【正文】 成電路還沒有投入大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)，CPU以分立元件組成；存儲(chǔ)器為磁心存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)容量有限；用戶指令一般只有二三十條，還沒有成型的編程語言；機(jī)型單一，沒有形成系列。進(jìn)入70年代，隨著中小規(guī)模集成電路的工業(yè)化生產(chǎn)，可編程序控制器技術(shù)得到了較大的發(fā)展。軟件開發(fā)有自診斷程序，程序存儲(chǔ)開始使用EPROM。可編程序控制器開始向多處理器發(fā)展，使可編程序控制器的功能和處理速度大為增強(qiáng)，并具有通信和遠(yuǎn)程I/O能力，增加了多種特殊功能，如浮點(diǎn)運(yùn)算、三角函數(shù)、查表、列表等，自診斷和容錯(cuò)技術(shù)也迅速發(fā)展。使得可編程序控制器能夠滿足工業(yè)生產(chǎn)過程的各個(gè)領(lǐng)域，可編程序控制器已完全取代了傳統(tǒng)的邏輯控制裝置，模擬量?jī)x表控制裝置和以小型機(jī)為核心的DDC（直接數(shù)字控制）控制裝置。梯形圖語言和語句表語言完全成熟，基本上標(biāo)準(zhǔn)化，SFC（順序功能圖）語言逐步普及，專用的編程器已被個(gè)人計(jì)算機(jī)和相應(yīng)編程軟件所替代，人機(jī)界面裝置日趨完善，已能進(jìn)行對(duì)整個(gè)工廠的監(jiān)控、管理，并發(fā)展了冗余技術(shù)，大大加強(qiáng)了可靠性。1968年，美國(guó)最大的汽車制造商——通用汽車公司為了適應(yīng)生產(chǎn)工藝不斷更新的需要，要求尋找一種更好的控制器。70年代中期，由于大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)，使8位微處理器和位片處理器相繼問世，使可編程控制技術(shù)產(chǎn)生了飛躍。在這個(gè)時(shí)期，日本、德國(guó)和法國(guó)相繼研制出自己的PLC，我國(guó)在1974年也開始研制。這時(shí)面向工程技術(shù)人員的編程語言發(fā)展成熟，出現(xiàn)了工藝人員使用的圖形語言。 進(jìn)入八九十年代后，PLC的軟硬件功能進(jìn)一步得到加強(qiáng)，PLC已發(fā)展成為一種可提供諸多功能的成熟的控制系統(tǒng)，能與其他設(shè)備通信，生成報(bào)表，調(diào)度產(chǎn)出，可診斷自身故障及機(jī)器故障。盡管PLC功能越來越強(qiáng)，但它仍然保留了先前的簡(jiǎn)單與易于使用的特點(diǎn)。無疑，PLC將在今后的工業(yè)自動(dòng)化中扮演重要角色。(2) 多功能：為了適應(yīng)特殊功能的需要，連續(xù)推出多種智能模塊，如模擬量輸入輸出、回路控制、通信控制、機(jī)械運(yùn)動(dòng)控制、高速計(jì)數(shù)、中斷輸入等。(3) 高可靠性、好兼容性：由于現(xiàn)代控制系統(tǒng)的可靠性和兼容性日漸受到人們的重視，一些公司將自診斷技術(shù)、冗余技術(shù)、容錯(cuò)技術(shù)廣泛應(yīng)用到現(xiàn)有產(chǎn)品中。大致可劃分為下述三個(gè)階段：(1) 可編程序控制器的初級(jí)認(rèn)識(shí)階段（70年代后期到80年代初期）國(guó)際上可編程序控制器的發(fā)展，首先引起了國(guó)內(nèi)工程技術(shù)界的極大興趣，所以我國(guó)對(duì)可編程序控制器的認(rèn)識(shí)始于70年代后期到80年代初期的成套設(shè)備引進(jìn)中。(2) 可編程序控制器的引進(jìn)應(yīng)用和消化移植階段（80年代初期到90年代初期）80年代初期開始，隨著我國(guó)改革開放的不斷深入，在成套設(shè)備引進(jìn)的同時(shí)，國(guó)外原裝的可編程序控制器開始涌入國(guó)內(nèi)市場(chǎng)。隨著應(yīng)用能力的提高和市場(chǎng)需求的擴(kuò)大，一些部門和單位本著技貿(mào)結(jié)合、消化移植的方針，一方面進(jìn)行二次開發(fā)和應(yīng)用研究，一方面也在引進(jìn)可編程序控制器的生產(chǎn)線，建立生產(chǎn)可編程序控制器的合資企業(yè)，積極開發(fā)自己的產(chǎn)品。