1.2 PLC的功能、特点及分类

1.2.1 PLC的功能

PLC是一种专门为当代工业生产自动化而设计开发的数字运算操作系统。可以把它简单理解为专为工业生产领域而设计的计算机。目前，PLC已经广泛应用于钢铁、石化、机械制造、汽车、电力等各个行业，并取得了可观的经济效益。特别是在发达的工业国家，PLC已广泛应用于所有工业领域。随着性能价格比的不断提高，PLC的应用领域还将不断扩大。因此，PLC不仅拥有现代计算机所拥有的全部功能，PLC还具有一些为适应工业生产而特有的功能。

1.开关量逻辑控制功能

开关量逻辑控制是PLC的最基本功能，PLC的输入/输出信号都是通/断的开关信号，而且输入/输出的点数可以不受限制。在开关量逻辑控制中，PLC已经完全取代了传统的继电器控制系统，实现了逻辑控制和顺序控制。目前，用PLC进行开关量控制遍及许多行业，如机场电气控制、电梯运行控制、汽车装配、啤酒灌装生产线等。

2.运动控制功能

PLC可用于直线运动或圆周运动的控制。目前制造商已经提供了拖动步进电动机或伺服电动机的单轴或多轴位置控制模块，即把描述目标位置的数据送给模块，模块移动单轴或多轴到目标位置。当每个轴运动时，位置控制模块保持适当的速度和加速度，确保运动平稳。PLC还提供了变频器控制的专用模块，能够实现对变频电机的转差率控制、矢量控制、直接转矩控制、U/f控制方式。

3.闭环控制功能

PLC通过模块实现A/D、D/A转换，能够实现对模拟量的控制，包括对稳定、压力、流量、液位等连续变化模拟量的PID控制，广泛应用于锅炉、冷冻、核反应堆、水处理、酿酒等领域。

4.数据处理功能

现代的PLC具有数学运算（包括函数运算、逻辑运算、矩阵运算）、数据处理、排序和查表、位操作等功能；可以完成数据的采集、分析和处理，也可以和存储器中的参考数据相比较，并将这些设计传递给其他智能装备。有些PLC还具有支持顺序控制与数字控制设备紧密结合，实现CNC功能。数据处理一般用于大、中型控制系统中。

5.联网通信功能

PLC的通信包括PLC与PLC之间、PLC与上位计算机及其他智能设备之间的通信。PLC与计算机之间具有串行通信接口，利用双绞线、同轴电缆将它们连成网络，实现信息交换。PLC还可以构成“集中管理，分散控制”的分布式控制系统。联网可以增加系统的控制规模，甚至可以实现整个工厂生产的自动化控制。

1.2.2 PLC的特点

PLC是由继电器控制系统和计算机控制系统相结合发展而来的。与传统的继电器控制系统相比，PLC具有诸多特点，详见表1-1。

PLC和工业PC、DCS、PID等其他工业控制器相比，市场份额超过55%。其主要原因是PLC具有继电器控制、计算机控制及其他控制不具备的显著特点。

1.运行稳定、可靠性高、抗干扰能力强

PLC是专为工业环境下应用而设计的工业计算机，内部采用集成电路，各种控制功能由软件编程实现，外部接线大大减少；PLC的使用寿命一般在40 000～50 000h以上，西门子、ABB等品牌的微小型PLC寿命可达10万小时以上。在机械结构设计与制造工艺上，为使PLC更安全、可靠地工作，采取了很多措施以确保PLC耐振动、耐冲击、耐高温（有些产品的工作环境温度达80～90℃）。有些PLC模块可热备，一个主机工作，另一个主机也运转，但不参与控制，仅作为备份。一旦工作主机出现故障，热备的主机可自动接替其工作。另外软件与硬件采取了一系列提高可靠性和抗干扰的措施，如系统硬件模块冗余、采用光电隔离、掉电保护、对干扰的屏蔽和滤波、在运行过程中运行模块热插拔、设置故障检测与自诊断程序以及其他措施等。

2.设计、使用和维护方便

用PLC实现对系统的各种控制是非常方便的。首先，PLC控制逻辑的建立是通过程序实现的，而不是硬件连线，更改程序比更改接线方便得多；其次，PLC的硬件高度集成化，已集成为各种小型化、系列化、规格化、配套的模块。各种控制系统所需的模块，均可在市场上选购到各PLC厂家提供的丰富产品。因此，硬件系统配置与建造同样方便。

用户可以根据工程控制的实际需要，选择PLC主机单元和各种扩展单元进行灵活配置，提高系统的性价比，若生产过程对控制功能要求提高，则PLC可以方便地对系统进行扩充，如通过I/O扩展单元来增加输入/输出点数，通过多台PLC之间或PLC与上位机的通信来扩展系统的功能；利用CRT屏幕显示进行编程和监控，便于修改和调试程序，易于诊断故障，缩短维护周期。设计开发在计算机上完成，采用梯形图（LAD）、语句表（STL）和功能块图（FBD）等编程语言，还可以利用编程软件相互转换，满足不同层次工程技术人员的需求。

