单片机能代替PLC吗？过来人告诉你

随着科技的进步和市场的需要，近年来出现了非常多类似Arduino这样的开源电子原型平台，它们大部分实现了对单片机的二次封装，所有外设、模块接口都是现成的，对于使用者的要求只需懂C语言，熟悉各种库的调用，不需要关心硬件原理，就可以轻松上手，降低了学习、使用成本，增加了人们对嵌入式系统的兴趣，为许多电子爱好者打开了创作的大门。这不仅增加了微控制器用户的数量，而且增加了微控制器的应用范围。

今天我们把微控制器（单片机）与可编程逻辑控制器 (PLC)进行比较。

可编程逻辑控制器(PLC) 是一种专用计算设备，在传统的顺序控制器的基础上引入了微电子技术、计算机技术、自动控制技术和通讯技术而形成的一代新型工业控制装置，目的是用来取代继电器、执行逻辑、计数等顺序控制功能，建立柔性的远程控制系统。具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。

它们最初是为了取代自动化行业工作过程中使用的硬接线继电器和计时器而开发的，但如今它们已经扩大规模，并在各行业的制造过程使用，包括基于机器人的生产线。如今，世界上大多数的工厂都有在使用PLC设备。主要是因为其稳定耐用，能够承受粗暴搬运和高强度的震动环境。

微控制器（单片机）

微控制器是单个芯片上的小型计算设备，包含一个或多个处理核心，内存设备和通用输入和输出 (I/O) 端口。它们用于各种日常设备，特别是在需要执行特定重复任务的应用中。与 PLC 不同的是，它们没有像显示这样的接口，也没有内置的开关，它们只能用 GPIO 等接口连接这些外置组件。

结构组成

PLC架构

PLC 通常可以称为高级微控制器。它是由电源组件、微处理器CPU及存储器组件以及输入输出组件所构成。处理器模块由中央处理单元（CPU）和内存组成。除了微处理器之外，CPU 还包含至少一个以上的接口，通过该接口可以对其进行编程以及通信网络。电源通常是一个单独的模块，输入输出模块与处理器是分开的。输入输出模块可能还包含外部连接设备模块。

1.单片机架构

单片机的构成与上述 的PLC有些相似，但微控制器把 CPU，内存，存储单元以及与外界通信所需的输入输出端口和接口都集成到一个芯片上。

2. 接口

PLC 是为工业设计使用的，它的工作环境通常与没有外设的单片机不兼容。单片机在功能上基本可以做到PLC能做的事情，工业设计通常要处理几百个输入输出。单片机虽然可以通过增加外设来解决，但是相对的要增加成本，并且不稳定。

3.性能、稳定性、可靠性

这三点是 PLC 最与众不同的地方。PLC 设计用于工业需求，因此能够承受工业生产条件，例如温度变化、噪声、搬运和振动。

单片机却不同。根据设计，它们最初设计并非用作PLC等独立设备。单片机设计为的是嵌入到系统中，所以微控制器的外观讲究简易。微控制器在我们使用过程中不小心时就可能导致出现故障，芯片本身很脆弱并且很容易损坏。

4.使用要求（简易性）

PLC的编程所需的技术知识低、以及采用积木式结构，组态灵活安装方便。PLC使用并不复杂，只需要接受过正规培训的工厂技术人员就能操作使用，故障排除和诊断相对容易。现在的PLC基本都带液晶显示，操作人员通过液晶就可以进行监控。

单片机需要熟练的掌握芯片知识。开发人员需要精通硬件部分和编程知识，才能设计电路。单片机还需要特殊工具（例如示波器）来进行故障诊断和故障排查。虽然目前有几个像Arduino这样的集成简化平台，但综合从简易性来看，单片机比PLC对人员的要求要高出许多。

5. 应用

PLC是工业中非常常用的，它用于控制生产、生产管理等。单片机在日常电子设备中得到广泛应用。它们是智能设备和消费电子产品的主要组成部分。

单片机能替代PLC吗？

微控制平台的出现增加了单片机的使用范围，它可以去开发以前单片机不适合的领域，从微型DIY计算机到几个复杂的控制系统。这引发了关于为什么不使用单片机代替PLC的问题，主要是PLC与单片机相比的成本过高，将单片机用于工业应用之前，需要对单片机进行大量的改进。

