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5.6.2 布尔助记符编程语言（语句表）
5.6.3 功能表图编程语言
5.6.4 功能模块图编程语言
5.6.5 结构化语句描述编程语言
本章要点:
PLC的产生、定义、特点、应用、分类及其发展
PLC的基本组成与工作原理
PLC的编程语言
本章难点:
PLC的基本组成与工作原理
本章主要讲述可编程控制器的产生、定义、特点、应用、分类及其发展，可编程控制器的基本组成、工作原理及其编程语言。
5.1 PLC的产生及定义
要认识可编程控制器的发展史，我们要追溯到20世纪60年代末期。
在可编程控制器出现以前，继电器控制在工业控制领域占主导地位，由此构成的控制系统都是按预先设定好的时间或条件顺序地工作，若要改变控制的顺序就必须改变控制系统的硬件接线，因此，其通用性和灵活性较差。
20世纪60年代，计算机技术开始应用于工业控制领域，由于价格高、输入输出电路不匹配、编程难度大以及难以适应恶劣工业环境等原因，未能在工业控制领域获得推广。
1968年，美国最大的汽车制造商——通用汽车公司（GM）为了适应生产工艺不断更新的需要，要求寻找一种比继电器更可靠、功能更齐全、响应速度更快的新型工业控制器，并从用户角度提出了新一代控制器应具备的十大条件，立即引起了开发热潮。
主要内容是（GM10条指标）：
（1）编程方便，可现场修改程序（编程简单）。
（2）维修方便，采用插件式结构（维护方便）。
（3）可靠性高于继电器控制装置（可靠性高）。
（4）体积小于继电器控制盘（体积小）。
（5）数据可直接送入管理计算机（能通信）。
（6）成本可与继电器控制盘竞争（成本适当）。
（7）输入可为市电（输入115V交流）。
（8）输出可为市电，容量要求在2A以上，可直接驱动接触器等（输出交流115V、2A）。
（9）扩展时原系统改变最少（方便扩展）。
（10）用户存储器大于4KB（存储器4K）。
这些条件实际上提出将继电器控制的简单易懂、使用方便、价格低的优点与计算机的功能完善、灵活性、通用性好的优点结合起来，将继电接触器控制的硬接线逻辑转变为计算机的软件逻辑编程的设想。
1969年，美国数字设备公司（DEC公司）研制出了第一台可编程控制器PDP-14，在美国通用汽车公司的生产线上试用成功，并取得了满意的效果，可编程控制器自此诞生。
编程控制器自问世以来，发展极为迅速。
1971年，日本开始生产可编程控制器。
1973年，欧洲开始生产可编程控制器。
到现在，世界各国的一些著名的电气工厂几乎都在生产可编程控制器装置。
可编程控制器已作为一个独立的工业设备被列入生产中，成为当代电控装置的主导。
可编程控制器从诞生到现在，经历了四次换代，如表5.1所示。
表5.1 可编程控制器的发展代次
代 次
器 件
功 能
第一代
1位微处理器
逻辑控制功能
第二代
8位微处理器及存储器
产品系列化
第三代
高性能8位微处理器及位片式微处理器
处理速度提高，向多功能及联网通信发展
第四代
16位、32位微处理器及高性能位片式微处理器
逻辑、运动、数据处理、联网功能的名副其实的多功能
从可编程控制器发展历史可知，可编程控制器功能不断变化，其名称演变经历了如下过程：
早期产品名称为“ProgrammableLogicController”（可编程逻辑控制器），简称PLC，主要替代传统的继电接触控制系统。
1975—1976年，集成电路、计算机技术飞速发展，将CPU集成电路、存储器与控制器有机结合。
随着微处理器技术的发展，可编程控制器的功能也不断地增加，因而可编程逻辑控制器（PLC）不能描述其多功能的特点。
1980年，美国电气制造商协会（NEMA）给他一个新的名称“ProgrammableController”，简称PC。
1982年，国际电工委员会（IEC）专门为可编程控制器下了严格定义。
然而PC这一简写名称在国内早已成为个
人计算机（PersonalComputer）的代名词，为了避免造成名词术语混乱，因此国内仍沿用早期的简写名称PLC表示可编程控制器，但此PLC并不意味只具有逻辑功能。
可编程控制器一直在发展中，因此直到目前为止，还未能对其下最后的定义。
美国电气制造商协会NEMA（NationalElectricalManufacturersAssociation）在1980年给可编程控制器做了如下的定义：
