继电器-接触器控制系统

  PLC(可编程序控制器)可以取代传统的“继电器-接触器”控制系统实现逻辑控制、顺序控制、定时、计数等各种功能，中大型高档PLC还能像微型计算机那样进行数字运算、数据处理、模拟量调节及联网通信等。它具有通用性强、可靠性高、指令系统简单、编程简便易学、易于掌握、体积小、维修工作量少、现场连接方便等一系列显著优点，已广泛应用于机械制造、机床、冶金、采矿、建材、石油、化工、汽车、电力、造纸、纺织、装卸、环境保护等各行各业，尤其在工程设计中的开发应用更是越来越广泛。在工业应用领域，PLC与数控机床、工业机器人、CAD/CAM并称为现代工业技术的四大支柱并跃居第一位，已成为改造和研发机电一体化产品最理想的首选控制器;其应用的深度和广度也代表着一个国家工业现代化的先进程度。要快速有效地开发应用PLC技术，就应该首先从整体上认识和掌握有关这种新型工业控制器的结构组成、功能特点、工作原理、编程语言及在工程中的应用等技术知识。

  1. 继电器-接触器控制系统

  众所周知，制造业中使用的生产设备与生产过程的控制，一般都需要通过工作机构、传动机构、原动机以及控制系统等部分实现。特别是当原动机为电动机时，还需要对电动机的启/制动、正/反转、调速与定位等动作进行控制。生产设备与生产过程的电器操作与控制部分，称为电气自动控制装置或电气自动控制系统。

  作为常用电气自动控制系统的一种，人们习惯于把以继电器、接触器、按钮、开关等为主要器件所组成的逻辑控制系统称为“继电器-接触器控制系统”。

  “继电器-接触器控制系统”的基本特点是结构简单、生产成本低、抗干扰能力强、故障检修直观方便、适用范围广。因此，直到今天"继电器-接触器控制系统"仍是工业自动控制领域最基本的控制系统之一。

  但是，由于“继电器-接触器控制系统”的控制元件(继电器、接触器)均为独立元件，它决定了系统的“逻辑控制”与“顺序控制”功能只能通过控制元件间的不同连接实现，因此，它不可避免地存在以下不足：①可靠性差，使用寿命较短，排除故障困难;②通用性、灵活性差，总体成本较高;③体积大. 材料消耗多;④运行费用高，噪声大;⑤在精确定时、计数等方面的功能不完善，影响了系统的整体性能，它只能用于对定时要求不高、计数简单的场合;⑥不具备现代工业控制所需要的数据通息、网络控制等功能。

  正因为如此，"继电器-接触器控制系统"已难以适应现代工业复杂多变的生产控制要求与生产过程控制集成化、网络化需要。

  2. PLC的诞生

  到了20世纪60年代末，有人这样设想;能否把计算机通用、灵活、功能完善的特点与“继电-接触器控制系统”的简单易懂、使用方便、生产成本低的特点结合起来，生产出一种而向生产过程顺序控制，可利用简单语言编程，能让完全不熟悉计算机的人也能方便使用的控制器呢?

  这一设想最早由美国最大的汽车制造商——通用汽车公司(GM公司)于1968年提出。当时，该公司为了适应汽车市场多品种、小批量的生产需求，需要解决汽车生产线“继电器-接触器控制系统”中普遍存在的通用性、灵活性差的问题，提出了对一种新颖控制器的十大技术要求，并面向社会进行招标。十大技术要求具体是：①编程方便，且可以在现场方便地编辑、修改控制程序;②价格便宜，性能/价格比要高于继电器系统;③体积要明显小于继电器控制系统;④可靠性要明显高于继电器控制系统;⑤具有数据通信功能：⑥输入可以是ACI15V;⑦输出驱动能力在ACI15V/2A以上;⑧硬件维护方便，最好采用"插接式"结构;⑨扩展时，只需要对原系统进行很小的改动;⑩用户存储器容量至少可以扩展到4KB。

