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PLC的主要分类及应用

日期： 2020-07-16

来源：电子发烧友

PLC（Programmable Logic Controller）即可编程序逻辑控制器是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作电子系统，也是现代工业自动化系统的重要组成部分，那么它是怎么诞生的呢？今天我们来捋一捋。

工业需求催生PLC诞生

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年期间，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。

在此背景下，1947年12月23日，美国贝尔实验室正式地成功演示了第一个基于锗半导体的具有放大功能的点接触式晶体管，标志着现代半导体产业的诞生和信息时代的开启，为后续的工业自动化控制飞速发展奠定了基础。

1968年，美国通用汽车公司在对工厂生产线调整时，发现继电器、接触器控制系统修改难、体积大、噪声大、维护不方便以及可靠性差，于是提出“通用十条”招标指标，意在取代继电气控制装置。

成立于1957年的DEC公司（美国数字设备公司），一直专注于开发小型计算机系统，看到通用汽车的招标要求后，创始人之一奥尔森接标，最终DEC开发了一套全新的控制系统——PDP-14，用于控制齿轮磨床，这就是世界上第一台可编程逻辑控制器。

PDP-14本质是把DEC最成功的“迷你机”PDP-8增加了工业I / O接口，由一个控制单元和几个外部接口盒组成；控制单元包括一个可变大小的ROM，最多包含4k的12位指令；存储器分为256个字节；通过扩展最多可以处理256个输入输出。

但DEC的PDP-14有一个缺陷，就是修改程序需要把产品发回DEC公司，整个处理过程耗时一周，导致它运行至1970年后被替换。

PDP-14的诞生，其实只是PLC出现的开胃菜，与DEC同时竞标的还有信息仪表公司（3-I）和贝德福德协会（Bedford Associates），他们也分别推出了相应的产品。

信息仪表公司（3-I）为通用交付的设备为PDQ-II，其最大的优势是能提供高级逻辑运算功能，适用于正离合器生产线的控制。但该产品也存在修改程序不便的缺陷，在GM一直运行到1971年后，被Modicon 084全面替换。

PLC的主要分类及应用

接下来主角诞生了，由Dick Morley和George Schwenk于1964年成立的贝德福德协会（Bedford Associates）也获得了通用的原型机测试资格。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。

1968年Bedford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”。

084编程相对简单，用户插入编程单元，选择适当的软件模块，然后键入梯形图即可快速进行编程；同时安装在硬质外壳内，提高了安全等级，这是DEC的PDP-14、3-I的PDQ-II所无法比拟的，最终在1971年全面替代另两个竞品。

Modicon随后又于1973年推出“184”、1975年推出“284”、1979年推出工业通信网络Modbus、1994年推出Quantum（中文名“昆腾”）系列PLC，最终于1997年被施耐德收购并成为施耐德旗下第4个主要品牌。

而Dick Morley所发明的“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”。

对自己所发明的PLC产品对工业的贡献，Dick Morley曾在采访中如此比喻：IPod卖的是音乐，奔驰卖的是知名度；而PLC卖的是上市时间，汽车制造商原本要6-9个月的时间才能使新产品上市，用了PLC后就只需要6-9周，这相当于节省了很大一笔钱！

进入快速发展期

Dick Morle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，这就是第一代可编程序控制器，但当时还不叫PLC，而是叫做PC（Programmable Controller）。

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公司将可编程序控制器命名为可编程序逻辑控制器Programmable Logic Controller，即PLC，并将“PLC”作为其产品的注册商标。

当美国人发明了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SIMA TICS4的可编程逻辑控制器。

虽然现在的中国在半导体领域很弱，但在上世纪，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年开始在工业上进行应用。

从上世纪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。更高的运算速度、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。

自上世纪80年代初开始，PLC在先进工业国家中已获得广泛应用，同时世界上生产PLC的国家日益增多，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，年增长率一直保持为30~40%。

在这时期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系统。

到20世纪末期，工业发展大爆发，诞生了各种各样的大型机和超小型机、特殊功能单元、各种人机界面单元、通信单元等产品，为更加适应于现代工业，使应用可编程逻辑控制器的工业控制设备的配套变得更加容易。