“可编程控制器是一个数字式的电子装置，它使用了可编程序的记忆以存储指令，用来执行诸如逻辑、顺序、计时、计数和演算等功能，并通过数字或模拟的输入和输出，以控制各种机械或生产过程。
一部数字电子计算机若是用来执行PLC之功能，亦被视同为PLC，但不包括鼓式或机械式顺序控制器。
”
国际电工委员会（IEC）曾于1982年11月颁发了可编程控制器标准草案第一稿，1985年1月又颁发了第二稿，1987年2月颁发了第三稿。
草案中对可编程控制器的定义是：
“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。
它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术操作等面向用户的指令，并通过数字式或模拟式的输入/输出，控制各种类型的机械或生产过程。
可编程控制器及其有关外围设备，都按易于工业系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。
此定义强调了可编程控制器是“数字运算操作的电子系统”，即它也是一种计算机。
它是“专为在工业环境下应用而设计”的计算机。
这种工业计算机采用“面向用户的指令”，因此编程方便。
它能完成逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术操作，它还具有“数字量或模拟量的输入/输出控制”的能力，并且非常容易与“工业控制系统联成一体”，易于“扩充”。
定义还强调了可编程控制器直接应用于工业环境，它须具有很强的抗干扰能力、广泛的适应能力和应用范围。
这也是区别于一般微机控制系统的一个重要特征。
应该强调的是，可编程控制器与以往所讲的鼓式、机械式的顺序控制器在“可编程”方面有质的区别。
由于PLC引入了微处理机及半导体存储器等新一代电子器件，并用规定的指令进行编程，能灵活地修改，即用软件方式来实现“可编程”的目的。
5.2 PLC的特点及应用
5.2.1 可编程控制器的特点
现代工业生产是复杂多样的，它们对控制的要求也各不相同。
可编程控制器由于具有以下特点而深受工厂工程技术人员和工人的欢迎。
1．可靠性高，抗干扰能力强
这往往是用户选择控制装置的首要条件。
可编程控制器生产厂家在硬件方面和软件方面上采取了一系列抗干扰措施，使它可以直接安装于工业现场而稳定可靠地工作。
目前各生产厂家生产的可编程控制器，其平均无故障时间都大大地超过了IEC规定的10万小时（折合为4166天，约11年）。
而且为了适应特殊场合的需要，有的可编程控制器生产商还采用了冗余设计和差异设计（如德国Pilz公司的可编程控制器），进一步提高了其可靠性。
2．适应性强，应用灵活
由于可编程控制器产品均成系列化生产，品种齐全，多数采用模块式的硬件结构，组合和扩展方便，用户可根据自己需要灵活选用，以满足系统大小不同及功能繁简各异的控制系统要求。
3．编程方便，易于使用
可编程控制器的编程可采用与继电器电路极为相似的梯形图语言，直观易懂，深受现场电气技术人员的欢迎。
近年来又发展了面向对象的顺控流程图语言（SequentialFunctionChart，SFC），也称功能图，使编程更简单方便。
4．控制系统设计、安装、调试方便
可编程控制器中含有大量的相当于中间继电器、时间继电器、计数器等的“软元件”。
又用程序（软接线）代替硬接线，安装接线工作量少。
设计人员只要有可编程控制器就可以进行控制系统设计，并可在实验室进行模拟调试。
5．维修方便，维修工作量小
可编程控制器有完善的自诊断，履历情报存储及监视功能。
可编程控制器对于其内部工作状态、通信状态、异常状态和I/O点的状态均有显示。
工作人员通过它可以查出故障原因，便于迅速处理。
6．功能完善
除基本的逻辑控制、定时、计数、算术运算等功能外，配合特殊功能模块还可以实现点位控制、PID运算、过程控制、数字控制等功能，为方便工厂管理又可与上位机通信，通过远程模块还可以控制远方设备。
由于具有上述特点，使得可编程控制器的应用范围极为广泛，可以说只要有工厂，有控制要求，就会有PLC的应用。
目前，PLC在国内外已广泛应用于冶金、石油、化工、建材、机械制造、电力、汽车、轻工、环保及文化娱乐等各行各业，随着PLC性能价格比的不断提高，其应用领域不断扩大。
PLC的应用范围已从传统的产业设备和机械的自动控制，扩展到以下应用领域：
中小型过程控制系统、远程维护服务系统、节能监视控制系统，以及与生活相关的机器、与环境相关的机器，而且有急速的上升趋势。
