自动控制理论概述论文

PLC的发展和应用

作者：王松 109043 作者单位：控制学院自动化系C104 摘要:PLC全名为可编程控制器，定义是种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的，主要结构由电源，中央处理单元，存储器，输入输出接口电路，功能模块，通信模块组成。PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、抗干扰性强、编程简单等特点，在军事、国防、航空航天、交通、工业生产中的地位，在可预见的将来中是无法取代的。PLC有很多流派，我国的PLC研发、生产和应用发展很快，尤其在应用方面更为突出。 关键字：控制功能、流派、支柱、应用、趋势

概述: 可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC），它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程，属于工业自动化控制领域。PLC在工业中具有重要的地位，成为工业自动化的三大支柱之一，在未来工业中有着无可替代的作用。目前世界上生产PLC最好的有德国的西门子，日本的三菱，美国的霍尼韦尔公司等， PLC按结构分为整体型和模块型两类，按应用环境分为现场安装和控制室安装两类；按CPU字长分为1位、4位、8位、16位、32位、64位等。从应用角度出发，通常可按控制功能或输入输出点数选型。PLC的控制功能应用在各种工业领域，它的未来发展趋势在一定程度上决定着工业的发展。

一 、PLC的发展历程和主要流派

在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。1968年美国GM（通用汽车）公司提出取代继电气控制装置的要求，第二年，美国数字公司研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这就是第一代可编程序控制器，称Programmable Controller（PC）。个人计算机（简称PC）发展起来后，为了方便，也为了反映可编程控制器的功能特点，可编程序控制器定名为Programmable Logic Controller（PLC），现在，仍常常将PLC简称PC。

PLC的定义有许多种。国际电工委员会（IEC）对PLC的定义是：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贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。上世纪80年代至90年代中期，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

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力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，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。

在世界上200多家PLC厂商，400多品种的PLC产品大体可以按地域分成三个流派：一个流派是美国产品，一个流派是欧洲产品，还有一个流派是日本产品。同一地区的产品相互借鉴的比较多，相互影响比较大，技术参透比较深，面临的主要市场相同，拥护要求接近，这一切就使得同一地域的PLC产品表现出比较多的相似性。美国PLC技术的形成与欧洲PLC技术的形成是在相互隔离的情况下，独自研究开发获得的，因此美国的PLC产品与欧洲的PLC产品常表现出来明显的差异性。日本的PLC技术是由美国引进的，因此日本的产品对美国的产品有一定的继承性。世界上比较先进的PLC生产厂家有德国的的西门子、日本的三菱、美国的A-B公司等等。

二、PLC的控制功能

1、运算功能

简单可编程逻辑控制器的运算功能包括逻辑运算、计时和计数功能；普通可编程逻辑控制器的运算功能还包括数据移位、比较等运算功能；较复杂运算功能有代数运算、数据传送等；大型可编程逻辑控制器中还有模拟量的PID运算和其他高级运算功能。随着开放系统的出现，目前在可编程逻辑控制器中都已具有通信功能，有些产品具有与下位机的通信，有些产品具有与同位机或上位机的通信，有些产品还具有与工厂或企业网进行数据通信的功能。设计选型时应从实际应用的要求出发，合理选用所需的运算功能。大多数应用场合，只需要逻辑运算和计时计数功能，有些应用需要数据传送和比较，当用于模拟量检测和控制时，才使用代数运算，数值转换和PID运算等。要显示数据时需要译码和编码等运算。

2、控制功能

控制功能包括PID控制运算、前馈补偿控制运算、比值控制运算等，应根据控制要求确定。可编程逻辑控制器主要用于顺序逻辑控制，因此，大多数场合常采用单回路或多回路控制器解决模拟量的控制，有时也采用专用的智能输入输出单元完成所需的控制功能，提高可编程逻辑控制器的处理速度和节省存储器容量。例如采用PID控制单元、高速计数器、带速度补偿的模拟单元、ASC码转换单元等。

3、通信功能

网络在自动化系统集成工程中的重要性越来越显著，甚至有人提出"网络就是控制器"的观点说法。PLC具有通信联网的功能，它使PLC与PLC 之间、PLC与上位计算机以及其他智能设备之间能够交换信息，形成一个统一的整体，实现分散集中控制。多数PLC具有RS-232接口，还有一些内置有支持各自通信协议的接口。

