作者：胡学林
出版社：电子工业出版社
格式: AZW3, DOCX, EPUB, MOBI, PDF, TXT
可编程控制器教程(基础篇)(第2版)试读：
普通高等教育“十二五”规划教材，电气工程、自动化专业规划教材
可编程控制器教程（基础篇）（第2版）
CIP号：第150058号
ISBN：978-7-121-23771-3
中图分类：TM571.6
关键词：可编程序控制器-高等学校-教材
北京,2014/07,电子工业出版社
版次：2
印次：1
价格：36.00
印数：3000册
印张：17.25
字数：442
开本：787×1092 1/16
语种：中文摘要
本书从工程应用的角度出发，以我国目前广泛应用的德国西门子（SIEMENS）公司的SIMATIC系列的S7-200系列PLC为样机，突出应用性和实践性，重点讲述了小型PLC的结构、工作原理和编程规则，详细介绍了系统的指令系统、组态配置、网络通信及性能指标，并通过大量的、有针对性的工程实例，对工程上常用的PLC控制系统的设计思想、设计步骤、设计方法，进行了详尽的介绍。每章后附有习题。
本书可作为高等院校电气工程及其自动化、自动化专业的教材，也可作为电气技术、机电一体化、计算机应用等相关专业的教学用书，亦可作为电大、职大相近专业的教材。对于广大的电气工程技术人员，则是一本有价值的参考书和技术手册。胡学林 主编凌毅 责任编辑凌毅 其他贡献者一克米工作室 封面设计再版前言
可编程控制器教程（基础篇）自2003年出版以来，承蒙读者的厚爱，畅销至今。本次再版，仍然保持原来的编写体系及风格。
从2003年到现在，PLC的应用正以前所未有的速度，在各行各业得到更加广泛的普及和应用。西门子的小型PLC——SIMATIC S7-200系列，更是以其可靠性高、功能强、性价比高的优势，在国内市场称雄。
这些年，虽然SIMATIC S7-200系列PLC在硬件上很少更新，只是推出了CPU224XP（自带AI/AO），以及S7-200 SMART。但是在应用领域却更加深入，尤其是在网络通信上。
本次再版，充分考虑了这些变化，增删了部分内容，特别是在网络通信方面，增加了S7-200的PPI通信、PROFINET通信及MODBUS通信。
本书可作为高等院校电气工程及其自动化、自动化专业的教材，也可作为电气技术、机电一体化、计算机应用等相关专业的教学用书，亦可作为电大、职大相近专业的教材。对于广大的电气工程技术人员，则是一本有价值的参考书和技术手册。
本书由胡学林主编。书中部分内容的编写参照了有关文献，恕不一一列举，谨对书后所有参考文献的作者表示感谢。
由于编者水平所限，错误和不妥之处在所难免，敬请专家、同仁、读者批评指正。
编者
2014年5月第1章 可编程控制器概述
可编程控制器（Programmable Controller，简称PLC或PC），是随着现代社会生产的发展和技术进步，现代工业生产自动化水平的日益提高及微电子技术的飞速发展，在继电器控制的基础上产生的一种新型的工业控制装置，是将3C（Computer，Control，Communication）技术，即微型计算机技术、控制技术及通信技术融为一体，应用到工业控制领域的一种高可靠性控制器，是当代工业生产自动化的重要支柱。
在本章中，主要介绍以下内容：
● PLC的产生、定义、分类及应用现状；
● PLC的一般特点；
● PLC与继电器逻辑控制系统的比较；
● PLC与其他通用控制器（DCS、PID、工业PC）的比较；
● PLC的主要功能；
● PLC的编程语言；
● PLC的性能指标；
● PLC的发展趋势。
本章的重点是掌握PLC的特点和主要功能，梯形图与继电器控制线路图的联系和差别，PLC与其他通用控制器的异同及适用范围，理解评价PLC性能的主要指标，了解PLC的发展趋势。1.1 PLC的产生、定义、分类及应用现状1.1.1 PLC的产生
一种新型的控制装置，一项先进的应用技术，总是根据工业生产的实际需要而产生的。
在可编程控制器产生以前，以各种继电器为主要元件的电气控制线路，承担着生产过程自动控制的艰巨任务，可能由成百上千个各种继电器构成复杂的控制系统，需要用成千上万根导线连接起来，安装这些继电器需要大量的继电器控制柜，且占据大量的空间。当这些继电器运行时，又产生大量的噪声，消耗大量的电能。为保证控制系统的正常运行，需安排大量的电气技术人员进行维护，有时某个继电器的损坏，甚至某个继电器的触点接触不良，都会影响整个系统的正常运行。如果系统出现故障，要进行检查和排除故障又是非常困难的，全靠现场电气技术人员长期积累的经验。尤其是在生产工艺发生变化时，可能需要增加很多的继电器或继电器控制柜，重新接线或改线的工作量极大，甚至可能需要重新设计控制系统。尽管如此，这种控制系统的功能也仅仅局限在能实现具有粗略定时、计数功能的顺序逻辑控制。因此，人们迫切需要一种新的工业控制装置来取代传统的继电器控制系统，使电气控制系统工作更可靠、更容易维修、更能适应经常变化的生产工艺要求。
1968年，美国最大的汽车制造商——通用汽车公司（GM）为满足市场需求，适应汽车生产工艺不断更新的需要，将汽车的生产方式由大批量、少品种转变为小批量、多品种。为此要解决因汽车不断改型而重新设计汽车装配线上各种继电器的控制线路问题，要寻求一种比继电器更可靠，响应速度更快、功能更强大的通用工业控制器。GM公司提出了著名的十条技术指标在社会上招标，要求控制设备制造商为其装配线提供一种新型的通用工业控制器，它应具有以下特点：
