PLC的主要分类及应用

PLC的主要分类及应用

日期： 2020-07-16

来源：电子发烧友

PLC（Programmable Logic Controller）即可编程序逻辑控制器是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作电子系统，也是现代工业自动化系统的重要组成部分，那么它是怎么诞生的呢？今天我们来捋一捋。

工业需求催生PLC诞生

二战后，美国凭借汽车、钢铁、飞机等领域的绝对优势成为世界制造业霸主，1948-1966年期间，美国一直是全球最大的贸易顺差国，在强大的制造业驱动下，美国需要更先进的生产工具来推动其制造业的发展。

在此背景下，1947年12月23日，美国贝尔实验室正式地成功演示了第一个基于锗半导体的具有放大功能的点接触式晶体管，标志着现代半导体产业的诞生和信息时代的开启，为后续的工业自动化控制飞速发展奠定了基础。

1968年，美国通用汽车公司在对工厂生产线调整时，发现继电器、接触器控制系统修改难、体积大、噪声大、维护不方便以及可靠性差，于是提出“通用十条”招标指标，意在取代继电气控制装置。

成立于1957年的DEC公司（美国数字设备公司），一直专注于开发小型计算机系统，看到通用汽车的招标要求后，创始人之一奥尔森接标，最终DEC开发了一套全新的控制系统——PDP-14，用于控制齿轮磨床，这就是世界上第一台可编程逻辑控制器。

PDP-14本质是把DEC最成功的“迷你机”PDP-8增加了工业I / O接口，由一个控制单元和几个外部接口盒组成；控制单元包括一个可变大小的ROM，最多包含4k的12位指令；存储器分为256个字节；通过扩展最多可以处理256个输入输出。

但DEC的PDP-14有一个缺陷，就是修改程序需要把产品发回DEC公司，整个处理过程耗时一周，导致它运行至1970年后被替换。

PDP-14的诞生，其实只是PLC出现的开胃菜，与DEC同时竞标的还有信息仪表公司（3-I）和贝德福德协会（Bedford Associates），他们也分别推出了相应的产品。

信息仪表公司（3-I）为通用交付的设备为PDQ-II，其最大的优势是能提供高级逻辑运算功能，适用于正离合器生产线的控制。但该产品也存在修改程序不便的缺陷，在GM一直运行到1971年后，被Modicon 084全面替换。

PLC的主要分类及应用

接下来主角诞生了，由Dick Morley和George Schwenk于1964年成立的贝德福德协会（Bedford Associates）也获得了通用的原型机测试资格。Dick Morley只因厌倦了重复的机床操作员工作，想要发明一个集所有功能于一个编辑器的“神器”，于是写出了自己的梯形图逻辑。

1968年Bedford成立了第七家控制公司，取名Modicon（莫迪康），其在Dick Morley领导下于1969年成功推出了自己的PLC产品，基于该产品是Modicon的第84个项目，产品取名“Modicon 084”。

084编程相对简单，用户插入编程单元，选择适当的软件模块，然后键入梯形图即可快速进行编程；同时安装在硬质外壳内，提高了安全等级，这是DEC的PDP-14、3-I的PDQ-II所无法比拟的，最终在1971年全面替代另两个竞品。

Modicon随后又于1973年推出“184”、1975年推出“284”、1979年推出工业通信网络Modbus、1994年推出Quantum（中文名“昆腾”）系列PLC，最终于1997年被施耐德收购并成为施耐德旗下第4个主要品牌。

而Dick Morley所发明的“Modicon 084”可编程控制器及后续产品很快在离散制造业的控制器中占据统治地位，还逐渐扩散到流程工业和间歇制造的批量生产过程，Dick Morley由此被誉为“PLC之父”。

对自己所发明的PLC产品对工业的贡献，Dick Morley曾在采访中如此比喻：IPod卖的是音乐，奔驰卖的是知名度；而PLC卖的是上市时间，汽车制造商原本要6-9个月的时间才能使新产品上市，用了PLC后就只需要6-9周，这相当于节省了很大一笔钱！

