLC还有很多防止及检测故障的指令，以产生各重要模块工作正常与否的提示信号。可通过编制相应的用户程序，对PLC的工作状况，以及PLC所控制的系统进行监控，以确保其可靠工作。


PLC每次上电后，还都要运行自检程序及对系统进行初始化。这是系统程序配置了的，用户可不干预。出现故障时有相应的出错信号提示。


正是PLC在软、硬件诸方面有强有力的可靠性措施，才确保了PLC具有可靠工作的特点。它的平均无故障时间可达几万小时以上；出了故障平均修复时间也很短，几小时以至于几分钟即可。


曾有人做过为什么要使用 PLC的问卷调查。在回答中，多数用户把PLC工作可靠作为选用它的主要原因，即把PLC能可靠工作，作为它的首选指标。

1.2.4 经济合算

高新技术的使用必将带来巨大的社会效益与经济效益，这是科技是第一生产力的体现，也是高新技术生命力之所在。PLC也是如此。


尽管使用PLC首次投资要大些，但从全面及长远看，使用PLC还是经济的。这是因为：


使用PLC的投资虽大，但它的体积小、所占空间小，辅助设施的投入少；使用时省电，运行费少；工作可靠，停工损失少；维修简单，维修费少；还可再次使用以及能带来附加价值等等，从中可得更大的回报。所以，在多数情况下，它的效益是可观的。

1.3 可编程控制器基本应用

最初，PLC主要用于开关量的逻辑控制。随着PLC技术的进步，它的应用领域不断扩大。


如今，PLC不仅用于开关量控制，还用于模拟量及数字量的控制，可采集与存储数据，还可对控制系统进行监控；还可联网、通讯，实现大范围、跨地域的控制与管理。PLC已日益成为工业控制装置家族中一个重要的角色。。


1.3.1 用于开关量控制


PLC控制开关量的能力是很强的。所控制的入出点数，少的十几点、几十点，多的可到几百、几千，甚至几万点。由于它能联网，点数几乎不受限制，不管多少点都能控制。


所控制的逻辑问题可以是多种多样的：组合的、时序的；即时的、延时的；不需计数的，需要计数的；固定顺序的，随机工作的；等等，都可进行。


PLC的硬件结构是可变的，软件程序是可编的，用于控制时，非常灵活。必要时，可编写多套，或多组程序，依需要调用。它很适应于工业现场多工况、多状态变换的需要。


用PLC进行开关量控制实例是很多的，冶金、机械、轻工、化工、纺织等等，几乎所有工业行业都需要用到它。目前，PLC首用的目标，也是别的控制器无法与其比拟的，就是它能方便并可靠地用于开关量的控制。

1.3.2 用于模拟量控制


模拟量，如电流、电压、温度、压力等等，它的大小是连续变化的。工业生产，特别是连续型生产过程，常要对这些物理量进行控制。


作为一种工业控制电子装置，PLC若不能对这些量进行控制，那是一大不足。为此，各PLC厂家都在这方面进行大量的开发。目前，不仅大型、中型机可以进行模拟量控制，就是小型机，也能进行这样的控制。


PLC进行模拟量控制，要配置有模拟量与数字量相互转换的A／D、D／A单元。它也是I/O单元，不过是特殊的 I/O单元。


A/D单元是把外电路的模拟量，转换成数字量，然后送入 PLC。D/A单元，是把 PLC的数字量转换成模拟量，再送给外电路。


作为一种特殊的I/O单元，它仍具有I/O电路抗干扰、内外电路隔离，与输入输出继电器（或内部继电器，它也是PLC工作内存的一个区。可读写）交换信息等等特点。


这里的A/D中的A，多为电流，或电压，也有为温度。D/A中的A，多为电压，或电流。电压、电流变化范围多为0～5V，0～10V，4～20mA。有的还可处理正负值的。