可編程序控制器行業(yè)協(xié)會(huì)在政府和企事業(yè)之間起到了橋梁作用，溝通了情況，為做出決策提供了依據(jù)。② 應(yīng)用更加廣泛。 PLC的分類可編程控制器一般從點(diǎn)數(shù)、功能、結(jié)構(gòu)形式和流派等方面進(jìn)行分類[2]。小型PLC的輸入/輸出端子數(shù)量為256點(diǎn)以下；中型PLC的輸入/輸出端子數(shù)量為1024點(diǎn)以下；大型PLC的輸入/輸出端子數(shù)量為1024以上。小型PLC主要用于完成邏輯運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)、移位、步進(jìn)控制等功能。大型PLC，除完成中型PLC的功能外，還有更強(qiáng)的連網(wǎng)、監(jiān)視、記錄、打印、中斷、智能、遠(yuǎn)程控制等功能。(2) 根據(jù)結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行分類按照結(jié)構(gòu)形式分，PLC有整體式和模塊式兩種。它的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊、體積較小，成本低，安裝方便，缺點(diǎn)是輸入輸出點(diǎn)數(shù)是固定的，不一定能適應(yīng)具體的控制現(xiàn)場(chǎng)的需要。② 模塊式PLC是由多個(gè)模塊組成的，通過內(nèi)部總線連接在一起，用戶可以根據(jù)需要組建自己的PLC系統(tǒng)。缺點(diǎn)是體積較大、插件較多，影響工作的可靠性，并且價(jià)格較高。按地域分為4個(gè)流派：① 美國(guó)產(chǎn)品，性價(jià)比適中，使用比較方便；② 歐洲產(chǎn)品，性價(jià)比適中，易用性一般，擴(kuò)展性強(qiáng)；③ 日本產(chǎn)品，性價(jià)比高，使用方便，擴(kuò)展性一般；④ 中國(guó)產(chǎn)品，性價(jià)比特別高，使用比較方便，擴(kuò)展性一般。但由于有特殊的接口器件及監(jiān)控軟件，其外形不像計(jì)算機(jī)，編程語言、工作原理與普通計(jì)算機(jī)相比也有一定的區(qū)別。普通計(jì)算機(jī)一般采用等待命令的工作方式，如常見的鍵盤掃描方式或I/O掃描方式。PLC周而復(fù)始的循環(huán)執(zhí)行這4個(gè)階段，這種工作方式稱為掃描工作方式。內(nèi)部處理階段是運(yùn)行PLC內(nèi)部系統(tǒng)的管理程序，該程序是廠家在PLC出廠時(shí)就已經(jīng)固化好了的，與用戶的控制程序無關(guān)，一般比較固定，其運(yùn)行時(shí)間與用戶程序運(yùn)行時(shí)間相比要短的多。并近似的認(rèn)為每重復(fù)一次這3個(gè)階段所用的時(shí)間為一個(gè)掃描周期。(1) 輸入采樣階段 PLC以掃描工作方式，按順序?qū)⑺行盘?hào)輸入到寄存輸入狀態(tài)的輸入映像寄存器中存儲(chǔ)，這一過程稱為采樣。 圖21 PLC的工作過程圖(2) 程序執(zhí)行階段PLC按順序?qū)Τ绦蜻M(jìn)行掃描，即從上到下、從左到右的掃描每條指令，并分別從輸入映像寄存器、內(nèi)部元件寄存器（內(nèi)部寄存器、定時(shí)器、計(jì)數(shù)器等）和輸出映像寄存器中獲取所需的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算、處理，再將程序執(zhí)行的結(jié)果寫入寄存執(zhí)行結(jié)果的輸出映像寄存器中進(jìn)行保存。這就是說反映各輸出元件狀態(tài)的輸出元件映像存儲(chǔ)器中所儲(chǔ)存的內(nèi)容才固定下來。PLC的這種工作方式同一般單純用硬件組成的控制電路或由控制計(jì)算機(jī)組成的控制電路是不同的。PLC重復(fù)執(zhí)行上述三個(gè)階段，每重復(fù)一次的時(shí)間即為一個(gè)掃描周期，用T表示。PLC的一個(gè)掃描周期一般為40~100ms。