进入快速发展期

Dick Morle基于集成电路和电子技术发展的控制装置使得电气控制功能实现程序化，功能越来越强大，其概念和内涵也不断扩展，这就是第一代可编程序控制器，但当时还不叫PLC，而是叫做PC（Programmable Controller）。

后来随着个人电脑（也叫PC）的快速发展，为了反映可编程控制器的功能特点，美国A-B公司将可编程序控制器命名为可编程序逻辑控制器Programmable Logic Controller，即PLC，并将“PLC”作为其产品的注册商标。

当美国人发明了PLC之后，其他国家也纷纷跟进，1971年日本成功研制出第一台PLC产品DCS-8；紧接着1973年德国西门子公司也研制出欧洲第一台型号为SIMA TICS4的可编程逻辑控制器。

虽然现在的中国在半导体领域很弱，但在上世纪，中国与国际先进国家几乎同步研究半导体、电子技术，因此在欧美研制出PLC不久后，中国也于1974年研制出第一台可编程逻辑控制器，并于1977年开始在工业上进行应用。

从上世纪70年代中后期开始，PLC进入了实用化发展阶段，计算机技术得以全面引入PLC中，使其功能发生了飞跃。更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能以及极高的性价比，都奠定了其在现代工业中的地位。

自上世纪80年代初开始，PLC在先进工业国家中已获得广泛应用，同时世界上生产PLC的国家日益增多，产量日益上升，标志着PLC已经步入成熟应用阶段。至90年代中期，这段时间是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为30~40%。

在这时期PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力方面也得到了大幅度提高，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。

到20世纪末期，工业发展大爆发，诞生了各种各样的大型机和超小型机、特殊功能单元、各种人机界面单元、通信单元等产品，为更加适应于现代工业，使应用可编程逻辑控制器的工业控制设备的配套变得更加容易。

在多年的生产实践中，PLC已经与DCS（集散控制系统）、IPC（工业计算机技术）三足鼎立，同时还在其它的单回路智能式调节器等在市场上占一定的市场份额。近年， IPC和FCS（现场总线技术）发展迅速，挤占了一部分PLC市场，PLC增长速度出现渐缓的趋势，但其在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位，仍将是无法取代的存在。

从上世纪90年代开始，PLC就根据I/O点数发展出小、中、大型等多种类型产品。

小型PLC

I/O点数《 256点；单CPU、8位或16位处理器、用户存储器容量4K字以下；主要代表产品有美国通用电气（GE）公司的GE-I型、美国德洲仪器公司的TI100日本三菱电气公司的F/F1/F2、日本立石公司（欧姆龙）的C20/C40、德国西门子公司的S7-200、日本东芝公司的EX20/EX40、中外合资无锡华光电子工业有限公司的SR-20/21等；

中型PLC

I/O点数256～2048点；双CPU，用户存储器容量2～8K，代表产品有德国西门子公司的S7-300、无锡华光的SR-400、德国西门子公司的SU-5/SU-6、日本立石公司的C-500、GE公司的GE-Ⅲ等；

大型PLC

I/O点数》 2048点；多CPU，16位、32位处理器，用户存储器容量8～16K，代表产品有德国西门子公司的S7-400、GE公司的GE-Ⅳ、立石公司的C-2000、三菱公司的K3等。

目前大型、超大型的PLC产品也不少，单机支持300回路和65000点I/O设备也日益得到重视。不过整体看， I/O点数≤64的PLC销售额占整体PLC市场总量的47%，64~256点数PLC占31%，微型、小型PLC占据市场的绝对主流，而I/O点数大于256的中型、大型、超大型PLC累计市场容量才22%。

PLC主要应用于纺织、机械、电梯、冶金、电力、石油、市政、化工、楼宇建筑、建材、机床、塑料机械、橡胶机械、电子专用设备等行业，而汽车业是最有潜力的PLC行业之一。

目前全球300多品种PLC产品中，应用在汽车上的最多，达23%，其后分别为粮食加工（16.4%）、化学/制药（14.6%）、金属/矿山（11.5%）、纸浆/造纸（11.3%）等行业。