这里的D，小型机多为8位二进制数，中、大型多为12位二进制数。


A/D、D/A有单路，也有多路。多路占的输入输出继电器多。


有了 A/D、D/A单元，余下的处理都是数字量，这对有信息处理能力的 PLC并不难。中、大型PLC处理能力更强，不仅可进行数字的加、减、乘、除，还可开方，插值，还可进行浮点运算。有的还有PID指令，可对偏差制量进行比例、微分、积分运算，进而产生相应的输出。计算机能算的它几乎都能算。


这样，用PLC实现模拟量控制是完全可能的。控制的单位值可小到212分之一的测量程值，多数也是足够的。


PLC进行模拟量控制，还有A/D、D/A组合在一起的单元，并可用 PID或模糊控制算法实现控制，可得到很高的控制质量。


用PLC进行模拟量控制的好处是，在进行模拟量控制的同时，开关量也可控制。这个优点是别的控制器所不具备的，或控制的实现不如PLC方便。


当然，若纯为模拟量的系统，用PLC可能在性能价格比上不如用调节器。这也是应当看到的。

1.3.3 用于数字量控制

实际的物理量，除了开关量、模拟量，还有数字量。如机床部件的位移，常以数字量表示。


数字量的控制，有效的办法是NC，即数字控制技术。这是50年代诞生于美国的基于计算机的控制技术。当今已很普及，并也很完善。目前，先进国家的金属切削机床，数控化的比率已超过40％～80％，有的甚至更高。


PLC也是基于计算机的技术，并日益完善。故它也完全可以用于数字量控制。


PLC可接收计数脉冲，频率可高达几k到几十k赫兹。可用多种方式接收这脉冲，还可多路接收。有的PLC还有脉冲输出功能，脉冲频率也可达几十k。有了这两种功能，加上PLC有数据处理及运算能力，若再配备相应的传感器（如旋转编码器）或脉冲伺服装置（如环形分配器、功放、步进电机），则完全可以依NC的原理实现种种控制。


高、中档的PLC，还开发有NC单元，或运动单元，可实现点位控制。运动单元还可实现曲线插补，可控制曲线运动。所以，若PLC配置了这种单元，则完全可以用NC的办法，进行数字量的控制。


新开发的运动单元，甚至还发行了NC技术的编程语言，为更好地用PLC进行数字控制提供了方便。

1.3.4 用于数据采集


随着PLC技术的发展，其数据存储区越来越大。如OMRON公司的PLC，前期产品C60P的DM区仅64个字，而后来的C60H达到1000个字；到了CQMI可多达6000个字。这样庞大的数据存储区，可以存储大量数据。


数据采集可以用计数器，累计记录采集到的脉冲数，并定时地转存到DM区中去。
数据采集也可用A/D单元，当模拟量转换成数字量后，再定时地转存到DM区中去。


PLC还可配置上小型打印机，定期把DM区的数据打出来。


PLC也可与计算机通讯，由计算机把DM区的数据读出，并由计算机再对这些数据作处理。这时，PLC即成为计算机的数据终端。


电业部门曾这么使用PLC，用以实时记录用户用电情况，以实现不同用电时间、不同计价的收费办法，鼓励用户在用电低谷时多用电，达到合理用电与节约用电的目的。

1.3.5 用于进行监控


PLC自检信号很多，内部器件也很多，多数使用者未充分发挥其作用。


其实，完全可利用它进行PLC自身工作的监控，或对控制对象进行监控。


这里介绍一种用PLC定时器作看门狗，对控制对象工作情况进行监控的思路。


如用PLC控制某运动部件动作，看施加控制后动作进行了没有，可用看门狗办法实现监控。具体作法是在施加控制的同时，令看门狗定时器计时。如在规定的时间内动作完成，即定时器未超过警戒值的情况下，已收到动作完成信号，则说明控制对象工作正常，无需报警。


