第一节 可编程控制器概述

一、可编程控制器的概念

传统继电器控制系统完成控制任务，需由导线将各种输入设备（按钮、控制开关、限位开关、传感器等）与由若干中间继电器、时间继电器等组成的具有—定逻辑功能的控制电路连接，然后通过输出设备（接触器、电磁阀等）去控制被控对象动作或运行，这种控制系统称为接线控制系统，所实现的逻辑称为布线逻辑，即输入对输出的控制作用是通过“接线程序”来实现的。其继电器控制系统框图如图4-1所示。

继电器控制系统中，控制要求的变更必须通过改变控制电路的硬接线来完成。因此，虽然在工业控制领域中被长期广泛使用，结构简单易懂，但由于设备体积大、动作速度慢、功能单一、接线复杂、通用性和灵活性差，已越来越不能满足工业生产过程的控制要求。

随着电子技术的发展，集计算机、仪器仪表、电器控制“三电”于—体的可编程控制器改变了原传统的以“硬接线”程序控制方式为存储程序的控制方式，即通过运行事先编制好、并存于程序存储器中的用户程序来完成控制功能，而控制要求改变时只需修改存储器中用户程序即可。图4-2为以可编程控制器为核心的控制系统框图。

PLC以其可靠性高、组合灵活、编程简单、维护方便等独特优势，被日趋广泛地应用于国民经济的各个领域。

国际电工委员会（IEC）于1982年11月颁发了PLC标准草案的第一稿，1985年1月又发表了第二稿。于1987年2月颁布了第三稿，对PLC作了如下定义：

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。它采用可编程序的存储器，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、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个整体、易于扩充其功能的原则设计。

由定义可见，PLC可直接应用于工业环境，所以也适用于水电站的应用。

二、可编程控制器的特点和功能

1.可编程控制器的特点

（1）可靠性高、抗干扰能力强。PLC设计和生产过程中采取了一系列硬件和软件的抗干扰措施，便于在工业环境中可靠地工作。

1）隔离措施。PLC的输入/输出接口电路—般采用光电耦合器传递信号，使外部电路与内部电路之间避免了直接的电的联系，有效地抑制外部干扰源对PLC的影响，同时防止外部高电压串入，减少故障和误动作。

2）滤波措施。在PLC的电源电路和输入/输出电路中设置了多种滤波电路，用以对高频干扰信号进行有效抑制。

3）PLC的内部电源采取了屏蔽、稳压、保护等措施，以减少外界干扰，保证供电质量。另外，输入/输出接口电路的电源彼此独立，以避免电源之间的干扰。

4）内部设置连锁、环境检测与诊断、Watchdog（“看门狗”）等电路，PLC故障或程序循环执行时间超过了警戒时钟WDT规定时间（预示程序进入了死循环）能立即预警。

5）利用系统软件定期进行系统状态、用户程序、工作环境和故障检测，并采取信息保护和恢复措施。

6）对用户程序及动态工作数据进行动态后备，以保障停电后有关状态或信息不丢失。

7）采用密封、防尘、抗震的外壳封装结构，以适应工作现场的恶劣环境。

（2）功能完善、扩充方便、组合灵活、实用性强。现代PLC所具有的功能及其各种扩展单元、智能单元和特殊功能模块，可以方便、灵活地组合成各种不同规模和要求的控制系统，以适应各种工业控制的需要。

（3）编程简单、使用方便、控制程序可变、具有很好的柔性。PLC保留传统继电器控制电路清晰直观的特点，采用面向控制过程和操作者的梯形图为编程语言，容易学习和掌握。PLC控制系统采用软件编程来实现控制功能，其外围只需将信号输入设备（按钮、开关等）和接收输出信号执行控制任务的输出设备（如接触器、电磁阀等）与PLC的输入/输出端子连接，安装简单、工作量少。当生产过程有变更时，只需修改程序即可，灵活方便，具有很强的“柔性”。