① 编程简单，可在现场方便地编辑及修改程序。
② 价格便宜，其性能价格比要高于继电器控制系统。
③ 体积要明显小于继电器控制柜。
④ 可靠性要明显高于继电器控制系统。
⑤ 具有数据通信功能。
⑥ 输入可以是AC115V。
⑦ 输出为AC115V，2A以上。
⑧ 硬件维护方便，最好是插件式结构。
⑨ 扩展时，原有系统只需做很小改动。
⑩ 用户程序存储器容量至少可以扩展到4KB。
1969年，美国数字设备公司（DEC）根据上述要求研制出世界上第一台可编程控制器，型号为PDP-14，并在GM公司的汽车生产线上首次应用成功，取得了显著的经济效益。当时人们把它称为可编程序逻辑控制器（Programmable Logic Controller，简称PLC）。
可编程控制器这一新技术的出现，受到国内外工程技术界的极大关注，纷纷投入力量研制。第一个把PLC商品化的是美国的哥德公司（GOULD），时间也是 1969年。1971年，日本从美国引进了这项新技术，研制出日本第一台可编程控制器。1973—1974年，德国和法国也都相继研制出自己的可编程控制器，德国西门子公司（SIEMENS）于1973年研制出欧洲第一台PLC。我国从1974年开始研制，1977年开始工业应用。
早期的PLC主要由分立式电子元件和小规模集成电路组成，它采用了一些计算机的技术，指令系统简单，一般只具有逻辑运算的功能，但它简化了计算机的内部结构，使之能够很好地适应恶劣的工业现场环境。随着微电子技术的发展，20世纪70年代中期以来，由于大规模集成电路（LSI）和微处理器在PLC中的应用，使PLC的功能不断增强，它不仅能执行逻辑控制、顺序控制、计时及计数控制，还增加了算术运算、数据处理、通信等功能，具有处理分支、中断、自诊断的能力，使PLC更多地具有了计算机的功能。目前世界上著名的电气设备制造厂商几乎都生产PLC系列产品，并且使PLC作为一个独立的工业设备成为主导的通用工业控制器。
可编程控制器从产生到现在，尽管只有四十几年的时间，由于其编程简单、可靠性高、使用方便、维护容易、价格适中等优点，使其得到了迅猛的发展，在冶金、机械、石油、化工、纺织、轻工、建筑、运输、电力等部门得到了广泛的应用。1.1.2 PLC的定义
1980年，美国电气制造商协会（National Electronic Manufacture Association，简称NEMA）将可编程控制器正式命名为Programmable Controller，简称为PLC或PC。
关于可编程控制器的定义，1980年，NEMA将可编程控制器定义为：“可编程控制器是一种带有指令存储器，数字的或模拟的输入／输出接口，以位运算为主，能完成逻辑、顺序、定时、计数和算术运算等功能，用于控制机器或生产过程的自动控制装置。”
1985年1月，国际电工委员会（International Electro-technical Commission，简称IEC）在颁布可编程控制器标准草案第二稿时，又对PLC作了明确定义：“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在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和顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的或模拟的输入和输出接口，控制各种类型的机器设备或生产过程。可编程控制器及其有关设备的设计原则是它应按易于与工业控制系统连成一个整体和具有扩充功能。”
该定义强调了可编程控制器是“数字运算操作的电子系统”，它是一种计算机，它是“专为工业环境下应用而设计”的工业控制计算机。
虽然可编程控制器的简称为PC，但它与近年来人们熟知的个人计算机（Personal Computer，也简称为PC）是完全不同的概念。为加以区别，国内外很多杂志，以及在工业现场的工程技术人员，仍然把可编程控制器称为PLC。为了照顾到这种习惯，在本书中，我们仍称可编程控制器为PLC。1.1.3 PLC的分类
可编程控制器具有多种分类方式，了解这些分类方式有助于PLC的选型及应用。
1.根据控制规模分类
PLC的控制规模是以所配置的输入／输出点数来衡量的。PLC的输入／输出点数表明了PLC可从外部接收多少个输入信号和向外部发出多少个输出信号，实际上也就是PLC的输入、输出端子数。根据I/O点数的多少可将PLC分为小型机、中型机和大型机。一般来说，点数多的PLC，功能也相应较强。（1）小型机
I/O点数（总数）在256点以下的，称为小型机，一般只具有逻辑运算、定时、计数和移位等功能，适用于小规模开关量的控制，可用它实现条件控制、顺序控制等。有些小型PLC（例如立石的C系列，三菱的F1系列，西门子的S5-100U，S7-200系列等），也增加了一些算术运算和模拟量处理等功能，能适应更广泛的需要。目前的小型PLC一般也具有数据通信等功能。
小型机的特点是价格低，体积小，适用于控制自动化单机设备，开发机电一体化产品。（2）中型机
I/O点数在256～1024点之间的，称为中型机。它除了具备逻辑运算功能，还增加了模拟量输入／输出、算术运算、数据传送、数据通信等功能，可完成既有开关量又有模拟量的复杂控制。中型机的软件比小型机丰富，在已固化的程序内，一般还有PID（比例、积分、微分）调节，整数／浮点运算等功能模板。
