可編程控制器

可編程邏輯控制器簡稱PLC（英文全稱：Programmable Logic Controller）。隨着科學技術的發展，為適應多品種，小批量生產的需求而產生髮展起來的一種新型的工業控制裝置 ^[2]  。

1．現場輸入接口電路由光耦合電路和微機的輸入接口電路，作用是PLC與現場控制的接口界面的輸入通道。

2．現場輸出接口電路由輸出數據寄存器、選通電路和中斷請求電路集成，作用PLC通過現場輸出接口電路向現場的執行部件輸出相應的控制信號。

常用的I/O分類如下：

開關量：按電壓水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔離方式分，有繼電器隔離和晶體管隔離。

模擬量：按信號類型分，有電流型（4-20mA,0-20mA）、電壓型（0-10V,0-5V,-10-10V）等，按精度分，有12bit,14bit,16bit等。除了上述通用IO外，還有特殊IO模塊，如熱電阻、熱電偶、脈衝等模塊。

按I/O點數確定模塊規格及數量，I/O模塊可多可少，但其最大數受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或機架槽數限制。

1987年國際電工委員會（IEC）頒佈的PLC標準草案中對PLC做了如下定義：

“PLC是一種數字運算操作的電子的電子系統，專門在工業環境下應用而設計。它採用可以編制程序的存儲器，用來在執行存儲邏輯運算和順序控制、定時、計數和算術運算等操作的指令，並通過數字或模擬的輸入(I)和輸出(O)接口，控制各種類型的機械設備或生產過程。”

從PLC的硬件結構形式上，PLC可以分為整體固定I/O型，基本單元加擴展型，模塊式，集成式，分佈式5種基本結構形式。

PLC的組成 ^[3]  ：

中央處理單元(CPU)是PLC的控制中樞，是PLC的核心起神經中樞的作用，每套PLC至少有一個CPU。它按照PLC系統程序賦予的功能接收並存儲從編程器鍵入的用户程序和數據；檢查電源、存儲器、I/O以及警戒定時器的狀態，並能診斷用户程序中的語法錯誤。當PLC投入運行時，首先它以掃描的方式接收現場各輸入裝置的狀態和數據，並分別存入I/O映象區，然後從用户程序存儲器中逐條讀取用户程序，經過命令解釋後按指令的規定執行邏輯或算數運算的結果送入I/O映象區或數據寄存器內。等所有的用户程序執行完畢之後，最後將I/O映象區的各輸出狀態或輸出寄存器內的數據傳送到相應的輸出裝置，如此循環運行，直到停止運行。

為了進一步提高PLC的可靠性，對大型PLC還採用雙CPU構成冗餘系統，或採用三CPU的表決式系統。這樣，即使某個CPU出現故障，整個系統仍能正常運行。

CPU速度和內存容量是PLC的重要參數，它們決定着PLC的工作速度，I/O數量及軟件容量等，因此限制着控制規模。

系統程序存儲器是存放系統軟件的存儲器；用户程序存儲器是存放PLC用户程序應用;數據存儲器用來存儲PLC程序執行時的中間狀態與信息，它相當於PC的內存。

PLC與電氣迴路的接口，是通過輸入輸出部分（I/O）完成的。I/O模塊集成了PLC的I/O電路，其輸入暫存器反映輸入信號狀態，輸出點反映輸出鎖存器狀態。輸入模塊將電信號變換成數字信號進入PLC系統，輸出模塊相反。I/O分為開關量輸入（DI），開關量輸出（DO），模擬量輸入（AI），模擬量輸出（AO）等模塊。

通信接口的主要作用是實現PLC與外部設備之間的數據交換（通信）。通信接口的形式多樣，最基本的有UBS,RS-232,RS-422/RS-485等的標準串行接口。可以通過多芯電纜，雙絞線，同軸電纜，光纜等進行連接。

PLC的電源為PLC電路提供工作電源，在整個系統中起着十分重要的作用。一個良好的、可靠的電源系統是PLC的最基本保障。一般交流電壓波動在+10%(+15%)範圍內，可以不採取其它措施而將PLC直接連接到交流電網上去。電源輸入類型有：交流電源（220VAC或110VAC），直流電源（常用的為24VDC）。