总结：微控制器的设计不具备像PLC一样，能在极端条件下稳定工作的能力，这使得单片机不适合工业应用。工业用的器件都是按照标准进行设计，单片机不一定能支持，如果硬要使用需要加外设，就会增加成本，增加损坏的风险，这与工业产品的本质不符合。

综上所述，工业控制设备中的每一个都是为特定系统设计的，在决定选择特定应用作为最佳设备时，应充分考虑它们的各项因素。值得注意的是，一些制造商正在构建基于微控制器的 PLC，现在已经有了基于Arduino构建的PLC，在未来或许微控制器能大范围的应用于工业中，现在还不能达到替代的时候。

而还在考虑入门级，及今后发展路线的同学，不必过于纠结，首先PLC是单片机加上外部设备组成的，是建立在单片机基础之上的产品，从某个角度来看，PLC就是对单片机的二次封装，只是PLC厂家写好了固件，并封装到PLC设备中，学了单片机对PLC有比较底层理解。加上上述的对比分析，选择合适自己、感兴趣的方向耕耘才是最重要的。

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深度讨论：单片机可以替代PLC 吗？

单片机可以替代PLC 吗? 这个问题如同面粉能代替面条一样，答案是否定的。第一次听到这个答案可能很多人都有疑问，单片机明明功能那么强大，功能那么丰富为什么不能取代PLC呢？那么今天我们就来了解一下单片机和PLC分别是什么，它们之间有什么区别。

何为单片机，何为PLC？

单片机

单片微型计算机(Single Chip Microcomputer )，亦称微控制单元(Microcontroller Unit)，简称MCU， 是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器(Central Process Unit；CPU)、随机存储器（Random Access Memory；RAM）、只读存储器（Read-Only Memory；ROM）、多种I/O口和中断系统、定时器/计数器等功能(可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路)集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统，在各个领域广泛应用。诸如手机、PC外围、遥控器，至汽车电子、工业上的步进马达、机器手臂的控制等，都可见到MCU的身影。

单片机出现的历史并不长，但发展十分迅猛。它的产生与发展和微处理器的产生与发展大体同步，自1971年美国Intel公司首先推出4位微处理器以来，它的发展到目前为止大致可分为5个阶段。

单片机发展的初级阶段（1971年至1976年）：1971年11月Intel公司首先设计出集成度为2000只晶体管/片的4位微处理器Intel 4004, 并配有RAM、 ROM和移位寄存器, 构成了第一台MCS—4微处理器, 而后又推出了8位微处理器Intel 8008, 以及其它各公司相继推出的8位微处理器。

低性能单片机阶段（1976年至1980年）： 以1976年Intel公司推出的MCS—48系列为代表, 采用将8位CPU、 8位并行I/O接口、8位定时/计数器、RAM和ROM等集成于一块半导体芯片上的单片结构, 虽然其寻址范围有限（不大于4 KB）, 也没有串行I/O, RAM、 ROM容量小, 中断系统也较简单, 但功能可满足一般工业控制和智能化仪器、仪表等的需要。

高性能单片机阶段（1980年至1990年）：这一阶段推出的高性能8位单片机普遍带有串行口, 有多级中断处理系统, 多个16位定时器/计数器。片内RAM、 ROM的容量加大，且寻址范围可达64 KB，个别片内还带有A/D转换接口。

16位单片机阶段（1983年至1989年）：1983年Intel公司又推出了高性能的16位单片机MCS－96系列, 由于其采用了最新的制造工艺, 使芯片集成度高达12万只晶体管/片。

全方位高水平发展阶段（1990年至今）：到目前为止，单片机也有从传统的8位处理器平台向32位高级RISC处理器平台转变的趋势，但8位机依然难以被取代。8位单片机成本低，价格廉，便于开发，其性能可以满足大部分的需要，只有在航天、汽车、机器人等高技术领域，需要高速处理大量数据时，才需要选用16/32位，而在一般工业领域，8位通用型单片机，仍然是目前应用最广的单片机。单片机在集成度、功能、速度、可靠性、应用领域等全方位向更高水平发展。

单片机的特点是编程、维护相对复杂，编程方式常用C语言或者汇编语言，成本较低，I/O接口相对有限。

PLC，全称Programmable Logic Controller，即可编程逻辑控制器， 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。它采用一种可编程的存储器，在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，通过数字式或模拟式的输入输出来控制各种类型的机械设备或生产过程。

