1.1 PLC的基础概述

1.1.1 PLC概述

20世纪60年代，美国的汽车制造工业迅速发展，行业竞争激烈，汽车更新换代加快，生产线相应地随之改变，为之服务的继电接触器控制系统需要重新设计和安装。为了适应生产工艺不断更新、减少重新设计控制系统的时间和费用的要求，1968年，美国通用汽车公司首先公开招标研制新的工业控制器，并提出“编程方便、可在现场修改和调试程序、维护方便、可靠性高、体积小、易于扩展”等几项指标。

1969年，美国数字设备公司（DEC）中标，并根据上述要求研制出世界上第一台可编程序逻辑控制器PDP-14，用在通用汽车公司的汽车自动装配线上，获得成功，从此PLC诞生了。

PLC是工业控制计算机的简称，它的全称是Programmable Logic Controller（可编程序逻辑控制器）。如果说融入我们日常生活的计算机是通用级电脑的话，那么PLC则是专业级的，是业界备受推崇的工业控制器。

1.1.2 PLC的特点

PLC自诞生以来，种类越来越多，但它们有一些共同的特点，可以从以下几方面体现：

1.编程简单直观

采用直接面向对象的编程语言，易于理解和掌握。

2.控制系统简单通用

用户只需确定PLC的硬件配置和I/O外部接线即可，同时其模块化的结构具备通用性。

3.抗干扰能力强、可靠性高

专为工业控制而设计，内部采用了隔离、滤波等抗干扰措施，能适应工业现场的恶劣环境。

4.易于操作与维护

PLC软件具备监控功能，能诊断故障，也便于排除故障，在损坏时，只需更换插入式模块，既方便又减少影响工作的时间。

5.设计、施工、调试周期短

PLC本身软硬件资源丰富，设计和施工可同时进行，大大缩短了工程周期。

1.1.3 PLC的组成

任何能够自动工作的设备均需要具备3方面的功能，它们是能够提供足够的动力；能够完成预定工作目标；能够自动完成全部工作过程。例如，数控机床结构可分为工作部分、驱动部分和控制部分，其中，工作部分由床身、主轴箱、进给机构、换刀机构等组成，完成对零件的切削加工；驱动部分由电动机、液压系统组成，为加工过程提供动力；控制部分由PLC、数控单元等电气系统组成，控制设备自动完成零件的全部加工过程。

对一般设备来说主要由如下三大组成部分。

1）固定支撑机构及功能执行机构（工作部分）。

2）工作部件的驱动装置。

3）控制驱动装置实现功能执行机构工作要求的控制系统。

各部分关系如图1-1所示。

图1-1 设备组成结构简略

设备控制系统的构成有多种形式，图1-1中所列主要是与可编程序控制器应用有关的典型形式。

1.设备电气控制系统

一般设备的电气控制系统组成如图1-2所示，其中3个基本功能部分如下。

1）输入设备：接收各种现场控制指令和信号的装置。

2）输出设备：设备上各种被控制的电器和设备。

3）控制部分：处理输入指令和信号，并且按照工作要求输出用于驱动设备的各种控制信号。

2.PLC控制系统

使用PLC与各种具有特定控制功能的电器元件组合连接在一起，实现预定控制功能的电气系统称之为PLC控制系统，其特点如下。

图1-2 设备电气控制系统组成结构生产力

1）控制系统中，输入、控制和输出部分自成体系，PLC通过连接端口与输入、输出部分的电器元件连接来构成电气控制系统，PLC完成控制部分的功能。

2）PLC通过输入端口读入由输入元件提供的现场指令和控制信号；通过输出端口输出控制信号，控制输出元件工作，并通过运行PLC用户程序实现需要的控制逻辑。

如图1-3所示为采用PLC构建的电气控制系统中，PLC与输入/输出电器元件连接关系简图。

图1-3 PLC与输入/输出电器元件连接关系简图

PLC从结构上来说，它实际上是一台工业用计算机。PLC可以实现电气控制系统中开关量的控制功能，同时还具有类似计算机的各种功能，因此在应用程序的编制中，对电路开关量控制的程序设计采用类似继电器系统的设计方法，在其他控制要求中，应用了计算机程序设计方法。

1.1.4 PLC中常用的编程语言

PLC具有类似计算机的各种功能，其中应用了计算机的程序设计的方法，PLC的编程语言有多种，如梯形图、功能图、语句表等。

1.梯形图

梯形图是最常用的一种程序设计语言，也称为LAD。梯形图来源于继电器控制电路图，CPU通过梯形图对来自电源的电流进行仿真，根据一系列的输入条件，由程序运行结果决定逻辑输出的允许条件。逻辑被分成小的部分，称为“网络”或“段”。图1-4所示为一个梯形图的简单实例。

图1-4 电路图与梯形图

在图1-4中可以看出梯形图是由符号组成的图形化编程语言。梯形图与电路图十分相似，所不同的是在显示方式上梯形图分支的排列为上下横排，而电路图是左右竖排。梯形图中的编程元素介绍如下。

母线：位于最左侧，代表电源。

触点：代表逻辑“输入”条件，例如开关、内部条件等，能量仅在常开触点闭合时通过，而在其保持断开时，能量不能通过。

线圈：位于最末端，代表逻辑“输出”结果，例如灯、接触器、中间寄存器、内部输出条件等，仅当有能量流输入时才有输出。

指令盒：代表附加指令，例如定时器、计数器或者数学运算指令等，当能量流到此盒时，就执行一定的功能。

2.功能图

功能图通过具有输入输出端的逻辑框图相互连接实现编程，也称为FBD。逻辑框图内的符号代表某种功能（如与、或功能等）。图1-5所示为电路图和功能图。

图1-5 电路图与功能图

输入（传感器）位于左侧，输出（执行器）位于右侧，信号流程通常从左往右。电路图中的串联被转化为与功能，并联被转化为或功能。FBD的优点在于简单易用，即使不是电气工程师也能很快学会并使用。

3.语句表

对于无法用图形表达的功能，可以采用语句表（STL）的方式来编写。

语句表（STL）表达程序的形式与程序在存储区的存放相同，每行语句作为程序的最小单元，处理器按顺序处理这些语句，如图1-6所示为语句表和电路图。

图1-6 电路图与语句表

语句在STL中按顺序建立。在指令序列开始处，处理器通过扫描输入信号状态检查程序中包含的逻辑操作是否满足条件。序列结尾处的指令根据前面语句的处理结果产生某个动作，例如将某个输出接通或断开等。