中型机的特点是功能强，配置灵活，适用于具有诸如温度、压力、流量、速度、角度、位置等模拟量控制和大量开关量控制的复杂机械，以及连续生产过程控制场合。（3）大型机
I/O点数在1024点以上的，称为大型机。大型PLC的功能更加完善，具有数据运算、模拟调节、联网通信、监视记录、打印等功能。大型机的内存容量超过640KB，监控系统采用CRT显示，能够表示生产过程的工艺流程，各种记录曲线，PID调节参数选择图等。能进行中断控制、智能控制、远程控制等。
大型机的特点是I/O点数特别多，控制规模宏大，组网能力强，可用于大规模的生产过程控制，构成分布式控制系统，或者整个工厂的集散控制系统。
2.根据结构形式分类
从结构上看，PLC可分为整体式、模板式及分散式3种形式。（1）整体式
一般的小型机多为整体式结构。这种结构PLC的电源，CPU，I/O部件都集中配置在一个箱体中，有的甚至全部装在一块印制电路板上。
图1-1所示为SIEMENS公司的S7-200型整体式PLC结构。
整体式PLC结构紧凑，体积小，重量轻，价格低，容易装配在工业控制设备的内部，比较适合于生产机械的单机控制。整体式PLC的缺点是主机的I/O点数固定，使用不够灵活，维修也较麻烦。图1-1 S7-200外观结构图（2）模板式
图1-2所示为SIEMENS公司的S7-300型模板式PLC结构。图1-2 S7-300的外观结构图
这种形式的PLC各部分以单独的模板分开设置，如电源模板PS、CPU模板、输入／输出模板SM、功能模板FM及通信模板CP等。这种PLC一般设有机架底板（也有的PLC为串行联结，没有底板），在底板上有若干插座，使用时，各种模板直接插入机架底板即可。这种结构的PLC配置灵活，装备方便，维修简单，易于扩展，可根据控制要求灵活配置所需模板，构成功能不同的各种控制系统。一般大、中型PLC均采用这种结构。
模板式PLC的缺点是结构较复杂，各种插件多，因而增加了造价。（3）分散式
所谓分散式的结构就是将可编程控制器的CPU、电源、存储器集中放置在控制室，而将各I/O模板分散放置在各个工作站，由通信接口进行通信连接，由CPU集中指挥。
以上3种形式的可编程控制器的外观结构示意图如图1-3所示。
3.根据用途分类（1）用于顺序逻辑控制
早期的可编程控制器主要用于取代继电器控制电路，完成如顺序、联锁、定时和计数等开关量的控制，因此顺序逻辑控制是可编程控制器的最基本的控制功能，也是可编程控制器应用最多的场合。比较典型的应用如自动电梯的控制、自动化仓库的自动存取、各种管道上的电磁阀的自动开启和关闭、皮带运输机的顺序启动，或者自动化生产线的多机控制等，这些都是顺序逻辑控制。要完成这类控制，不要求可编程控制器有太多的功能，只要有足够数量的I/O回路即可，因此可选用低档的可编程控制器。图1-3 可编程控制器外观结构示意图（2）用于闭环过程控制
对于闭环控制系统，除了要用开关量I/O点实现顺序逻辑控制外，还要有模拟量的I/O回路，以供采样输入和调节输出，实现过程控制中的PID调节，形成闭环过程控制系统。而中期的可编程控制器由于具有数值运算和处理模拟量信号的功能，可以设计出各种PID控制器。现在随着可编程控制器控制规模的增大，PLC可控制的回路数已从几个增加到几十个甚至几百个，因此可实现比较复杂的闭环控制系统，实现对温度、压力、流量、位置、速度等物理量的连续调节。比较典型的应用，如连轧机的速度和位置控制、锅炉的自动给水、加热炉的温度控制等。要完成这类控制，不仅要求可编程控制器有足够数量的I/O点，还要有模拟量的处理能力，因此对PLC的功能要求高，根据能处理的模拟量的多少，至少应选用中档的可编程控制器。（3）用于多级分布式和集散控制系统
在多级分布式和集散控制系统中，除了要求所选用的可编程控制器具有上述功能外，还要求具有较强的通信功能，以实现各工作站之间的通信、上位机与下位机的通信，最终实现全厂自动化，形成通信网络。由于近期的PLC都具有很强的通信和联网功能，建立一个自动化工厂已成为可能。显然，能胜任这种工作的可编程控制器为高档PLC。（4）用于机械加工的数字控制和机器人控制
机械加工行业也是PLC广泛应用的领域，可编程控制器与CNC（Computer Number Control，计算机数值控制）技术有机地结合起来，可以进行数值控制。由于PLC的处理速度不断提高和存储器容量的不断扩大，使CNC的软件不断丰富，用户对机械加工的程序编制越来越方便。随着人工视觉等高科技技术的不断完善，各种性能的机器人相继问世，很多机器人制造公司也选用PLC作为机器人的控制器，因此PLC在这个领域的应用也将越来越多。在这类应用中，除了要有足够的开关量I/O、模拟量I/O外，还要有一些特殊功能的模板，如速度控制、运动控制、位置控制、步进电机控制、伺服电机控制、单轴控制、多轴控制等特殊功能模板，以适应特殊工作需要。
4.根据生产厂家分类
PLC的生产厂家很多，每个厂家生产的PLC，其点数、容量、功能各有差异，但都自成系列，指令及外设向上兼容，因此在选择PLC时若选择同一系列的产品，则可以使系统构成容易、操作人员使用方便，备品配件的通用性及兼容性好。比较有代表性的有：日本立石（OMRON）公司的C系列，三菱（MITSUBISHI）公司的F系列，东芝（TOSHIBA）公司的EX系列，美国哥德（GOULD）公司的M84系列，美国通用电气（GE）公司的GE系列，美国A-B公司的PLC-5系列，德国西门子（SIEMENS）公司的S5系列、S7系列等。1.1.4 可编程控制器的应用现状