在多年的生产实践中，PLC已经与DCS（集散控制系统）、IPC（工业计算机技术）三足鼎立，同时还在其它的单回路智能式调节器等在市场上占一定的市场份额。近年， IPC和FCS（现场总线技术）发展迅速，挤占了一部分PLC市场，PLC增长速度出现渐缓的趋势，但其在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位，仍将是无法取代的存在。

从上世纪90年代开始，PLC就根据I/O点数发展出小、中、大型等多种类型产品。

小型PLC

I/O点数《 256点；单CPU、8位或16位处理器、用户存储器容量4K字以下；主要代表产品有美国通用电气（GE）公司的GE-I型、美国德洲仪器公司的TI100日本三菱电气公司的F/F1/F2、日本立石公司（欧姆龙）的C20/C40、德国西门子公司的S7-200、日本东芝公司的EX20/EX40、中外合资无锡华光电子工业有限公司的SR-20/21等；

中型PLC

I/O点数256～2048点；双CPU，用户存储器容量2～8K，代表产品有德国西门子公司的S7-300、无锡华光的SR-400、德国西门子公司的SU-5/SU-6、日本立石公司的C-500、GE公司的GE-Ⅲ等；

大型PLC

I/O点数》 2048点；多CPU，16位、32位处理器，用户存储器容量8～16K，代表产品有德国西门子公司的S7-400、GE公司的GE-Ⅳ、立石公司的C-2000、三菱公司的K3等。

目前大型、超大型的PLC产品也不少，单机支持300回路和65000点I/O设备也日益得到重视。不过整体看， I/O点数≤64的PLC销售额占整体PLC市场总量的47%，64~256点数PLC占31%，微型、小型PLC占据市场的绝对主流，而I/O点数大于256的中型、大型、超大型PLC累计市场容量才22%。

PLC主要应用于纺织、机械、电梯、冶金、电力、石油、市政、化工、楼宇建筑、建材、机床、塑料机械、橡胶机械、电子专用设备等行业，而汽车业是最有潜力的PLC行业之一。

目前全球300多品种PLC产品中，应用在汽车上的最多，达23%，其后分别为粮食加工（16.4%）、化学/制药（14.6%）、金属/矿山（11.5%）、纸浆/造纸（11.3%）等行业。

主要品牌中，西门子、施耐德、罗克韦尔（A-B）、OMRON、三菱、GE等少数几家企业是绝对的行业巨头，其中罗克韦尔、施耐德、西门子长期把持中国大型PLC市场的强三强，西门子独占中型PLC市场半壁江山。

而国内的30家PLC生产厂家中，都没有形成颇具规模的生产能力和名牌产品，我国尚未形成PLC制造产业化；不过已经可以在小型、微型等PLC领域与国际品牌同台竞技。

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电力电子技术的主要应用领域

电源设计中的电力电子技术

现代计算机和通信等都依赖于开关模式变换器的直流电源，这些电源装置可以是笔记本电脑的电池管理变换器，也可以是服务器簇的冗余供电的多变换器电源，或是程控交换机的电源。它们具有多路独立输出、多电压等级的特点，以供给计算机及其外设和显示屏之需。这种小功率电源系统的设计也处处渗透着电力电子技术的最新成就。

分布式供电技术。给计算机系统供电的分布式结构电源.包括个离线式有源功率因数校正（PFC）电路和后级的不同负载点的多个DC/DC.变换器。这种结构因使用中间电压级来进行功率分N而不同干传统的隆压功率变换结构。近期会采用12V的电压总线或 48V 的电压总线，通过各 DC/DC. 变换器把能量传递到各独立的功能板或子系统中。

高动态响应、低电压（2 V以下，甚至1V以下）输出的高性能计算机电源系统正在开发之中。这就需要高功率密度、低功耗、高效率的性能指标，以及同步整流、多相多重、板上功率变换以及板级互联等新技术。到 2004年初，国外实验室已开发出70 A/1.2V、效率87%的局性能电源。在不久的将来，一种更先进的芯片级的互联技术和功率变换技术将会出现在世人面前。