（一）可靠性高，抗干擾能力強 ^[2] 

PLC用軟件代替大量的中間繼電器和時間繼電器，僅剩下與輸入和輸出有關的少量硬件，接線可減少到繼電器控制系統的1/10~1/100，因觸點接觸不良造成的故障大為減少。

高可靠性是電氣控制設備的關鍵性能。PLC由於採用現代大規模集成電路技術，採用嚴格的生產工藝製造，內部電路採取了先進的抗干擾技術，具有很高的可靠性。例如三菱公司生產的F系列PLC平均無故障時間高達30萬小時。一些使用冗餘CPU的PLC的平均無故障工作時間則更長。從PLC的機外電路來説，使用PLC構成控制系統，和同等規模的繼電接觸器系統相比，電氣接線及開關接點已減少到數百甚至數千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC帶有硬件故障自我檢測功能，出現故障時可及時發出警報信息。在應用軟件中，應用者還可以編入外圍器件的故障自診斷程序，使系統中除PLC以外的電路及設備也獲得故障自診斷保護。這樣，整個系統具有極高的可靠性也就不奇怪了。

（二）硬件配套齊全，功能完善，適用性強

PLC發展到今天，已經形成了大、中、小各種規模的系列化產品，並且已經標準化、系列化、模塊化，配備有品種齊全的各種硬件裝置供用户選用，用户能靈活方便地進行系統配置，組成不同功能、不同規模的系統。PLC的安裝接線也很方便，一般用接線端子連接外部接線 ^[3]  。PLC有較強的帶負載能力，可直接驅動一般的電磁閥和交流接觸器，可以用於各種規模的工業控制場合。除了邏輯處理功能以外，現代PLC大多具有完善的數據運算能力，可用於各種數字控制領域。PLC的功能單元大量湧現，使PLC滲透到了位置控制、温度控制、CNC等各種工業控制中。加上PLC通信能力的增強及人機界面技術的發展，使用PLC組成各種控制系統變得非常容易。

（三）易學易用，深受工程技術人員歡迎

PLC作為通用工業控制計算機，是面向工礦企業的工控設備。它接口容易，編程語言易於為工程技術人員接受。梯形圖語言的圖形符號與表達方式和繼電器電路圖相當接近，只用PLC的少量開關量邏輯控制指令就可以方便地實現繼電器電路的功能。為不熟悉電子電路、不懂計算機原理和彙編語言的人使用計算機從事工業控制打開了方便之門。

（四）容易改造

系統的設計、安裝、調試工作量小，維護方便，容易改造。PLC的梯形圖程序一般採用順序控制設計法。這種編程方法很有規律，很容易掌握。對於複雜的控制系統，梯形圖的設計時間比設計繼電器系統電路圖的時間要少得多。

PLC用存儲邏輯代替接線邏輯，大大減少了控制設備外部的接線，使控制系統設計及建造的週期大為縮短，同時維護也變得容易起來。更重要的是使同一設備經過改變程序改變生產過程成為可能。這很適合多品種、小批量的生產場合。

（五）體積小，重量輕，能耗低

以超小型PLC為例，新近出產的品種底部尺寸小於100mm，僅相當於幾個繼電器的大小，因此可將開關櫃的體積縮小到原來的1/2~1/10。它的重量小於150g，功耗僅數瓦。由於體積小很容易裝入機械內部，是實現機電一體化的理想控制器。

在安裝PLC時，要避開下列場所：①環境温度超過0~50攝氏度的範圍。②相對濕度超過85%或者存在露水凝聚（由温度突變或其他因素所引起的）。③太陽光直接照射。④有腐蝕和易燃的氣體，例如氯化氫、硫化氫等。⑤有大量鐵屑及灰塵。⑥頻繁或連續的振動，振動頻率為10~55赫茲、幅度為0.5毫米（峯—峯）。⑦超過10g（重力加速度）的衝擊 ^[3]  。

為了使控制系統工作可靠，通常把可編程控制器安裝在有保護外殼的控制櫃中，以防止灰塵、油污、水濺。為了保證其温度保持在規定環境温度範圍內，安裝機器應有足夠的通風空間，基本單元和擴展單元之間要有30毫米以上間隔。如果周圍環境超過55攝氏度，要安裝電風扇，強迫通風。