若超时，说明不正常，可作相应处理。


如果控制对象的各重要控制环节，都用这样一些看门狗"看"着，那系统的工作将了如指掌，出现了问题，卡在什么环节上也很好查找。


还有其它一些监控工作可做。对一个复杂的控制系统，特别是自动控制系统，监控以至进一步能自诊断是非常必要的。它可减少系统的故障，出了故障也好查找，可提高累计平均无故障运行时间，降低故障修复时间，提高系统的可靠性。

l.3.6 用于联网、通讯

PLC联网、通讯能力很强，不断有新的联网的结构推出。


PLC可与个人计算机相连接进行通讯，可用计算机参与编程及对PLC进行控制的管理，使PLC用起来更方便。


为了充分发挥计算机的作用，可实行一台计算机控制与管理多台PLC，多的可达32台。也可一台PLC与两台或更多的计算机通讯，交换信息，以实现多地对PLC控制系统的监控。
PLC与PLC也可通讯。可一对一PLC通讯。可几个PLC通讯。可多到几十、几百。


PLC与智能仪表、智能执行装置（如变频器），也可联网通讯，交换数据，相互操作。
可联接成远程控制系统，系统范围面可大到10公里或更大。


可组成局部网，不仅PLC，而且高档计算机、各种智能装置也都可进网。可用总线网，也可用环形网。网还可套网。网与网还可桥接。联网可把成千上万的PLC、计算机、智能装置组织在一个网中。


网间的结点可直接或间接地通讯、交换信息。


联网、通讯，正适应了当今计算机集成制造系统（CIMS）及智能化工厂发展的需要。它可使工业控制从点（Point）、到线（（Line）再到面（Aero），使设备级的控制、生产线的控制、工厂管理层的控制连成一个整体，进而可创造更高的效益。这个无限美好的前景，已越来越清楚地展现在我们这一代人的面前。


以上几点应用是着重从质上讲的。从量上讲，PLC有大、有小。所以，它的控制范围也可大、可小。小的只控制一个设备，甚至一个部件，一个站点；大的可控制多台设备，一条生产线，以至于整个工厂。可以说，工业控制的大小场合，都离不开PLC。


一般讲，工业生产过程可分为两种类型；连续型生产过程（如化学工业）及非连续型，即离散型生产过程（如机械制造业）。前者生产对象是连续的，分不出件的；后者为离散的，一件件的。由于PLC有上述几个方面的应用，而且，控制的规模又可大、可小，所以，这两种类型的生产过程都有其用武之地。


事实上，PLC已广泛应用于工业生产的各个领域。从行业看，冶金、机械、化工、轻工、食品、建材等等，几乎没有不用到它的。不仅工业生产用它，一些非工业过程，如楼宇自动化、电梯控制也用到它。农业的大棚环境参数调控，水利灌溉也用到它。


PLC能有上述几个范围广泛的应用，是PLC自身特点决定的，也是PLC技术不断完善的结果。

1.4 可编程控制器基本类型


可编程控制器类型很多，可从不同的角度进行分类：


1.4.1 按控制规模分


控制规模主要指控制开关量的入、出点数及控制模拟量的模入、模出，或两者兼而有之（闭路系统）的路数。但主要以开关量计。模拟量的路数可折算成开关量的点，大致一路相当于8～16点。


依这个点数，PLC大致可分为微型机、小型机、中型机及大型机、超大型机。


微型机控制点仅几十点，为OMRON公司的CPM1A系列PLC，西门子的Logo仅10点。


小型机控制点可达100多点。如OMRON公司的C60P可达148点，CQM1达256点。德国西门子公司的S7-200机可达64点。


中型机控制点数可达近 500点，以至于千点。如 OMRON公司 C200H机普通配置最多可达700多点，C200Ha机则可达1000多点。德国西门子公司的S7300机最多可达512点。


大型机：控制点数一般在1000点以上。如OMRON公司的C1000H、CV1000，当地配置可达1024点。C2000H、CV2000当地配置可达2048点。


超大型机：控制点数可达万点，以至于几万点。如美国GE公司的90－70机，其点数可达24000点，另外还可有8000路的模拟量。再如美国莫迪康公司的 PC－E984 --785机，其开关量具总数为32k（32768），模拟量有2048路。西门子的SS－115U－CPU945，其开关量总点数可达8k，另外还可有512路模拟量。等等。