通信工业是供电电源和电池的最大用户之一，使用范围从无绳电话的小电源到超高可靠性的后备电源系统。例如，维持中央办公区电话网络通信的典型电源系统是一个5kW的功率变换器，它由一个前端离线功率因数矫正（PFC）升压变换器和两个2.5kW 的前向变换器组成。前端离线 PFC升压变换器确保电源系统的可靠供电.后端的前向变换器给电话系统直流48V的配电总线提供大电流输出。该领域甚至有其自己主要的年会——国际通信能源会议（INternational TELecommunication Energy Conference，INTELEC）。

太空中电能的产生和储存都很困难，电源在设计上的限制，诸如重量、效率和可靠性等的严格要求，可以说把对电力电子技术研究的努力推向了极致。

太阳能申池、料申池、执申核能，申池组和飞轮，是卫屋和太空探测器的主要电源和储能装置。在绝大多数情况下，因这些电源功率小日电特性不稳定，因此必须应用电力电子技术把这些能源转换成可用的形式，才能满足使用的要求。

现代太空电源系统非常庞大。例如，一个典型的通信卫星就装备有数百个独立直流电源，为每个网络节点提供最可靠的电能;国际太空站上，用以维持科学探索任务和生命支持系统的冗余电源和馈电设备异常复杂。在太空上。因为所有电能损耗的热量都通过辐射冷却的形式散发到太空中，这些电源系统在高温差和强辐射的环境下要确保其可靠性，其挑战性是巨大的.所以电源系统的热管理尤其重要。当今许多基本的由力由子变换由路最初都是为太空系统设计的，如早期的DC/DC变换器和燃料电池，就是为20 世纪 60年代的太空计划而开发的.其中包括阿波罗登月计划。当今.美国航空航天局.欧洲的大空署，以及它们的主要技术供货商，都是先进电力电子技术的国际巨头。

电机传动中的电力电子技术

在 20世纪 90年代中期以前，大多数调速系统都由采用晶闸管和双向晶闸管器件的变换器供电，最典型的是晶闸管-直流电机调速系统。20世纪 70年代功率晶体管问世后，在功率等级较低的电机中逐步采用了功率晶体管变换器.以获得较好的申电机调速性能。20世纪 90年代中期以来，大功率IGBT的应用，以及 IGBT逆变技术的成熟和发展，迅速在相关功率等级的应用领域取代了晶闸管和双向晶闸管。早期的逆变器，主要用于步进电机.打印机，机器人以及磁盘驱动器等小功率应用中。在大中功率段常用的交一直一交逆亦器有两类。

IGRT变频器和GTO变额器。这些逆变器开始主要用于20~100kW等级的由机传动系统中。如电动汽车电机传动系统、电力机车的辅助传动系统。随着器件容量和装置功率的增加，逐步应用于容量为300~1 000 kW 及其以上的电机传动中，如地铁列车和高速电动车组的牵引传动系统中。由于装置功率大，低压时电流很大不经济，所以一般用中压（1~10kV）。这两种器件各有优缺山.IGBT开关频率高.但导通压隆和损耗大;GTO电压高，电流大，导通压降小.但开关损耗大、开关频率低。

但考虑到驱动等因素，总体上IGBT要受欢迎得多。针对IGBT和 GTO的优缺点，取长补短，开发出了IGCT（集成门极换向晶闸管），它的电压、电流、导通压降和 GTO相近，门极电压驱动，开关快、频率高，像IGBT。目前，商品化的IGBT逆变器已经做到1 000 kW以上，而像舰船潜艇一类的数千千瓦等更高容量的电机传动系统逆变器仍然须采用GTO 或 IGCT。IGCT逆变器在俄国和韩国已有应用，我国也已试验成功。三相逆变器在大功率电机中的真正实用化，极大地推动了交流电机调速的发展。

