可编程逻辑控制器 / PLC — 核心问题与解答

为什么自动化系统应用得这么广泛？

在几乎所有的工艺技术工厂中，电气和机械系统都已实现自动化。例如，根据开关的位置或在经过一定时间后对组件进行自动控制，就是自动化的典型体现。有时，系统仅需实现简单的二进制（开关量）逻辑关联；但在许多情况下，往往需要复杂的顺序控制。可编程逻辑控制器（PLC）通常被用于实现这些自动化功能。

什么是 PLC?

可编程逻辑控制器（PLC）可以理解为一台微型计算机，它根据输入信号和内部运算来执行输出操作。PLC 至少由一个中央处理单元（CPU）和输入/输出模块（I/O 模块）组成。I/O 模块通常通过系统总线与中央处理单元相连，系统总线同时也负责为它们提供电压（供电）。

有哪些类型的可编程逻辑控制器？

PLC 拥有多种不同的版本，它们在功能和具体应用上各有侧重：

紧凑型 PLC

这类控制器被集成在一个单一的外壳中。它们包含了所有必需的组件，如 CPU、输入/输出端以及通信接口。对于空间要求较小的中小型应用而言，它们是理想的选择。

模块化 PLC

这类系统由一个中央 CPU 和独立的输入/输出模块组成，这些模块可根据实际需求进行添加或移除。它们为更复杂的应用提供了极高的灵活性和可扩展性。久茂（JUMO）variTRON 系列自动化系统便属于此类，即便它们的功能范围远超标准 PLC。

安全 PLC

这类控制器专为安全关键型应用而研发，并符合严格的安全标准。它们被应用于将人员与工厂设备安全保护置于首位的领域。

为什么 PLC 要配备输入/输出（I/O）模块？

来自开关、传感器等设备的信号会通过输入模块传输至中央处理单元（CPU），从而在 PLC 中变得可用。来自工厂现场的信号示例包括：限位开关、恒温器、流量监测器和液位开关的当前状态，以及来自温度、压力或湿度传感器的相应测量值。PLC 对这些信号进行逻辑关联与运算，并生成控制结果，随后将其提供给输出模块。例如，通过继电器来激活电磁阀和电机。因此，PLC 的核心功能正是在中央处理单元中实现的，可以说，它就是整个系统的控制中心。

PLC 问世前，工艺过程是如何自动化的？

在 PLC 问世之前，控制系统是通过将继电器和时间继电器（延时继电器）相互连接来实现的。这种控制方式需要耗费大量的硬件材料，且一旦需要修改功能，就必须重新更改物理接线。此外，这类系统极易发生故障，且排查故障非常耗时。因此，第一代 PLC 的核心任务就是为了取代这些传统的继电器控制网络。

什么是 PLC 程序？它是如何创建的？

所有的输入信号都会由 PLC 程序进行周期性处理，并在程序中完成逻辑关联。CODESYS 等开发环境可用于 PLC 编程，这意味着程序先在 CODESYS 中开发完成，然后再传输至 PLC。

有哪些可用的 PLC 编程语言？

PLC 可以使用 IEC 61131-3 标准中定义的各种编程语言进行编程。因此，程序员能够根据具体的应用需求，选择最合适的编程语言。

梯形图

梯形图编程语言自 20 世纪 60 年代起便投入使用，非常适合用来替代传统的继电器控制网络。它是最早问世的编程语言之一，其程序的图形化表达方式与电气电路图极为相似。

设想一个非常简单的应用场景：一个输入模块负责采集储罐中限位开关的状态，以及 2 个按钮的状态。在 PLC 程序中，这些状态分别通过名为“LevelBelowTheLimit（液位低于下限）”、“PushbuttonLeft（左按钮）”和“PushbuttonRight（右按钮）”的变量来获取。输出模块通过继电器来控制一台水泵，在程序中该水泵通过变量“PumpActivated（水泵启动）”进行寻址。