1.可编程控制器的市场状况
可编程控制器是“专为工业环境下应用而设计的”工业控制计算机，由于其具有很强的抗干扰能力，很高的可靠性，能在恶劣环境下工作的大量的I/O接口，因此，伴随着新产品、新技术的不断涌现，始终保持着旺盛的市场生命力。（1）国际市场
目前世界上PLC产品可按地域分成三大流派：一个流派是美国产品，一个流派是欧洲产品，一个流派是日本产品。美国和欧洲的PLC技术是在相互隔离情况下独立研究开发的，因此美国和欧洲的PLC产品有明显的差异性。而日本的PLC技术是从美国引进的，对美国的PLC产品有一定的继承性，但日本的主推产品定位在小型PLC上，以小型PLC著称。而美国和欧洲以大中型PLC而闻名。
① 美国PLC产品。美国是PLC生产大国，有100多家PLC厂商，著名的有A-B公司、通用电气（GE）公司、莫迪康（Modicon）公司（现为法国施耐德电气下属子公司）、德州仪器（TexasInstruments，TI）公司等。其中A-B公司是美国最大的PLC制造商，其产品约占美国PLC市场的一半。
② 欧洲PLC产品。德国的西门子（SIEMENS）公司、AEG公司、法国的TE公司是欧洲著名的PLC制造商。德国西门子的电子产品以性能精良而久负盛名。在中、大型PLC产品领域与美国的A-B公司齐名。
西门子PLC主要产品是S5、S7系列。在S5系列中，S5-90U、S5-95U属于微型整体式PLC；S5-100U是小型模块式 PLC；S5-115U是中型PLC；S5-155U为大型机。而S7系列是西门子公司在S5系列PLC基础上近年推出的新产品，其性能价格比高，其中 S7-200系列属于微型PLC；S7-300系列属于中小型PLC；S7-400系列属于中高性能的大型PLC。
③ 日本PLC 产品。日本的小型PLC最具特色，在小型机领域中颇负盛名，某些用欧美的中型机或大型机才能实现的控制，日本的小型机就可以解决。在开发较复杂的控制系统方面明显优于欧美的小型机，所以格外受用户欢迎。日本有许多PLC制造商，如三菱、欧姆龙、松下、富士、日立、东芝等，在世界小型PLC市场上，日本产品约占有70%的份额。（2）国内市场
我国对可编程控制器的研制始于1974年，当时上海、北京、西安等一些科研院校都在研制，但是始终未能走出实验室，更未能进入工业化生产。20世纪80年代中期，又掀起研制热潮，目前全国有几十个生产厂家，但生产的产品大多为128个开关量I/O点以下的小型机，年产量超过1000台的只有几家。
从20世纪90年代初期开始，由于可编程序控制器应用的不断深入，国内又掀起了自主研制开发可编程序控制器的高潮，虽然多为小型可编程序控制器，批量亦不大，但其功能、质量和可靠性已有明显的提高，代表产品如南京嘉华的JH200，I/O为12到120点，有高速计数器和模拟量功能；杭州新箭公司的D20P，其I/O为12/8点，D100的I/O可从40点扩展到120点；兰州全志的RD100、RD200，前者I/O为9/4点，2点模入，后者I/O为20～40点，扩展的功能有编码盘测速、热电偶测温和模拟量I/O、能联网32台RD200以及与PC机进行实时通信。同时，中大规模的可编程序控制器在国内也开始出现，交通部上海船舶运输研究所的STI2000，I/O为256点，多台联网时I/O可达4096点；北京和利时公司研制生产的可编程序控制器Hollias-PLC，其中典型的产品为数字量I/O达1024点，模拟量I/O达256点，内置TCP/IP通信接口，很容易接入管理网，配有PROFIBUS-DP现场总线的主站，从站和远程I/O，并与合作伙伴一起推出了 InterControl G3小型可编程序控制器系统。在国外产品强手如林的情况下，这些产品已具有和国外同类产品进行竞争的能力，充分说明国产可编程序控制器发展已进入了一个新的阶段。
2006年中国PLC市场规模为44.3亿元，到2010年中国PLC市场规模达到了68.4亿元，相比2009年50亿元的市场规模，同比增长 36.8%。2006年至2010年PLC市场规模的复合增长率为9.08%。随着“十二五”提升装备自动化的提出，业内预计PLC市场将处于持续增长状态。根据中国机械研究院机电市场研究所2010年的调研报告，2006—2013年中国PLC市场规模及预测如表1-1所示。表1-1 2006—2013中国PLC市场规模及预测
目前的国内市场几乎被国外的PLC产品占领，在大、中型PLC中，几乎100%是国外产品。主要以前面所提到的5家公司中的前3家为主，而小型PLC则由日本的三菱（MITSUBISHI）公司和OMRON公司占据主要地位。近年来SIEMENS公司的小型PLC在国内市场的占有率迅速上升，后来居上，企图抢占日本公司的产品市场。
2.可编程控制器应用范围
可编程控制器作为一种通用的工业控制器，它可用于所有的工业领域。当前国内外已广泛地将可编程控制器成功地应用到机械、汽车、冶金、石油、化工、轻工、纺织、交通、电力、电信、采矿、建材、食品、造纸、军工、家电等各个领域，并且取得了相当可观的技术经济效益。
可编程控制器的应用领域及范围，可以用4个字来描述：无所不在。
PLC控制技术代表了当今电气控制技术的世界先进水平，它已与数控技术、CAD/CAM技术、工业机器人技术并列为工业自动化技术的四大支柱。1.2 可编程控制器的特点及主要功能1.2.1 可编程控制器的一般特点