电力系统中的电力电子技术

电力系统是电力电子技术应用的一个重要领域。近年来电力电子器件和计算机技术的快速发展，使已有的研究成果和技术不断得到改善。最早成功应用于电力系统的大功率电力电子技术是高压自流输电（HVDC））。

1986年美国电力科学研穿院提出了灵活交流输由（FACTS）概念，相继出现了统一潮流控制器等多种设备。

1988年提出了定制电力（Customer Power）的概念。电力电子技术在电力系统中的应用，如在发电环节中的应用，包括大型发电机的静止励磁控制，水力、风力发申机的变速恒频励磁等。在输电环节中高压直流输电（HVDC）和轻型高压直流输电（HVDC Light）技术。近年来，轻型直流输电采用IGBT组成换流器应用在脉宽调制技术进行无源逆变;灵活交流输电（FACTS）技术是"一项基于电力电子技术与现代控制技术对交流输电系统的阻抗、电压及相位实施灵活、快速调节的输电技术"。

在配电系统中的应用，如动态无功发生器、电力有源滤波器等，以加强供电可靠性和提高电能质量。电能质量控制既要满足对电压形率，谐波和不对称度的要求。又要抑制各种瞬态的波动和十扰。电力电子技术和现代控制技术在配申系统中的应用.是在FACT各项成敦技术的基础上发展起来的电能质量控制新技术。

汽车工业中的电力电子技术

汽车工业领域已成为电力电子技术的主要增长占之—。现在人们习惯上说的治车由子实际上就是汽车工业中的电力电子技术。电力电子在新一代汽车上主要应用于以下方面;用电力电子开关器件替代传统的机械开关和继电器;用电力电子控制系统对车上负载进行精密控制∶利用电力电子技术改造原有的12V电源系统，使之成为多电压系统;使用适合电力申千控制的、更先进的驱动申动机。预计在不久的将来.从小功率的车窗座椅控制。到大功率电传动系统，都蕴涵着电力电子技术的最新成就。

电子点火器，电压调节器，电动机驱动控制和音响系统是当前电力电子技术在汽车工业中最普遍的应用。现代汽车采用电子点火系统，要点燃气缸里的混合气体需要几千伏的电压，应用升压变换器和耦合变压器正在取代传统的火花塞。全电子控制的电助力驾驶系统正在某些车型上采用、这种系统应用电力电子技术控制电机，协助转动驾驶杆，改进了驾驶响应速度，降低了能耗，并消除了皮带传动的噪声，正在取代传统的皮带传动的液压泵。

电制冷空调系统也开始在汽车上装备。汽车头灯的强光灯和尾灯的高亮度LED灯也需要电力电子技术以有效的形式传递电能。一个重大的技术进步是要提高汽车电控系统的电压等级，近期将采用40-50 V等级取代目前的 10~15V等级。比如，汽车音响系统立体声功率放大器通常能传递 40W甚至更大的功率，但12V的供电电源在8 Q的扬声器上最大只能产生18 W的输出，采用电力电子升压变换器可给功率放大器电路提供更高的电压，使之达到家用音响的效果。

在电动汽车和混合动力汽车的主电气系统中.电力申子都起着决定件的作用。纯电动汽车具有高性能、零排放，低成本的优点.但目前仍受电池的阳限制。混合动力汽车采用各种各样的设计方案，把发动机和电驱动系统结合在一起，充分发挥各自的优点。两种汽车的能量控制单元都是逆变器和 DC/DC. 变换器，其容量在千瓦级以上。

采用更高电压、传递更大电流的新型充电器已经诞生。比如一种称为 Hughes 的感应充电器就很有新意。它使用一种类似乒乓球拍的不导电磁性拍板进行感应充电。该磁性拍板相当于变压器的一次侧，它把工频电压转变为80 kHz 的交流电。电动汽车中的充电埠相当于变压器的二次侧，它把高频交流电进行整流和调节.然后对汽车里的电池组进行充电电力电子技术更是电动汽车的核心技术之一，最为主要的是驱动电动机的电传动系统。汽车电传动系统通常由电力电子变换器、电池和控制系统构成。目前新型的电动汽车采用感应电动机，无刷永磁电动机开关磁阳电动机等多种形式.容量从几十到几百干瓦不等，正在逐步取代传统的直流电动机驱动。电力电子变换技术的发展为汽车的新型传动方式提供了坚实的技术保障。