从PLC应用类型看，大致可归纳为以下几个方面。
1．开关量逻辑控制
是PLC最基本、也是最广泛的应用领域，它取代了传统的继电器顺序控制，从单机控制、多机群控到自动生产线的控制，都可以找见它的身影。
如专用机床、电梯、装配生产线等。
2．过程控制
PLC通过PID指令或PID模块，甚至模糊控制模块，及A/D、D/A转换模块，易于实现温度、压力、流量等模拟量的闭环控制，从而达到过程控制的要求。
3．运动控制
PLC通过定位模块，可实现单轴或多轴的位置控制功能，从而实现定位、插补等简易CNC的功能，达到运动控制的要求。
4．数据处理
目前已经出现了将支持顺序控制的PLC和计算机数字控制的CNC组合在一起的趋势，从CNC内置PLC和PLC内置CNC两个方面相互融合。
另外，应用组态技术也易于组成以PLC为主体的控制和管理系统。
5．通信联网（构成DCS、FCS系统）
PLC的通信包括PLC之间、PLC与上位IPC及其他智能控制设备（如VVVF、CNC等）之间的通信。
为了适应工厂自动化（FA）系统、柔性制造系统（FMS）等的发展需要，各PLC制造厂商都在致力于提高PLC的通信联网能力，纷纷推出各具特色的PLC现场总线系统（FCS系统），如西门子公司的PROFIBUS、三菱公司的CC-LINK系列等，从而用网络联络构成“集中管理、分散控制”的分布式控制系统（DCS）。
值得注意的是，随着PLC、DCS的相互渗透，二者的界线也日趋模糊，PLC已从传统的应用于离散的制造业向应用于连续的流程工业扩展。
PLC一般可从其I/O点数、结构形式和功能三方面进行分类。
1．按I/O点数分类
根据PLC的I/O点数，PLC分为小型、中型和大型三类。
（1）小型PLC。
I/O点数为256点以下的为小型PLC（其中I/O点数小于64点的为超小型或微型PLC）。
（2）中型PLC。
I/O点数为256点以上、2048点以下的为中型PLC。
（3）大型PLC。
I/O点数为2048以上的为大型PLC（其中I/O点数超过8192点的为超大型PLC）。
这个分类界限不是固定不变的，它随PLC的发展而变化。
2．按结构形式分类
根据PLC的结构形式，可将PLC分为整体式、模块式和叠装式。
（1）整体式PLC。
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。
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（或扩展模块）组成。
基本单元内有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EPROM写入器相连的接口等。
扩展单元内只有I/O和电源等，没有CPU；
而扩展模块内只有I/O，没有CPU和电源等，由基本单元间接供电。
基本单元和扩展单元（或扩展模块）之间一般用扁平电缆连接。
整体式PLC一般还可配备特殊功能单元（或功能模块），如模拟量单元、位置控制单元等，使其功能得以扩展。
小型PLC一般采用这种整体式结构。
（2）模块式PLC。
将PLC各组成部分分别做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。
模块式由框架或基板和各种模块组成。
模块装在框架或基板的插座上。
这种模块式PLC的特点是配置灵活，可根据需要选配不同模块组成一个系统，而且装配方便，便于扩展和维修。
大、中型PLC一般采用模块式结构。
（3）叠装式PLC。
还有一些PLC将整体式和模块式的特点结合起来。
叠装式PLC其CPU、电源、I/O接口等也是各自独立的模块，
但它们之间是靠电缆进行连接，并且各模块可以一层层地叠装。
这样，不但系统可以灵活配置，还可做得体积小巧。
3．按功能分类
根据PLC的功能，可将PLC分为低、中、高三档。
（1）低档PLC。
具有逻辑运算、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/输出、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系统。
（2）中档PLC。
除具有低档PLC功能外，还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。
有些还增设中断、PID控制等功能。
（3）高档PLC。
