PLC的主要分类及应用
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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详解PLC的控制功能和性能指标
（此处已添加圈子卡片，请到今日头条客户端查看）可编程序控制器是一种以计算机(微处理器)为核心的通用工业控制装置。早期的可编程序控制器只能进行开关量的逻辑控制，称为可编程序逻辑控制器(Programmable Logic Controller)，简称PLC。当今可编程序控制器采用微处理器(Microprocessor)作为中央处理单元，其功能也大大增强，不仅具有逻辑控制功能，还具有算术运算、模拟量处理和通信联网等功能，所以称为可编程序控制器(Programmable Controller)，简称 PC。由于个人计算机(Personal Computer)也简称 PC，为避免混淆，所以可编程序控制器仍常被称为PLC。
国际电工委员会定义：可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，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，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种机械或生产过程。
现今，PLC 技术、数控技术、计算机辅助设计/计算机辅助生产(CAD/CAM)和机器人技术并列为工业生产自动化的四大支柱。
PLC的控制功能和性能指标
1.PLC的控制功能
(1)开关量控制
开关量控制也就是逻辑控制，这是 PLC 最初的应用领域。运用在单机控制、多机群控和自动生产线控制方面，如机床电气控制，起重机、皮带运输机、包装机械的控制，注塑机的控制及电梯的控制等，如图7.1所示。
图7.1 开关量控制
(2)模拟量控制
目前，各种型号的 PLC 基本上都有模拟量处理功能，通过模拟量I/O模块可对温度、压力、速度、流量等连续变化的模拟量进行控制，编程非常方便，如自动焊机控制、锅炉运行控制、连轧机的速度和位置控制等都是典型的闭环过程控制的应用，如图7.2所示。
图7.2 闭环过程控制
(3)运动控制
也称位置控制，通过高速计数模块和位置控制模块进行单轴或多轴控制，实现直线运动或圆周运动。目前广泛应用在金属切削机床、电梯、机器人等各种机械设备上，典型的例子如：PLC和计算机数控装置CNC组合成一体，构成先进的数控机床，如图 7.3所示。
图7.3 数控机床
(4)数据处理
现代PLC能够完成数学运算(函数运算、矩阵运算、逻辑运算)，数据的移位、比较、传递，数值的转换和查表等操作，对数据进行采集、分析和处理。比如柔性制造系统、机器人控制系统、多点同步运行控制系统等。
(5)监控功能
PLC能监视系统各部分运行状态和进程，对系统出现的异常情况进行报警和记录，甚至自动终止运行;也可在线调整、修改控制程序中的定时、计数等设定值或强制I/O状态，如图7.4所示。
(6)通信联网
指PLC与PLC、PLC与上位计算机、PLC与智能仪表和智能执行装置(如变频器)之间的通信，利用 PLC 和计算机的 RS-232 或RS-422 接口、PLC 的专用通信模块，用双绞线和同轴电缆或光缆将它们联成网络，可实现相互间的信息交换，构成“集中管理、分散控制”的多级分布式控制系统，建立自动化网络，如图7.5所示。
2.PLC的常见技术性能指标
(1)输入/输出点数
I/O点数即输入、输出端子的个数，点数越多，控制规模就越大。
图7.4 PLC多机组控制监控系统
图7.5 PLC电力线通信
(2)扫描速度
指PLC执行程序的速度，以ms/K步为单位。如20ms/K，表示扫描1K步的用户程序所需的时间是20ms。有时也以执行一步指令的时间计，以s /步为单位。
(3)用户程序存储器容量
即内存容量，指 PLC 存放用户程序的存储器容量。该参数决定了PLC可以容纳用户程序的长短，以字节为单位。在PLC中程序指令是按步存放的，一“步”占用一个地址单元，一个地址单元一般占用两个字节。一般一个地址单元也称为一个字，一个字为 16 位二进制数，每8位二进制数为一个字节。
(4)指令条数
它是衡量PLC软件功能强弱的主要指标。指令种类及条数越多，其编程功能就越强，即处理能力、控制能力越强。
(5)内部寄存器
PLC内部有许多种寄存器用以存放变量状态、中间结果、数据等，如内部继电器寄存器、特殊继电器寄存器、数据寄存器、定时/计数寄存器、系统寄存器等。这些辅助寄存器可以给用户提供许多特殊功能或简化整体系统设计。因此，寄存器的配置是衡量 PLC 硬件功能的一个指标。
(6)高功能模块
PLC除主控模块外还可以配置各种高功能模块。主控模块实现基本控制功能，高功能模块实现某一种特殊控制功能。高功能模块的多少，是衡量PLC产品水平高低的重要标志。常用高功能模块有：A/D模块、D/A模块、高计数模块、速度控制模块、位置控制模块、温度控制模块、轴定位模块、通信模块、高级语言编辑以及各种物理量转换模块等。
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