以上这种划分是不严格的，只是大致的，目的是便于系统的配置及使用。


一般讲，根据实际的I/O点数，凡落在上述不同范围者，选用相应的机型，性能价格比必然要高；相反，肯定要差些。


自然，也有特殊情况。如控制点数不是非常之多，不是非用大型机不可，但因大型机的特殊控制单元多，可进行热备配置，因而采用了大型机。

1.4.2 按结构划分

PLC可分为箱体式及模块式两大类。微型机、小型机多为箱体式的，但从发展趋势看，小型机也逐渐发展成模块式的了。如OMRON公司，原来小型机都是箱体式，现在的CQM1则 为模块式的。


箱体的 PLC把电源、CPU、内存、I/O系统都集成在一个小箱体内。一个主机箱体就 是一台完整的PLC，就可用以实现控制。控制点数不符需要，可再接扩展箱体，由主箱体及若干扩展箱体组成较大的系统，以实现对较多点数的控制。


模块式的PLC是按功能分成若干模块，如CPU模块、输入模块、输出模块、电源模块等等。大型机的模块功能更单一一些，因而模块的种类也相对多些。这也可说是趋势。目前一些中型机，其模块的功能也趋于单一，种类也在增乡。如同样OMRON 公司C20系列PLC，H机的CPU单元就含有电源，而Ha机则把电源分出，有单独的电源模块。


模块功能更单一、品种更多，可便于系统配置，使PLC更能物尽其用，达到更高的使用效益。


由模块联结成系统有三种方法：


①无底板，靠模块间接口直接相联，然后再固定到相应导轨上。OMRON公司的CQM1机就是这种结构，比较紧凑。


②有底板，所有模块都固定在底板上。OMRON公司的C200Ha机，CV2000等中、大型机就是这种结构。它比较牢固，但底板的槽数是固定的，如3、5、8、10槽等等。槽数与实际的模块数不一定相等，配置时难免有空槽。这既浪费，又多占空间，还得占空单元把多余的槽作填补。


③用机架代替底板，所有模块都固定在机架上。这种结构比底板式的复杂，但更牢靠。一些特大型的PLC用的多为这种结构。

1.4.3 按生产厂家分

目前生产PLC的厂家较多。但能配套生产，大、中、小、微型均能生产的不算太多。较有影响的，在中国市场占有较大份额的公司有：


德国西门子公司：它有SS系列的产品。有SS－95U、100U、115U、135U及155U。135U、155U为大型机，控制点数可达6000多点，模拟量可达300多路。最近还推出S7系列机，有S7-200（小型）、S7-300（中型）及S7-400机（大型）。性能比S5大有提高。


日本OMRON公司：它有CPM1A型机，P型机，H型机，CQM1、CVM、CV型机，Ha型、F型机等，大、中、小、微均有，特别在中、小、微方面更具特长，在中国及世界市场，都占有相当的份额。


美国GE公司、日本FANAC合资的GE－FANAC的90－70机也是很吸引人的。据介绍。它具有25个特点。诸如，用软设定代硬设定，结构化编程，多种编程语言，等等。它有914、781／782、771／772、731／732等多种型号。另外，还有中型机90－30系列，其型号有344、331、323、321多种；还有90－20系列小型机，型号为211。


美国莫迪康公司(施奈德)的984机也是很有名的。其中E984－785可安31个远程站点，总控制规模可达63535点。小的为紧凑型的，如984-120，控制点数为256点，在最大与最小之间，共20多个型号。


美国AB（Alien－Bradley）公司创建于1903年，在世界各地有20多个附属机构，10多个生产基地。可编程控制器也是它的重要产品。它的PLC－5系列是很有名的，其下有PLC－5/10，PLC－5/11，……PLC－5/250多种型号。另外，它也有微型PLC，SLC－500即为其中一种。有三种配置，20、30及 40 I/O配置选择，I/O点数分别为 12/8、18/12及 24/16三种。


