可编程逻辑控制器

可编程逻辑控制器（英文：Programmable Logic Controller；简称：PLC），一种采用数字运算操作，面向工业环境应用而设计的电子系统。

PLC的发展始于20世纪60年代末期，源于对传统继电器控制系统局限性的突破需求。1968年，通用电气汽车公司（GM）提出了研发新型工业控制装置的设想，以替代传统的继电器控制系统。1969年，美国数字设备公司（DEC）响应GM需求，成功研发出世界上首台型号为PDF-14的PLC。随后，日本、德国、法国等国家纷纷跟进研发本国的PLC产品，至70年代中后期，PLC已在世界范围内初步普及。国际电工委员会（IEC）在1987年正式定义PLC为专为工业环境设计，具备可编程存储器进行逻辑运算、顺序控制等功能的电子装置。至90年代，随着技术进步，PLC在大规模控制系统中的应用日益广泛，逐渐具备通信和联网功能，并在过程控制领域得到广泛应用。进入21世纪，随着IEC61131系列标准尤其是IEC61131-3编程语言标准的推广实施，PLC步入开放和标准化时代。PLC由硬件和软件两部分组成，硬件一般包括：电源模组、中央处理单元、内存、输入输出单元和机架总装。软件支持多种编程语言，高级语言、低级语言及机器语言，工业上一般采用易于理解的梯形图进行编程。

PLC具有可靠性高抗干扰能力强、功能完善、适用性强、易学易用、维护方便容易改造、体积小重量轻的特点，广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业。未来PLC将朝向高性能、高速度、大容量、软PLC的方向发展。

发展历史

产生背景

在PLC诞生之前，继电器控制系统广泛应用于工业生产的各个领域，起着重要的作用。随着生产规模的逐步扩大，继电器控制系统越来越难以适应现代工业生产的要求。继电器控制系统通常是针对某一固定的动作顺序或生产工艺面设计，控制功能也局限于逻辑控制、定时、计数等一些简单的控制，一日动作顺序或生产工艺发生变化，就必须重新进行设计、布线、装配和调试，造成时间和资金的严重浪费。

1968年，美国最大的汽车制造商通用汽车公司（GM）为了适应汽车型号不断更新的需求，使公司能在竞争激烈的汽车工业中占有优势，提出研制一种新型的工业控制装置来取代继电器控制装置，并为此拟定了10项公开招标的技术要求。

起源与初级阶段

1969年，根据GM公司的招标要求，美国数字设备公司（DEC）研制出世界上型号为PDF-14的第一台PLC，并在通用汽车公司自动装配线上试用成功，开创了工业控制新时期。

伴随PLC在工业控制中的重要地位，日本、德国、法国等国家相继研制出各自的PLC。1971年，日本从美国引入了PLC相关技术，研制出型号为DCS-8的PLC；之后1973到1974年间，西德与法国也研制出属于自己的PLC。中国于1974年开始研制，于1977年成功研制出以微处理器MCI4500为核心的PLC并展开应用。这个时期的PLC功能简单，主要完成一般的继电器控制系统功能，即顺序逻辑、定时和计数等，编程语言为梯形图。

从20世纪70年代中期到80年代初期，由于PLC在取代继电器控制系统方面的卓越表现，PLC在电气控制领域开始普及应用后便得到了飞速的发展。在这个阶段，PLC在控制功能方面增强了很多，如数据处理、模拟量的控制等。

发展阶段

随着PLC的不断发展，1982年，国际电工委员会（InternationalElectrotechnicalCommittee，IEC）颁布了PLC标准草案，1985年提交了第2版，并在1987年的第3版中对PLC做了如下的定义：PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的进行数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、定时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出。

之前PLC主要是单机应用和小规模、小系统的应用，随着对工业自动化技术水平、控制性能和控制范围要求的提高，在大型控制系统（如冶炼、饮料、造纸、烟草、纺织、污水处理等）中，PLC展示出其强大的生命力。在大规模、多控制器的应用中，PLC控制系统开始具备通信和联网功能，在大型PLC中一般都扩展了遵守一定协议的通信接口。

开放和标准化阶段

从20世纪90年代初期到90年代中期，由于对模拟量处理功能和网络通信功能要求的提高，PLC控制系统在过程控制领域也开始大面积使用。随着芯片技术、计算机技术、通信技术和控制技术的发展，PLC的功能得到了进一步提高。PLC无论从体积、人机交互功能、端子接线技术上，还是从内在的性能（速度、存储容量等）、实现的功能（运动控制、通信网络和多机处理等）方面都远非过去的PLC可比。20世纪90年代以后，是PLC发展最快的时期，年增长率一直都保持在30%~40%。