3.体积小、重量轻、能耗低

采用机电一体化设计思想，PLC的体积小、重量轻、能耗低，可以安装在各类机械设备的内部。例如，西门子公司S7-200系列主机单元CPU221的外形尺寸仅为90mm×80mm× 62mm，重量270g，能耗4W。

4.功能强大，灵活通用

目前PLC的功能全面，几乎可以满足大部分工程生产自动化控制的要求。这主要是与PLC具有丰富的处理信息的指令系统及存储信息的内部器件有关。PLC的指令多达几十条、几百条，可处理各式各样的逻辑问题，还可以进行各种类型数据的运算。PLC 内存中的数据存储器，种类繁多，容量宏大。I/O继电器可以存储I/O信息，少则几十、几百，多达几千、几万，甚至十几万条。PLC 内部集成了继电器、计数器、计时器等功能，并可以设置成失电保持或失电不保存，即通电后予以清零，以满足不同系统的使用要求。PLC 还提供了丰富的外部设备，可建立友好的人机界面，进行信息交换。PLC可送入程序、送入数据，也可读出程序、读出数据。

PLC不仅精度高，而且可以选配多种扩展模块、专用模块，功能几乎涵盖了工业控制领域的所有需求。随着计算机网络技术的迅速发展，通信和联网功能在PLC上迅速崛起，将网络上层的大型计算机的强大数据处理能力和管理功能与现场网络中PLC的高可靠性结合起来。利用这种新型的分布式计算机控制系统，可以实现远程控制和集散系统控制。

1.2.3 PLC的分类

目前，PLC的品种很多，性能和型号规格也不统一，结构形式、功能范围各不相同，一般按外部特性进行如下分类。

1.按结构形式分类

根据结构形式的不同，PLC可分为整体式和模块式两种。

（1）整体式PLC

整体式PLC将I/O接口电路、CPU、存储器、稳压电源封装在一个机壳内，统称为主机。主机两侧分装有输入、输出接线端子和电源进线端子，并有相应的发光二极管指示输入/输出的状态。通常小型或微型PLC常采用这种结构，如西门子的S7-200系列、松下的FP1系列、三菱的FX系列产品，适用于简单控制的场合。

（2）模块式PLC

模块式 PLC 为总线结构，在总线板上有若干个总线插槽，每个插槽上可安装一个 PLC模块，不同的模块实现不同的功能，根据控制系统的要求来配置相应的模块，如CPU模块（包括存储器）、电源模块、输入模块、输出模块以及其他高级模块、特殊模块等。大型的 PLC通常采用这种结构，如西门子的S7-300/400系列、三菱的Q系统产品，一般用于比较复杂的控制场合。

2.按I/O点数分类

（1）小型PLC

小型PLC的I/O点数一般在128以下，其中I/O点数小于64的为超小型或微型PLC。其特点是体积小、结构紧凑，整个硬件融为一体，除了开关量I/O以外，还可以连接模拟量I/O以及其他各种特殊功能模块。它能执行包括逻辑运算、计时、计数、算术运算、数据处理和传送、通信联网以及各种应用指令，结构形式多为整体式。小型 PLC 产品应用的比例最高。

（2）中型PLC

中型PLC的I/O点数一般为256～2 048，采用模块化结构，程序存储容量小于13KB，可完成较为复杂的系统控制。I/O的处理方式除了采用PLC一般通用的扫描处理方式外，还能采用直接处理方式，通信联网功能更强，指令系统更丰富，内存容量更大，扫描速度更快。

（3）大型PLC

大型PLC的I/O点数一般在2 048以上，采用模块化结构，程序存储容量大于13KB。大型PLC的软、硬件功能极强，具有极强的自诊断功能。通信联网功能强，可与计算机构成集散型控制，以及更大规模的过程控制，形成整个工厂的自动化网络，实现工厂生产管理自动化。

3.按功能分类

（1）低档PLC

低档PLC主要以逻辑运算为主，具有逻辑运算、定时、计数、移位以及自诊断、监控等基本功能，还可有少量的模拟量输入/输出、算术运算、数据传送和比较、通信等功能，一般用于单机或小规模过程。

（2）中档PLC

中档PLC除了具有低档PLC的功能以外，还加强了对开关量、模拟量的控制，提供了数字运算能力，如算术运算、数据传送和比较、数值转换、远程 I/O、子程序等，加强了通信联网功能。可用于小型连续生产过程的复杂逻辑控制和闭环调节控制。

（3）高档PLC

高档PLC除了具有中档PLC的功能以外，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、其他特殊功能函数运算、制表、表格传送等。高档PLC进一步加强了通信网络功能，适用于大规模的过程控制。