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浔之漫智控技术（上海）有限公司 

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PLC技术开发特点及流程

PLC发明之前，在工业控制的顺序控制领域内，常采用诸如继电器、鼓式开关、纸带阅读器等机械、电气式器件作为控制元件，尤其是控制继电器，在离散制造过程控制领域内，成为“开关控制系统”中*广泛使用的器件。但是，随着工业现代化的发展，生产规模越来越大，劳动生产率及产品质量的要求在不断提高，对于控制系统的可靠性也提出了更高的要求，原有的“继电器控制系统”已不适应需要，究其原因是它存在动作缓慢、寿命短、可靠性差、体积大和耗电多等缺点。SIEMENS授权代理商

到20世纪60年代，美国汽车工业需要进行大规模的技术改造和设备更新，但由传统的继电器控制装置来进行控制，不仅体积庞大、故障率高、柔性差、不灵活、耗能，而且调试困难，可靠性也差。虽然小型计算机已日趋完善，应用领域也在不断扩大，但小型计算机用于开关控制系统，又显然存在“大马拉小车”的情况，这是由于小型计算机的特点决定的：编程复杂，要求有较高水平的编程人员和操作人员；需要配套非标准的外部接口，对环境和现场条件的要求过高；功能过剩，机器资源未能充分利用；造昂。需要与可能性，促使人们寻求新的出路，PLC应运而生。

1968年，美国通用汽车公司提出了使用新一代控制器的设想。二年（1969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PDP-14，采用程序化的手段应用于电气控制，这就是代可编程序控制器。这时的PLC用固态（集成）电路来代替继电器逻辑电路，用存储器电路中的存储数位（程序）来代替继电器系统的布线，以程序来规定逻辑关系，用固态I/O电路来检测按钮和限位开关的信号，给出输出以控制电动机和其他执行机构。这时的PLC系统只要改变系统中的程序即可改变控制“逻辑”，而无须改造或更换控制硬件等。差不多同时，美国MODICON公司也研制出了084控制器。它们的问世，引起了全世界的瞩目，美国的其他公司和西欧、日本等工业发达国家，也相继研究开发出类似的产品。

后来，随着电子科技的发展及产业应用的需要，其控制功能已经远远超出逻辑控制的范畴，PLC的功能也日益强大，在PLC中加入了模拟量、位置控制及网络等功能，其名称定义为可编程序控制器（Programmable Controller），简称PC。但由于PC易与个人计算机（Personal Computer）的简称PC产生混淆，所以现在仍使用PLC这一简称，而中文仍然称为“可编程序控制器”。SIEMENS授权代理商

自1976年以来，微处理器开始引入PLC领域，使当今PLC具有采集与处理大量数据，完成数学运算，与其他智能器件通信的能力，以及具有的人—机对话手段（如键盘、CRT和语音对话）。近年来，由于现场总线理念的出现和相关标准的建立，以及产品的迅速发展，PLC成为现场总线的一个重要组成部分，进一步扩大了PLC的应用领域。

由于PLC同时提高了功能和柔性度，使其应用迅速增长，并普及到许多其他离散零件制造工业领域，随后又扩展到与批量生产和连续生产过程有关的工业领域。随着CIMS（计算机集成制造系统）的发展，PLC当前还被人们应用于工厂通信网络、柔性制造系统、工业机器人和大型分散型控制系统。SIEMENS授权代理商

总结起来，从1969年台PLC问世至今，可编程序控制器大约经历了三个阶段。

阶段：开发的PLC容量较小，I/O点数小于120点，用户存储区容量在2KB左右，扫描速度为20～50ms/KB，指令较为简单，只有逻辑运算、计时和计数等，编程语言采用简单的语句表语言，主要用于开关量控制。SIEMENS授权代理商

二阶段：PLC 的容量有所扩展，I/O点数从 512点扩至1024点，用户程序存储区容量扩展到8KB以上，速度也有提高，扫描速度达到5～6ms/KB，指令功能除了基本的逻辑运算、计时和计数外，还增加了算术运算指令、比较指令，以及模拟量处理指令等，输入／输出类型也由纯开关量I/O扩展为带模拟量的I/O，编程语言除了使用语句表外，还可以使用梯形图编程语言。

三阶段：进入20世纪80年代以来，随着大规模和超大规模集成电路等微电子技术的迅猛发展，以16位和32位微处理器构成的PLC得到惊人的发展，其功能远远超出了上述两阶段的产品。这一阶段是PLC发展*快的时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力上得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，新一代PLC主要向以下两个方面进行发展。SIEMENS授权代理商

