[工业互联-6]：PLC工业控制系统快速概览

（6）处理能力和存储

由于PLC的微处理器专为专用功能而设计（通用嵌入式系统），因此PLC是用于自动化控制的强大控制器。PLC 可以管理高速I/O，并且可以毫无问题地处理较小的自动化应用程序。

然而，自动化项目变得越来越先进，计算量越来越大。这就是工业PC 的用武之地。工业PC使用更多的存储空间和完整的处理器，例如可以运行计算和存储繁重的应用程序的工作站计算机。此外，借助 GPU、TPU、CPU 和VPU 等性能加速器，工业计算机可以像在与机器视觉应用程序协作的智能装配线上一样执行智能计算。

（7）成本

简而言之，PLC和工业PC的成本比较是PLC对于较小的应用成本较低，而工业PC的初始成本较高。然而，随着应用程序变得越来越复杂和计算量越来越大，PLC的累积成本可能会超过工业PC。虽然PLC的初始成本较便宜，但当需要额外的计算能力或外围设备时，价格会呈指数增长。相比之下，工业PC 的初始成本更高，但在需要升级计算能力和可扩展性时成本要低得多。

（8）如何选择工业PC与PLC

当您为工业自动化系统选择可编程控制器时，PLC和工业PC都有自己的位置。

PLC更适合运行具有严格功能的小型自动化系统。此外，PLC坚固耐用、经济高效且高度安全，适用于工业部署。

另一方面，工业PC非常适合对计算和存储有高需求的解决方案。对于需要控制器多功能性的复杂任务，工业PC的总拥有成本(TCO) 较低。

PLC是安全的，因为它们没有无线连接，而工业PC也因为当今的网络安全软件而同样安全，而工业标准的硬件非常可靠。

一些应用程序可以在其操作中同时使用PLC 和工业PC 来相互平衡成本和收益。

归根结底，这取决于您的制造过程中实施了哪些功能。

1.5 PLC的发展阶段

虽然PLC问世时间不长，但是随着微处理器的出现，大规模，超大规模集成电路技术的迅速发展和数据通讯技术的不断进步，PLC也迅速发展，其发展过程大致可分三个阶段：

（1）早期的PLC（60年代末—70年代中期）

早期的PLC一般称为可编程逻辑控制器。这时的PLC多少有点继电器控制装置的替代物的含义，其主要功能只是执行原先由继电器完成的顺序控制，定时等。它在硬件上以准计算机的形式出现，在I/O接口电路上作了改进以适应工业控制现场的要求。装置中的器件主要采用分立元件和中小规模集成电路，存储器采用磁芯存储器。另外还采取了一些措施，以提高其抗干扰的能力。

在软件编程上，采用广大电气工程技术人员所熟悉的继电器控制线路的方式—梯形图。因此，早期的PLC的性能要优于继电器控制装置，其优点包括简单易懂，便于安装，体积小，能耗低，有故障指使，能重复使用等。其中PLC特有的编程语言—梯形图一直沿用至今。

（2）中期的PLC（70年代中期—80年代中，后期）

在70年代，微处理器的出现使PLC发生了巨大的变化。美国，日本，德国等一些厂家先后开始采用微处理器作为PLC的中央处理单元（CPU）。这样，使PLC得功能大大增强。

在软件方面，除了保持其原有的逻辑运算、计时、计数等功能以外，还增加了算术运算、数据处理和传送、通讯、自诊断等功能。

在硬件方面，除了保持其原有的开关模块以外，还增加了模拟量模块、远程I/O模块、各种特殊功能模块。并扩大了存储器的容量，使各种逻辑线圈的数量增加，还提供了一定数量的数据寄存器，使PLC得应用范围得以扩大。

（3）近期的PLC（80年代中、后期至今）

进入80年代中、后期，由于超大规模集成电路技术的迅速发展，微处理器的市场价格大幅度下跌，使得各种类型的PLC所采用的微处理器的当次普遍提高。而且，为了进一步提高PLC的处理速度，各制造厂商还纷纷研制开发了专用逻辑处理芯片。这样使得PLC软、硬件功能发生了巨大变化。

