第1章 可编程逻辑控制器简介
知识点
可编程逻辑控制器（PLC ）功能
逻辑控制的发展
PLC 的特点及应用领域
当今主流PLC 介绍
本章导读
可编程控制器（PLC ）是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算的电子系统。它采用可编程的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。目前的计算机集散控制系统DCS （Distributed Control System）中已有大量的可编程控制器应用。伴随着计算机网络的发展，可编程控制器作为自动化控制网络和国际通用网络的重要组成部分，将在工业及工业以外的众多领域发挥越来越大的作用。
1.1 PLC 的概述
在PLC （Programmable Logic Controller，可编程控制器）发展的过程中，由于时期不同、功能相异，PLC 还曾被称为可编程矩阵控制器PMC （Programmable Matrix Controller）、可编程顺序控制器PSC （Programmable Sequence Controller），本书将沿用PLC 的称谓。
1.1.1 PLC 的概念
“PLC 是一种数字运算的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程的存储器，用来在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，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制器系统联成一体、易于扩充功能的原则设计。”上述是国际电工委员会于1985年1月对PLC 所作的权威性的定义。
对于PLC 的定义，其补充说明如下。
以微处理技术为基础，应用于以控制开关量为主，或包括控制过程参量在内的逻辑控制、机电运动控制或过程控制等工业控制领域的新型工业控制装置。
1.1.2 PLC 的功能
可编程控制器是采用微电子技术来完成各种控制功能的自动化设备，按照预先输入的程序控制现场的执行机构，并按照一定规律进行动作。其主要功能体现在以下几方面：
1．顺序逻辑控制
顺序逻辑控制在PLC 应用领域中应用最广泛，可以取代继电器控制系统，实现逻辑控制和顺序控制。它既可以用于单机控制或多机控制，又可用于自动化生产线的控制。PLC 根据操作按钮、限位开关及其他现场给出的指令信号和传感器信号，控制机械运动部件进行相应的操作。
2．运动控制
在机械加工行业，PLC 与计算机数控集成在一起，用以完成机床的运动控制。很多PLC 制造厂家已提供了拖动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模板。在多数情况下，PLC 将描述目标位置的数据送给模板，模板移动一轴或数轴到目标位置。当每个轴移动时，位置控制模板将保持适当的速度和加速度，以确保运动平滑。目前已用于控制无心磨削、冲压、复杂零件分段冲裁、滚削、磨削等应用中。
3．定时控制
PLC 为用户提供了一定数量的定时器，并设置了定时器指令。一般每个定时器可实现0.1～999.9s 或0.01～99.99s 的定时控制，也可按一定方式进行定时时间的扩展。定时精度高，定时设定方便、灵活。同时PLC 还提供了高精度的时钟脉冲，可用于准确地实时控制。
4．计数控制
PLC 提供了多种计数器，如普通计数器、可逆计数器、高速计数器等，可以用来完成不同用途的计数控制。当计数器的当前计数值等于计数器的设定值，或在某一数值范围时，发出控制命令。计数器的计数值可以在运行中被读出，也可以在运行中进行修改。
5．步进控制
PLC 为用户提供了一定数量的移位寄存器，并完成步进控制功能。在一道工序完成之后，自动进行下一道工序；一个工作周期结束后，自动进入下一个工作周期。有些PLC 还专门设有步进控制指令，使得步进控制更为方便。
6．数据处理
大部分PLC 都具有不同程度的数据处理功能，如F2系列、C 系列、S5系列PLC 等可完成数据运算（如加、减、乘、除、乘方、开方等）、逻辑运算（如与、或、异或、求反等）、移位、数据比较和传送及数值的转换等操作。
7．模数和数模转换
在过程控制或闭环控制系统中，存在温度、压力、流量、速度、位移、电流、电压等连续变化的物理量（或称模拟量）。过去，由于PLC 善于逻辑运算控制，对于这些模拟量
主要依靠仪表（如果回路数较少）或分布式控制系统DCS （如果回路数较多）来控制。目前，不但大、中型PLC 具有模拟量处理功能，甚至很多小型PLC （如C 系列P 型机）也具有模拟量处理功能，而且编程和使用都很方便。
8．通信及联网
目前大多数PLC 都具有了通信能力，能够在PLC 与计算机之间同时进行同位链接及上位链接。通过这些通信技术，使PLC 更容易构成工厂自动化系统。也可与打印机、监视器等外部设备相连，记录和监视有关数据。
1.2 逻辑控制的发展
1.2.1 继电器逻辑控制
在人们的日常生活和生产活动中，利用开关来实现在电路中“开”和“关”各种用电器及生产设备，或改变它们的工作方式，这种控制方式是极其普遍的。但对于加工生产线这样大规模的电路，其电动机等设备少则几十台，多则数以百计，同时这种电路中的各种用电器往往要按照某种规律来安排其“开”和“关”的顺序，因此若在这种场合下仍由人来操作一个接一个的开关，显然难于实现。此时继电器逻辑控制电路就派上了用场。
1．继电器逻辑控制电路的概念
继电器逻辑控制电路是根据外界输入的特定信号和某种要求，自动地接通和断开电路，断续地或连续地改变电路参数或运行状态，实现对电路或非电对象的切换、控制、调节和保护的一种自动控制电路。
从电路结构上看，继电器逻辑控制电路一般都具有两个基本组成部分，即决策部分和执行部分。决策部分负责检测外界输入的信号，通过转换、放大、判断、按照预先设定的控制规则进行逻辑运算，作出相应的控制决策，指挥执行部分动作，以实现控制的最终目的。就控制角度而言，这里决策部分起了关键的作用。而决策部分所体现的控制规则，实际是通过继电器逻辑控制电路各部分预先按控制规则要求的固定联结来实现的。也就是说，其控制规则是以硬件的固定联结来实现的。这也是继电器逻辑控制电路不同于PLC 的主要特征。
2．继电器逻辑控制电路的主要组成部分
如上所述，继电器逻辑控制电路一般是由决策部分和执行部分组成的，而决策部分（即逻辑运算部分）又可分为逻辑输入部分和逻辑记忆部分。
（1）逻辑输入部分
逻辑输入部分主要由主令电器和检测器件组成。
① 主令电器
主令电器一般包括手动按钮、开关、转换器、凸轮控制器等，其主要功能是完成开机、关机、切换、应急停机或调试等控制操作。主令电器给出的控制信号称为主令信号。
主令电器中最常用的还是按钮，按钮又分为常开按钮和常闭按钮。常开按钮在不按下时触点分开，在按下时触点合上。常闭按钮在不按下时触点闭合，在按下时触点分开。将常开触点和常闭触点装在一起的则是复合按钮。
② 检测器件
检测器件通常包括行程开关、接近开关、压力继电器、速度继电器、热继电器、过电流继电器等器件，其主要功能是检测运动机件的行程或位置、压力、速度、热量、电流等物理量在自动控制过程中的状态，以此作为继电器逻辑控制电路按照控制规则进行决策的主要依据。
检测器件还可以包括时间继电器。这是一种特殊的检测器件，主要用于检测某过程执行的时间，以此作为继电器逻辑控制电路按照控制规则进行决策的又一特殊的依据。
检测器件给出的控制信号称为现场检测信号，简称检测信号。
行程开关是将运动部件的行程位置转换为输入信号的检测器件。其工作原理与按钮类似，当加工机械的运动部件运动到相应位置，碰撞压力行程开关时，则输出开关信号。与按钮不同的是，它是靠机械的外加力量使触点输出信号的，而按钮完全是靠手工完成的。由此可知，按钮反映的是人的意志，而行程开关反映的是控制过程中的状况。微动开关也是一种行程开关。