（1）大型产品的I/O点数超过4000点，有些产品达到8000个I/O点，用户存储区容量超过32KB，配置有各种智能模块（如温度控制模块、轴定位模块和过程控制模块等）和通信模块，扫描速率也大大提高，达到0.47ms/KB，指令功能除了基本的逻辑运算、计时、计数和顺序控制外，还增加了算术浮点运算指令、PID调节功能指令、图形组态功能指令、网络和通信指令等，编程语言普遍采用梯形图编程语言，同时也使用语句表和顺序功能图语言。

（2）为了提高系统的可靠性，新一代的PLC向超小型化和加强型功能发展，有16点I/O、24点I/O的整体型小型PLC，在小型PLC上配置模拟量I/O、通信口、高速计数，指令上也设置有算术运算、比较指令及PID调节指令等。小型PLC使用的手握式编程器使用大面积液晶显示器，也可以用梯形图和GRAFCET语言进行编程。SIEMENS授权代理商

新型的PLC不仅在硬件上进行了更新，在软件设计上也有很大改进，普遍实现了软件模块化设计，在PLC产品上提供了大量的通用和软件功能模块，用户通过简单的功能调用就可实现复杂的控制任务，这给使用带来极 大的方便。使用的编程器越来越完善，编程器实际上已经是一台个人计算机，可以实现离线编程或在线编程及监控，程序打印及程序固化，可以实现图形组态及联网（即挂在PLC网络上），有些编程器还可以使用语言。除了编程器外，很多PLC可以使用通用的笔记本电脑实现编程，开发一些软件，充分利用了个人计算机的能力，完成各种的编程功能，省却了编程器，既便于推广又节省投资。随着技术的进步，PLC的功能也越来越强，应用范畴越来越广，与其他工业控制机，如分散型控制系统（DCS）的界限已经不十分明显，很多以往由分散型控制系统来完成的控制，现在用PLC都能实现，因此在应用上“交错”已经成为普遍现象。SIEMENS授权代理商

PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强和编程简单等特点。PLC在工业自动化控制，特别是顺序控制中的地位，在可预见的将来是无法取代的。

PLC控制的基本工作原理

PLC具有计算机的许多特点，但是其工作方式却与计算机有着很大的不同。计算机在工作过程中使用的是中断的形式，而PLC采用的主要工作方式是“循环描扫”，这是PLC工作原理中*重要的一个工作形式。

当PLC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，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。SIEMENS授权代理商

 PLC扫描周期时序图

1）输入采样阶段

在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映像区中的相应单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映像区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度大于一个扫描周期，才能在任何情情况下，该输入均能被读入。

2）用户程序执行阶段

在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序。扫描每一个梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态，或者刷新该输出线圈在I/O映像区中对应位的状态，或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令，即在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映像区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映像区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期时才能对排在其上面的程序起作用。SIEMENS授权代理商

3）输出刷新阶段

当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映像区内对应的状态和数据，刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是PLC的真正输出。比较图1-3所示两个程序的异同。这两段程序执行的结果完全一样，但在PLC中执行的过程却不一样。程序1只用一次扫描周期，就可完成对输出线圈“%M4”的刷新；而程序2要用四次扫描周期，才能完成对输出线圈“%M4”的刷新。

PLC程序举例

这两个例子说明：同样的若干梯形图，其排列次序不同，执行的结果也不同。另外，也可以看到：采用扫描用户程序的运行结果与继电器控制装置的硬逻辑并行运行的结果有所区别，当然，如果扫描周期所占用的时间对整个运行来说可以忽略，那么两者之间就没有什么区别了。

一般来说，PLC的扫描周期包括自诊断和通信等，即一个扫描周期等于自诊断、通信、输入采样、用户程序执行和输出刷新等所有时间的总和。SIEMENS授权代理商

 扫描周期示例

为了增强PLC的抗干扰能力，提高其可靠性，PLC的每个开关量输入端都采用光电隔离技术。

为了能实现继电器控制线路的硬逻辑并行控制，PLC采用了不同于一般微型计算机的运行方式（扫描技术）。

以上两个主要原因，使得PLC的I/O响应比一般微型计算机构成的工业控制系统慢得多，其响应时间至少等于一个扫描周期，一般均大于一个扫描周期甚至更长。所谓I/O响应时间是指从PLC的某一输入信号变化开始到系统有关输出端信号的改变所需的时间。其*短I/O响应与*长I/O响。