除具有中档机功能外，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运算、制表及表格传送等功能。
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。
PLC集三电（电控、电仪、电传）为一体，是一种具备计算机功能的通用工业控制装置，具有性能价格比高、可靠性高等特点，是自动化工程的核心设备，其使用量高居首位。
并已成为现代工业自动化的三大技术支柱（PLC、机器人、CAD/CAM）之一。
自从第一台PLC出现以后，日本、德国、法国等也相继开始研制PLC，并得到了迅速的发展。
各国PLC都有自己的特色。
欧洲：
西门子（Siemens）；
法国的TE（Telemecanique）
美国：
A-B（Allen-Bradly）、GE（GeneralElectric）
日本：
三菱电机（MitsubishiElectric）、欧姆龙（OMRON）、FUJI（日本主要发展中小型PLC，其小型机性能先进、结构紧凑、价格便宜）
目前国内市场还有韩国、我国台湾地区等PLC产品。
在20世纪70年代末和80年代初，我国随国外成套设备、专用设备引进了不少国外的PLC。
我国不少科研单位和工厂也在研制和生产PLC，如辽宁无线电二厂、无锡华光电子公司、上海香岛电机制造公司、厦门A-B公司等。
在传统设备改造和新设备设计中，PLC的应用逐年增多，取得良好效果。
PLC在我国的应用越来越广泛。
从技术角度来看，国内外的小型PLC差距正在缩小。
如无锡信捷、兰州全志等公司生产的微型PLC已经比较成熟，有些国产PLC（如和利时、科迪纳）已经拥有符合IEC标准的编程软件、支持现场总线技术等。
就全世界自动化市场的过去、现在和可以预见的未来而言，PLC仍然处于一种核心地位，其发展趋势主要体现在如下几个方面。
1．向高速度、大容量方向发展
为了提高PLC的处理能力，要求PLC具有更好的响应速度和更大的存储容量。
目前，有的PLC的扫描速度可达0.1ms/k步左右。
PLC的扫描速度已成为很重要的一个性能指标。
在存储容量方面，有的PLC最高可达几十兆字节。
为了扩大存储容量，有的公司已使用了磁泡存储器或硬盘。
2．向超大型、超小型两个方向发展
当前中小型PLC比较多，为了适应市场的多种需要，今后PLC要向多品种方向发展，特别是向超大型和超小型两个方向发展。
现已有I/O点数达14336点的超大型PLC，其使用32位微处理器，多CPU并行工作和大容量存储器，具有很强的功能。
小型PLC由整体结构向小型模块化结构发展，使配置更加灵活，为了市场需要已开发了各种简易、经济的超小型、微型PLC，最小配置的I/O点数为8～16点，以适应单机及小型自动控制的需要，如三菱公司a系列PLC、西门子公司的LOGO系列PLC。
3．大力开发智能模块，加强联网与通信能力
为满足各种控制系统的要求，不断开发出许多功能模块，如高速数模块、温度控制模块、远程I/O模块、通信和人机接口模块等。
这些带CPU和存储器的智能I/O模块，既扩展了PLC功能，又使用灵活方便，扩大了PLC的应用范围。
加强PLC联网与通信的能力，是PLC技术进步的潮流。
PLC的联网与和通信有两类：
（1）PLC之间联网通信，各PLC生产厂家都有自己的专有联网手段（现场总线控制系统FCS）。
（2）PLC与计算机之间的联网通信，一般PLC都有专用通信模块与计算机通信。
为了加强联网与通信能力，PLC生产厂家之间也在协商制订通用的通信标准，以构成更大的网络系统，并使其通信易用化和“傻瓜化”。
4．增强外部故障的检测与处理能力
根据统计资料表明：
在PLC控制系统的故障中，CPU占5%，I/O接口占15%，输入设备占45%，输出设备占30%，线路占5%。
前两项共20%的故障属于PLC的内部故障，它可通过PLC本身的软、硬件实现检测、处理；
而其余80%的故障属于PLC的外部故障。
PLC生产厂家都致力于研制、发展用于检测外部故障的专用智能模块，进一步提高系统的可靠性。
5．编程语言多样化
在PLC系统结构不断发展的同时，PLC的编程语言也越来越丰富，功能也不断提高。
除了大多数PLC使用的梯形图语言外，为了适应各种控制要求，出现了面向顺序控制的步进编程语言、面向过程控制的流程图语言、与计算机兼容的高级语言（BASIC、C语言等）等。
多种编程语言的并存、互补与发展是PLC进步的一种趋势，并向着标准化方向发展。