日本三菱公司的PLC也是较早推到我国来的。其小型机FI前期在国内用得很多，后又推出FXZ机，性能有很大提高。它的中、大型机为A系列。AIS、AZC、A3A等。


日本日立公司也生产PLC，其E系列为箱体式的。基本箱体有E-20、E-28、E－40、E－64。其 I/O点数分别为 12/8、16/12、24/16 及 40/24。另外，还有扩展箱体，规格与主箱体相同其EM系列为模块式的，可在16～160之间组合。


日本东芝公司也生产PLC，其EX小型机及EX－PLUS小型机在国内也用得很多。它的编程语言是梯形图，其专用的编程器用梯形图语言编程。另外，还有EX100系列模块式PLC，点数较多，也是用梯形图语言编程。


日本松下公司也生产PLC。FPI系列为小型机，结构也是箱体式的，尺寸紧凑。FP3为模块式的，控制规模也较大，工作速度也很快，执行基本指令仅0·l微秒。


日本富士公司也有PLC。其NB系列为箱体式的，小型机。NS系列为模块式。


美国IPM公司的IP1612系列机，由于自带模拟量控制功能，自带通讯口，集成度又非常之高，虽点数不多，仅16入，12出，但性价比还是高的，很适合于系统不大，但又有模拟量需控制的场合。新出的lP3416机，I/O点数扩大到34入、12出，而且还自带一个简易小编程器，性能又有改进。


国内PLC厂家规模多不大。最有影响的算是无锡的华光。、它也生产多种型号与规格的PLC，如SU、SG等，发展也很快，在价格上很有优势。相信会在世界PLC之林中一定有其位置的。

1.5 可编程控制器的基本性能


可编程控制器的基本性能可用如下八条予以概括：


1.5.1 工作速度


工作速度是指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。工作速度是PLC工作的基础。速度高了，才可能通过运行程序实现控制，才可能不断扩大控制规模，才可能发挥PLC的多种多样的作用。


PLC的指令是很多的。不同的PLC。指令的条数也不同。少的几十条，多的几百条。指令不同，执行的时间也不同。但各种PLC总有一些基本指令，而且各种的PLC都有这些基本指令，故常以执行一条基本指令的时间来衡量这个速度。这个时间当然越短越好，已从微秒级缩短到零点微秒级。并随着微处理器技术的进步，这个时间还在缩短。


执行时间短可加快PLC对一般输入信号的响应速度。从讨论PLC的工作原理知，从对PLC加入输入信号，到PLC产生输出，最理想的情况也要延迟一个PLC运行程序的周期。因为PLC监测到输入信号，经运行程序后产生的输出，才是对输入信号的响应。不理想时，还要多延长一个周期。当输入信号送入PLC时，PLC的输入刷新正好结束，就是这种情况。这时，要多等待一个周期，PLC的输入映射区才能接受到这个新的输入信号。对一般的输入信号，这个延迟虽可以接受，但对急需响应的输入信号，就不能接受了。对急需处理的输人信号延迟多长时间PLC能予以响应，要另作要求。


为了处理急需响应的输入信号，PLC有种种措施。不同的PLC措施也不完全相同，提高响应速度的效果也不同。一般的作法是采用输入中断，然后再输出即时刷新，即中断程序运行后，有关的输出点立即刷新，而不等到整个程序运行结束后再刷新。


这个效果可从两个方面来衡量：一是能否对几个输入信号作快速响应；二是快速响应的速度有多快。多数PLC都可对一个或多个输入点作快速响应，快速响应时间仅几个毫秒。性能高的、大型的PLC响应点数更多。


工作速度关系到PLC对输入信号的响应速度，是PLC对系统控制是否及时的前提。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。