1.6 PLC的分类

（1）小型PLC

小型PLC的I/O点数一般在128以下，

其特点是体积小、结构紧凑，整个硬件融为一体，除了开关量I/O以外，还可以连接模拟量I/O以及其他各种特殊功能模块。它能执行包括逻辑运算、计时、计数、算术运算、数据处理和传送、通讯联网以及各种应用指令。

（2）中型PLC

中型PLC采用模块化结构，其I/O点数一般在256~1024点之间。

I/O的处理方式除了采用一般PLC通用的扫描处理方式外，还能采用直接处理方式，即在扫描用户程序的过程中，直接读输入，刷新输出。它能联接各种特殊功能模块，通讯联网功能更强，指令系统更丰富，内存容量更大，扫描速度更快。

（3）大型PLC

一般I/O点数在1024点以上的称为大型PLC。

大型PLC的软、硬件功能极强。具有极强的自诊断功能。通讯联网功能强，有各种通讯联网的模块，可以构成三级通讯网，实现工厂生产管理自动化。大型PLC还可以采用三CPU构成表决式系统，使机器的可靠性更高。

第2章 PLC的特点

2.1 高可靠性

（1）所有的I/O接口电路均采用光电隔离，使工业现场的外电路与PLC内部电路之间电气上隔离。

（2）各输入端均采用R-C滤波器，其滤波时间常数一般为10~20ms.

（3）各模块均采用屏蔽措施，以防止辐射干扰。

（4）采用性能优良的开关电源。

（5）对采用的器件进行严格的筛选。

（6）良好的自诊断功能，一旦电源或其他软，硬件发生异常情况，CPU立即采用有效措施，以防止故障扩大。

（7）大型PLC还可以采用由双CPU构成冗余系统或有三CPU构成表决系统，使可靠性更进一步提高。

2.2 丰富的I/O接口模块

PLC针对不同的工业现场信号，如：

有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备，如：

另外为了提高操作性能，它还有多种人-机对话的接口模块；

为了组成工业局部网络，它还有多种通讯联网的接口模块，等等。

2.3 采用模块化结构

为了适应各种工业控制需要，除了单元式的小型PLC以外，绝大多数PLC均采用模块化结构。

PLC的各个部件，包括CPU，电源，I/O等均采用模块化设计，由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。

2.4 编程简单易学

PLC的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式，对使用者来说，不需要具备计算机的专门知识，因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。

2.5 安装简单，维修方便

PLC不需要专门的机房，可以在各种工业环境下直接运行。

使用时只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O端相连接，即可投入运行。

各种模块上均有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障。

由于采用模块化结构，因此一旦某模块发生故障，用户可以通过更换模块的方法，使系统迅速恢复运行。

第3章 工业现场的设备连接方式 3.1 传统的设备连接方式：配线

传统的自动控制系统采用一对一的I/O连接方式，即每个对象都需要单独和控制器连接，如果信号数量繁多，线路连接就会很复杂，如下图所示：

通过一对一的接线端子（配线架）物理连接PLC控制器的IO口与外设。

3.2 现场总线的连接方式

但随着现场总线技术的出现，这一问题得到很大改善，现场工业设备通过总线的拓扑方式连接。

总线连接方式设计简单，减小后期维护成本，并且由于现场总线的实时性，能较大提高信号传输的准确度，减少传送误差。

第4章 工业控制的两种编码模型 4.1 开环模型

开环控制只受输入的影响，无反馈，控制精度和抑制干扰能力较差，比如生活中使用的风扇就可以理解为开环控制系统，设定好挡位，风扇转速就基本是一定的，无反馈，不能根据环境温度自动转速。模型如下图所示：

4.2 闭环模型

闭环控制系统是建立在反馈的基础上，通过输入值和期望值的偏差进行系统控制，可以得到较好的控制性能，比如冰箱的控制系统就是闭环控制系统，它会根据冰箱内实际温度进行调节。