绿色照明中的电力电子技术

照明是人类文明的永恒需求。电光源在 100多年里经历了"白炽灯一直管荧光灯—高压放电灯—节能荧光灯—无灯丝灯"等几代产品。

20世纪 80年代，随着电力电子变频技术的发展成熟，高频应用又促成某些更新一代电光源的诞生，从此，电力电子在绿色照明中开始占有重要的一席之地。可以说，照明技术的迅速变革，是电力电子技术在其中起了主要作用。

一个典型的例子是，紧凑型节能灯和电子镇流器的问世，吹响了以照明节能为核心的绿色照明的前奏曲。采用不同成分的稀土荧光粉可制成各种色温的气体放电节能灯，发光率比常规荧光灯提高一一倍，可以做成各种形状便干紧率安装，替代白炽灯T。可节电75%~80%采用电力电子技术做成的电子镇流器实际上是一个电子变频器（从50 Hz变换到30 kHz以上）加一个高频电感镇流器。

由于频率提高，di/dt 高，不再需要配置起辉器，在供电电压降低或环境温度较低的场合也能使灯管正常工作，此外，在几十千赫频率下消除了气体放电灯的烁和音颗噪声。采用申子镇流器后，高频电感比工频电感重量减轻几十倍，节省材料 80%左右，灯管的实际工作寿命延长3~5倍.同时能提供更好的可靠性、更低的损耗、更高的亮度。由于电子镇流器体积小、反应快，它可以在照相机闪光灯和汽车灯等应用领域中使用。应该说，电子镇流器是电力电子高频化应用中的一个典型产品，许多的电力电子新技术——功率因数校正、谐波抑制、零电压开关、多种保护等都可以在高性能电子镇流器中得到应用而提高其可靠性和改善运行参数。

新能源开发中的电力电子技术

在全球气候变化和世界石油、煤炭等化石能源日益紧缺的今天，低耗高效和寻找开发新能源是根本出路，因而，可再生能源以及燃料电池受到世界各国的高度重视。再生能源是指可自行再生的能源，如日光能、风能、潮汐能、地热能以及生物废料能等。从燃料电池、微燃气轮机.风能，太阳能和潮汐能等新能源中得到的一次电能，难以直接被标准的电气负载使用.所以.将其高数而经济地转换为民生用电。已成为先进科技国家兼环保和发电的重要产业政策。电力电子是解决能源问题的关键技术，它对新能源的开发、转换、输送、储存和利用等各方面发挥着重要作用。

太阳能发电站一般有两种方式。一种方式是把太阳能转换为热液体后再发电，如太阳能热电厂。由液体加热系统产生蒸汽以推动涡轮或发电机热厂中的热能位储存装置可保证连续发电;另一种方法是直接把太阳能转换为电能，太阳能光伏变频器把太阳能电池板获得的原始低电压直流电变换为所需要的交流电，或直接供负载使用，或将电能馈入市电。光伏发电有广大的市场发展潜力，先进国家不仅政策性地发展太阳能技术，而且立法制定法规来规范产业安全标准。太阳能电池板获得的电压大小和功率与许多因素有关，如太阳照射角度、云层遮挡水平、季节气候变化等，所以要对光伏发电的中间直流电压进行可调的升压变换处理。

随着再生能源技术的发展，"分布式发电系统"将得到事大的发展空间。所谓分布式发电系统是指∶借由诸如风力发电、太阳能发电.天然气发电等区域性发电系统连接而成的公共发电系统。微电子技术、电力电子技术应用于电力网络与输配电系统，形成一个智能型分布式再生能源网络。讲一步的发展是再生能源网络与信息网络结合形成个整合信自和电力网络的未来生活环境，实现电能的网络化。

基本电子技术应用 PLC的主要分类及应用

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日期： 2020-07-16

来源：电子发烧友

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