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PLC的通信，还未实现互操作性，IEC规定了多种现场总线标准，PLC各厂家均有采用。对于一个自动化工程(特别是中大规模控制系统)来讲，选择网络非常重要的。首先，网络必须是开放的，以方便不同设备的集成及未来系统规模的扩展；其次，针对不同网络层次的传输性能要求，选择网络的形式，这必须在较深入地了解该网络标准的协议、机制的前提下进行；再次综合考虑系统成本、设备兼容性、现场环境适用性等具体问题，确定不同层次所使用的网络标准。可编程逻辑控制器系统的通信网络主要形式有下列几种形式：

1）、PC为主站，多台同型号可编程逻辑控制器为从站，组成简易可编程逻辑控制器网络；

2）、1台可编程逻辑控制器为主站，其他同型号可编程逻辑控制器为从站，构成主从式可编程逻辑控制器网络；

3）、可编程逻辑控制器网络通过特定网络接口连接到大型DCS中作为DCS的子网；

4）、专用可编程逻辑控制器网络（各厂商的专用可编程逻辑控制器通信网络）。

为减轻CPU通信任务，根据网络组成的实际需要，应选择具有不同通信功能的（如点对点、现场总线、）通信处理器。

4、编程功能

离线编程方式：可编程逻辑控制器和编程器公用一个CPU，编程器在编程模式时，CPU只为编程器提供服务，不对现场设备进行控制。完成编程后，编程器切换到运行模式，CPU对现场设备进行控制，不能进行编程。离线编程方式可降低系统成本，但使用和调试不方便。在线编程方式：CPU和编程器有各自的CPU，主机CPU负责现场控制，并在一个扫描周期内与编程器进行数据交换，编程器把在线编制的程序或数据发送到主机，下一扫描周期，主机就根据新收到的程序运行。这种方式成本较高，但系统调试和操作方便，在大中型可编程逻辑控制器中常采用。

五种标准化编程语言：顺序功能图（SFC）、梯形图（LD）、功能模块图（FBD）三种图形化语言和语句表（IL）、结构文本（ST）两种文本语言。选用的编程语言应遵守其标准（IEC6113123），同时，还应支持多种语言编程形式，如C，Basic等，以满足特殊控制场合的控制要求。

5、诊断功能

可编程逻辑控制器的诊断功能包括硬件和软件的诊断。硬件诊断通过硬件的逻辑判断确定硬件的故障位置，软件诊断分内诊断和外诊断。通过软件对PLC内部的性能和功能进行诊断是内诊断，通过软件对可编程逻辑控制器的CPU与外部输入输出等部件信息交换功能进行诊断是外诊断。

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可编程逻辑控制器的诊断功能的强弱，直接影响对操作和维护人员技术能力的要求，并影响平均维修时间。

6、处理速度

可编程逻辑控制器采用扫描方式工作。从实时性要求来看，处理速度应越快越好，如果信号持续时间小于扫描时间，则可编程逻辑控制器将扫描不到该信号，造成信号数据的丢失。

处理速度与用户程序的长度、CPU处理速度、软件质量等有关。目前，可编程逻辑控制器接点的响应快、速度高，每条二进制指令执行时间约0.2～0.4Ls，因此能适应控制要求高、相应要求快的应用需要。扫描周期（处理器扫描周期）应满足：小型可编程逻辑控制器的扫描时间不大于0.5ms/K；大中型可编程逻辑控制器的扫描时间不大于0.2ms/K。

三、工业可编程序控制器(plc)发展趋势

plc作为工控机的一员，在主要工业国家中成为自动化系统的基本电控装置。它具有控制方便、可靠性高、容易掌握、体积小、价格适宜等特点。据统计，当今世界plc生产厂家约150家，生产300多个品种。2000年销售额约为86亿美元，占工控机市场份额的50%，plc将在工控机市场中占有主要地位，并保持继续上升的势头。

plc在60年代末引入我国时，只用作离散量的控制，其功能只是将操作接到离散量输出的接触器等，最早只能完成以继电器梯形逻辑的操作。新一代的plc具有pid调节功能，它的应用已从开关量控制扩大到模拟量控制领域，广泛地应用于航天、冶金、轻工、建材等行业。但plc也面临着其它行业工控产品的挑战，各厂家正采取措施不断改进产品，主要表现为以下几个方面：

1.微型、小型plc功能明显增强

很多有名的plc厂家相继推出高速、高性能、小型、特别是微型的plc。三菱的fxos14点(8个24vdc输入，6个继电器输出)，其尺寸仅为58mm×89mm，仅大于信用卡几个毫米，而功能却有所增强，使plc的应用领域扩大到远离工业控制的其它行业，如快餐厅、医院手术室、旋转门和车辆等，甚至引入家庭住宅、娱乐场所和商业部门。