虽然80年代就已经展开PLC的标准，但由于受到各大公司的利益阻挠和技术标准化难度的影响，这项工作开展得并不顺利。因此，PLC诞生后的近30年时间内，各类PLC在通信标准、编程语言等方面都存在不兼容的问题，这给工业自动化中实现互换性、互操作性和标准化都带来了极大的不便。随着PLC国际标准IEC61131的逐步完善和实施，特别是IEC61131-3标准编程语言的推广，PLC真正走入了一个开放性和标准化的时代。

智能化与网络化阶段

进入21世纪后，PLC不仅继续强化传统顺序控制功能，而且不断融入智能化元素，如增加专用接口，支持过程控制、运动控制和位置控制算法等。同时，PLC与工业互联网、物联网技术结合，实现了更为深入的网络化和信息化。触摸屏等先进人机交互设备的广泛应用，提升了系统的可视化和可控性。

PLC的系统构成

PLC的硬件系统

PLC的种类繁多，功能和指令系统也各不相同，但其结构及工作原理大同小异，通常都是由主机、输入/输出（I/O）接口、电源、编程器、输入/输出（I/O）扩展接口和外部设备接口等几个主要部分组成。

主机部分

主机部分包括中央处理器（CPU）、系统程序存储器和用户程序及数据存储器。CPU是PLC的核心，它用以运行用户程序、监控输入/输出接口状态、做出逻辑判断和进行数据处理，即读取输入变量，完成用户指令规定的各种操作，将结果送到输出端，并响应外部设备（如编程器、电脑、打印机等）的请求以及进行各种内部判断等。PLC的内部存储器有两类，一类是系统程序存储器，主要存放系统管理和监控程序及对用户程序做编译处理的程序，系统程序已由厂家固定，用户不能更改:另一类是用户程序及数据存储器，主要存放用户编制的应用程序及各种暂存数据和中间结果。

输入/输出（I/O）接口

I/O接口是PLC与输入/输出设备连接的部件。输入接口接收输入设备（如按钮、传感器、触点、行程开关等）的控制信号。输出接口是将经主机处理后的结果通过功放电路去驱动输出设备（如接触器、电磁阀、指示灯等）。I/O接口一般采用光电耦合电路，以减少电磁干扰，从而提高可靠性。I/O点数即输入/输出端子数，是PLC的一项主要技术指标，通常小型机有几十个点，中型机有几百个点，大型机将超过千点。

电源

电源是指为CPU、存储器、I/O接口等内部电子电路工作所配置的直流开关稳压电源，通常也为输入设备提供DC电源。

编程器

编程器是PLC的一种主要的外部设备，用于手持编程，用户可用于输入、检查、修改、调试程序或监示PLC的工作情况。除手持编程器外，还可通过适配器和专用电缆线将PLC与电脑连接，并利用专用的工具软件进行电脑编程和监控。

输入/输出（I/O）扩展接口

I/O扩展接口用于连接扩充外部输入/输出端子数的扩展单元和基本单元（即主机）。

外部设备接口

外部设备接口可将编程器、打印机、条码扫描仪等外部设备与主机相连，以完成相应的操作。

PLC的软件系统

PLC软件系统分为系统程序和用户程序两大类。系统程序包括系统管理程序和用户指令的解释程序以及供系统调用的专用标准程序等。系统管理程序用以完成机内运行相关时间分配、存贮空间分配管理及系统自检等工作。用户指令的解释程序用以完成用户指令变换为机器码的工作。用户程序是用户为了达到某种控制目的，PLC厂家提供的编程语言所编写的程序，是一定控制功能的表述。同一台PLC用于不同控制目的时就需要编写不同的用户程序；当用户程序定入PLC之后，如需改变控制要求，还可以进行多次改写。其中，个人计算机程序开发系统的软件主要包括以下几个部分。

编程软件

这是最基本的软件，允许用户生成、编辑、储存、打印梯形图程序及其他形式的程序。

文件编制软件

它与系统生成软件一起，可以给梯形图中的每一个触点和线圈加上注释，指出它们在程序中的作用，或解释某一段程序的功能，使程序便于阅读和理解。

数据采集和分析软件

可以从一个或多个PLC采集数据，并用各种处理方法来分析这些数据，然后将结果用统计图形式显示在CRT上。

实时操作员接口软件

提供实时操作的人—机接口装置，个人计算机被用作系统的监控装置，通过CRT告诉操作人员系统的状况和可能发生的各种报警信息，操作员可以通过键盘输入各种控制指令，来处理系统中所出现的各种问题。