可编程控制器的种类虽然千差万别，但为了在恶劣的工业环境中使用，它们都有许多共同的特点。
1.抗干扰能力强，可靠性极高
工业生产对电气控制设备的可靠性的要求是非常高的，它应具有很强的抗干扰能力，能在很恶劣的环境下（如温度高、湿度大、金属粉尘多、距离高压设备近、有较强的高频电磁干扰等）长期连续可靠地工作，平均无故障时间（MTBF）长，故障修复时间短。而PLC是专为工业控制设计的，能适应工业现场的恶劣环境。可以说，没有任何一种工业控制设备能够达到可编程控制器的可靠性。在PLC的设计和制造过程中，采取了精选元器件及多层次抗干扰等措施，使PLC的平均无故障时间MTBF通常在10万小时以上，有些PLC的平均无故障时间可以达到几十万小时以上，如三菱公司的F1、F2系列的MTBF可达到30万小时，有些高档机的MTBF还要高得多，这是其他电气设备根本做不到的。
绝大多数的用户都将可靠性作为选取控制装置的首要条件，因此PLC在硬件和软件方面均采取了一系列的抗干扰措施。
在硬件方面，首先是选用优质器件，采用合理的系统结构，加固简化安装，使它能抗振动冲击。对印制电路板的设计、加工及焊接都采取了极为严格的工艺措施。对于工业生产过程中最常见的瞬间强干扰，采取的措施主要是采用隔离和滤波技术。PLC 的输入和输出电路一般都用光电耦合器传递信号，做到电浮空，使CPU与外部电路完全切断了电的联系，有效地抑制了外部干扰对PLC的影响。在PLC的电源电路和I/O接口中，还设置多种滤波电路，除了采用常规的模拟滤波器（如LC滤波和Π型滤波）外，还加上了数字滤波，以消除和抑制高频干扰信号，同时也削弱了各种模板之间的相互干扰。用集成电压调整器对微处理器的+5V 电源进行调整，以适应交流电网的波动和过电压、欠电压的影响。在PLC内部还采用了电磁屏蔽措施，对电源变压器、CPU、存储器、编程器等主要部件采用导电、导磁良好的材料进行屏蔽，以防外界干扰。
在软件方面，PLC也采取了很多特殊措施，设置了警戒时钟WDT（Watching Dog Timer），系统运行时对WDT定时刷新，一旦程序出现死循环，使之能立即跳出，重新启动并发出报警信号。还设置了故障检测及诊断程序，用以检测系统硬件是否正常，用户程序是否正确，便于自动地作出相应的处理，如报警、封锁输出、保护数据等。当PLC检测到故障时，立即将现场信息存入存储器，由系统软件配合对存储器进行封闭，禁止对存储器的任何操作，以防存储信息被破坏。这样，一旦检测到外界环境正常后，便可恢复到故障发生前的状态，继续原来的程序工作。
另外，PLC特有的循环扫描的工作方式，有效地屏蔽了绝大多数的干扰信号。
这些有效的措施，保证了可编程控制器的高可靠性。
2.编程方便
可编程控制器的设计是面向工业企业中一般电气工程技术人员的，它采用易于理解和掌握的梯形图语言，以及面向工业控制的简单指令。这种梯形图语言既继承了传统继电器控制线路的表达形式（如线圈、触点、动合、动断），又考虑到工业企业中的电气技术人员的看图习惯和微机应用水平。因此，梯形图语言对于企业中熟悉继电器控制线路图的电气工程技术人员是非常亲切的，它形象、直观，简单、易学，尤其是对于小型PLC而言，几乎不需要专门的计算机知识，只要进行短暂几天甚至几小时的培训，就能基本掌握编程方法。因此，无论是在生产线的设计中，还是在传统设备的改造中，电气工程技术人员都特别欢迎和愿意使用PLC。
3.使用方便
虽然PLC种类繁多，由于其产品的系列化和模板化，并且配有品种齐全的各种软件，用户可灵活组合成各种规模和要求不同的控制系统，用户在硬件设计方面，只是确定PLC的硬件配置和I/O通道的外部接线。在PLC构成的控制系统中，只需在PLC的端子上接入相应的输入、输出信号即可，不需要诸如继电器之类的固体电子器件和大量繁杂的硬接线电路。在生产工艺流程改变，或生产线设备更新，或系统控制要求改变，需要变更控制系统的功能时，一般不必改变或很少改变I/O通道的外部接线，只要改变存储器中的控制程序即可，这在传统的继电器控制时是很难想象的。PLC的输入、输出端子可直接与220VAC，24VDC等强电相连，并有较强的带负载能力。
在PLC运行过程中，在PLC的面板上（或显示器上）可以显示生产过程中用户感兴趣的各种状态和数据，使操作人员做到心中有数，即使在出现故障甚至发生事故时，也能及时处理。
4.维护方便
PLC的控制程序可通过编程器输入PLC的用户程序存储器中。编程器不仅能对PLC控制程序进行写入、读出、检测、修改，还能对PLC的工作进行监控，使得PLC的操作及维护都很方便。PLC还具有很强的自诊断能力，能随时检查出自身的故障，并显示给操作人员，如I/O通道的状态、RAM的后备电池的状态、数据通信的异常、PLC内部电路的异常等信息。正是通过PLC的这种完善的诊断和显示能力，当PLC主机或外部的输入装置及执行机构发生故障时，使操作人员能迅速检查、判断故障原因，确定故障位置，以便采取迅速有效的措施。如果是PLC本身故障，在维修时只需要更换插入式模板或其他易损件即可完成，既方便又减少了影响生产的时间。
有人曾预言，将来自动化工厂的电气工人，将一手拿着螺丝刀，一手拿着编程器。这也是可编程控制器得以迅速发展和广泛应用的重要因素之一。
5.设计、施工、调试周期短