一個(gè)掃描周期內(nèi)輸入刷新之前，若外部輸入信號(hào)狀態(tài)沒有變化，則此次的輸入刷新就沒有變化，經(jīng)運(yùn)算處理后，相應(yīng)的輸出刷新和輸出控制信號(hào)也沒有變化，只是重新被刷新一次。不管輸出控制信號(hào)有沒有變化，一個(gè)掃描周期內(nèi)對(duì)所有輸出只刷新一次，即前一次和后一次的輸出狀態(tài)的變化，至少要經(jīng)歷一個(gè)掃描周期的時(shí)間。PLC的這種“串行工作方式”，可以避免繼電器、接觸器控制系統(tǒng)中觸點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)和時(shí)序失配的問題，還可以增強(qiáng)系統(tǒng)抗干擾能力。但是這種工作方式又導(dǎo)致輸出對(duì)輸入在時(shí)間上的滯后，對(duì)于要求快速響應(yīng)的控制系統(tǒng)，這也是PLC的缺點(diǎn)之一。 可編程控制器實(shí)現(xiàn)控制的要點(diǎn)入出信息變換、可靠物理實(shí)現(xiàn)，可以說是PLC實(shí)現(xiàn)控制的兩個(gè)基本要點(diǎn)[1]。PLC程序既有生產(chǎn)廠家的系統(tǒng)程序(不可更改)，又有用戶自行開發(fā)的應(yīng)用（用戶）程序。用戶程序由用戶按控制要求設(shè)計(jì)?？煽课锢韺?shí)現(xiàn)主要靠輸人（INPUT）及輸出（OUTPUT）電路。輸入電路要對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行濾波，以去掉高頻干擾。輸出電路內(nèi)外也是電隔離的，靠光耦元件或輸出繼電器建立聯(lián)系。 I/O電路是很多的，每一輸入點(diǎn)或輸出點(diǎn)都要有一個(gè)輸入或輸出電路。但由于它們都是由高度集成化的電路組成的，所以，所占體積并不大。每一輸入點(diǎn)都有一個(gè)對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)其信息的暫存器。輸出鎖存器與輸出點(diǎn)也是一一對(duì)應(yīng)的，這里的輸入暫存器及輸出鎖存器實(shí)際就是PLC處理器I/O口的寄存器。把輸人暫存器的信息讀到PLC的內(nèi)存中，稱輸入刷新。這個(gè)區(qū)的每一對(duì)應(yīng)位（bit）稱之為輸入繼電器，或稱軟接點(diǎn)。由于它的狀態(tài)是由輸入刷新得到的，所以，它反映的就是輸入狀態(tài)。一個(gè)輸出鎖存器也有一個(gè)內(nèi)存位（bit）與其對(duì)應(yīng)，這個(gè)位稱為輸出繼電器，或稱輸出線圈。輸出刷新主要也是靠運(yùn)行系統(tǒng)程序?qū)崿F(xiàn)的。這是一個(gè)數(shù)據(jù)及邏輯處理問題。 可編程控制器基本特點(diǎn)從討論P(yáng)LC的工作原理知，PLC的輸入與輸出在物理上是彼此隔開的，其間的聯(lián)系是靠運(yùn)行存儲(chǔ)于它的內(nèi)存中的程序?qū)崿F(xiàn)。它的工作基礎(chǔ)是用好信息。信息便于處理，便于傳遞，便于存儲(chǔ)，信息還可重用等等。下面介紹PLC的四個(gè)特點(diǎn)。這主要與它具有豐富的處理信息的指令系統(tǒng)及存儲(chǔ)信息的內(nèi)部器件有關(guān)。凡普通計(jì)算機(jī)能做到的，它也都可作到。PLC還有豐富的外部設(shè)備，可建立友好的人機(jī)界面，以進(jìn)行信息交換。而且讀、寫時(shí)可在圖文并茂的畫面上進(jìn)行。PLC還具有通訊接口，可與計(jì)算機(jī)鏈接或聯(lián)網(wǎng)，與計(jì)算機(jī)交換信息。PLC還有強(qiáng)大的自檢功能，可進(jìn)行自診斷，其結(jié)果可自動(dòng)記錄。(2) 使用方便用PLC實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的控制是非常方便的。編程序比接線，更改程序比更改接線，當(dāng)然要方便得多。而且，這些模塊是配套的，已實(shí)現(xiàn)了系列化與規(guī)格化。所以，硬件系統(tǒng)配置與建造也非常方便。對(duì)軟件講，它的程序可編，也不難編。具體地講，PLC有五個(gè)方面的方便： ① 配置方便：可接控制系統(tǒng)的需要確定要使用哪家的 PLC，那種類型的，用什么模塊，要多少模塊，確定后，到市場(chǎng)上定貨購買即可。