接近开关是一种非接触式的、电子式的运动部件行程位置检测装置。其作用与行程开关相同，但它实现了无触点化。除了用于替代行程开关外，接近开关还可以作为高速脉冲发生器、高速计数器等。
主令信号和检测信号即构成控制线路的输入信号。
（2）逻辑记忆部分
逻辑记忆部分主要由继电器组成，用来记忆逻辑输入信号的变化以及各逻辑输入信号经过某种逻辑运算后所得信号的变化。
继电器是一种依据某种形式的输入信号而动作，从而输出开关信号的自动控制（如电压、电流）和非电量（如转速、温度、时间）。继电器的种类很多，最常见的是电磁继电器，此外还有干簧继电器、热继电器和时间继电器等。
① 电磁继电器
电磁继电器是一种最常见、用途最广
泛的继电器，其典型结构如图1-1所示。
它主要由线圈、铁心、衔铁（即动铁心）、
返回弹簧及动触头、静触头等构成。当线
圈两端加上一定量的电压或线圈中通以一
定量的电流时，铁心磁化，衔铁（即动铁
心）就会在磁力的作用下克服返回弹簧的
拉力吸向静触头，从而导致衔铁上的动触
头闭合或断开。线圈未通电时处于断开状态的一对动、静触头称为常开触点，反之则称为常闭触点。线圈断电后，衔铁在返回弹簧的拉力下回到原位，使常开触点断开、常闭触点图1-1 电磁继电器
闭合。当一个动触头同时与一个静触头闭合而与另一个静触头断开时，就称它们为转换触点。一个电磁继电器可以有一对或数对常开触点或常闭触点（也可以二者兼有），也可以有一组或数组转换触点。一个继电器的线圈及其触头，可以用同一字母及序号数码来标注，如J 、J1、J2等。
电磁继电器的功能与接触器迥然不同，它主要用于在控制电路中依据输入信号的状态（如行程开关触点的分合、电流的大小、电压的高低、时间的长短等）对应输出开关量的控制信号，而接触器只是输出执行功率信号。
电磁继电器有一些显著优点：
✧ 可以用小信号、弱信号来操动大信号、强信号，也就是说，它不仅具有信号转换
和传递的功能，而且还有驱动的功能。
✧ 可以实行远距离控制。
✧ 由于它可以采用多对接点，故可以方便地实现对多个对象的集中控制、连锁控制、
多点控制。
✧ 其操动快速、准确。
电磁继电器的种类很多，常见的就有电流继电器、电压继电器、中间继电器和时间继电器等。
电流继电器和电压继电器的区别主要在于线圈。电流继电器的线圈是与负载串联连接的，它是以负载电流为输入信号，因此其线圈导线粗、匝数少；而电压继电器的线圈是与负载并联连接的，它是以负载电压为输入信号，因此其线圈导线细、匝数多。
中间继电器实际上就是一种特殊的电压继电器，只不过它的主要目的不是反映电压，而是扩展触点的数量和容量。
时间继电器的输入信号是非电量——时间，这是与前3种都不相同的。
电磁继电器按照加在线圈上的是直流电还是交流电而分为直流和交流继电器。
② 干簧继电器
干簧继电器又称舌簧继电器，这种继电器分为线圈驱动和永磁驱动两种，其结构如图1-2（a ）和图1-2
（b ）所示。当干簧继电器的线圈通电时，产生磁场，由导磁材料做成的干簧片被磁化而相吸，使被控电路接通。线圈断电后，干簧片失磁，在自身弹力作用下分开，使被控电路切断。而永磁干簧继电器在永久磁铁靠近干簧片时使其磁化而相吸，使被控电路接通。磁铁离开时，干簧片靠自身的弹力分开，使被控电路切断。干簧继电器一般只有一对干簧片常开触点。
（a ）线圈型 （b ）永磁型
图1-2 干簧继电器
③ 热继电器
热继电器是反映热量的继电器，其工作原理如图1-3所
示。热继电器的核心是双金属片，它是由两种热膨胀系数显
著不同的金属片复合在一起压轧而成的。当热继电器通电
图1-3 热继电器 时，加热装置亦通电加热，由于双金属片上层a 片的热膨胀
系数大于下层b 片的热膨胀系数，当温度升高到一定程度时，双金属片就会向下弯曲，使常闭触点断开，常开触点闭合。该继电器主要用于保护电动机或其他负载，避免其过载或断相以致严重过热而烧毁设备。其主要缺点是：发热原件间接加热双金属片，热耦合程度较差，双金属片的变形不能正确反映所保护对象的热特性，易产生较大误差。
④ 时间继电器
在获得有效输入信号后，延迟一段时间再动作的继电器叫做时间继电器。
时间继电器与电磁继电器的结构类似，它采用不同的方法，使线圈在通电或断电的瞬间衔铁不能立即吸合或释放。按照所采用的不同方法（如短路铜套涡流式、气囊式、电动机式或电子延时电路式等），时间继电器划分为电磁式、空气阻尼式、电动机式及半导体式等。
如图1-4所示为各种继电器的图形符号。
（a ）继电器线圈
（b ）继电器常开触点
（c ）继电器常闭触点
（d ）热继电器热量元件
（e ）热继电器常开触点
（f ）热继电器常闭触点
（g ）时间继电器线圈
（h ）延时闭合的时间继电器常开触点
（i ）延时释放的时间继电器常开触点
（j ）延时释放的时间继电器常闭触点
（k ）延时闭合的时间继电器常闭触点
图1-4 继电器图形符号
（3）执行部分
执行部分主要由执行机构组成。执行机构可分为有记忆功能和无记忆功能两种。有记忆功能的执行机构有各种容量的接触器、继电器等。无记忆功能的执行机构有电磁阀、电磁铁、微电机、灯光负载、音量负载等。
执行机构的主要功能是直接控制生产装置执行移动、转动、升降、正反转、开闭、分合等，以完成相应的生产任务。
在执行机构中，由于要驱动大的负载，往往还需使用接触器。接触器是在继电器控制电路中用来接通或切断电路中负载的一种控制电路，故继电器控制电路往往又被称为继电接触控制电路。接触器有交流接触器与直流接触器之分。
接触器和继电器的工作原理大致一样，区别在于接触器多是用来接通或切断控制电路中主要回路较大电流负载，因而其主触点容量较大（且一般有多对）；而继电器多是用来接通或切断继电器逻辑控制电路中控制回路较小电流或电压信号，因而其触点容量较小（一般也可有多对）。
交流接触器通常的结构如图1-5所示。它通常以3对主触点通断大负载电流，
再配置2对辅助触点用于控制。由于交流接触器主触点在切断较大负载电流时通常要产生较强的电弧，极易烧坏触点，严重影响交流接触器的使用寿命，故在交流接触器主触点处通常都要加装灭弧罩。接触器的图形符号如图1-6所示。
图1-5 交流继电器
（a ）接触器线圈
（b ）接触器常开主触点
（c ）接触器常闭主触点
（d ）接触器常开辅助触点
（e ）接触器常闭辅助触点
图1-6 接触器图形符号
3．基本继电器逻辑控制线路
（1）启动、停止、自锁电路
启动、停止、自锁电路如图1-7所示，是继电接触
控制系统中最常见的电路。
当操作人员按下按钮SB1时，由于按钮SB2的常闭 触点是闭合的，故线路向继电器K 线圈通电，因而继电
图1-7 启动、停止、自锁电路 器K 吸合，致使其常开触点K 闭合。即使此时SB1常
开触点断开，由于继电器常开触点K 闭合，仍继续对线圈供电，维持继电器吸合状态，这就叫做“自锁”（有的教材也称“自保”）。当操作人员按下停止按钮SB2时，其常闭触点断开，切断了线圈供电通路，继电器K 释放，其常开触点K 断开。
启动、停止、自锁电路实际上是典型的“与”、“或”、“非”逻辑组合电路，若以A 、B1、B2分别表示K 、SB1、SB2的状态，其逻辑代数式可表达为
A=（B1+A）·B 2 （1-1）
（2）行程控制
在生产过程中，经常需对大量的加工件、刀具、物料、运料小车等进行运动位置或行程的控制。
如图1-8所示为行程控制的一个实例。某机床刀架在初始状态下停在轨道最左边的极限位置上，使限位开关00411常开触点接通而常闭触点断开。
当按下启动按钮00410时，其常开触点接通，加之行程开关00412未被压下，其常闭触点处于接通状态，控制刀架快进的00451继电器线圈通电，控制刀架快进。
当刀架快进到行程开关00412的位置时，挡块压下行程开关00412，其常闭触点断开，使快进控制电路给00451线圈供电的通路断开，00451继电器释放，刀架快进停止。