随着PLC和PC控制的相互融合，PLC还出现了软件化、PC化等趋势，如德国倍福公司的软PLC，以及与触摸屏、组态技术组合的图形化控制器等。
不断有新的派生产品诞生，如可编程自动化控制器（ProgrammableAutomationController，PAC）。
PAC源自于ARC咨询集团市场调查公司，认为：
“PLC相当活跃，而且发展良好，具很强的生命力。
然而，PLC这个工业的有效工具正在许多方面不断改变，不断增加其魅力。
自动化供应商正不断致力于PLC的开发，以迎合市场和特殊用户的需求。
功能的增强促使了新系列的系统浮出水面。
PAC基于开放的工业标准，具有多领域功能、通用的开放平台以及高性能。
GEFanuc却没有丝毫犹豫，立刻接受了PAC的概念，而且在汉诺威展上公开宣布，其新的旗舰控制产品的名称为PACSystems。
GEFanuc使用了这个名称，表达了其产品综合了传统PLC和PC硬件的优点，具有通用编程环境。
2003年11月Rockwell宣布，其为PAC技术的领导厂商，其产品ControlLogix和CompactLogixPLC事实上就是PAC。
他认为，随着不断的发展，PAC将采用大量的方法以处理数据，并具有升级性，而在多项目控制、集成商务系统分析和生命周期成本管理等方面也能大踏步地前进。
制造商是否会将产品名称从PLC改成PAC，还有待观察。
另外，PMC（可编程机床控制器，CNC的内置PLC）、PCC（可编程计算机控制器）等都是与PLC相关的控制器。
5.3.3 PLC、继电器、单片机控制系统的比较
1．继电器控制系统
继电器控制系统由开关、继电器、接触器等组成，靠硬接线实现逻辑运算，有触点，并行方式，易出现故障，排除难，不易系统更新换代。
2．PLC
CPU、存储器等微机系统，程序控制方式，无触点，串行方式，成品组装，可靠性极强，安装、使用、维护、维修方便，易于系统更新换代。
3．单片机
单片机控制系统的硬件需人工设计、焊接，需较强的电子技术技能，抗干扰能力差，程序控制方式，无触点，维护、使用需较强的专业知识，程序设计较难，系统更新换代周期长。
可编程控制器类型繁多，但其结构和工作原理则大同小异，了解可编程控制器的基本结构，有助于理解可编程控制器工作原理及用户程序的编制。
可编程控制器实质上是一种工业计算机，只不过它比一般的计算机具有更强的与工业过程相连接的接口和更直接的适应于控制要求的编程语言，故可编程控制器与计算机的组成十分相似。
从硬件结构看，它有中央处理单元（CPU）、存储器（ROM/RAM）、输入/输出单元（I/O单元）、编程器、电源等主要部件组成，如图5.1所示。
5.4.1 中央处理器（CPU）
与一般计算机一样，CPU是可编程控制器的核心，它按系统程序赋予的功能指挥可编程控制器有条不紊地进行工作，其主要任务有：
（1）接收、存储由编程工具输入的用户程序和数据，并通过显示器显示出程序的内容和存储地址。
（2）检查、校验用户程序。
对正在输入的用户程序进行检查，发现语法错误立即报警，并停止输入；
在程序运行过程中若发现错误，则立即报警或停止程序的执行。
（3）接收、调用现场信息。
将接收到现场输入的数据保存起来，在需要该数据时将其调出、并送到需要该数据的地方。
（4）执行用户程序。
当可编程控制器进入运行状态，CPU根据用户程序存放的先后顺序，逐条读取、解释和执行程序，完成用户程序中规定的各种操作，并将程序执行的结果送至输出端口，以驱动可编程控制器的外部负载。
（5）故障诊断。
诊断电源、可编程控制器内部电路的故障，根据故障或错误的类型，通过显示器显示出相应的信息，以提示用户及时排除故障或纠正错误。
不同型号可编程控制器的CPU芯片是不同的，有的采用通用CPU芯片，如8031、8051、8086、80286等，也有采用厂家自行设计的专用CPU芯片（如西门子公司的S7-200系列可编程控制器均采用其自行研制的专用芯片），CPU芯片的性能关系到可编程控制器处理控制信号的能力与速度，CPU位数越高，系统处理的信息量越大，运算速度也越快。
随着CPU芯片技术的不断发展，可编程控制器所用的CPU芯片也越来越高档。
5.4.2 存储器
可编程控制器的存储器可以分为系统程序存储器、用户程序存储器及工作数据存储器等三种。
1．系统程序存储器
系统程序存储器用来存放由可编程控制器生产厂家编写的系统程序，并固化在ROM内，用户不能直接更改。
它
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