可编程逻辑控制器，第1部分：基础知识和背景知识

可编程逻辑控制（PLC）是许多工业过程的控制器。由于其坚固的电气，软件，机械和散热设计，它针对任务进行了严格的关注和优化。

对于与设计有关的工作和个人生活专注于智能手机，台式机和笔记本电脑（PC），服务器，云以及类似类型的技术的工程师和系统设计师，可编程逻辑控制器（PLC）可能并不熟悉，几乎是外星人单位。但是，现实是PLC是工业过程控制和生产的“主力军”，这有很多充分的理由。本常见问题解答将探讨PLC的功能，操作，发展和历史，该PLC于2018年成立50周年。

问：究竟什么是PLC？

答：PLC是专门用于管理工业操作（例如熔炉，生产线，组装顺序，装瓶/包装线等）的计算机。小型PLC可以集中在一个小型工作站上，而大型PLC可以管理整个工厂生产线。它是“可编程的”，因为用户可以将其设置为执行一组特定的所需步骤，并且还包括基于逻辑语句的条件操作。

问：在这种情况下，“可编程逻辑”是什么意思？

答：PLC可以执行布尔逻辑运算，例如：

如果A和B为真，则D
如果A不是B为真，则E
如果A和B或A和C为真，则F
如果A和B为真，则等待“ x”秒，然后执行G
如果一个>B是对的，然后做H

其中A和B和C是开/关条件（开关或超过阈值），D，E，F，G和H是特定动作，例如“关闭阀”或“打开电动机”。

问：这听起来相当有限。它真的有用吗？

答：现实情况是，很大一部分工业过程都可以用这些类型的逻辑语句来表征，并且复杂产品（例如汽车）的整个生产线都依赖于这些逻辑功能来进行操作（小型台式实验也是如此）—但PLC最初并未针对这些应用程序。

问：在PLC之前这是怎么做的？

答：这是通过一系列机电继电器完成的，这些继电器通过配线架硬接线以实现所需的逻辑语句，图1 。（记住您的基本知识：继电器可用于提供布尔逻辑功能和语句，甚至可用于建立一位存储的触发器，这在二战之前和二战期间的一些最早的计算机中已得到证明）。

可编程逻辑控制器 — 图1：基于继电器的小型控制器的这种实现方式显示了复杂设置的程度以及“rat’s nest”接线。图像来源：电气工程门户（图像来源：电气工程门户）

设置或调试继电器阵列以实现所需的逻辑功能是一项主要任务，而更改为一组新指令则是一项艰巨，耗时，令人沮丧且容易出错的任务，涉及数百条跳线和跳线面板。

问：我看到使用了“梯形逻辑”一词-这与PLC有关吗？

答：绝对—这对于基于继电器的前身产品的实用性和PLC的接受度至关重要。梯形逻辑是一种记录所需逻辑操作的方法，系统将对其进行“编程”以实现该逻辑操作，图2 .

图2：基本的梯形逻辑程序由一系列梯级组成，每个梯级定义一个组合逻辑语句。（图片来源：图片来源：Ladder Logic Academy）

它本质上是图形的，可以在人员和班次变更时为下一个人员进行可视化，故障排除和记录。知道如何绘制梯形逻辑图并阅读它表明工业生产的素养和技能。

问：可编程逻辑控制器的名称是如何产生的？

答：这是一个有趣的故事。当PLC在1968年推出时（稍后会详细介绍），它被称为“可编程控制器”或PC。但这大约是个人计算机革命开始的时间，后来的产品篡夺了首字母缩写词。为避免混淆和模棱两可，可编程控制器成为可编程逻辑控制器或PLC，图3 .

图3：该中型PLC是用于各种过程控制应用中的一种类型。请注意，该产品具有高功能设计，并且没有屏幕或键盘。（图片来源：欧姆龙）

问：与基于继电器的前身产品相比，PLC有哪些优势？

答：它们很多而且很重要。首先，可靠性高，因为中继系统是机械式的，因此容易磨损。尽管单个继电器非常可靠，但是当成千上万的继电器不间断工作（通常为24/7）时，确实会发生故障-很难找到并修复它们。经过适当设计的全电子盒子，具有足够的电源，热裕度，冷却能力，支持抗振性和其他耐用性，因此有可能变得更加可靠。

当然，有可编程性。可以通过基于软件的编程来修改PLC逻辑模式，而不用重新布线配线架。在最早的PLC中，此编程是通过连接到PLC的特殊外部盒完成的，该外部盒具有基本功能键（不是QWERTY键盘）和LED或小显示屏，图4 。编程完成后，将删除该外部单元。随着时间的流逝，PLC演变为具有集成的用户面板，并提供了完整的键盘或更复杂的专用GUI。

图4：这种专用的PLC编程器是早期产品的典型代表，具有许多专用的功能键和多行显示。（图片来源：Machine-Information-Systems.com）

问：成本和大小或其他收益如何？

答：与继电器相比，PLC的另一个主要优点是较低的前期硬件成本和更小的尺寸-以及存储和调用程序以供以后重用的能力。

问：当可以使用PC时，为什么还要考虑PLC？

答：原因很多，有些是历史原因，有些是目前原因。

在PLC发展时期，PC处于起步阶段，因此具有许多硬件，应用程序和操作限制以及固有的可靠性问题。软盘（甚至磁带）之类的存储对于工厂车间来说是完全不可接受的，PLC不使用它们。取而代之的是，PLC有一个小型的，集中的，更可靠的操作系统，该操作系统专注于基本操作和梯形逻辑，因此它不会“崩溃”和固态存储。

为了满足苛刻的工业环境的需求，这些控制器的设计非常坚固，通常能够承受极端的温度，湿度，振动和电噪声。—其中一个普通的C，甚至是经过增强的C，都会令人生畏。例如，冷却风扇是不可接受的，因为它们会使灰尘进入并且可能会发生故障，从而由于过热而导致电子设备随后发生故障。

问：还有什么其他因素可以使PLC更具吸引力？

答：首先，它不被称为“计算机”，因为那些计算机与不能容忍故障的应用程序中的边际可靠性相关。另外，“计算机”，甚至是PC，都需要“计算机”人员来安装，初始化和操作，这与工厂车间不兼容。

问：软件和操作系统问题如何处理？

答：具有常规操作系统的普通PC不能确定。换句话说，无法确切预测服务给定I / O点所需的时间，因为CPU不断因各种需求而中断，以维护磁盘驱动器，内存，通讯端口，显示器，键盘和其他功能。

相反，PLC被设计为确定性的。它在预定的已知时间内循环通过梯形逻辑的所有梯级，并且没有被其他任务打断。一个完整的程序可能包含数千个梯级，并且它们将按顺序进行评估。对于一个小的梯形图，完整的程序扫描可能只需要几毫秒，而对于更长的梯形图，则可能需要长达100毫秒的时间（在早期的PLC中）。随着处理器速度的提高，甚至可以在十毫秒的范围内扫描更长的阶梯。无论速度如何，处理周期时间都是预先已知的，不会因I / O活动或其他操作而延迟。确定性是其被接受的主要因素。

问：但是情况已经改变了。是否仍在使用PLC代替PC？

答：是的。他们擅长做他们打算做的事情，并且他们无能力进行文字处理，播放视频和PC不能做的其他事情也不是障碍。

Part 2 该常见问题解答将探讨PLC的市场和发展以及其有趣的历史。

参考文献