而此时由于挡块压下00412行程开关，其常开触点亦接通，加之行程开关00413未被压下，其常闭触点处于接通状态，使控制刀架进行工作进给1（简称工进1）的00452继电器线圈通电，因而控制刀架按工进1的速度进给。
当刀架进到行程开关00413的位置时，刀架将停止工进1的动作，而启动00453继电器，开始工进2的行程；而当刀架进到行程开关00414的位置时，刀架将停止工进2的动作，而启动00454继电器，开始快退的行程；当刀架退到行程开关00411的位置时，刀架将停止快退。
至此，系统完成了一次完整的工作循环。最后两个行程的工作原理，读者可试着自行分析。按照上述行程控制电路，可以列出其逻辑代数式如下。
41200451=（00411·00410+00451）·041300452=（00412+00452）·0 4100453=（00413+00453）·0 （1-2） （1-3） （1-4） （1-5）
4100454=（00414+00454）·0
（3）定时控制电路
继电器接触控制线路中是用时间继电器（如空气式、电动式、晶体管式时间继电器）
作为检测并控制时间量的关键器件。通常定时控制电路有两种：延时吸合电路和延时释放电路。而按照计时的起始信号来分，又分为得电延时和失电延时两种电路。
某机床电动机要求在按下按钮SB1后正转25s ，然后停止5s ，再反转30s ，最后再停止10s ，这样完成一个循环；以后自动完成这样一个接一个的循环。
如图1-9所示即是完成这种要求的一个定时控制线路。从图1-9中可以看出，当按下按钮SB1时，由于时间继电器KT1的延时释放的常闭触点还处于闭合状态，线路向继电器K1和时间继电器KT1同时供电，K1使机床电动机正转，同时时间继电器KT1也开始计时（在按钮SB1释放期间，K1的常开触点起自锁作用）。当时间继电器KT1计时到25s 时，其延时释放的常闭触点KT1断开，致使继电器K1和时间继电器KT1均失电而断开。而此时由于时间继电器KT1的延时闭合的常开触点KT1闭合，使得KT2时间继电器得电而开始计时5s 。以后的过程读者可以参照图1-9自行分析，不过需要注意的是，当反转停止并延时10s 后，由于时间继电器KT4的延时闭合的常开触点
KT4闭合，使得继电器K1和时间继电器KT1又得电，开始下一个循环。
图1-8 行程控制实例 图1-9 定时控制实例
4．继电接触式控制系统的设计
在继电接触式控制系统的设计中，为了保证系统的使用效能和正确的动作程序，目前最常用的是采用经验的方法，即将常用的、典型的控制电路组合成符合要求的控制电路。采用此种方法设计时应确定如下内容：
（1）自动工作循环的分析
在确定控制方案之前，首先应列出控制系统自动工作循环的简图和说明、主令电器及行程开关等的布置与作用简图或说明、执行机构的通断状态与对应动作的关系、自动工作循环中的循环周期表等，以对以后的设计提供必要的具体要求和条件，这也是整个设计过程中的需求分析过程。
（2）联锁条件及电气保护的确定
在设计过程中要特别注意联锁条件及电气保护的分析与确定，其中尤其要注意以下
几点。
✧ 联锁关系：一般是指一个动作、效能与其他的动作、效能的关联关系。也就是说，
当一个动作、效能具备后，才能进行其他的动作、效能。例如，当高炉上料料斗
在最低端装满料后，才能上行；同样，当其在最顶端卸完料后，才能下行。
✧ 禁止关系：一个动作发生后禁止另一个动作的发生。例如，前述高炉上料料斗在
达到最低端或最顶端的位置时，必须禁止其继续下行或继续上行的动作。
✧ 互锁关系：一般是指一个动作、效能与其他的动作、效能间互相禁止的关系。例
如，同一电动机的正转和反转肯定不能同时进行，必须先等其中一种动作完全停
止，才能启动进行另一个动作。
✧ 恰当地采用记忆单元。在继电接触控制系统的控制过程中，若由某一事件是否发
生来决定下一步的工作，则一般要引用一些记忆单元记忆事件的现实状态。这种
控制系统通常是顺序控制系统。
（3）输入信号时间长短的处理
在继电接触控制系统的控制过程中，常开触点和常闭触点输入信号的长短经常需要加以改造。通常遇到的问题是常开触点输入信号太短或常闭触点输入信号太长。对于常开触点输入信号太短的问题，通常采用记忆单元来延长；而对于常闭触点输入信号太长的问题，通常采用一个信号与这个长信号相“与”的方法解决。另一种常用方法是用延时继电器。
1.2.2 可编程逻辑控制
1．可编程控制器概述
对于国际电工委员会（IEC ）于1985年1月对可编程控制器做的定义，还可以补充说明为：可编程控制器是以微处理器技术为基础，应用于以控制开关量为主或包括控制过程参量在内的逻辑控制、机电运动控制或过程控制等工业控制领域的新型工业控制装置。更先进的可编程控制器还可利用其通信功能联于网络中或与其他装置构成集散控制系统。
限于篇幅，在本书中将着重讨论PLC 主要的也是应用最广泛的功能，即逻辑控制功能，对其余功能只作简略介绍。但需提醒读者，不要因此以偏盖全，以为本书已包含了PLC 的全部内容。
2．可编程控制器的特点
（1）通信性和灵活性强，应用广泛
可编程控制器不同于一般以硬件固定连接方式来体现控制机理的控制系统，其控制规则可根据不同的需求方便地以更新软件来实现，故其适应性极强，尤其适用于控制规则需要不断更新的场合，如机械制造、电力、冶金、建材、煤炭、化工、石化、医疗、纺织、食品等，既可应用于单机装置中，又可以应用于生产线中。
（2）可靠性高，抗干扰的能力极强
可编程控制器在硬件、软件设计上均充分考虑了抗强烈干扰和对故障进行诊断与容错的各种措施，如屏蔽、隔离、滤波、电压调整、对故障的在线诊断、对程序及数据的后备
电池保护、WTD 保护等，使其可靠性较之一般工业控制装置高出很多。大多数PLC 产品的平均无故障间隔时间MTBF 都可达数十万小时。有一个例子可以有力地说明PLC 抗干扰能力的强大：PLC 出厂试验中有一项抗干扰试验，是要承受幅值为1000V 、上升时间为1ns 、脉宽为1μs 的干扰脉冲冲击。就这一特点而言，也使PLC 赢得了众多的用户。
（3）产品系列化、规模化、功能完备、性能优良
可编程控制器发展到目前的这种局面，已经拥有繁多的品牌，小、中、大系列齐全，各种功能的装置和模块相当齐备，且性能异常优良，用户只需根据自己需要，选择这些产品予以安装并连上外部接线就可以方便地构成自己的系统。就功能来说，PLC 除了满足强大的逻辑控制功能外，还有不少的产品具有运动控制、PID 过程控制、数控、数据处理以及通信等各种功能，远远超越了纯开关量控制的概念。
（4）编制程序简单、容易
由于可编程控制器控制程序充分照顾到了现在工程技术人员的习惯，既可用面向生产过程现场的简单指令语句形式编程，又可以用大家普遍熟悉的梯形图编程。对于复杂系统，有的可编程控制器还可以使用简单易懂的功能图表编程和模块化的程序结构（如主控程序结构）等。使得编程和改变程序均很方便、灵活。
（5）设计、安装、调试周期短，扩充容易
如前所述，由于PLC 硬软件产品齐全，故用户组建系统时，设计、安装、调试都很容易，与一般控制系统相比，大大缩短了周期。由于PLC 产品开发有大量扩展单元或不同规模不同功能的模块，故用户扩充自己系统的规模或扩充功能都异常方便。
（6）体积小、重量轻，维护方便
PLC 体积小、重量轻自不待说。PLC 由于有自诊断功能，能及时将故障点显示给维修人员，故排除故障相当顺利、简单。加之PLC 组装、联接简单、维修时采用更换整个单元或模块，故特别方便。
3．可编程控制器的应用领域
近年来，随着大规模集成电路技术的迅猛发展，功能更强大、规模不断扩大而价格日趋低廉的元器件不断涌现，促使PLC 产品亦随之功能大增而成本下降。目前PLC 的应用已经远远超越了早期仅用于开关量控制的局面，现将其应用领域简述于下。
（1）开关量逻辑控制
这是PLC 最广泛的应用。已逐步取代传统的继电器逻辑控制装置，被用于单机或多机控制系统以及自动生产线上。PLC 控制开关量的能力是很强的，所控制的入、出点数有时多达几万点。由于可以联网，所以点数几乎不受限制。所控制的如组合的、时序的、要考虑延时的、需要进行高速计数等的逻辑问题都可以解决。