第5章 PLC编程 5.1 PLC可编程逻辑控制器的编程模型

控制器是整个控制系统的核心部件，目前使用最广泛的是可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller，PLC)，PLC是一种在工业上广泛应用的数字运算控制器，基于可编程的存储器，其执行逻辑运算、顺序控制、数学运算等操作，控制各种工业设备。

PLC中一种关键技术：循环、扫描、执行

在一个扫描周期内，PLC执行过程分为三步：输入、计算、输出。系统启动后，PLC会依次扫描系统各个输入点（例如外接传感器），读取各输入点数据，输入的数据按照既定程序进行计算，最终根据计算结果输出相应的控制信号。控制器系统就一直按照用户设定的扫描周期周而复始执行输入、计算、输出。

下面以锅炉的温度调节控制为例来解释为什么循环扫描的执行方式非常适合于工业过程控制。

该温度调节系统的作用是让锅炉内的温度保持稳定，设计的温度调节系统基本原理如上图所示：

在每个扫描周期，PLC会计算设定温度和实际温度之差，然后将温度误差作为PID控制器的输入进行计算，计算结果转换为一定占空比的脉冲输出，进而控制功率模块，最终输出电压控制发热管，保持炉内温度稳定。

PID控制器可以让整个系统达到一定的控制要求（动态误差、静态误差、超调、稳定时间等），让系统调控能够更加快速稳定。

5.2 概述

PLC编程是面向PLC外带的各种IO端口以及对应的设备。

PLC编程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。可编程序控制器及其有关设备，都应按易于使工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。

随着微处理器、计算机和数字通信技术的飞速发展，计算机控制已扩展到了几乎所有的工业领域。现代社会要求制造业对市场需求作出迅速的反应，生产出小批量、多品种、多规格、低成本和高质量的产品，为了满足这一要求，生产设备和自动生产线的控制系统必须具有极高的可靠性和灵活性，PLC编程正是顺应这一要求出现的，它是以微处理器为基础的通用工业控制装置。

5.3 工作原理

PLC是采用“顺序扫描，不断循环”的方式进行工作的。

即在PLC运行时，CPU根据用户按控制要求编制好并存于用户存储器中的程序，按指令步序号(或地址号)作周期性循环扫描，如无跳转指令，则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直至程序结束，然后重新返回第一条指令，开始下一轮新的扫描，在每次扫描过程中，还要完成对输入信号的采样和对输出状态的刷新等工作。

PLC的一个扫描周期必经输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段。

（1）IO输入采样阶段:

首先,以扫描方式按顺序将所有暂存在输入锁存器中的输入端子的通断状态或输入数据读入，并将其写入各对应的输入状态寄存器中，即刷新输入，随即关闭输入端口，进入程序执行阶段。

（2）程序执行阶段:

按用户程序指令存放的先后顺序扫描执行每条指令，经相应的运算和处理后，其结果再写入输出状态寄存器中，输出状态寄存器中所有的内容随着程序的执行而改变。

（3）IO输出刷新阶段:

当所有指令执行完毕，输出状态寄存器的通断状态在输出刷新阶段送至输出锁存器中，并通过一定的方式(继电器、晶体管或晶间管) 输出，驱动相应输出设备工作。

5.4 编程语言

PLC的用户程序，是设计人员根据控制系统的工艺控制要求，通过PLC编程语言的编制规范，按照实际需要使用的功能来设计的。只要用户能够掌握某种标准编程语言，就能够使用PLC在控制系统中，实现各种自动化控制功能。

根据国际电工委员会制定的工业控制编程语言标准（IEC1131-3），PLC有五种标准编程语言：梯形图语言（LD）、指令表语言（IL）、功能模块语言（FBD）、顺序功能流程图语言（SFC）、结构文本化语言（ST）。这五标准编程语言，十分简单易学。