為了避免其他外圍設備的電干擾，可編程控制器應儘可能遠離高壓電源線和高壓設備，可編程控制器與高壓設備和電源線之間應留出至少200毫米的距離。

電源接線

PLC供電電源為50赫茲、220伏±10%的交流電。

如果電源發生故障，中斷時間少於10毫秒，PLC工作不受影響。若電源中斷超過10毫秒或電源下降超過允許值，則PLC停止工作，所有的輸出點均同時斷開。當電源恢復時，若RUN輸入接通，則操作自動進行 ^[3]  。

對於電源線來的干擾，PLC本身具有足夠的抵制能力。如果電源干擾特別嚴重，可以安裝一個變比為1∶1的隔離變壓器，以減少設備與地之間的干擾。

良好的接地是保證PLC可靠工作的重要條件，可以避免偶然發生的電壓衝擊危害。接地線與機器的接地端相接，基本單元接地。如果要用擴展單元，其接地點應與基本單元的接地點接在一起。為了抑制加在電源及輸入端、輸出端的干擾，應給可編程控制器接上專用地線，接地點應與動力設備（如電機）的接地點分開。若達不到這種要求，也必須做到與其他設備公共接地，禁止與其他設備串聯接地。接地點應儘可能靠近PLC。

直流24伏接線端

PLC上的24伏接線端子，還可以向外部傳感器（如接近開關或光電開關）提供電流。24伏端子作傳感器電源時，COM端子是直流24伏地端。如果採用擴展單元，則應將基本單元和擴展單元的24伏端連接起來。另外，任何外部電源不能接到這個端子上。

如果發生過載現象，電壓將自動跌落，該點輸入對可編程控制器不起作用。

每種型號的PLC的輸入點數量是有規定的。對每一個尚未使用的輸入點，它不耗電，因此在這種情況下，24伏電源端子向外供電流的能力可以增加。

輸入接線

一般接受行程開關、限位開關等輸入的開關量信號。輸入接線端子是PLC與外部傳感器負載轉換信號的端口。輸入接線，一般指外部傳感器與輸入端口的接線 ^[4]  。

輸入器件可以是任何無源的觸點或集電極開路的NPN管。輸入器件接通時，輸入端接通，輸入線路閉合，同時輸入指示的發光二極管亮。

輸入端的一次電路與二次電路之間，採用光電耦合隔離。二次電路帶RC濾波器，以防止由於輸入觸點抖動或從輸入線路串入的電噪聲引起PLC誤動作。

若在輸入觸點電路串聯二極管，在串聯二極管上的電壓應小於4伏。若使用帶發光二極管的舌簧開關，串聯二極管的數目不能超過兩隻。

輸出接線

可編程控制器有繼電器輸出、晶閘管輸出、晶體管輸出3種形式。輸出端接線分為獨立輸出和公共輸出。當PLC的輸出繼電器或晶閘管動作時，同一號碼的兩個輸出端接通。在不同組中，可採用不同類型和電壓等級的輸出電壓。但在同一組中的輸出只能用同一類型、同一電壓等級的電源。

由於PLC的輸出元件被封裝在印製電路板上，並且連接至端子板，若將連接輸出元件的負載短路，將燒燬印製電路板，因此，應用熔絲保護輸出元件。

採用繼電器輸出時，承受的電感性負載大小影響到繼電器的工作壽命，因此繼電器工作壽命要求長。

PLC採用微電子技術來完成各種控制功能，在現場的輸入信號作用下，按照預先輸入的程序，控制現場的執行機構，按照一定規律進行動作。其主要功能如下 ^[3]  。

這是PLC最基本最廣泛的應用領域，用來取代繼電器控制系統，實現邏輯控制和順序控制。它即可用於單機控制或多機控制又可用於自動化生產線的控制。PLC根據操作按鈕、限位開關及其他現場給出的指令信號，控制機械運動部件進行相應的操作 ^[5]  。