（2）运动控制
目前很多厂商已经开发出大量运动控制模块。且功能是给步进电动机或伺服电动机等提供单轴或多轴的位置控制，并在控制中满足适当的速度和加速度，以保证运动的平滑水准。
（3）过程控制
当前PLC 产品中，还有一大类是针对生产过程参数，如温度、流量、压力、速度等的
检测和控制而设计的。常用的有模拟量I/O模块，通过这些模块，不仅可以实现A/D和D/A转换，还可以进一步构成闭环，实现PID 一类的生产过程调节。而针对PID 闭环调节，又有专门的模块，可以更方便地实施。这些产品，往往还引入了智能控制。
（4）数据处理
现代的PLC 已具有数据传送、排序、查表搜索、位操作以及逻辑运算、函数运算、矩阵运算等多种数据采集、分析、处理的功能。目前还有不少公司，将PLC 的数据处理功能与计算机数值控制（CNC ）设备的功能紧密结合在一起，开发了用于CNC 的PLC 产品。
（5）通信
随着网络的发展和计算机集散控制系统的逐步普及，PLC 的网络化通信产品也在大量被推出。这些产品解决了PLC 之间、PLC 与其扩展部分之间、PLC 与上级计算机之间或其他网络间的通信问题。更有一些公司，还为其PLC 系统开发了专门的网络产品。这些网络产品包括有典型的如A-B 公司的高速数据通道DH 和DH+、SIEMENS 公司的SINEC 局域网等。通过这些产品，可将PLC 、计算机、各种外设组成局域环网，环网还可以套非环网。环网与环网还可以桥接。网间的结点可直接或间接地通信、交换信息。
联网、通信，适应了当今诸如计算机集成制造系统（CIMS ）及智能化工厂等先进技术发展的需要。它使工业控制从点（Point ）到线（Line ）再到面（Aero ），使现场设备的控制、生产线的控制和工厂管理层的管理及决策连成一体，甚至实现大范围、跨地域的控制与管理，以创造更高的境界。
需要注意的是，并非所有PLC 都具有上述全部功能，越小型的PLC ，其功能相应也越少。
1.3 主流PLC 简介
下面介绍一些常见的主流PLC ，用户在今后选择PLC 产品组成自己的系统时可以此为参考。在选择PLC 时，往往着眼于以下几个方面。
（1）重要技术参数及I/O规模
如CPU 主频大小、运算速度的快慢，又如内存容量和扩展存储等容量大小，再如I/O总数的多少以及通信传输速率等。
（2）功能
除根据需要选择轴定位功能、PID 过程控制功能、高速计数功能、CNC 功能、操作员监控功能、通信功能等外，还应充分了解系统本身的中断功能、自诊断与容错功能、有无热备份功能等情况。
（3）结构
首先，应弄清楚选用产品的结构是整体式（单元式）还是模块式的；其次，应根据需要考虑用不用本地扩展I/O及远程I/O等结构；再进一步，则应考虑用不用网络结构。
（4）编程语言及编程终端
大多数产品都提供了语句表（即指令程序）和梯形图编程软件，一些较好的产品还额
外提供了顺序功能图SFC 以及诸如主控程序（MCP ）一类的模块化编程软件工具，甚至提供了C 语言等高级语言的编程软件工具。就编程终端（编程器）而言，通常是使用各公司配套的专用编程器，这种方式性价比较差。有鉴于此，一些卓有远见的公司现在已开始提供可用于普通个人计算机的编程软件，使得用户不必购买编程器，而只需购买软件即可实现编程操作。
（5）产地和公司
包括公司的技术实力及其售后对用户的技术支持，这点也很重要。目前很多公司只注重商务，而对技术培训、售后维护、新技术的升级等漠不关心，这种公司显然是应当竭力回避的。
PLC 的主要产地在美国、欧洲（又以德国和法国为主）和日本3个地区。目前形形色色的PLC 产品在千种以上。
在美国，主要的生产商有A-B （Allen-Bradley ）、莫迪康（MODICON ）、GE FANUC、德州仪器（TI ：Texas Instrument）、西屋（Westing House）、霍尼威尔（Honeywell ）等。其中，A-B 、MODICON 、GE FANUC在中国市场占有较大份额。
在欧洲，主要的生产商有德国的西门子（SIEMENS ）、金钟-默勒（Kiockner-Moeller ）、Gmbh 、BBC ，法国的TE （Telemecanique ）、Alsthom 等。在中国市场上比较知名的，可能只有SIEMENS 和TE 。
在日本，主要的生产商有三菱电机（MITSUBISHI ）、欧姆龙（OMRON ）、富士电机（Fuji Electric ）、东芝（TOSHIBA ）、光洋（KOYO ）、松下电工（MEW ）、日立（HITACHI ）、夏普（SHARP ）、和泉（IDEC ）等，其中欧姆龙（立石）、三菱、富士、东芝、光洋和松下排名比较靠前。
由于产品太多，下面仅就在中国市场上比较知名的生产商及其产品作一简介。
✧ 美国A-B 公司。主推PLC-5系列大型PLC ，其CPU 模块主要有PLC-5/10、5/11、
5/12、5/15、5/20、5/25、5/30、5/40、5/60、5/250等。小型PLC 主要是SLC-500。 ✧ 德国西门子（SIEMENS ）公司。主要优势在大型机S5-115U 、S5-135U 、S5-155U ；
其中机型S-100U 也是很好的产品。历史上SIEMENS 的产品素以优良的品质和高昂的价格著称，为了改变其形象，占领新的市场份额，近年来该公司相继推出了小型机S7-200和S7-300，已经给该公司带来了新的声誉。
✧ 美国的GE FANUC公司。其有优势的产品是90系列PLC ：90-70、90-30、90-20
和分布式I/O系统Genius I/O等。
✧ 日本OMRON 公司。其产品主要有3个系列：属于Micro 机种的SP 系列——SP10、
SP16、SP20；低档机P 系列——C20P 、C28P 、C40P 、C60P 和C20板式机；较P 系列处理速度提高一个量级，有的还与上位机有通信联网能力的H 系列机，如C20H 、C28H 、C40H 、C60H 、C200H 、C1000H 、C2000H 。到了20世纪90年代初期，OMRON 公司又推出了全新的模块式CMQ1机。
✧ 日本三菱电机株式会社（MITSUBISHI ）。主要是F 系列和A 系列两个系列。F
系列是整体式结构的小型机，较新的产品有F1、F2、FXO 、FXON 、FX2、FX2C ，
其中主推FX2。A 系列是模块组合式中大型PLC ，又分3个小系列，主要包括A1N 、A2N （S1）A3N ；A1S （S1）、A2S （S1）、A2AS （S1）、A （S1）、A3A 。
对于其他公司的产品，在此就不再一一赘述了。
1.4 本章小结
通过本章的学习，我们初步认识了可编程控制器（PLC ），对其功能、特点、应用领域和发展有了一个大致的了解。可编程控制器和其他工业控制计算机组网构成大型的控制系统是可编程控制器技术的发展方向，目前的计算机集散控制系统（Distributed Control System ，DCS ）中已有大量的PLC 应用。伴随着计算机网络的发展，PLC 作为自动化控制网络和国际通用网络的重要组成部分，将在工业及工业以外的众多领域发挥越来越大的作
用。同时，随着中国经济的发展、技术的进步，可以预期PLC 在中国将有更加广阔的应用天地。
思考练习题
1．什么叫可编程控制器？可编程控制器与继电器逻辑系统相比，在控制方式上有何显著区别？
2．什么叫继电器逻辑控制？继电器逻辑控制电路由哪些部分组成？各部分起什么作用？
3．可编程控制器由哪些部分组成？这些组成部分在整个系统中各自担当什么角色？
4．可编程控制器有哪些主要特点？
5．可编程控制器常用哪几种存储器？它们各有什么特点？分别用来存储哪些种类的信息？
6．I/O模块有几种类型？各有何特点？各适用于哪些场合？