主要品牌中，西门子、施耐德、罗克韦尔（A-B）、OMRON、三菱、GE等少数几家企业是绝对的行业巨头，其中罗克韦尔、施耐德、西门子长期把持中国大型PLC市场的强三强，西门子独占中型PLC市场半壁江山。

而国内的30家PLC生产厂家中，都没有形成颇具规模的生产能力和名牌产品，我国尚未形成PLC制造产业化；不过已经可以在小型、微型等PLC领域与国际品牌同台竞技。

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PLC程序的仿真之-施耐德大型PLC的变量强制( UnityPro编程软件）

Unity Pro编程软件集成了PLC仿真器，使用PC上运行的PLC的仿真软件，应用程序在现场安装以前，就可以进行完整的测试，这对于大项目的应用来说，可以及早发现程序中的逻辑错误，提高程序开发的效率，缩短程序的开发、调试时间。

Unity Pro 软件集成了完善的仿真功能，集成在 Unity Pro 中的 PLC 仿真器可以在 PC 上准确的再现目标程序的行为。在仿真中所有调试工具均可使用：

Ø 断点和观察点

Ø 实时监测，用于显示运行中变量和逻辑的状态

Ø 程序单步执行

通过PLC 仿真器，读者不必连接到真实的PLC，就可以进行程序调试。在真实的PLC 上运行的所有项目任务（主任务、快速任务和事件任务）都可以在仿真器上运行。该仿真器和真实PLC 的区别在于它没有I/O 模块和通信网络的实时行为，因此对通讯等等的仿真效果差一些。

Unity Pro的仿真器有离线、在线和监视器等操作状态。离线状态是打开新应用程序或现有应用程序时，操作状态将更改为离线状态。在线状态可以让处于在线状态中的应用程序直接连接到控制器内存当中。在监视状态中，读者可以更改操作状态并调整控制器，还可以用来启动或停止控制器。并可以使用动态数据表编辑器查看、修改或传送数据。

一、 Unity Pro的仿真界面

仿真时，在Unity Pro编程软件中，单击【PLC】菜单下的菜单选项【仿真模式】，或点击快速访问栏中的仿真模式图标 ，就可以弹出仿真画面，如图1 所示。

图 1 启动PLC的仿真器

二、 仿真示例

单击菜单【生成】下的菜单选项【重新生成所有项目】，或直接点击快速访问栏中的图标 ，如图2所示。

图 2 在下载前进行编译检查

单击【PLC】菜单下的菜单选项【连接】，如图3所示。

图 3 使用连接建立与仿真器的连接

点击【将项目传输到PLC】，菜单项的位置如图4所示。

图4 下载程序到仿真器

勾选【PLC在传输后运行】，然后点击【传输】按钮，操作如图5所示。

图 5 项目传输到PLC对话框

在【运行】确认对话框中确认昆腾项目的运行，如图6所示。

图6 点击OK按钮确认项目的运行

可通过单击 ，允许/禁止程序读写，仿真器面板左下方蓝色的【复位】按钮是冷启动按钮，红色的【电源重置】按钮是热启动按钮，无论冷启动还是热启动，复位后Quantum的运行状态会变成【空闲】，并且Unity Pro与仿真PLC的在线连接会断开，必须重新连接，再点击Run运行命令，方能再次运行仿真器，仿真器的面板如图7所示，。

图 7 仿真器的控制面板

当程序下载运行后，可以看到，在梯形图编辑器中，导通以绿色粗线标识，没导通以红色细线标识，在线后显示如图8所示。

图8 程序在线后的状态

选中【润滑泵启动】，然后单击右键，在弹出的右键快捷菜单选择【强制值】下的【强制为１】，对于仿真来说，实际的逻辑输入需要使用【强制值】的方式来修改，内部的变量等可使用【设置值】的方式来修改，操作如图9所示。

图 9将润滑泵启动强制为１

在弹出的警告对话框中说明了强制使能需要注意的一些情况，包括强制后PLC重新上电冷启动不再有效，热启动在PLC的内存保护被禁用且应用程序存储在内存的备份区域，在此对话框的操作选择【确定】，如图10所示。