外部接線有接線器，接線簡(jiǎn)單，而且一次接好后，更換模塊時(shí)，把接線器安裝到新模塊上即可，都不必再接線。③ 編程方便：PLC內(nèi)部雖然沒有什么實(shí)際的繼電器、時(shí)間繼電器、計(jì)數(shù)器，但它通過程序（軟件）與系統(tǒng)內(nèi)存，這些器件卻實(shí)實(shí)在在地存在著。PLC還有存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的內(nèi)存區(qū)，可存儲(chǔ)控制過程的所有要保存的信息。PLC的外設(shè)很豐富，編程器種類很多，用起來都較方便，還有數(shù)據(jù)監(jiān)控器，可監(jiān)控PLC的工作。這些也為PLC編程提供了方便。其次即使PLC出現(xiàn)故障，維修也很方便。而且，PLC本身還可作故障情況記錄。同時(shí)，診斷出故障后排故也很簡(jiǎn)單。(3) 工作可靠用PLC實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的控制是非常可靠的。事實(shí)上，如果PLC工作不可靠，就無法在工業(yè)環(huán)境下運(yùn)用，也就不成其為PLC了。而且，CPU板還有抗電磁干擾的屏蔽措施。② 在軟件方面：PLC的工作方式為掃描加中斷，這既可保證它能有序地工作，避免繼電控制系統(tǒng)常出現(xiàn)的“冒險(xiǎn)競(jìng)爭(zhēng)”，其控制結(jié)果總是確定的；而且又能應(yīng)急處理急于處理的控制，保證了PLC對(duì)應(yīng)急情況的及時(shí)響應(yīng)，使PLC能可靠地工作?？赏ㄟ^編制相應(yīng)的用戶程序，對(duì)PLC的工作狀況，以及PLC所控制的系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，以確保其可靠工作。PLC也是如此。使用PLC的投資雖大，但它的體積小、所占空間小，輔助設(shè)施的投入少；使用時(shí)省電，運(yùn)行費(fèi)少；工作可靠，停工損失少；維修簡(jiǎn)單，維修費(fèi)少；還可再次使用以及能帶來附加價(jià)值等等，從中可得更大的回報(bào)。 PLC的主要技術(shù)指標(biāo)及抗干擾分析(1) 存儲(chǔ)器容量 存儲(chǔ)器用來存儲(chǔ)程序和系統(tǒng)參數(shù)等，其容量是由用戶程序存儲(chǔ)器組成的。(2) 輸入/輸出（I/O）點(diǎn)數(shù)輸入/輸出點(diǎn)數(shù)是指根據(jù)工業(yè)系統(tǒng)控制所得到的對(duì)應(yīng)PLC的輸入/輸出端的個(gè)數(shù)。(3) 掃描時(shí)間掃描時(shí)間是指CPU內(nèi)部根據(jù)用戶程序，按邏輯順序，從開始到結(jié)束掃描一次所需的時(shí)間。(4) 指令種類和數(shù)量指令的種類和數(shù)量決定了用戶編制程序的方式和PLC的處理能力和控制能力。它們主要用來完成計(jì)時(shí)、技術(shù)、中間數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)還有其他一些功能。(6) 擴(kuò)展能力 PLC擴(kuò)展能力是指PLC是否具有I/O擴(kuò)展、聯(lián)網(wǎng)等一些功能。智能模塊種類和數(shù)量越多說明PLC功能越強(qiáng)大。一般編程只能使用助記符語言，而用編程軟件則可使用梯形圖和助記符等語言來進(jìn)行編程。干擾類型通常按干擾產(chǎn)生的原因、噪聲干擾模式和噪聲的波形性質(zhì)的不同劃分。共模干擾和差模干擾是一種比較常用的分類方法。若PLC系統(tǒng)置于所射頻場(chǎng)內(nèi)，就回收到輻射干擾，其影響主要通過兩條路徑：一是直接對(duì)PLC內(nèi)部的輻射，由電路感應(yīng)產(chǎn)生干擾；而是對(duì)PLC通信內(nèi)網(wǎng)絡(luò)的輻射，由通信線路的感應(yīng)引入干擾。(2) 來自系統(tǒng)外引線的干擾主要通過電源和信號(hào)線引入，通常稱為傳導(dǎo)干擾。(3) 來自電源的干擾PLC系統(tǒng)的正常供電電源均由電網(wǎng)供電。