第1章 可编程逻辑控制器简介
知识点
可编程逻辑控制器（PLC ）功能
逻辑控制的发展
PLC 的特点及应用领域
当今主流PLC 介绍
本章导读
可编程控制器（PLC ）是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算的电子系统。它采用可编程的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。目前的计算机集散控制系统DCS （Distributed Control System）中已有大量的可编程控制器应用。伴随着计算机网络的发展，可编程控制器作为自动化控制网络和国际通用网络的重要组成部分，将在工业及工业以外的众多领域发挥越来越大的作用。
1.1 PLC 的概述
在PLC （Programmable Logic Controller，可编程控制器）发展的过程中，由于时期不同、功能相异，PLC 还曾被称为可编程矩阵控制器PMC （Programmable Matrix Controller）、可编程顺序控制器PSC （Programmable Sequence Controller），本书将沿用PLC 的称谓。
1.1.1 PLC 的概念
“PLC 是一种数字运算的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程的存储器，用来在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，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制器系统联成一体、易于扩充功能的原则设计。”上述是国际电工委员会于1985年1月对PLC 所作的权威性的定义。
对于PLC 的定义，其补充说明如下。
以微处理技术为基础，应用于以控制开关量为主，或包括控制过程参量在内的逻辑控制、机电运动控制或过程控制等工业控制领域的新型工业控制装置。
1.1.2 PLC 的功能
可编程控制器是采用微电子技术来完成各种控制功能的自动化设备，按照预先输入的程序控制现场的执行机构，并按照一定规律进行动作。其主要功能体现在以下几方面：
1．顺序逻辑控制
顺序逻辑控制在PLC 应用领域中应用最广泛，可以取代继电器控制系统，实现逻辑控制和顺序控制。它既可以用于单机控制或多机控制，又可用于自动化生产线的控制。PLC 根据操作按钮、限位开关及其他现场给出的指令信号和传感器信号，控制机械运动部件进行相应的操作。
2．运动控制
在机械加工行业，PLC 与计算机数控集成在一起，用以完成机床的运动控制。很多PLC 制造厂家已提供了拖动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模板。在多数情况下，PLC 将描述目标位置的数据送给模板，模板移动一轴或数轴到目标位置。当每个轴移动时，位置控制模板将保持适当的速度和加速度，以确保运动平滑。目前已用于控制无心磨削、冲压、复杂零件分段冲裁、滚削、磨削等应用中。
3．定时控制
PLC 为用户提供了一定数量的定时器，并设置了定时器指令。一般每个定时器可实现0.1～999.9s 或0.01～99.99s 的定时控制，也可按一定方式进行定时时间的扩展。定时精度高，定时设定方便、灵活。同时PLC 还提供了高精度的时钟脉冲，可用于准确地实时控制。
4．计数控制
PLC 提供了多种计数器，如普通计数器、可逆计数器、高速计数器等，可以用来完成不同用途的计数控制。当计数器的当前计数值等于计数器的设定值，或在某一数值范围时，发出控制命令。计数器的计数值可以在运行中被读出，也可以在运行中进行修改。
5．步进控制
PLC 为用户提供了一定数量的移位寄存器，并完成步进控制功能。在一道工序完成之后，自动进行下一道工序；一个工作周期结束后，自动进入下一个工作周期。有些PLC 还专门设有步进控制指令，使得步进控制更为方便。
6．数据处理
大部分PLC 都具有不同程度的数据处理功能，如F2系列、C 系列、S5系列PLC 等可完成数据运算（如加、减、乘、除、乘方、开方等）、逻辑运算（如与、或、异或、求反等）、移位、数据比较和传送及数值的转换等操作。
7．模数和数模转换
在过程控制或闭环控制系统中，存在温度、压力、流量、速度、位移、电流、电压等连续变化的物理量（或称模拟量）。过去，由于PLC 善于逻辑运算控制，对于这些模拟量
主要依靠仪表（如果回路数较少）或分布式控制系统DCS （如果回路数较多）来控制。目前，不但大、中型PLC 具有模拟量处理功能，甚至很多小型PLC （如C 系列P 型机）也具有模拟量处理功能，而且编程和使用都很方便。
8．通信及联网
目前大多数PLC 都具有了通信能力，能够在PLC 与计算机之间同时进行同位链接及上位链接。通过这些通信技术，使PLC 更容易构成工厂自动化系统。也可与打印机、监视器等外部设备相连，记录和监视有关数据。
1.2 逻辑控制的发展
1.2.1 继电器逻辑控制
在人们的日常生活和生产活动中，利用开关来实现在电路中“开”和“关”各种用电器及生产设备，或改变它们的工作方式，这种控制方式是极其普遍的。但对于加工生产线这样大规模的电路，其电动机等设备少则几十台，多则数以百计，同时这种电路中的各种用电器往往要按照某种规律来安排其“开”和“关”的顺序，因此若在这种场合下仍由人来操作一个接一个的开关，显然难于实现。此时继电器逻辑控制电路就派上了用场。
1．继电器逻辑控制电路的概念
继电器逻辑控制电路是根据外界输入的特定信号和某种要求，自动地接通和断开电路，断续地或连续地改变电路参数或运行状态，实现对电路或非电对象的切换、控制、调节和保护的一种自动控制电路。
从电路结构上看，继电器逻辑控制电路一般都具有两个基本组成部分，即决策部分和执行部分。决策部分负责检测外界输入的信号，通过转换、放大、判断、按照预先设定的控制规则进行逻辑运算，作出相应的控制决策，指挥执行部分动作，以实现控制的最终目的。就控制角度而言，这里决策部分起了关键的作用。而决策部分所体现的控制规则，实际是通过继电器逻辑控制电路各部分预先按控制规则要求的固定联结来实现的。也就是说，其控制规则是以硬件的固定联结来实现的。这也是继电器逻辑控制电路不同于PLC 的主要特征。
2．继电器逻辑控制电路的主要组成部分
如上所述，继电器逻辑控制电路一般是由决策部分和执行部分组成的，而决策部分（即逻辑运算部分）又可分为逻辑输入部分和逻辑记忆部分。
（1）逻辑输入部分
逻辑输入部分主要由主令电器和检测器件组成。
① 主令电器
主令电器一般包括手动按钮、开关、转换器、凸轮控制器等，其主要功能是完成开机、关机、切换、应急停机或调试等控制操作。主令电器给出的控制信号称为主令信号。
主令电器中最常用的还是按钮，按钮又分为常开按钮和常闭按钮。常开按钮在不按下时触点分开，在按下时触点合上。常闭按钮在不按下时触点闭合，在按下时触点分开。将常开触点和常闭触点装在一起的则是复合按钮。
② 检测器件
检测器件通常包括行程开关、接近开关、压力继电器、速度继电器、热继电器、过电流继电器等器件，其主要功能是检测运动机件的行程或位置、压力、速度、热量、电流等物理量在自动控制过程中的状态，以此作为继电器逻辑控制电路按照控制规则进行决策的主要依据。
检测器件还可以包括时间继电器。这是一种特殊的检测器件，主要用于检测某过程执行的时间，以此作为继电器逻辑控制电路按照控制规则进行决策的又一特殊的依据。
检测器件给出的控制信号称为现场检测信号，简称检测信号。
行程开关是将运动部件的行程位置转换为输入信号的检测器件。其工作原理与按钮类似，当加工机械的运动部件运动到相应位置，碰撞压力行程开关时，则输出开关信号。与按钮不同的是，它是靠机械的外加力量使触点输出信号的，而按钮完全是靠手工完成的。由此可知，按钮反映的是人的意志，而行程开关反映的是控制过程中的状况。微动开关也是一种行程开关。