图 10选择确定使强制值操作有效

则在线监控的程序变为绿色，逻辑输出【润滑泵运行连接中间继电器CR2】也接通，如图11所示。

图 11强制后的程序运行图

使用同样的方法将【润滑泵启动QA4】的强制值修改为【强制为0】，模拟完成了按下QA4按钮的过程，完成后程序如图12所示。

图 12 润滑泵启动QA4按钮强制为0

选中【润滑泵停止TA2】常闭点，然后单击右键，在弹出的右键快捷菜单选择【强制值】下的【强制为１】，然后在弹出的对话框中选择【确定】。程序如图13所示。

图 13 模拟润滑泵停止按钮按下的过程

选中【润滑泵停止TA2】常闭点，然后单击右键，在弹出的右键快捷菜单选择【强制值】下的【强制为0】，然后在弹出的对话框中选择【确定】。程序如图14所示。

图14 模拟润滑泵停止按钮松开的过程[c1]

最后选中【润滑泵停止TA2】和【润滑泵启动QA4】，然后单击右键，在弹出的右键快捷菜单选择【强制值】下的【取消强制】，可以看到【润滑泵停止TA2】和【润滑泵启动QA4】的变量名上的代表强制变量的框消失了，程序如图15所示。

图 15 取消强制后的程序

仿真器还支持使用动态数据表，读/写程序中变量或对逻辑输入变量进行强制的操作。

在Unity Pro首先创建动态数据表，如图16所示。

图 16 创建新的动态数据表

动态数据表的名字为M590 Monitor[c2] ，此动态表为模拟/监视主机运行状态创建，如图17所示。

图17 动态表的名称

三、 Unity Pro仿真软件的其它功能

1 工具提示

当鼠标指针停留在变量上时，将显示一个提供该变量值的工具提示，如图18所示。

图 18工具提示

2 检查窗口

先选中要创建检查窗口的变量，然后单击右键，在快捷菜单中选择【新建检查窗口】，或直接按功能键【F9】，创建的变量功能在所有编程语言都可使用，在变量窗口中显示变量值、地址和任何注释（如果有），创建变量窗口的操作如图19所示。

图 19 新建检查窗口的图示

检查变量窗口还可以设置，单击右键在快捷菜单中选【设置】，如图20所示。

图 20 设置图示

在对话框中选择变量显示的格式和最大/最小值，如图21所示。

图 21 检查设置的对话框

3 断点

断点可用于在设置断点处停止执行任务，使用断点可以随时停止项目的处理。

在调试过程中，可以使用断点执行检查代码的行为和查看变量的值两种操作。

在项目中的给定位置只有一个断点。断点不会保存，在与 PLC 断开连接时它将丢失。

它是在在线模式下实现的，而不管 PLC 是处于运行状态还是停止状态。断点功能不能在事件任务中使用，具有断点的 ST 段如图22所示。

图 22 断点ST段的图示

4 单步模式

设置完断点后，则可以使用单步模式将程序的=一步步执行，进行程序的深入分析，这个功能在大项目中查找程序中出现的问题，是非常有效的。

使用单步模式可以分步执行程序。在项目因到达断点而停止或已处于单步模式时，提供单步功能，处于单步模式的 ST 段如图23所示。

图 23开始调试的图示

在单步模式下提供了以下功能：

Ø 分步执行程序

Ø 步入

Ø 步出

Ø 跳过

Ø 显示当前步

Ø 调用存储器

在多次执行【步入】功能时，调用存储器可以显示从第一个断点开始的整个路径。

在分步模式下运行 PLC 程序并进入（步入）读/写保护段可能导致无法读取程序及从段中退出。读者必须在【停止】模式下切换 PLC 以返回到初始状态。

分步模式是指逐功能块执行应用程序，这个模式由预先设置的断点启动，用于检查代码的行为和变量的值。

分步模式必须在【在线模式】下实现，在分步模式下执行的段会停止相应的任务，可用于分步模式的命令有三个，即步入命令、步进命令和步出命令。

在分步模式下，如果要重新启动任务的执行以便返回到以前设置的断点，则需要从菜单中选择调试->开始命令，或者单击工具栏中的开始。

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