1.1 可编程控制器的产生与发展

可编程控制器PC（Programmable Controller）是由美国电气制造商协会（NEMA）命名的，但由于近年来PC又可表示为个人计算机（Personal Computer），为了加以区别，人们常把可编程控制器称为可编程逻辑控制器PLC（Programmable Logic Controller）。它是以微处理器为基础，在传统的继电器控制技术基础上，综合了计算机技术、半导体集成技术、自动控制技术、数字技术和通信网络技术而发展起来的新型控制器，用做数字控制的专用计算机。由用户编写程序进行逻辑控制、定时、计数和算术运算等，再通过数字量和模拟量的输入/输出（I/O）来控制各种生产过程。

1.1.1 PLC的产生及定义

20世纪60年代以前，用以对工业生产进行自动控制的装置是继电器—接触器控制系统。该系统存在一些缺陷。例如，系统的能耗较多，噪声大；通用性、灵活性差，工艺流程的更新需要大量的人力、物力；因系统通过各种硬件接线的逻辑控制来实现系统的运行，导致机械触点较多，系统运行的可靠性较差；不具备现代工业控制所需的数据通信、网络控制等功能。到了20世纪60年代以后，美国汽车制造业为适应市场需求不断更新汽车型号，要求及时改变相应的加工生产线。而汽车生产流水线基本上都采用传统的继电器—接触器控制，所以整个系统就必须重新设计和配置。汽车生产流水线的更换越来越频繁，原有的继电器—接触器控制系统就经常需要重新设计安装，这不但造成极大的浪费，而且新系统的接线也非常费时，从而延长了汽车的设计生产周期。在这种情况下，采用传统的继电器—接触器控制就有许多不足。

1968年，美国GM（General Motors）公司首次公开招标，要求制造商为其装配线提供一种新型的通用程序控制器，并提出了著名的十项招标指标，即著名的“GM十条”。

（1）编程简单，可在现场修改程序。

（2）系统的维护方便，采用插件式结构。

（3）体积小于继电器控制柜。

（4）可靠性高于继电器控制柜。

（5）成本较低，在市场上可以与继电器控制柜竞争。

（6）可将数据直接送入计算机。

（7）可直接用交流115V输入（注：美国电网电压是110V）。

（8）输出采用交流115V，可以直接驱动电磁阀、交流接触器等。

（9）通用性强，扩展方便。

（10）程序可以存储，存储器容量可以扩展到4KB。

如果说电子技术和电气控制技术是可编程逻辑控制器出现的物质基础，“GM十条”就是可编程逻辑控制器出现的技术要求基础，也是当今PLC最基本的功能。

1969年，美国数字设备公司（DEC）根据这十项技术指标的要求研制出了第一台可编程逻辑控制器—PDP—14，并成功地应用在GM公司的生产线上。第一台PLC采用计算机的初级语言编写应用程序，其CPU采用中、小规模集成电路组成，以逻辑运算为主，它实质上是一台专用的逻辑控制计算机。1971年，日本引进了这项技术，并开始生产自己的PLC。1973年，欧洲一些国家也生产出自己的PLC。1974年，我国开始了PLC技术的研究，并在1977年研制出第一台具有实用价值的PLC。

在这一时期，PLC主要用于顺序控制。随着半导体技术，尤其是微型计算机技术的发展，到了20世纪70年代中期，PLC广泛采用微处理器作为中央处理器，并且在外围的输入/输出（I/O）电路中逐渐使用了大规模和超大规模集成电路，这时的PLC已经不仅仅具有逻辑判断功能，还同时具有数据处理、PID（Proportion Integral Differential）调节和通信联网功能。

1987年2月，国际电工委员会（IEC）颁布的可编程控制器标准草案中对PLC做了如下的定义：“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，用来在其内部存储程序、执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术运算操作等指令，并通过数字式和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外围设备，都应按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计”。

1.1.2 PLC的发展

1.PLC的发展历程

PLC产生至今，历经50载，其发展大体经历了4个主要阶段。

（1）1970—1980年，PLC结构定型阶段。在这一阶段，由于PLC刚诞生，各种类型的顺序控制器不断出现（如逻辑电路型、1位机型、通用计算机型、单板机型等），但都被迅速淘汰。最终以微处理器为核心的现有PLC结构形式取得了市场认可，得以迅速发展、推广。本阶段为PLC原理、结构、软件、硬件趋向统一与成熟的阶段，PLC的应用领域也开始由最初的小范围逻辑控制、有选择使用，逐步开始向机床、生产线领域拓展。

（2）1980—1990年，PLC普及与系列化阶段。在这一阶段，PLC的生产规模日益扩大，价格不断下降，PLC被迅速普及。各PLC生产厂家产品的规模、品种开始系列化，并且形成了固定I/O端子型、基本单元加扩展模块型、模块化结构型这三种延续至今的基本结构模式。PLC的应用范围开始向顺序控制的全部领域拓展。

在本阶段，三菱公司以最早的F系列PLC产品为主，包括了小、中、大型各规格的产品。

（3）1990—2000年，PLC高性能与小型化阶段。在这一阶段，随着工业电气自动化程度的提高和微电子技术的进步，PLC的功能日益增强，PLC由单CPU转向多CPU，16位和32位微处理器被大量应用于PLC中，使其运算速度、图像显示和数据处理功能都大大增强。许多公司在加强各种特殊控制功能模块研制的同时，还加强了软件技术的开发，PLC的体积被大幅度缩小，出现了各种类型的小型化、微型化PLC。PLC的应用范围由单一的顺序控制向现场控制拓展。