接近开关是一种非接触式的、电子式的运动部件行程位置检测装置。其作用与行程开关相同，但它实现了无触点化。除了用于替代行程开关外，接近开关还可以作为高速脉冲发生器、高速计数器等。
主令信号和检测信号即构成控制线路的输入信号。
（2）逻辑记忆部分
逻辑记忆部分主要由继电器组成，用来记忆逻辑输入信号的变化以及各逻辑输入信号经过某种逻辑运算后所得信号的变化。
继电器是一种依据某种形式的输入信号而动作，从而输出开关信号的自动控制（如电压、电流）和非电量（如转速、温度、时间）。继电器的种类很多，最常见的是电磁继电器，此外还有干簧继电器、热继电器和时间继电器等。
① 电磁继电器
电磁继电器是一种最常见、用途最广
泛的继电器，其典型结构如图1-1所示。
它主要由线圈、铁心、衔铁（即动铁心）、
返回弹簧及动触头、静触头等构成。当线
圈两端加上一定量的电压或线圈中通以一
定量的电流时，铁心磁化，衔铁（即动铁
心）就会在磁力的作用下克服返回弹簧的
拉力吸向静触头，从而导致衔铁上的动触
头闭合或断开。线圈未通电时处于断开状态的一对动、静触头称为常开触点，反之则称为常闭触点。线圈断电后，衔铁在返回弹簧的拉力下回到原位，使常开触点断开、常闭触点图1-1 电磁继电器
闭合。当一个动触头同时与一个静触头闭合而与另一个静触头断开时，就称它们为转换触点。一个电磁继电器可以有一对或数对常开触点或常闭触点（也可以二者兼有），也可以有一组或数组转换触点。一个继电器的线圈及其触头，可以用同一字母及序号数码来标注，如J 、J1、J2等。
电磁继电器的功能与接触器迥然不同，它主要用于在控制电路中依据输入信号的状态（如行程开关触点的分合、电流的大小、电压的高低、时间的长短等）对应输出开关量的控制信号，而接触器只是输出执行功率信号。
电磁继电器有一些显著优点：
✧ 可以用小信号、弱信号来操动大信号、强信号，也就是说，它不仅具有信号转换
和传递的功能，而且还有驱动的功能。
✧ 可以实行远距离控制。
✧ 由于它可以采用多对接点，故可以方便地实现对多个对象的集中控制、连锁控制、
多点控制。
✧ 其操动快速、准确。
电磁继电器的种类很多，常见的就有电流继电器、电压继电器、中间继电器和时间继电器等。
电流继电器和电压继电器的区别主要在于线圈。电流继电器的线圈是与负载串联连接的，它是以负载电流为输入信号，因此其线圈导线粗、匝数少；而电压继电器的线圈是与负载并联连接的，它是以负载电压为输入信号，因此其线圈导线细、匝数多。
中间继电器实际上就是一种特殊的电压继电器，只不过它的主要目的不是反映电压，而是扩展触点的数量和容量。
时间继电器的输入信号是非电量——时间，这是与前3种都不相同的。
电磁继电器按照加在线圈上的是直流电还是交流电而分为直流和交流继电器。
② 干簧继电器
干簧继电器又称舌簧继电器，这种继电器分为线圈驱动和永磁驱动两种，其结构如图1-2（a ）和图1-2
（b ）所示。当干簧继电器的线圈通电时，产生磁场，由导磁材料做成的干簧片被磁化而相吸，使被控电路接通。线圈断电后，干簧片失磁，在自身弹力作用下分开，使被控电路切断。而永磁干簧继电器在永久磁铁靠近干簧片时使其磁化而相吸，使被控电路接通。磁铁离开时，干簧片靠自身的弹力分开，使被控电路切断。干簧继电器一般只有一对干簧片常开触点。
（a ）线圈型 （b ）永磁型
图1-2 干簧继电器
③ 热继电器
热继电器是反映热量的继电器，其工作原理如图1-3所
示。热继电器的核心是双金属片，它是由两种热膨胀系数显
著不同的金属片复合在一起压轧而成的。当热继电器通电
图1-3 热继电器 时，加热装置亦通电加热，由于双金属片上层a 片的热膨胀
系数大于下层b 片的热膨胀系数，当温度升高到一定程度时，双金属片就会向下弯曲，使常闭触点断开，常开触点闭合。该继电器主要用于保护电动机或其他负载，避免其过载或断相以致严重过热而烧毁设备。其主要缺点是：发热原件间接加热双金属片，热耦合程度较差，双金属片的变形不能正确反映所保护对象的热特性，易产生较大误差。
④ 时间继电器
在获得有效输入信号后，延迟一段时间再动作的继电器叫做时间继电器。
时间继电器与电磁继电器的结构类似，它采用不同的方法，使线圈在通电或断电的瞬间衔铁不能立即吸合或释放。按照所采用的不同方法（如短路铜套涡流式、气囊式、电动机式或电子延时电路式等），时间继电器划分为电磁式、空气阻尼式、电动机式及半导体式等。
如图1-4所示为各种继电器的图形符号。
（a ）继电器线圈
（b ）继电器常开触点
（c ）继电器常闭触点
（d ）热继电器热量元件
（e ）热继电器常开触点
（f ）热继电器常闭触点
（g ）时间继电器线圈
（h ）延时闭合的时间继电器常开触点
（i ）延时释放的时间继电器常开触点
（j ）延时释放的时间继电器常闭触点
（k ）延时闭合的时间继电器常闭触点
图1-4 继电器图形符号
（3）执行部分
执行部分主要由执行机构组成。执行机构可分为有记忆功能和无记忆功能两种。有记忆功能的执行机构有各种容量的接触器、继电器等。无记忆功能的执行机构有电磁阀、电磁铁、微电机、灯光负载、音量负载等。
执行机构的主要功能是直接控制生产装置执行移动、转动、升降、正反转、开闭、分合等，以完成相应的生产任务。
在执行机构中，由于要驱动大的负载，往往还需使用接触器。接触器是在继电器控制电路中用来接通或切断电路中负载的一种控制电路，故继电器控制电路往往又被称为继电接触控制电路。接触器有交流接触器与直流接触器之分。
接触器和继电器的工作原理大致一样，区别在于接触器多是用来接通或切断控制电路中主要回路较大电流负载，因而其主触点容量较大（且一般有多对）；而继电器多是用来接通或切断继电器逻辑控制电路中控制回路较小电流或电压信号，因而其触点容量较小（一般也可有多对）。
交流接触器通常的结构如图1-5所示。它通常以3对主触点通断大负载电流，
再配置2对辅助触点用于控制。由于交流接触器主触点在切断较大负载电流时通常要产生较强的电弧，极易烧坏触点，严重影响交流接触器的使用寿命，故在交流接触器主触点处通常都要加装灭弧罩。接触器的图形符号如图1-6所示。
图1-5 交流继电器
（a ）接触器线圈
（b ）接触器常开主触点
（c ）接触器常闭主触点
（d ）接触器常开辅助触点
（e ）接触器常闭辅助触点
图1-6 接触器图形符号
3．基本继电器逻辑控制线路
（1）启动、停止、自锁电路
启动、停止、自锁电路如图1-7所示，是继电接触
控制系统中最常见的电路。
当操作人员按下按钮SB1时，由于按钮SB2的常闭 触点是闭合的，故线路向继电器K 线圈通电，因而继电
图1-7 启动、停止、自锁电路 器K 吸合，致使其常开触点K 闭合。即使此时SB1常
开触点断开，由于继电器常开触点K 闭合，仍继续对线圈供电，维持继电器吸合状态，这就叫做“自锁”（有的教材也称“自保”）。当操作人员按下停止按钮SB2时，其常闭触点断开，切断了线圈供电通路，继电器K 释放，其常开触点K 断开。
启动、停止、自锁电路实际上是典型的“与”、“或”、“非”逻辑组合电路，若以A 、B1、B2分别表示K 、SB1、SB2的状态，其逻辑代数式可表达为
A=（B1+A）·B 2 （1-1）
（2）行程控制
在生产过程中，经常需对大量的加工件、刀具、物料、运料小车等进行运动位置或行程的控制。
如图1-8所示为行程控制的一个实例。某机床刀架在初始状态下停在轨道最左边的极限位置上，使限位开关00411常开触点接通而常闭触点断开。
当按下启动按钮00410时，其常开触点接通，加之行程开关00412未被压下，其常闭触点处于接通状态，控制刀架快进的00451继电器线圈通电，控制刀架快进。
当刀架快进到行程开关00412的位置时，挡块压下行程开关00412，其常闭触点断开，使快进控制电路给00451线圈供电的通路断开，00451继电器释放，刀架快进停止。