用可编程控制器完成一项控制工程时，由于其硬、软件齐全，设计和施工可同时进行。由于用软件编程取代了继电器硬接线实现控制功能，使得控制柜的设计及安装接线工作量大为减少，缩短了施工周期。同时，由于用户程序大都可以在实验室模拟调试，模拟调试好后再将PLC控制系统在生产现场进行联机统调，使得调试方便、快速、安全，因此大大缩短了设计和投运周期。
6.易于实现机电一体化
因为可编程控制器的结构紧凑，体积小，重量轻，可靠性高，抗震防潮和耐热能力强，使之易于安装在机器设备内部，制造出机电一体化产品。随着集成电路制造水平的不断提高，可编程控制器体积将进一步缩小，而功能却进一步增强，与机械设备有机地结合起来，在CNC和机器人的应用中必将更加普遍，以PLC 作为控制器的CNC设备和机器人装置将成为典型的机电一体化的产品。1.2.2 可编程控制器与继电器逻辑控制系统的比较
在可编程控制器出现以前，继电器硬接线电路是逻辑控制、顺序控制的唯一执行者，它结构简单，价格低廉，一直被广泛应用。但它与PLC控制相比有许多缺点，如表1-2所示。表1-2 PLC与继电器逻辑控制系统的比较1.2.3 可编程控制器与其他工业控制器的比较
自从微型计算机诞生以后，工程技术人员就一直努力将微型计算机技术应用到工业控制领域，这样，在工业控制领域就产生了几种有代表性的工业控制器，如前面曾经提到的：可编程控制器（PLC）、PID控制器（又称PID调节器）、集散控制系统（DCS）、工业控制计算机（工业PC）。由于PID控制器一般只适用于过程控制中的模拟量控制，并且，目前的PLC或DCS中均具有PID的功能，所以，只需要对可编程控制器与通用的微型计算机、与集散控制系统、与工业控制计算机分别做一下比较。
1.可编程控制器与通用的微型计算机的比较
采用微电子技术制作的作为工业控制器的可编程控制器，它也是由CPU、RAM、ROM、I/O接口等构成的，与微机有相似的构造，但又不同于一般的微机，特别是它采用了特殊的抗干扰技术，有着很强的接口能力，使它更能适用于工业控制。
PLC与微机各自的特点如表1-3所示。表1-3 PLC与微型计算机的比较续表
2.可编程控制器与集散控制系统的比较
可编程控制器与集散控制系统都是用于工业现场的自动控制设备，都是以微型计算机为基础的，都可以完成工业生产中大量的控制任务。但是，它们之间又有一些不同。（1）发展基础不同
可编程控制器是由继电器逻辑控制系统发展而来，所以它在开关量处理，顺序控制方面具有自己的绝对优势，发展初期主要侧重于顺序逻辑控制方面。集散控制系统是由仪表过程控制系统发展而来，所以它在模拟量处理、回路调节方面具有一定的优势，发展初期主要侧重于回路调节功能。（2）扩展方向不同
随着微型计算机的发展，可编程控制器在初期逻辑运算功能的基础上，增加了数值运算及闭环调节功能。运算速度不断提高，控制规模越来越大，并开始与网络或上位机相连，构成了以PLC为核心部件的分布式控制系统。集散控制系统自20世纪70年代问世后，也逐渐地把顺序控制装置，数据采集装置，回路控制仪表，过程监控装置有机地结合在一起，构成了能满足各种不同控制要求的集散控制系统。（3）由小型计算机构成的中小型DCS将被PLC构成的DCS所替代
PLC与DCS从各自的基础出发，在发展过程中互相渗透，互为补偿，两者的功能越来越近，颇有殊途同归之感。目前，很多工业生产过程既可以用PLC实现控制，也可以用DCS实现控制。但是，由于PLC是专为工业环境下应用而设计的，其可靠性要比一般的小型计算机高得多，所以，以PLC为控制器的DCS必将逐步占领以小型计算机为控制器的中小型DCS市场。
3.可编程控制器与工业控制计算机的比较
可编程控制器与工业控制计算机（简称工业PC）都是用来进行工业控制，但是工业PC与PLC相比，仍有一些不同。（1）硬件方面
工业PC是由通用微型计算机推广应用发展起来的，通常由微型计算机生产厂家开发生产，在硬件方面具有标准化总线结构，各种机型间兼容性强。而PLC则是针对工业顺序控制，由电气控制厂家研制发展起来的，其硬件结构专用，各个厂家产品不通用，标准化程度较差。但是PLC的信号采集和控制输出的功率强，可不必再加信号变换和功率驱动环节，而直接和现场的测量信号及执行机构对接；在结构上，PLC采取整体密封模板组合形式；在工艺上，对印刷板、插座、机架都有严密的处理；在电路上，又有一系列的抗干扰措施。因此，PLC的可靠性更能满足工业现场环境下的要求。（2）软件方面
工业PC可借用通用微型计算机丰富的软件资源，对算法复杂，实时性强的控制任务能较好地适应。PLC在顺序控制的基础上，增加了PID等控制算法，它的编程采用梯形图语言，易于被熟悉电气控制线路而不太熟悉微机软件的工厂电气技术人员所掌握。但是，一些微型计算机的通用软件还不能直接在PLC上应用，还要经过二次开发。
任何一种控制设备都有自己最适合的应用领域。熟悉、了解PLC与通用微型计算机、集散控制系统、工业PC的异同，将有助于我们根据控制任务和应用环境来恰当地选用最合适的控制设备，最好地发挥其效用。1.2.4 可编程控制器的主要功能
PLC是采用微电子技术来完成各种控制功能的自动化设备，可以在现场的输入信号作用下，按照预先输入的程序，控制现场的执行机构，按照一定规律进行动作。其主要功能如下。
1.顺序逻辑控制
这是PLC最基本最广泛的应用领域，用来取代继电器控制系统，实现逻辑控制和顺序控制。它既可用于单机控制或多机控制，又可用于自动化生产线的控制。PLC根据操作按钮、限位开关及其他现场给出的指令信号和传感器信号，控制机械运动部件进行相应的操作。
2.运动控制