出于安全考虑，只有在同时按下两个按钮，并且液位降至下限以下时，才应启动水泵。在 CODESYS 软件中，使用梯形图语言编写的这个简单程序如下所示：

您可以看到，它的结构与电路图非常相似，同样由开关/按钮和继电器组成。程序创建完成后，会被传输至 PLC 并进行验证。此后，便不再需要 CODESYS 开发环境。

早在梯形图编程语言发展初期，就已经引入了定时元件，能够实现延迟接通/断开，或在触发后使输出信号保持一段特定的时间。例如，梯形图中提供了一个代号为 TON 的功能块。只有当其输入信号被激活的时间达到设定的最短时长时，它才会激活输出信号。举例来说，如果要求只有在按钮被持续按下至少 5 秒后才启动水泵，那么上述小程序就需要进行如下修改：

功能块图

另一种与之非常相似的语言是面向网络的‘功能块图’（FBD）。在这种语言中，上述小程序的结构如下所示：

连续功能图

连续功能图（CFC）是功能块图（FBD）的进一步升级，它允许将各个功能元素在画布上进行自由定位。除此之外，CFC 在外观上与功能块图非常相似。这种编程语言在工业界应用极为广泛。在这种语言中，程序的结构如下所示：

指令表

指令表（IL）是一种如今已较少使用的语言，它与汇编语言（Assembler）非常相似。IL 中的每条指令主要基于将数值加载到累加器（Accumulator）中，这一过程通过 LD 指令来实现。随后，系统会使用累加器中的第一个参数来执行相应的运算。运算的结果会被重新返回并保存在累加器中。这个小程序在指令表语言中的结构如下所示：

结构化文本

另一种编程语言是 ST 代码（结构化文本）。ST 代码是一种基于文本的编程语言，能够执行复杂的控制任务。它的语法与 Pascal 编程语言非常相似，允许使用变量、函数、循环和条件语句。ST 代码尤其适合用于编写复杂的工艺顺序和数学运算。它能够实现结构化且清晰的编程，从而使控制程序的维护和后续开发变得更加容易。对于这个示例程序，仅需 2 行 ST 代码即可实现：

如何通过 PLC 实现顺序控制

顺序功能图（SFC）语言是实现顺序控制的理想选择。设想一个热处理工厂，待处理的物料通过传送带被送入设备中。其前 3 个步骤如下：

按下启动按钮后，加热器开始加热。当达到目标温度时，进入下一步。

处理室的门被打开，传送带启动，将货物送入室内。当物料完全装载完毕（由接近开关检测确认）后，进入下一步。

门被关上，处理室的温度被调节至特定值。当产品核心达到某一特定温度时，控制系统关闭，门被打开。随后进入下一步。

在使用顺序功能图编写的程序中，特定的步骤（如加热和装载）通过切换条件或转换条件相互连接。上述示例应用所需程序的前 3 个步骤（加上初始位置/BasicPosition 步），在顺序功能图语言中的呈现如下：

可以为每个步骤定义相应的程序，但这些程序只有在对应的步骤处于活动状态时才会被执行。整个处理过程从“初始位置（BasicPosition）”步开始。由于该步没有存储任何程序，因此不会有任何动作发生。

为后续的所有步骤分别定义了独立的程序（例如使用梯形图编写）。当处于“初始位置”时按下启动按钮，“加热器（Heater）”步就会被激活，此时存储的程序便会启动加热发生器。该步会一直保持活动状态，直到加热器温度达到 200 °C，随后“退回（Retract）”步被激活。“退回”步中的程序会启动门和传送带电机的相应控制。

依此类推，通过转换条件可以继续添加更多的步骤。最后一个转换条件会再次激活“初始位置”步，从而使整个流程形成闭环。

可编程逻辑控制器（PLC）还有哪些典型特征？

PLC 的核心功能之一是实现工艺过程的自动化，这需要使用上述某种编程语言进行编程。然而，如今的 PLC 已经进化为全能型自动化平台，能够提供远超基础控制的功能：

• 提供多种通信接口，用于与上位系统进行数据交互；
• 将变量发布至云端，使工厂能够随时随地通过不同的终端设备进行访问；
• 提供可视化编辑器，用于创建具有客户专属外观风格的工艺画面；
• 内置 Web 服务器，可通过浏览器或 Web 面板直接访问并实现工厂的可视化监控。