（1）梯形图语言

梯形图语言是PLC程序设计中最常用的编程语言。

它是与继电器线路类似的一种编程语言。

由于电气设计人员对继电器控制较为熟悉，因此，梯形图编程语言得到了广泛的欢迎和应用。

梯形图编程语言的特点是：

梯形图编程语言与原有的继电器控制的不同点是：

应用时，需要与原有继电器控制的概念区别对待。

（2）指令表语言

指令表编程语言是与汇编语言类似的一种助记符编程语言，和汇编语言一样由操作码和操作数组成。在无计算机的情况下，适合采用PLC手持编程器对用户程序进行编制。同时，指令表编程语言与梯形图编程语言图一一对应，在PLC编程软件下可以相互转换，如下图所示：

指令表编程语言的特点是：

（3）功能模块图语言

功能模块图语言是与数字逻辑电路类似的一种PLC编程语言。

采用功能模块图的形式来表示模块所具有的功能，不同的功能模块有不同的功能。

功能模块图程序设计语言的特点是：

（4）顺序功能流程图语言

顺序功能流程图语言是为了满足顺序逻辑控制而设计的编程语言。

编程时将顺序流程动作的过程分成步和转换条件，根据转移条件对控制系统的功能流程顺序进行分配，一步一步的按照顺序动作。每一步代表一个控制功能任务，用方框表示。在方框内含有用于完成相应控制功能任务的梯形图逻辑。这种编程语言使程序结构清晰，易于阅读及维护，大大减轻编程的工作量，缩短编程和调试时间。用于系统的规模校大，程序关系较复杂的场合。

顺序功能流程图编程语言的特点：

（5）结构文本化语言

结构化文本语言是用结构化的描述文本来描述程序的一种编程语言。

它是类似于高级语言的一种编程语言。在大中型的PLC系统中，常采用结构化文本来描述控制系统中各个变量的关系。主要用于其他编程语言较难实现的用户程序编制。

结构化文本编程语言采用计算机的描述方式来描述系统中各种变量之间的各种运算关系，完成所需的功能或操作。大多数PLC制造商采用的结构化文本编程语言与BASIC语言、PASCAL语言或C语言等高级语言相类似，但为了应用方便，在语句的表达方法及语句的种类等方面都进行了简化。

结构化文本编程语言的特点：

第6章 PLC编程环境

1.到官网下载PLC安装包，现在的版本是STEP 7 MicroWIN SMART V2.5.iso。

2.该安装包运行要求：操作系统：Windows 7 或 Windows 10（32 位和 64 位两种版本），在控制面板-系统和安全-系统中查看计算机操作系统版本是否满足该要求（如下图所示）。

3. 安装包（STEP 7 MicroWIN SMART V2.5.iso）是一种光盘镜像文件，右键加载虚拟光驱的形式打开安装包。

4.退出杀毒软件及安全卫士及各种应用软件，在E:\STEP 7 MicroWIN SMART V02.05.00路径中找到可执行文件setup.exe文件，右键以管理员身份运行该文件。

5.弹出对话框：选择安装语言，这里选择中文简体。

6. 弹出对话框：欢迎安装界面，单击下一步。

7. 弹出对话框：选择我接受许可证协定和有关安全的信息的所有条件。

8. 弹出对话框：选择下一步等待几分钟，软件自动安装，直到最后提示重新启动电脑，选择重新启动电脑。

9.重新启动计算机，在桌面可以看到STEP 7-MicroWIN SMART的快捷方式，到此编程环境搭建完成。

10.双击STEP 7-MicroWIN SMART的快捷方式，让我看看“庐山真面目”了。

11.注意事项：

（1）计算机系统一定要是WIN7或者WIN10，不支持WIN XP；

（2）安装过程中一定要关闭不相关的应用软件及杀毒软件，不要问原因，照做就是；

（3）ISO(光盘镜像文件)不要用压缩软件直接解压，易发生错误，请自行下载专门软件打开。

（4）如计算机安装其他版本的PLC编程环境，卸载请请参考文章《3.手把手教你卸载PLC编程软件》。