仿真软件

它允许工控机对工厂生产过程和系统仿真，对现有系统有效地检测、分析和调试，也允许系统设计者对所发生的问题加以修改。

工作原理

PLC是采用“顺序扫描，不断循环”的方式进行工作的。即在PLC运行时，CPU根据用户按控制要求编制好并存于用户存储器中的程序，按指令步序号（或地址号）做周期性循环扫描，如无跳转指令，则从第一条指令开始逐条执行用户程序，直至程序结束:然后重新返回第一条指令，开始下一轮新的扫描。在每次扫描过程中，还要完成对输入信号的采样和对输出状态的刷新等工作。

PLC扫描的一个周期必须包括输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段。

PLC在输入采样阶段：首先以扫描方式按顺序将所有暂存在输入锁存器中的输入端子的通断状态或输入数据读入，并将其写入各对应的输入状态寄存器中，即刷新输入；随即关闭输入端口，进入程序执行阶段。

PLC在程序执行阶段：按用户程序指令存放的先后顺序扫描、执行每条指令，执行的结果再写入输出状态寄存器中，输出状态寄存器中所有的内容随着程序的执行而改变。

PLC在输出刷新阶段：当所有指令执行完毕，输出状态寄存的通断状态在输出刷新阶段送至输出锁存器中，并通过一定的方式（继电器、晶体管或晶闸管）输出，驱动相应输出设备工作。

主要特点

得益于现代大规模集成电路技术和严谨生产工艺的应用，PLC内在电路设计采用了先进的抗干扰技术，显著提高了其整体的可靠性。部分配备冗余CPU的PLC，其平均无故障工作时间更是得到了大幅延长。在系统外部电路方面，相较于同等规模的传统继电接触器系统，PLC控制系统的电气接线和开关触点数量大幅度减少，故障率也因此大幅降低。此外，PLC本身具备硬件故障自我检测功能，能够及时发出警报信息，并且通过编程实现外围设备的故障自诊断程序，使得包括PLC在内的整个控制系统都具备极高的可靠性保障。

PLC大、中、小各种规模的系列化产品，能够适应各种规模的工业控制场景。PLC不仅具备强大的逻辑处理能力，还拥有完善的数据运算功能，适用于各种数字控制环境。随着PLC功能单元的不断丰富，其在位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制领域的应用日益广泛。加之PLC通信能力的提升以及人机交互技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。

PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。PLC接口容易，编程语言易于工程技术人员接受；梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。这极大地降低了对电子电路专业知识和计算机原理的依赖，有利于非专业人士利用PLC进行工业控制操作。

PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时使其维护也变得容易起来，而且使同一设备经过改变程序进而改变生产过程成为可能，尤其适合多品种、小批量的生产场合。

以超小型PLC为例，新近研发的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。由于其体积小重量轻的特点，PLC易于嵌入机械设备内部，成为实现机电一体化的理想控制设备。

PLC分类

按点数分类

PLC可分为大型机、中型机及小型机等。

大型机一般I/O点数（输入/输出端子数)大于2048点，具有多CPU，16位/32位处理器，用户存储器容量8~16KB；

中型机一般I/O点数为256~2048点，单/双CPU，用户存储容量2~8KB；

小型机一般I/O点数小于256点，单CPU，8位或16位处理器，用户存储器容量4KB以下。

按结构分类

整体式PLC

整体式PLC是将电源、CPU、I/O接口等部件都集中装在一个机箱内，具有结构紧凑、体积小、价格低的特点，小型PLC一般采用这种整体式结构。整体式PLC由不同I/O点数的基本单元（又称主机）和扩展单元组成，基本单元内置CPU、I/O接口、与I/O扩展单元相连的扩展口，以及与编程器或EEPROM（电可擦编程只读存储器）写入器相连的接口等。扩展单元内只有I/O和电源等电路，没有CPU。基本单元和扩展单元之间一般用扁平电缆连接。整体式PLC还配备特殊功能模块，如模拟量、位置控制等模块，使其功能得以扩展。

模块式PLC

模块式PLC是将PLC各组成部分分别制作成若干个单独的模块，如CPU模块、I/O模块、电源模块（有的含在CPU模块中）以及各种功能模块。模块式PLC由各种模块与框架或基板组成。模块装在框架或基板的插座上。模块式PLC的特点是配置灵活，可根据需要选配不同规模的系统，并且装配方便，便于扩展和维修。大、中型PLC一般采用模块式结构。

叠装式PLC

叠装式PLC是将整体式和模块式的特点结合起来，这类PLC的CPU、电源、I/O接口等电路是各自独立的模块，在实际使用时，可根据需要灵活配置模块，用电缆连接。由于各模块可以一层层地叠装，所以系统体积可做得更小。