单片机为什么不能取代PLC呢？

一、稳定性与可靠性

有人说这是个伪问题，单片机是元器件，PLC是由元器件以及庞大的软件构成的系统，两者在这一方面没有可比性。这话没有错，大多PLC的控制芯片实际上就是单片机，也就是说可以将PLC看成是单片机的二次开发，单论工业防护等级，单片机的稳定性和可靠性能根本比不了PLC这种IP67类的产品（ IP为标记字母，第一标记数字表示接触保护和外来物保护等级，第二标记数字表示防水保护等级）。而且就PLC这种能应对工业恶劣环境的产品还开发出一套冗余系统。如果稳定性与可靠性对比没有意义，那么我们就从其他方面分析。

二、I/O功能

单片机的I/O点实在有限，而反观PLC呢？针对不同的现场信号，均有相应的I/O点可与工业现场的器件(如按钮、开关、传感电流变送器、电机启动器或控制阀等)直接连接，并通过总线与CPU主板连接。工业里几乎任意一条生产线，都有上百甚至上千I/O点，就这点单片机完全无法比拟。

三、扩展功能

一条完整的工业生产线除了控制，还有通信、上位、组态、运动控制与显示等等，这些东西都需要依靠完整的工业体系与通信协议去做，例如西门子公司的PROFIBUS-DP通信、三菱重工的CC-LINK等等。而单片机和PC、单片机和单片机之间的通信大都用串口。单片机的串口是全双工异步通信串口，那么像MODBUS、PROFIBUS、CAN open、以太网等通信协议单片机是否能一一实现？或许单片机可以做到，但是这就涉及到下一个分析点，开发周期。

四，开发周期

PLC的品牌多达200多种，几乎每个品牌都有不同编程软件，而且都在不断完善自己的编程软件，使之能够越来越简单的服务于电气工程师，而各种程序块也是越来越方便人性化的任意去调用，比如PID模块、运动控制模块等，大大减轻了工程师的开发压力也缩短了开发周期。那单片机要如何实现？没有现成的模块使用，那就只能开发，那么做过非标自动化设备的工程师都会遇到一个问题——工期不足。PLC这种高度集成化模块化的产品在达到满足设备所需的开发周期，在工期面前也是抓襟见肘，更不用说如同白纸一张的单片机。

五、通信距离

现在大多数流水线是要跨区域整合与监视的，所用的通讯方式多为以太网加中继器，或者直接走民用宽带光纤，所用的东西到最后很可能是用的就是微软的IE浏览器，很明显PLC是有RJ-45接口，即使本体没有RJ-45也可以配备以太网模块，可单片机搭载的PCB板能加上这个接口然后开发出以太网通信吗？开发需要多久？

六、编程语言

这点对单片机来讲是一个优势，同时也是一个劣势。上面提到PLC的品牌有两百多种，编程软件更多，尽管大多数PLC的编程语言都大同小异，但是每接触一款不同品牌的PLC，电气工程师就要从PLC的硬件参数、软元件、编程软件等等各个方面从头了解一次才能使用的得心应手。而单片机的编程语言用的是C语言或者汇编语言，这对于任何单片机都是通用的。换句话说，学会C语言或者汇编语言，便可以应用任何单片机开发想要的功能（前提是要有相关的电工电子学基础）。但话又说回来，电气工程师不是电子工程师，他们的工作不是单单考虑单片机如何驱动继电器来控制机床的，甚至有的电气工程师都不会C语言、汇编语言之类的MCU开发语言。近些年，IEC-61131-3标准的推广，越来越多的PLC支持多种编程语言，如类似C语言的ST语言，类似电路图的CFC语言。这种便利的功能是传统单片机开发环境真的无法实现。

结论

经过上面阐述，我们可以看出，PLC实际上可以看成是单片机的二次应用开发，但是它又有自己鲜明的特点。到目前为止，中国的单片机应用和嵌入式系统开发走过了二十余年的历程，国民经济建设、军事及家用电器等各个领域，尤其是手机、汽车自动导航设备、PDA、智能玩具、智能家电、医疗设备等行业都是应用了单片机。行业高端目前有超过10余万名从事单片机开发应用的工程师。

但是在工业控制领域，PLC占据绝对优势，就目前形势（单片机的功能、稳定性、易用性、编程及维护等）来看，单片机取代PLC那将是一项不可能完成，或者说期限趋向于无穷的艰巨任务。

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