1.5.2 控制规模

控制规模代表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。


控制规模与速度有关。因为规模大了，用户程序也长，执行指令的速度不快，势必延长PLC循环的时间，也必然会延长PLC对输入信号的响应。为了避免这个情况，PLC的工作速度就要快。所以，大型PLC的工作速度总是比小的要快。


控制规模还与内存区的大小有关。规模大，用户程序长，要求有更大的用户存储区。同时点数多，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。这个区大，相应地内部器件（解释见后）也要增多，这些都要求有更大的系统存储区。


控制规模还与输入、输出电路数有关。如控制规模为1024点，那就得有1024条I/O电路。这些电路集成于I/O模块中，而每个模块有多少路的I/O点总是有数的。所以，规模大，所使用的模块也多。


控制规模还与PLC指令系统有关。规模大的PLC指令条数多，指令的功能也强，才能应付对点数多的系统进行控制的需要。


控制规模是对PLC其它性能指标起着制约作用的指标；也是PLC划分为微、小、中、大和特大型

1.5.3 组成模块

PLC的结构虽有箱体及模块式之分，但从质上看，箱体也是模块，只是它集成了更多的功能。在此，不妨把PLC的模块组成当作所有PLC的结构性能。


这个性能含义是指某型号PLC具有多少种模块，各种模块都有什么规格，并各具什么特点。


一般讲，规模大的PLC，档次高的PLC模块的种类也多，规格也多，反映它的特点的性能指标也高。但模块的功能则单一些。相反，小型PLC、档次低的PLC模块种类也少，规格也少，指标也低。但功能则多样些，以至于集成为箱体。


组成PLC的模块是PLC的硬件基础，只有弄清所选用的PLC都具有那些模块及其特点，才能正确选用模块，去组成一台完整的PLC，以满足控制系统对PLC的要求。


常见的PLC模块有：


CPU模块，它是PLC的硬件核心。PLC的主要性能，如速度、规模都由它的性能来体现。
电源模块，它为PLC运行提供内部工作电源，而且，有的还可为输入信号提供电源。
I/O模块，它集成了I/O电路，并依点数及电路类型划分为不同规格的模块。


内存模块，它主要存储用户程序，有的还为系统提供辅加的工作内存。在结构上内存模块都是附加于CPU模块之中。


底板、机架模块，它为PLC各模块的安装提供基板，并为模块间的联系提供总线。若干底板间的联系有的用接口模块，有的用总线接口。不同厂家或同一厂家但不同类型的PLC都不大相同。


箱体式的小型PLC的主箱体就是把上述几种模块集成在一个箱体内的，并依可能提供I/O点数的多少，划分为不同的规格。


箱体式的 PLC还有I/O扩展箱体，它不含 CPU，仅有电源及I/O单元的功能。扩展箱体也依I/O点数的多少划分有不同的规格。


除上述模块，PLC还有特殊的或称智能或称功能模块。如A/D（模入）模块、D/A（模出）模块、高速计数模块、位控模块、温度模块等等。这些模块有自己的CPU，可对信号作预处理或后处理，以简化PLC的CPU对复杂的程控制量的控制。智能模块的种类、特性也大不相同，性能好的PLC，这些模块种类多，性能也好。


通讯模块，它接人PLC后，可使PLC与计算机，或PLC与PLC进行通讯，有的还可实现与其它控制部件，如变频器、温控器通讯，或组成局部网络。通讯模块代表PLC的组网能力，代表着当今PLC性能的重要方面。


掌握PLC性能，一定要了解它的模块，并通过了解模块的性能，去弄清楚PLC的性能。
除了模块，PLC还有外部设备。


尽管用PLC实现对系统的控制可不用外部设备，配置好合适的模块就行了。然而，要对PLC编程，要监控PLC及其所控制的系统的工作状况，以及存储用户程序、打印数据等，就得使用PLC的外部设备。故一种PLC的性能如何，与这种PLC所具外部设备丰富与否，外部设备好用与否直接相关。