按功能分类

PLC可分为低档、中档、高档三类。

低档PLC具有迈辑运算、定时、计数、移位以及自诊断、监控等基本功能，还可有少量模拟量输入/出、算术运算、数据传送和比较、通信等功能，主要用于逻辑控制、顺序控制或少量模拟量控制的单机控制系统；

中档PLC除具有低档PLC的功能外，还具有较强的模拟量输入/输出、算术运算、数据传送和比较、数制转换、远程I/O、子程序、通信联网等功能，有些还可增设中断控制、PID控制等功能，适用于复杂控制系统；

高档PLC除具有中档PLC的功能外，还增加了带符号算术运算、矩阵运算、位逻辑运算、平方根运算及其他特殊功能函数的运算、制表及表格传送功能等，高档PLC机具有更强的通信联网功能，可用于大规模过程控制或构成分布式网络控制系统，实现工厂自动化。

按输出形式分类

继电器输出：为有触点输出方式，适用于低频大功率直流或交流负载；

晶体管输出：为无触点输出方式，适用于高频小功率直流负载；

晶闸管输出：为无触点输出方式，适用于高速大功率交流负载。

性能指标

PLC主要通过I/O总点数、存储器容量、编程语言、扫描时间、内部寄存器的种类和数量、通信能力、智能模块这几个模块来判断PLC的性能指标。

I/O总点数

I/O总点数的作用是衡量PLC中接入信号和输出信号的数量，PLC的输入输出有开关量和模拟量两种表示，其中开关量用I/O最大点数表示，而模拟量用I/O最大通道数表示。

存储器容量

存储器容量是用于衡量可存储用户应用程序多少的指标，通常以字或K字为单位，一般的逻辑操作指令每条占1个字，定时器、计数器和移位操作等指令占2个字，而数据操作指令占2~4个字。

扫描时间

扫描时间是表示PLC扫描接收到的1000条指令所需要的时间，通常为10ms左右，小型机可能大于40ms，扫描时间越短，PLC运行速度越快。

内部寄存器的种类和数量

内部寄存器的种类和数量可以用来衡量PLC的硬件功能，它主要用于存放变量的状态、中间结果、数据等，还提供大量的辅助寄存如定时器/计数器、移位寄存器、状态寄存器等，以便用户编程使用。

通信能力

通信能力是指PLC与PLC、PLC与计算机之间的数据传送和交换能力，如果是在工厂自动化的地方，那工厂所使用的PLC需要具备较强的通信能力，而且PLC不论是小型机或是中大型机，都配有一或两个通信端口。

智能模块

智能模块是指PLC具有自己的CPU和系统模块，智能模块一般作为PLC中央处理单元（CPU）的下位机，不参与PLC的循环处理过程，但接受PLC的指挥，可独立完成某些特殊的操作，如常见的位置控制模块、温度控制模块、PID控制模块、模糊控制模块等。

支持的编程语言

国际电工委员会制定的工业控制编程语言标准（IEC1131-3）有：

应用领域

PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为以下几类：

开关量的逻辑控制

这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线，如注机、印刷机、订书机械、组合机床、床、包装生产线、电镀流水线等。

模拟量控制

在工业生产过程中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等，都属于模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Anaog）和数字量（Digital）之间的A/D转换及D/A转换。PLC厂家都生产配套的AD和D/A转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。

运动控制

PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块，如可驱动步进电动机或伺服电动机的单轴或多轴位置控制模块。世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械及机床、机器人、电梯等场合。

过程控制

过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。大、中型PLC都有PID模块，许多小型PLC也具有此功能模块。PID处理一般是运行专用的PID子程序。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。

数据处理

PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算），数据传送，数据转换，排序，查表，位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统:也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。

通信及联网

PLC通信含PLC间的通信及PLC与其他智能设备间的通信。随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。PLC具有的通信接口，使通信非常方便。

发展趋势

PLC 的发展趋势有如下几个方面：

3.小型化、低成本、简单易用。

4.不断提高编程软件的功能：编程软件可以对PLC控制系统的硬件组态，在屏幕上可以直接生成和编辑梯形图、指令表、功能块图和顺序功能图程序，并可以实现不同编程语言的相互转换。程序可以下载、存盘和打印，通过网络或电话线，还可以实现远程编程。

5.适合PLC应用的新模块：随着科技的发展，对工业控制领域将提出更高、更特殊的要求，因此必须开发特殊功能模块来满足这些要求。

6.PLC的软件化与微机化：已有多家厂商推出了在微机上运行的可实现PLC功能的软件包，也称为“软PLC”。“软PLC”的性能价格比比传统的“硬PLC”更高，是PLC的一个发展方向。

参考资料

可编程控制器.中国大百科全书.2024-03-22

探讨:智能制造时代PLC面临的挑战和机遇.控制网.2024-03-23