在機械加工行業，可編程控制器與計算機數控（CNC）集成在一起，完成機牀的運動控制。很多PLC製造廠家已提供了拖動步進電機或伺服電機的單軸或多軸的位置控制模板。在多數情況下，PLC把描述目標位置的數據送給模板，模板移動一軸或數軸到目標位置。當每個軸移動時，位置控制模板保持適當的速度和加速度，確保運動平滑。已用於控制無心磨削、衝壓、複雜零件分段衝裁、滾削、磨消應用當中。

PLC為用户提供了一定數量的定時器，設置了定時器指令，如OMRON公司的CPM1A,，每個定時器可實現0·1~999·9s或0·01~99·9s的定時控制，SIEMENS公司S7—200系列可提供時基單位為0·1s/0`01s及0·00s的定時器，實現從0·001s到3276·7s的定時制。可按一定方式進行定時時間的擴展。定時精度高，定時設定方便、靈活。PLC還提供了高精度的時鐘脈衝，用於準確的實時控制。

PLC為用户提供的記數器分為普通記數器，可逆記數器(增減計數器)、高速計數器等，用來完成不同用途的記數控制命令。計數器值等於計數器設定值，或在某一數值範圍時，發出控制命令。計數器的記數值可在運行中被讀出，也可在運行中進行修改 ^[3]  。

PLC為用户提供了一定數量的移位寄存器，用移位寄存器可方便地完成步進控制功能。在一道工序完成之後，自動進行下一道工序。一個工作週期結束後，自動進入下一個工作週期。有些PLC還專門設有步進控制指令，使得步進控制更為方便。

大部分PLC都具有不同程度的數據處理功能 ^[3]  ，如F2系列、C系列、S7系列PLC等，能完成數據運算如；加、減、乘、除、乘方、開方等，邏輯運算如；字與、字或、字異或、求反等，移位、數據比較和傳送數值的轉換等操作。

在過程控制或閉環控制系統中，存在温度、壓力、流量、速度位移、電流、電壓等連續變化的物理量。過去，PLC用於邏輯控制，對於這些物理量的控制主要靠儀表控制或分佈式系統DCS。大、中型PLC都具有物理處理功能，很多小型PLC也具有物理量處理功能，編程和使用都很方便 ^[2]  。

大都分PLC都具備通信能力，能夠實現PLC與計算機，PLC與PLC之間的通信。通過這些通信技術，使PLC更容易構成工廠自動化（FA）系統。也可與打印機、監視器等外部設備相連，記錄和監視有關數據

根據用户的使用方式和特點，可編程控制器可以分為兩種完全不同的市場：項目型市場和OEM型市場。可編程控制器的主要應用 ^[5]  ：

項目型市場中，可編程控制器主要應用在冶金、汽車、市政、電力等行業；OEM市場中，可編程控制器主要應用在紡織機械、包裝、機牀等傳統行業。小型PLC主要用於OEM市場，主要以三菱，西門子，歐姆龍、愛德克等品牌為主，愛德克的可編程控制器有：FC4A,FC5A,FT1A,其中FT1A將 PLC 功能與小型顯示器結合在一起，無需主機設備，省接線，省空間，性價比高。而FT1A使用非常方便，例如其觸點輸出為10A，可以直接帶動大容量負載，如電磁閥等。

21世紀，PLC會有更大的發展。從技術上看，計算機技術的新成果會更多地應用於可編程控制器的設計和製造上，會有運算速度更快、存儲容量更大、智能更強的品種出現；從產品規模上看，會進一步向超小型及超大型方向發展；從產品的配套性上看，產品的品種會更豐富、規格更齊全，完美的人機界面、完備的通信設備會更好地適應各種工業控制場合的需求；從市場上看，各國各自生產多品種產品的情況會隨着國際競爭的加劇而打破，會出現少數幾個品牌壟斷國際市場的局面，會出現國際通用的編程語言；從網絡的發展情況來看，可編程控制器和其它工業控制計算機組網構成大型的控制系統是可編程控制器技術的發展方向 ^[3]  。計算機集散控制系統DCS（Distributed Control System）中已有大量的可編程控制器應用。伴隨着計算機網絡的發展，可編程控制器作為自動化控制網絡和國際通用網絡的重要組成部分，將在工業及工業以外的眾多領域發揮越來越大的作用。