而此时由于挡块压下00412行程开关，其常开触点亦接通，加之行程开关00413未被压下，其常闭触点处于接通状态，使控制刀架进行工作进给1（简称工进1）的00452继电器线圈通电，因而控制刀架按工进1的速度进给。
当刀架进到行程开关00413的位置时，刀架将停止工进1的动作，而启动00453继电器，开始工进2的行程；而当刀架进到行程开关00414的位置时，刀架将停止工进2的动作，而启动00454继电器，开始快退的行程；当刀架退到行程开关00411的位置时，刀架将停止快退。
至此，系统完成了一次完整的工作循环。最后两个行程的工作原理，读者可试着自行分析。按照上述行程控制电路，可以列出其逻辑代数式如下。
41200451=（00411·00410+00451）·041300452=（00412+00452）·0 4100453=（00413+00453）·0 （1-2） （1-3） （1-4） （1-5）
4100454=（00414+00454）·0
（3）定时控制电路
继电器接触控制线路中是用时间继电器（如空气式、电动式、晶体管式时间继电器）
作为检测并控制时间量的关键器件。通常定时控制电路有两种：延时吸合电路和延时释放电路。而按照计时的起始信号来分，又分为得电延时和失电延时两种电路。
某机床电动机要求在按下按钮SB1后正转25s ，然后停止5s ，再反转30s ，最后再停止10s ，这样完成一个循环；以后自动完成这样一个接一个的循环。
如图1-9所示即是完成这种要求的一个定时控制线路。从图1-9中可以看出，当按下按钮SB1时，由于时间继电器KT1的延时释放的常闭触点还处于闭合状态，线路向继电器K1和时间继电器KT1同时供电，K1使机床电动机正转，同时时间继电器KT1也开始计时（在按钮SB1释放期间，K1的常开触点起自锁作用）。当时间继电器KT1计时到25s 时，其延时释放的常闭触点KT1断开，致使继电器K1和时间继电器KT1均失电而断开。而此时由于时间继电器KT1的延时闭合的常开触点KT1闭合，使得KT2时间继电器得电而开始计时5s 。以后的过程读者可以参照图1-9自行分析，不过需要注意的是，当反转停止并延时10s 后，由于时间继电器KT4的延时闭合的常开触点
KT4闭合，使得继电器K1和时间继电器KT1又得电，开始下一个循环。
图1-8 行程控制实例 图1-9 定时控制实例
4．继电接触式控制系统的设计
在继电接触式控制系统的设计中，为了保证系统的使用效能和正确的动作程序，目前最常用的是采用经验的方法，即将常用的、典型的控制电路组合成符合要求的控制电路。采用此种方法设计时应确定如下内容：
（1）自动工作循环的分析
在确定控制方案之前，首先应列出控制系统自动工作循环的简图和说明、主令电器及行程开关等的布置与作用简图或说明、执行机构的通断状态与对应动作的关系、自动工作循环中的循环周期表等，以对以后的设计提供必要的具体要求和条件，这也是整个设计过程中的需求分析过程。
（2）联锁条件及电气保护的确定
在设计过程中要特别注意联锁条件及电气保护的分析与确定，其中尤其要注意以下
几点。
✧ 联锁关系：一般是指一个动作、效能与其他的动作、效能的关联关系。也就是说，
当一个动作、效能具备后，才能进行其他的动作、效能。例如，当高炉上料料斗
在最低端装满料后，才能上行；同样，当其在最顶端卸完料后，才能下行。
✧ 禁止关系：一个动作发生后禁止另一个动作的发生。例如，前述高炉上料料斗在
达到最低端或最顶端的位置时，必须禁止其继续下行或继续上行的动作。
✧ 互锁关系：一般是指一个动作、效能与其他的动作、效能间互相禁止的关系。例
如，同一电动机的正转和反转肯定不能同时进行，必须先等其中一种动作完全停
止，才能启动进行另一个动作。
✧ 恰当地采用记忆单元。在继电接触控制系统的控制过程中，若由某一事件是否发
生来决定下一步的工作，则一般要引用一些记忆单元记忆事件的现实状态。这种
控制系统通常是顺序控制系统。
（3）输入信号时间长短的处理
在继电接触控制系统的控制过程中，常开触点和常闭触点输入信号的长短经常需要加以改造。通常遇到的问题是常开触点输入信号太短或常闭触点输入信号太长。对于常开触点输入信号太短的问题，通常采用记忆单元来延长；而对于常闭触点输入信号太长的问题，通常采用一个信号与这个长信号相“与”的方法解决。另一种常用方法是用延时继电器。
1.2.2 可编程逻辑控制
1．可编程控制器概述
对于国际电工委员会（IEC ）于1985年1月对可编程控制器做的定义，还可以补充说明为：可编程控制器是以微处理器技术为基础，应用于以控制开关量为主或包括控制过程参量在内的逻辑控制、机电运动控制或过程控制等工业控制领域的新型工业控制装置。更先进的可编程控制器还可利用其通信功能联于网络中或与其他装置构成集散控制系统。
限于篇幅，在本书中将着重讨论PLC 主要的也是应用最广泛的功能，即逻辑控制功能，对其余功能只作简略介绍。但需提醒读者，不要因此以偏盖全，以为本书已包含了PLC 的全部内容。
2．可编程控制器的特点
（1）通信性和灵活性强，应用广泛
可编程控制器不同于一般以硬件固定连接方式来体现控制机理的控制系统，其控制规则可根据不同的需求方便地以更新软件来实现，故其适应性极强，尤其适用于控制规则需要不断更新的场合，如机械制造、电力、冶金、建材、煤炭、化工、石化、医疗、纺织、食品等，既可应用于单机装置中，又可以应用于生产线中。
（2）可靠性高，抗干扰的能力极强
可编程控制器在硬件、软件设计上均充分考虑了抗强烈干扰和对故障进行诊断与容错的各种措施，如屏蔽、隔离、滤波、电压调整、对故障的在线诊断、对程序及数据的后备
电池保护、WTD 保护等，使其可靠性较之一般工业控制装置高出很多。大多数PLC 产品的平均无故障间隔时间MTBF 都可达数十万小时。有一个例子可以有力地说明PLC 抗干扰能力的强大：PLC 出厂试验中有一项抗干扰试验，是要承受幅值为1000V 、上升时间为1ns 、脉宽为1μs 的干扰脉冲冲击。就这一特点而言，也使PLC 赢得了众多的用户。
（3）产品系列化、规模化、功能完备、性能优良
可编程控制器发展到目前的这种局面，已经拥有繁多的品牌，小、中、大系列齐全，各种功能的装置和模块相当齐备，且性能异常优良，用户只需根据自己需要，选择这些产品予以安装并连上外部接线就可以方便地构成自己的系统。就功能来说，PLC 除了满足强大的逻辑控制功能外，还有不少的产品具有运动控制、PID 过程控制、数控、数据处理以及通信等各种功能，远远超越了纯开关量控制的概念。
（4）编制程序简单、容易
由于可编程控制器控制程序充分照顾到了现在工程技术人员的习惯，既可用面向生产过程现场的简单指令语句形式编程，又可以用大家普遍熟悉的梯形图编程。对于复杂系统，有的可编程控制器还可以使用简单易懂的功能图表编程和模块化的程序结构（如主控程序结构）等。使得编程和改变程序均很方便、灵活。
（5）设计、安装、调试周期短，扩充容易
如前所述，由于PLC 硬软件产品齐全，故用户组建系统时，设计、安装、调试都很容易，与一般控制系统相比，大大缩短了周期。由于PLC 产品开发有大量扩展单元或不同规模不同功能的模块，故用户扩充自己系统的规模或扩充功能都异常方便。
（6）体积小、重量轻，维护方便
PLC 体积小、重量轻自不待说。PLC 由于有自诊断功能，能及时将故障点显示给维修人员，故排除故障相当顺利、简单。加之PLC 组装、联接简单、维修时采用更换整个单元或模块，故特别方便。
3．可编程控制器的应用领域
近年来，随着大规模集成电路技术的迅猛发展，功能更强大、规模不断扩大而价格日趋低廉的元器件不断涌现，促使PLC 产品亦随之功能大增而成本下降。目前PLC 的应用已经远远超越了早期仅用于开关量控制的局面，现将其应用领域简述于下。
（1）开关量逻辑控制
这是PLC 最广泛的应用。已逐步取代传统的继电器逻辑控制装置，被用于单机或多机控制系统以及自动生产线上。PLC 控制开关量的能力是很强的，所控制的入、出点数有时多达几万点。由于可以联网，所以点数几乎不受限制。所控制的如组合的、时序的、要考虑延时的、需要进行高速计数等的逻辑问题都可以解决。