PLC的外部设备有四大类：


编程设备：简单的为简易编程器，多只接受助记将编程，个别的也可用图形编程（如日本东芝公司的EX型可编程控制器）。复杂一点的有图形编程器，可用梯形图语编程。有的还有专用的计算机，可用其它高级语编程。编程器除了用于编程，还可对系统作一些设定，以确定PLC控制方式，或工作方式。编程器还可监控PLC及PLC所控制的系统的工作状况，以进行PLC用户程序的调试。


监控设备：小的有数据监视器，可监视数据；大的还可能有图形监视器，可通过画面监视数据。除了不能改变PLC的用户程序，编程器能做的它都能做，是使用PLC很好的界面。性能好的PLC，这种外部设备已越来越丰富。


存储设备：它用于永久性地存储用户数据，使用户程序不丢失。这些设备，如存储卡、存储磁带、软磁盘或只读存储器。而为实现这些存储，相应的就有存卡器、磁带机、软驱或ROM写入器，以及相应的接口部件。各种PLC大体都有这方面的配套设施。


输入输出设备：它用以接收信号或输出信号，便于与PLC进行人机对话。输入的有条码读入器，输入模拟量的电位器等。输出的有打印机、编程器、监控器虽也可对PLC输入信息，从PLC输出信息，但输入输出设备实现人机对话更方便，可在现场条件下实现，并便于使用。随着技术进步，这种设备将更加丰富。


外部设备已发展成为PLC系统的不可分割的一个部分。它的情况，当然是选用PLC必须 了解的重要方面，所以也应把它列为PLC性能的重要内容。

1.5.4 内存容量

PLC内存有用户及系统两大部分。用户内存主要用以存储用户程序，个别的还将其中的一部分划为系统所用。系统内存是与CPU配置在一起的。CPU既要具备访问这些内存的能力，还应提供相应的存储介质。


用户内存大小与可存储的用户程序量有关。内存大，可存储的程序量大，也就可进行更为复杂的控制。从发展趋势看，内存容量总是在不断增大着。大型PLC的内存容量可达几十k，以至于一百多k。系统内存对于用户，主要体现在PLC能提供多少内部器件。不同的内部器件占据系统内存的不同区域。在物理上并无这些器件，仅仅为RAM。但通过运行程序进行使用时，给使用者提供的却实实在在有这些器件。


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。它也是代表

PLC性能的重要指标。


PLC内部器件有：


I/O继电器，或称映射区。它与PLC所能控制的I/O点数及模拟量的路数直接相关。


内部继电器数，有的称为标志位数，代表着PLC的内部继电器数。它与I/O继电器区相联系着，有时与后者相联系进行处理。内部继电器多，便于PLC建立复杂的时序关系，以实现多种多样的控制要求。一般讲，内部继电器数比I/O 继电器要多得多。


有的内部继电器还可丢电保持，即它的状态（ON或OFF）、PLC丢电后，靠内部电池仍予以保持。再上电后可继续丢电前的状态。保持继电器可增强PLC控制能力，特别对记录故障，故障排除后恢复运行，更显得有用。


定时器，可进行定时控制。定时值可任意设定。定时器有多少，设定范围有多大，设定值的分辨率又是多少，这些都代表定时器件的性能。


计数器，可进行计数，到达某设定计数值可发送相应信号。可进行什么样的计数，计数范围多大，怎么设定，有多少计数器，则是PLC计数器性能的代表指标。


数据存储区，用以存储工作数据。多以字、两字或多字为单位予以使用，是PLC进行模拟量控制，或记录数据所必不可少的。这个存储区的大小代表PLC的性能也是越大越好。趋势也是越来越大。小型机也如此。如日本OMRON公司的CQM1机，其DM区就有6k字。而过去同是小型机的C60P的DM区才64个字。大型机的DM可达10K以至几十K。


此外还有其它一些内部器件，了解某PLC性能时，也都必须掌握它。


内部器件也是PLC指令的操作数，不弄清楚是无法编程的。