在本阶段，三菱公司的PLC产品开始从F系列向FX系列过渡，而后陆续推出了Q/K型小、中、大型系列产品。

（4）2000至今，PLC功能开发与网络化阶段。在本阶段，为了适应信息技术的发展与工厂自动化的需要，PLC的各种功能不断开发与完善。一方面，PLC在继续提高CPU运算速度、位数的同时，开发了适用于过程控制、运动控制的特殊功能与模块，使PLC的应用范围开始涉及工业自动化的全部领域。同时随着通信联网技术的发展，新通信协议的不断产生，PLC的网络与通信功能得到迅速发展，PLC不仅可以连接传统的编程与通用输入/输出设备，还可以通过各种总线构成网络系统，为工厂自动化奠定了基础。PLC已经真正成为具有逻辑控制、过程控制、运动控制、数据处理和联网通信等功能的多功能控制器。

在本阶段，三菱公司的PLC产品仍然以Q/K系列为主要产品，只是其性能在不断完善与进一步提高，并陆续有新的CPU模块推出。

2.PLC的发展趋势

从世界上第一台PLC诞生至今，PLC技术得到了迅猛的发展。PLC的应用领域从最初单一的逻辑控制发展到包括模拟量控制、数字控制及机器人控制等在内的各种工业控制场合，成为工业控制领域中占主导地位的基础自动化设备。PLC的发展趋势主要表现为以下四个方面。

（1）向微型化、网络化、开放性方向发展。微型化、网络化、开放性是PLC未来发展的主要方向。随着微电子技术的发展，新型器件的性能与功能的提高，PLC的结构将更紧凑、更小巧，其功能更强，安装和操作使用更方便。随着PLC控制组态软件的进一步完善和发展，PLC组态软件和PC-based控制系统的逐步增长，金字塔结构的多级网络工业控制技术的成熟，要求计算机与PLC之间，以及各种PLC之间增强联网和通信能力，越来越多的PLC将具有以太网（Ethernet）接口，使得PLC在网络化、开放性方面将得到长足的发展。

（2）向系列化、标准化、模块化方向发展。每个生产PLC的公司几乎都有自己的系列化产品，同一系列的产品指令及使用向上兼容，以满足新机型的推广和使用。为了推动技术标准化的进程，一些国际性组织，如国际电工协会（IEC），不断为PLC的发展制定一些新的标准，如编程语言的标准化、网络通信功能标准化等。PLC的编程语言主要有梯形图、功能块图和语句表等，但随着复杂的大规模的控制系统增加，这些语言难以满足控制要求。面向顺序控制的功能指令和面向过程控制系统的流程图语言，与计算机兼容的高级语言（如BASIC、C语言及汇编语言），还有专用的高级语言等相继出现，然而由于各个生产厂家的PLC表达方式各不相同，不同品牌的PLC互不兼容，因此编程语言的标准化方面还有待进一步完善，以使其具有良好的兼容性。由于目前各PLC生产公司的总线、扩展接口及通信功能均是各自独立制定的，其通信协议往往是专用的，还没有一个适合所有公司产品的统一标准。在通信接口上，虽然大多数产品采用了标准化接口，但在通信功能上却是非标准化的。近年来，许多PLC生产厂家都在努力使自己的产品与制造自动化协议（MAP）兼容，这将使不同机型的PLC之间、PLC与计算机之间能方便地进行通信与联网，实现资源共享。因此，需要制定统一的、规范化的总线和标准化的PLC扩展接口。模块式结构使系统的构成更加灵活、方便，有助于主机通过通信设备向模块发布命令和测试状态，提升PLC的功能，简化控制系统设计。一般的PLC可分为主模块、扩展模块、I/O模块及各种高性能模块等，每种模块的体积都较小，相互连接方便，使用更简单，通用性更强。功能明确化，专用化的复杂功能由专门模块来完成，如一些厂家开发专用智能PID控制群、智能模拟量I/O模块、智能位置控制模块、语音处理模块、专用数控模块、智能通信与计算模块等。这些模块本身带有CPU，能独立工作，无论在速度、精度、适应性、可靠性等各方面都对PLC做了极好的补充，有助于克服PLC扫描算法的局限，完成许多PLC本身无法完成的功能。总之，系列化、标准化、模块化是PLC今后发展的必然趋势。

（3）向高速度、大容量、高性能方面发展。大型PLC采用多微处理器系统。例如，有的采用了32位微处理器，可同时进行多任务操作，处理速度提高，存储容量大大增加。PLC的功能进一步加强，以适应各种控制需要，使计算、处理功能进一步完善，特别是增强了过程控制和数据处理的功能。另外，PLC可以代替计算机进行管理、监控。智能I/O组件也将进一步发展，用来完成各种专门的任务（如位置控制、PID调节、远程通信等）。因此，高速度、大容量、高性能是PLC未来发展的重要方面。

（4）向自诊断、容错性、高可靠性方面发展。根据分析，在可编程控制器的故障中， CPU板占5%，I/O接口单元占15%，传感器占45%，执行器占30%，接线占5%。除了前两项共20%的故障可由CPU本身的硬件、软件检测以外，其他的80%都不能通过自诊断查出。因此，各厂家都在开发专门用于检测外部故障的专用智能模块。国外一些主要的PLC生产厂家在其生产的PLC中增加了容错功能，如自动切换I/O双机表决（当输出状态与PLC的逻辑状态相比较出错时，会自动断开该输出）和I/O三重表决（对I/O的状态进行软硬件表决，取两个相同的），以大幅度提高PLC控制系统的可靠性。