  这就是著名的"GM十条"。这些要求的实质内容是提出了将"继电器-接触器"控制系统的简单易懂、使用方便、价格低廉的优点与计算机的功能完善、灵活性、通用性好的优点结合起来，将“继电器-接触器"控制系统的硬件连线逻辑转变为计算机的软件逻辑编程的设想。

  根据以上要求，美国数字设备公司(DEC公司)在1969年首先研制出了全世界第一台可编程序控制器，并称之为"可编程序逻辑控制器"(Programmable Logic Controller，简称PLC)。该样机在GM公司的应用获得了成功。此后，PLC得到了快速发展，并被广泛用于各种开关量逻辑运算与处理的场合。

  早期PLC的硬件主要由分立元件与小规模集成电路构成，它虽然采用了计算机技术，但指令系统、软件与功能相对较简单，一般只能进行逻辑运算的处理，同时通过简化计算机的内部结构与改进可靠性等措施，使之能与工业环境相适应。

  3. PLC的迅猛发展

  PLC技术随着计算机和微电子技术的发展而迅猛发展，由最初的一位机发展为8位机。随着微处理器CPU和微型计算机技术在PLC中的应用，形成了现代意义上的PLC。进入20世纪80年代以来，随着大规模和超大规模集成电路等微电子技术的迅猛发展，以16位和32位微处即器构成的微机化PLC得到了惊人的发展，使PLC在概念、设计、性能价格比以及应用等方面都有了新的突破。总结PLC的发展历程，大致经历了五个阶段。

  1) 初级阶段。从第一台PLC问世到20世纪70年代中期。这个时期的PLC功能简单，主要完成一般的继电器控制系统的功能，即顺序逻辑、定时和计数等，编程语言为梯形图。

  2) 崛起阶段。从20世纪70年代中期到80年代初期。由于PLC在取代“继电-接触器”控制系统方面的卓越表现，所以自从它在电气自动控制领域开始普及应用后使得到了飞速的发展。这个阶段的PLC在其控制功能方面增强了很多，例如数据处理、模拟量的控制等。

  3) 成熟阶段。从20世纪80年代初期到90年代初期。这之前的PLC主要是单机应用和小规模、小系统的应用：但随着对工业自动化技术水平、控制性能和控制范围要求的提高，在大型的控制系统(如冶炼、饮料、造纸、烟草、纺织、污水处理等)中，PLC也展示出了其强大的生命力。对这些大规模、多控制器的应用场合要求PLC控制系统必须具备通信和联网功能。这个时期的PLC顺应时代要求，在大型的PLC中一般都扩展上了遵守一定协议的通信接口。

  4) 飞速发展阶段。从20世纪90年代初期到90年代末期。由于对模拟量处理功能和网络通信功能的提高，PLC控制系统在过程控制领域也开始大面积使用。随着芯片技术、计算机技术、通信技术和挖制技术的发展，PLC的功能得到了进一步的提高。现在PLC不论从体积、人机界面功能、端子接线技术方面，还是从内在的性能(速度、存储容量等)、实现的功能(运动控制、通信网络、多机处理等)方面都远非过去的PLC可比。从20世纪80年代以后，是PLC发展最快的时期，年增长率一直都保持在30%~40%。

  5) 开放性、标准化阶段。从20世纪90年代中期以后。其实关于PLC开放性的工作在20世纪80年代就已经展开，但由于受到各大公司利益的阻挠和技术标准化难度的影响，这项工作进展得并不顺利。所以、PLC诞生后的近30年时间里，各种PLC通信标准、编程语言等方面都存在着不兼容的地方，这为在工业自动化中实现互换性、互操作性和标准化都带来了极大的不便，现在随着PLC国际标准IEC61131的逐步完善和实施，特别是IEC61131-3标准编程语言的推广，使得PLC真正走入了一个开放性和标准化的新时代。

  4. PLC进一步的飞速发展趋势

  PLC总的发展趋势是向高集成度、小体积、大容量、高速度、易使用、高性能、信息化、软PLC、标准化，以及与现场总线技术紧密结合等方向发展。