在机械加工行业，可编程控制器与计算机数控（CNC）集成在一起，用以完成机床的运动控制。很多PLC制造厂家已提供了拖动步进电机或伺服电机的单轴或多轴的位置控制模板。在多数情况下，PLC把描述目标位置的数据送给模板，模板移动一轴或数轴到目标位置。当每个轴移动时，位置控制模板保持适当的速度和加速度，确保运动平滑。目前已用于控制无心磨削、冲压、复杂零件分段冲裁、滚削、磨削等应用中。
3.定时控制
PLC为用户提供了一定数量的定时器，并设置了定时器指令，如OMRON公司的CPM1A，每个定时器可实现0.1～999.9s或0.01～99.99s的定时控制，SIEMENS公司的S7-200系列可提供时基单位为0.1s，0.01s及0.001s的定时器，实现从0.001s到3276.7s的定时控制。也可按一定方式进行定时时间的扩展。定时精度高，定时设定方便、灵活。同时PLC还提供了高精度的时钟脉冲，用于准确的实时控制。
4.计数控制
PLC为用户提供的计数器分为普通计数器、可逆计数器（增减计数器）、高速计数器等，用来完成不同用途的计数控制。当计数器的当前计数值等于计数器的设定值，或在某一数值范围时，发出控制命令。计数器的计数值可以在运行中被读出，也可以在运行中进行修改。
5.步进控制
PLC为用户提供了一定数量的移位寄存器，用移位寄存器可方便地完成步进控制功能。在一道工序完成之后，自动进行下一道工序。一个工作周期结束后，自动进入下一个工作周期。有些PLC还专门设有步进控制指令，使得步进控制更为方便。
6.数据处理
大部分PLC都具有不同程度的数据处理功能，如F2系列、C系列、S7系列PLC等，能完成数据运算如：加、减、乘、除、乘方、开方等，逻辑运算如：字与、字或、字异或、求反等，移位、数据比较和传送及数值的转换等操作。
7.模数和数模转换
在过程控制或闭环控制系统中，存在温度、压力、流量、速度、位移、电流、电压等连续变化的物理量（或称模拟量）。过去，由于PLC长于逻辑运算控制，对于这些模拟量的控制主要靠仪表控制（如果回路数较少）或分布式控制系统DCS（如果回路数较多）。目前，不但大、中型PLC都具有模拟量处理功能，甚至很多小型PLC也具有模拟量处理功能，而且编程和使用都很方便。
8.通信及联网
目前绝大多数PLC都具备了通信能力，能够实现PLC与计算机，PLC与PLC之间的通信。通过这些通信技术，使PLC更容易构成工厂自动化（FA）系统。也可与打印机、监视器等外部设备相连，记录和监视有关数据。1.2.5 可编程控制器的软件及编程语言
可编程控制器是微型计算机技术在工业控制领域的重要应用，而计算机是离不开软件的。可编程控制器的软件也可分为系统软件和应用软件。
1.系统软件
所谓可编程控制器的系统软件就是PLC的系统监控程序，也有人称之为可编程控制器的操作系统。它是每台可编程控制器都必须包括的部分，是由PLC的制造厂家编制的，用于控制可编程控制器本身的运行，一般来说，系统软件对用户是不透明的。
系统监控程序通常可分为3个部分。（1）系统管理程序
系统管理程序是监控程序中最重要的部分，它要完成如下任务。
① 负责系统的运行管理，控制可编程控制器何时输入、何时输出、何时运算、何时自检、何时通信等，进行时间上的分配管理。
② 负责存储空间的管理，即生成用户环境，由它规定各种参数、程序的存放地址，将用户使用的数据参数存储地址转化为实际的数据格式，以及物理存放地址。它将有限的资源变为用户可直接使用的很方便的编程元件。例如，它将有限个数的CTC扩展为几十个、上百个用户时钟（定时器）和计数器。通过这部分程序，用户看到的就不是实际机器存储地址和PIO，CTC的地址，而是按照用户数据结构排列的元件空间和程序存储空间。
③ 负责系统自检，包括系统出错检验、用户程序语法检验、句法检验、警戒时钟运行等。
有了系统管理程序，整个可编程控制器就能在其管理控制下，有条不紊地进行各种工作。（2）用户指令解释程序
任何一台计算机，无论应用何种语言，最终只能执行机器语言，而用机器语言编程无疑是一件枯燥，麻烦且令人生畏的工作。为此，在可编程控制器中采用梯形图语言编程，再通过用户指令解释程序，将梯形图语言一条条地翻译成一串串的机器语言。这样，因为PLC在执行指令的过程中需要逐条予以解释，所以降低了程序的执行速度。由于PLC所控制的对象多数是机电控制设备，这些滞后的时间（一般是微秒或毫秒级的）完全可以忽略不计。尤其是当前PLC的主频越来越高，这种时间上的延迟将越来越小。（3）标准程序模块和系统调用
这部分是由许多独立的程序块组成的，各自能完成不同的功能，如输入、输出、运算或特殊运算等。可编程控制器的各种具体工作都是由这部分程序完成的，这部分程序的多少，决定了可编程控制器性能的强弱。
整个系统监控程序是一个整体，它质量的好坏，很大程度上决定了可编程控制器的性能。如果能够改进系统的监控程序，就可以在不增加任何硬件设备的条件下，大大改善可编程控制器的性能。
2.应用软件
可编程控制器的应用软件是指用户根据自己的控制要求编写的用户程序。由于可编程控制器的应用场合是工业现场，它的主要用户是电气技术人员，所以其编程语言，与通用的计算机相比，具有明显的特点，它既不同于高级语言，又不同于汇编语言，它要满足易于编写和易于调试的要求，还要考虑现场电气技术人员的接受水平和应用习惯。因此，可编程控制器通常使用梯形图语言，又叫继电器语言，更有人称之为电工语言。另外，为满足各种不同形式的编程需要，根据不同的编程器和支持软件，还可以采用语句表、逻辑功能图、顺序功能图、流程图及高级语言进行编程。1.3 PLC的编程语言1.3.1 梯形图