尤其是電網(wǎng)內(nèi)部的變化，入開關(guān)操作浪涌、大型電力設(shè)備起停、交直流傳動(dòng)裝置引起的諧波、電網(wǎng)短路暫態(tài)沖擊等，都通過輸電線路傳到電源原邊。實(shí)際上，由于分布參數(shù)特別是分布電容的存在，絕對(duì)隔離是不可能的。與PLC控制系統(tǒng)連接的各類信號(hào)傳輸線，除了傳輸有效的各類信息之外，總會(huì)有外部干擾信號(hào)侵入，此干擾主要有兩種途徑：① 通過變送器供電電源或共用信號(hào)儀表的供電電源串入的電網(wǎng)干擾，這往往被忽視。由信號(hào)引入干擾會(huì)引起I/O信號(hào)工作異常和測(cè)量精度大大降低，嚴(yán)重時(shí)將引起元器件損傷。PLC控制系統(tǒng)因信號(hào)引入干擾造成I/O模件損壞數(shù)相當(dāng)嚴(yán)重，由此引起系統(tǒng)故障的情況也很多。正確的接地，既能抑制電磁干擾的影響，又能抑制設(shè)備向外發(fā)出干擾；而錯(cuò)誤的接地，反而會(huì)引入嚴(yán)重的干擾信號(hào)，使PLC系統(tǒng)將無法正常工作。接地系統(tǒng)混亂對(duì)PLC系統(tǒng)的干擾主要是各個(gè)接地點(diǎn)電位分布不均，不同接地點(diǎn)間存在地電位差，引起地環(huán)路電流，影響系統(tǒng)正常工作。此外，屏蔽層、接地線和大地有可能構(gòu)成閉合環(huán)路，在變化磁場(chǎng)的作用下，屏蔽層內(nèi)有會(huì)出現(xiàn)感應(yīng)電流，通過屏蔽層與芯線之間的耦合，干擾信號(hào)回路。PLC工作的邏輯電壓干擾容限較低，邏輯地電位的分布干擾容易影響PLC的邏輯運(yùn)算和數(shù)據(jù)存貯，造成數(shù)據(jù)混亂、程序丟失或死機(jī)。(6) 來自PLC系統(tǒng)內(nèi)部的干擾主要由系統(tǒng)內(nèi)部元器件及電路間的相互電磁輻射產(chǎn)生，如邏輯電路相互輻射及其對(duì)模擬電路的影響，模擬地與邏輯地的相互影響及元器件間的相互不匹配使用等。 PLC控制系統(tǒng)工程應(yīng)用的抗干擾設(shè)計(jì)這三點(diǎn)就是抑制電磁干擾的基本原則[6]。PLC控制系統(tǒng)的抗干擾是一個(gè)系統(tǒng)工程，要求制造單位設(shè)計(jì)生產(chǎn)出具有較強(qiáng)抗干擾能力的產(chǎn)品，且有賴于使用部門在工程設(shè)計(jì)、安裝施工和運(yùn)行維護(hù)中予以全面考慮，并結(jié)合具有情況進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)，才能保證系統(tǒng)的電磁兼容性和運(yùn)行可靠性。(1) 設(shè)備選型在選擇設(shè)備時(shí)，首先要選擇有較高抗干擾能力的產(chǎn)品，其包括了電磁兼容性（EMC），尤其是抗外部干擾能力，如采用浮地技術(shù)、隔離性能好的PLC系統(tǒng)；其次還應(yīng)了解生產(chǎn)廠給出的抗干擾指標(biāo)，如共模擬制比、差模擬制比，耐壓能力、允許在多大電場(chǎng)強(qiáng)度和多高頻率的磁場(chǎng)強(qiáng)度環(huán)境中工作；另外是靠考查其在類似工作中的應(yīng)用實(shí)績(jī)。在選擇國(guó)外進(jìn)口產(chǎn)品要注意：我國(guó)是采用220V高內(nèi)阻電網(wǎng)制式，而歐美地區(qū)是110V低內(nèi)阻電網(wǎng)。(2) 綜合抗干擾設(shè)計(jì)主要考慮來自系統(tǒng)外部的幾種如果抑制措施。另外還必須利用軟件手段，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的安全可靠性。工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)電磁環(huán)境復(fù)雜，有時(shí)只采用硬件措施不能完全消除干擾的影響，必須用軟件措施加以配合。其中，微型的有SIMATIC S7200系列，最小配置為8DI/6DO，可擴(kuò)展2～7個(gè)模塊，最大I/O點(diǎn)數(shù)為64 DI/DO、12 AI/4 AO；中小型的有SIMATIC S7300系列；中高檔性能的有S7400系列。SIMATIC S7300的大量功