（4）体积小、重量轻、功耗低。由于PLC是专为工业控制而设计的，其结构紧密、坚固、小巧、易于装入机械设备内部，是实现机电一体化的理想控制设备。

2.可编程控制器的主要功能

（1）条件控制功能。条件控制（或称逻辑控制或顺序控制）功能是指利用与、或、非指令取代继电器触点串联、并联及其他各种逻辑连接，进行开关控制。

（2）定时/计数控制功能。利用定时器、计数器指令实现定时或计数控制，以取代时间继电器和计数继电器。

（3）步进控制功能。利用步进指令实现在有多道工序的控制中，只有前一道工序完成后，才能进行下一道工序操作的控制。

（4）数据处理功能。PLC能进行数据传送、比较、移位、数制转换、算术运算与逻辑运算以及编码和译码等操作。

（5）A/D与D/A转换功能。A/D与D/A转换功能就是通过A/D、D/A模块完成对模拟量和数字量之间的转换。

（6）运动控制功能。通过高速计数模块和位置控制模块等进行单轴或多轴控制。

（7）过程控制功能。通过PLC的PID控制模块实现对温度、压力、速度、流量等参数进行闭环控制。

（8）扩展功能。扩展功能是指通过连接输入/输出扩展单元（即I/O扩展单元）模块来增加输入/输出点数，也可通过附加各种智能单元及特殊功能单元以提高PLC的控制能力。

（9）远程I/O功能。远程I/O功能是指通过远程I/O单元将分散在远距离的各种输入/输出设备与PLC主机连接，进行远程控制，接收输入信号、传出输出信号。

（10）通信联网功能。通信联网功能是指通过PLC之间的联网、PLC与上位计算机的链接等，实现远程I/O控制或数据交换，以完成系统规模较大的复杂控制。

（11）监控功能。监控功能是指PLC能监视系统各部分运行状态和进程，对系统中出现的异常情况进行报警和记录，甚至自动终止运行；也可在线调整、修改控制程序中的定时器、计数器等设定值。

三、可编程控制器的应用类型

目前，PLC已成为工业控制的标准设备，在我国的应用也相当广泛，应用面几乎覆盖所有的工业企业，如钢铁、冶金、采矿、水泥、石油、化工、轻工、电力、机械、汽车、纺织、环保、交通、建筑、娱乐等各行各业，已跃居现代工业自动化三大支柱（可编程控制器、机器人、计算机辅助设计与制造）的主导地位，其发展总的趋势是系列化、通用化和高性能化。

PLC既可用于开关量控制，又可用于模拟量控制；既可用于单机控制，又可用于组成多级控制系统；既可控制简单系统，又可控制复杂系统。其应用可大致归纳为如下几类：

（1）逻辑控制。逻辑控制是PLC最基本、最广泛的应用方面。用PLC取代传统继电器系统和顺序控制器，实现单机控制、多机控制及生产自动线控制，如各种辅助设备的控制、水轮发电机组的开停机控制等。

（2）运动控制。运动控制是通过配用PLC生产厂家提供的单轴或多轴等位置控制模块、高速计数模块等来控制步进电机或伺服电机，从而使运动部件能以适当的速度或加速度实现平滑的直线运动或圆周运动，可用于机械手、机器人等设备的控制。

（3）过程控制。过程控制是通过配用A/D、D/A转换模块及智能PID模块实现对生产过程中的温度、压力、流量、速度等连续变化的模拟量进行单回路或多回路闭环调节控制，使这些物理参数保持在设定值上，在水电生产过程中有着广泛的应用。

（4）数据处理。PLC具有数学运算、数据的传输、排序、移位以及数制转换、位操作、编码、译码等功能，可以完成数据的采集、分析和处理任务。这些数据可以与存储在数据存储器中的参考值进行比较，也可传送给其他的智能装置或者输出至打印机打印制表。数据处理一般用于大、中型控制系统，如过程控制系统等。

（5）多级控制。多级控制是指利用PLC的网络通信功能模块及远程I/O控制模块，实现多台PLC之间的链接以及PLC与上位计算机的链接，以达到上位计算机与PLC之间、PLC与PLC之间的指令下达、数据交换和数据共享。这种由PLC进行分散控制、计算机进行集中管理的方式，能够完成较大规模的复杂控制，实现整个工厂生产的自动化。