梯形图是一种图形编程语言，是面向控制过程的一种“自然语言”，它沿用继电器的触点（触点在梯形图中又常称为接点）、线圈、串并联等术语和图形符号，同时也增加了一些继电器-接触器控制系统中没有的特殊功能符号。梯形图语言比较形象、直观，对于熟悉继电器控制线路的电气技术人员来说，很容易被接受，且不需要学习专门的计算机知识，因此，在PLC应用中，是使用的最基本、最普遍的编程语言。但这种编程方式只能用图形编程器直接编程。
PLC的梯形图虽然是从继电器控制线路图发展而来的，但与其又有一些本质的区别。
① PLC梯形图中的某些编程元件沿用了继电器这一名称，如输入继电器、输出继电器、中间继电器等。但是，这些继电器并不是真实的物理继电器，而是“软继电器”。这些继电器中的每一个，都与PLC用户程序存储器中的数据存储区中的元件映像寄存器的一个具体存储单元相对应。如果某个存储单元为“1”状态，则表示与这个存储单元相对应的那个继电器的“线圈得电”。反之，如果某个存储单元为“0”状态，则表示与这个存储单元相对应的那个继电器的“线圈断电”。这样，我们就能根据数据存储区中某个存储单元的状态是“1”还是“0”，判断与之对应的那个继电器的线圈是否“得电”。
② PLC梯形图中仍然保留了动合触点（常开点）和动断触点（常闭点）的名称，这些触点的接通或断开，取决于其线圈是否得电（对于熟悉继电器控制线路的电气技术人员来说，这是最基本的概念）。在梯形图中，当程序扫描到某个继电器触点时，就去检查其线圈是否“得电”，即去检查与之对应的那个存储单元的状态是“1”还是“0”。如果该触点是动合触点，就取它的原状态；如果该触点是动断触点，就取它的反状态。例如：如果对应输出继电器Q0.0的存储单元中的状态是“1”（表示线圈得电），当程序扫描到Q0.0的动合触点时，就取它的原状态“1”（表示动合触点接通），当程序扫描到Q0.0的动断触点时，就取它的反状态“0”（表示动断触点断开）。反之亦然。
③ PLC梯形图中的各种继电器触点的串并联连接，实质上是将对应这些基本单元的状态依次取出来，进行“逻辑与”、“逻辑或”等逻辑运算。而计算机对进行这些逻辑运算的次数是没有限制的，因此，可在编制程序时无限次使用各种继电器的触点，且可根据需要采用动合（常开）或动断（常闭）的形式。
注意，在梯形图程序中同一个继电器号的线圈一般只能使用一次。
④ 在继电器控制线路图中，左、右两侧的母线为电源线，在电源线中间的各个支路上都加有电压，当某个或某些支路满足接通条件时，就会有电流流过触点和线圈。而在PLC梯形图，左侧（或两侧）的垂线为逻辑母线，每一个支路均从逻辑母线开始，到线圈或其他输出功能结束。在梯形图中，其逻辑母线上不加什么电源，元件和连线之间也并不存在电流，但它确实在传递信息。为形象化起见，我们说，在梯形图中是有信息流或假想电流在流通，即在梯形图中流过的电流不是物理电流，而是“能流”，是用户程序表达方式中满足输出执行条件的形象表达方式，“能流”只能从左向右流动。
⑤ 在继电器控制线路图中，各个并联电路是同时加电压，并行工作的，由于实际元件动作的机械惯性，可能会发生触点竞争现象。在梯形图中，各个编程元件的动作顺序是按扫描顺序依次执行的，或者说是按串行的方式工作的，在执行梯形图程序时，是自上而下，从左到右，串行扫描，不会发生触点竞争现象。
⑥ PLC梯形图中的输出线圈只对应存储器中的输出映像区的相应位，不能用该编程元件（如中间继电器的线圈、定时器、计数器等）直接驱动现场机构，必须通过指定的输出继电器，经I/O接口上对应的输出单元（或输出端子）才能驱动现场执行机构。1.3.2 语句表
指令语句就是用助记符来表达PLC的各种功能。它类似于计算机的汇编语言，但比汇编语言通俗易懂，因此也是应用很广泛的一种编程语言。这种编程语言可使用简易编程器编程，尤其是在未能配置图形编程器时，就只能将已编好的梯形图程序转换成语句表的形式，再通过简易编程器将用户程序逐条地输入PLC的存储器中进行编程。通常每条指令由地址、操作码（指令）和操作数（数据或器件编号）3部分组成。编程设备简单，逻辑紧凑、系统化，连接范围不受限制，但比较抽象，一般与梯形图语言配合使用，互为补充。目前，大多数PLC都有指令语句编程功能。1.3.3 逻辑功能图
这是一种由逻辑功能符号组成的功能块图来表达命令的图形语言，这种编程语言基本上沿用了半导体逻辑电路的逻辑方块图。对每一种功能都使用一个运算方块，其运算功能由方块内的符号确定。常用“与”、“或”、“非”等逻辑功能表达控制逻辑。和功能方块有关的输入画在方块的左边，输出画在方块的右边。采用这种编程语言，不仅能简单明确地表现逻辑功能，还能通过对各种功能块的组合，实现加法、乘法、比较等高级功能，所以，它也是一种功能较强的图形编程语言。对于熟悉逻辑电路和具有逻辑代数基础的人来说，是非常方便的。
图1-4为实现三相异步电动机启停控制的3种编程语言的表达方式。图1-4 3种编程语言举例1.3.4 顺序功能图
顺序功能图（SFC）编程方式采用画工艺流程图的方法编程，只要在每一个工艺方框的输入和输出端，标上特定的符号即可。对于在工厂中搞工艺设计的人来说，用这种方法编程，不需要很多的电气知识，非常方便。
不少PLC的新产品采用了顺序功能图，有的公司已生产出系列
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