2.集成化发展趋势增强

由于控制内容的复杂化和高难度化，使plc向集成化方向发展，plc与pc集成、plc与dcs集成、plc与pid集成等，并强化了通讯能力和网络化，尤其是以pc为基的控制产品增长率最快。plc与pc集成，即将计算机、plc及操作人员的人—机接口结合在一起，使plc能利用计算机丰富的软件资源，而计算机能和plc的模块交互存取数据。以pc机为基的控制容易编程和维护用户的利益，

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开放的体系结构提供灵活性，最终降低成本和提高生产率。

3.向开放性转变

plc曾存在严重的缺点，主要是plc的软、硬件体系结构是封闭而不是开放的，绝大多数的plc是专用总线、专用通信网络及协议，编程虽多为梯形图，但各公司的组态、寻址、语文结构不一致，使各种plc互不兼容。国际电工协会(iec)在1992年颁布了iec1131-3《可编程序控制器的编程软件标准》，为各plc厂家编程的标准化铺平了道路。现在开发以pc为基、在windows平台下，符合iec1131-3国际标准的新一代开放体系结构的plc正在规划中。

四、PLC在工业和生活中的应用

PLC在工业中应用很广泛，在制造业也很受青睐。PLC是现代工业中自动化控制的三大支柱之一，三大支柱分别是PLC,CAD和机器人。它的工作原理是当可编程逻辑控制器投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段， 即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，可编程逻辑控制器的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。PLC采用循环扫描的工作方式，是区别于微机和其他控制设备的最大特点。在生活中几种常见的PLC的应用的典型案例:十字路口交通灯，温室自动调节系统，电梯自动控制等等。在工业中应用也很多，例如实现多台风机、水泵组成的自动恒压调节系统，根据控制对象的参数变化自动调节，调节电机的出力、电机的投入\退出，达到自动恒压控制的目的。

在此重点介绍一种PLC，西门子的PLC，德国西门子（SIEMENS）公司生产的可编程序控制器在我国的应用也相当广泛，在冶金、化工、印刷生产线等领域都有应用。西门子（SIEMENS）公司的PLC产品包括LOGO，S7-200，S7-300，S7-400，工业网络，HMI人机界面，工业软件等。 西门子S7系列PLC体积小、速度快、标准化，具有网络通信能力，功能更强，可靠性更高。S7系列PLC产品可分为微型PLC（如S7-200），小规模性能要求的PLC（如S7-300）和中、高性能要求的PLC（如S7-400）等。

在过程工业中，由于过程控制的功能主要通过专门的DCS（ DCS是分布式控制系统的英文缩写（Distributed Control System），在国内自控行业又称之为集散控制系统。即所谓的分布式控制系统，或在有些资料中称之为集散系统，是相对于集中式控制系统而言的一种新型计算机控制系统，它是在集中式控制系统的基础上发展、演变而来的。它是一个由过程控制级和过程监控级组成的以通信网络为纽带的多级计算机系统，综合了计算机，通信、显示和控制等4C技术，其基本思想是分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活以及组态方便。 ）进行调节，停工的功能主要通过PLC的应用来完成。PLC是从离散制造业的应用设备中演化而成，与典型的DCS控制系统的逻辑完全不同，它在中央处理器的帮助下能够读取所有的输入数据、执行程序并将输出结果转换成可编程的状态，从而完全替代了使用物理设备的硬件逻辑系统。这个过程由重复的扫描完成，每次的

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扫描时间不超过几毫秒。包括汽车自动化、楼宇自动化、电子和半导体设备以及运输等离散制造业一直都采用PLC。所以PLC在工业中的地位举足轻重，不可替代。

结论

面对激烈的市场竞争所带来的局面，企业只有紧紧地把握市场运行的脉搏，充分的结合自身的特点，面向世界经济的大潮，不断的融入新科技新方法，推陈出新。同时，伴随着PLC的供应商的不断努力，在各个方面实现新的突破，推出新一代的PLC将能够更加满足各种工业自动化控制应用的需求，可以极大地增强PLC的功能，同时在使用和维修方面变得更加简单方便，顺应时代的发展。

参考文献：

《自动化时代》 项国波 武汉理工大学出版社，2004

《可编程逻辑控制器》 国外电子与通信教材系列·罗克韦尔自动化技术丛书 冷配在线 电子出版社

《高技术现状与发展趋势》 北京：科学出版社，1993

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http://www.chinakong.com

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