（2）运动控制
目前很多厂商已经开发出大量运动控制模块。且功能是给步进电动机或伺服电动机等提供单轴或多轴的位置控制，并在控制中满足适当的速度和加速度，以保证运动的平滑水准。
（3）过程控制
当前PLC 产品中，还有一大类是针对生产过程参数，如温度、流量、压力、速度等的
检测和控制而设计的。常用的有模拟量I/O模块，通过这些模块，不仅可以实现A/D和D/A转换，还可以进一步构成闭环，实现PID 一类的生产过程调节。而针对PID 闭环调节，又有专门的模块，可以更方便地实施。这些产品，往往还引入了智能控制。
（4）数据处理
现代的PLC 已具有数据传送、排序、查表搜索、位操作以及逻辑运算、函数运算、矩阵运算等多种数据采集、分析、处理的功能。目前还有不少公司，将PLC 的数据处理功能与计算机数值控制（CNC ）设备的功能紧密结合在一起，开发了用于CNC 的PLC 产品。
（5）通信
随着网络的发展和计算机集散控制系统的逐步普及，PLC 的网络化通信产品也在大量被推出。这些产品解决了PLC 之间、PLC 与其扩展部分之间、PLC 与上级计算机之间或其他网络间的通信问题。更有一些公司，还为其PLC 系统开发了专门的网络产品。这些网络产品包括有典型的如A-B 公司的高速数据通道DH 和DH+、SIEMENS 公司的SINEC 局域网等。通过这些产品，可将PLC 、计算机、各种外设组成局域环网，环网还可以套非环网。环网与环网还可以桥接。网间的结点可直接或间接地通信、交换信息。
联网、通信，适应了当今诸如计算机集成制造系统（CIMS ）及智能化工厂等先进技术发展的需要。它使工业控制从点（Point ）到线（Line ）再到面（Aero ），使现场设备的控制、生产线的控制和工厂管理层的管理及决策连成一体，甚至实现大范围、跨地域的控制与管理，以创造更高的境界。
需要注意的是，并非所有PLC 都具有上述全部功能，越小型的PLC ，其功能相应也越少。
1.3 主流PLC 简介
下面介绍一些常见的主流PLC ，用户在今后选择PLC 产品组成自己的系统时可以此为参考。在选择PLC 时，往往着眼于以下几个方面。
（1）重要技术参数及I/O规模
如CPU 主频大小、运算速度的快慢，又如内存容量和扩展存储等容量大小，再如I/O总数的多少以及通信传输速率等。
（2）功能
除根据需要选择轴定位功能、PID 过程控制功能、高速计数功能、CNC 功能、操作员监控功能、通信功能等外，还应充分了解系统本身的中断功能、自诊断与容错功能、有无热备份功能等情况。
（3）结构
首先，应弄清楚选用产品的结构是整体式（单元式）还是模块式的；其次，应根据需要考虑用不用本地扩展I/O及远程I/O等结构；再进一步，则应考虑用不用网络结构。
（4）编程语言及编程终端
大多数产品都提供了语句表（即指令程序）和梯形图编程软件，一些较好的产品还额
外提供了顺序功能图SFC 以及诸如主控程序（MCP ）一类的模块化编程软件工具，甚至提供了C 语言等高级语言的编程软件工具。就编程终端（编程器）而言，通常是使用各公司配套的专用编程器，这种方式性价比较差。有鉴于此，一些卓有远见的公司现在已开始提供可用于普通个人计算机的编程软件，使得用户不必购买编程器，而只需购买软件即可实现编程操作。
（5）产地和公司
包括公司的技术实力及其售后对用户的技术支持，这点也很重要。目前很多公司只注重商务，而对技术培训、售后维护、新技术的升级等漠不关心，这种公司显然是应当竭力回避的。
PLC 的主要产地在美国、欧洲（又以德国和法国为主）和日本3个地区。目前形形色色的PLC 产品在千种以上。
在美国，主要的生产商有A-B （Allen-Bradley ）、莫迪康（MODICON ）、GE FANUC、德州仪器（TI ：Texas Instrument）、西屋（Westing House）、霍尼威尔（Honeywell ）等。其中，A-B 、MODICON 、GE FANUC在中国市场占有较大份额。
在欧洲，主要的生产商有德国的西门子（SIEMENS ）、金钟-默勒（Kiockner-Moeller ）、Gmbh 、BBC ，法国的TE （Telemecanique ）、Alsthom 等。在中国市场上比较知名的，可能只有SIEMENS 和TE 。
在日本，主要的生产商有三菱电机（MITSUBISHI ）、欧姆龙（OMRON ）、富士电机（Fuji Electric ）、东芝（TOSHIBA ）、光洋（KOYO ）、松下电工（MEW ）、日立（HITACHI ）、夏普（SHARP ）、和泉（IDEC ）等，其中欧姆龙（立石）、三菱、富士、东芝、光洋和松下排名比较靠前。
由于产品太多，下面仅就在中国市场上比较知名的生产商及其产品作一简介。
✧ 美国A-B 公司。主推PLC-5系列大型PLC ，其CPU 模块主要有PLC-5/10、5/11、
5/12、5/15、5/20、5/25、5/30、5/40、5/60、5/250等。小型PLC 主要是SLC-500。 ✧ 德国西门子（SIEMENS ）公司。主要优势在大型机S5-115U 、S5-135U 、S5-155U ；
其中机型S-100U 也是很好的产品。历史上SIEMENS 的产品素以优良的品质和高昂的价格著称，为了改变其形象，占领新的市场份额，近年来该公司相继推出了小型机S7-200和S7-300，已经给该公司带来了新的声誉。
✧ 美国的GE FANUC公司。其有优势的产品是90系列PLC ：90-70、90-30、90-20
和分布式I/O系统Genius I/O等。
✧ 日本OMRON 公司。其产品主要有3个系列：属于Micro 机种的SP 系列——SP10、
SP16、SP20；低档机P 系列——C20P 、C28P 、C40P 、C60P 和C20板式机；较P 系列处理速度提高一个量级，有的还与上位机有通信联网能力的H 系列机，如C20H 、C28H 、C40H 、C60H 、C200H 、C1000H 、C2000H 。到了20世纪90年代初期，OMRON 公司又推出了全新的模块式CMQ1机。
✧ 日本三菱电机株式会社（MITSUBISHI ）。主要是F 系列和A 系列两个系列。F
系列是整体式结构的小型机，较新的产品有F1、F2、FXO 、FXON 、FX2、FX2C ，
其中主推FX2。A 系列是模块组合式中大型PLC ，又分3个小系列，主要包括A1N 、A2N （S1）A3N ；A1S （S1）、A2S （S1）、A2AS （S1）、A （S1）、A3A 。
对于其他公司的产品，在此就不再一一赘述了。
1.4 本章小结
通过本章的学习，我们初步认识了可编程控制器（PLC ），对其功能、特点、应用领域和发展有了一个大致的了解。可编程控制器和其他工业控制计算机组网构成大型的控制系统是可编程控制器技术的发展方向，目前的计算机集散控制系统（Distributed Control System ，DCS ）中已有大量的PLC 应用。伴随着计算机网络的发展，PLC 作为自动化控制网络和国际通用网络的重要组成部分，将在工业及工业以外的众多领域发挥越来越大的作
用。同时，随着中国经济的发展、技术的进步，可以预期PLC 在中国将有更加广阔的应用天地。
思考练习题
1．什么叫可编程控制器？可编程控制器与继电器逻辑系统相比，在控制方式上有何显著区别？
2．什么叫继电器逻辑控制？继电器逻辑控制电路由哪些部分组成？各部分起什么作用？
3．可编程控制器由哪些部分组成？这些组成部分在整个系统中各自担当什么角色？
4．可编程控制器有哪些主要特点？
5．可编程控制器常用哪几种存储器？它们各有什么特点？分别用来存储哪些种类的信息？
6．I/O模块有几种类型？各有何特点？各适用于哪些场合？