1.2 可编程序控制器特点与基本结构

1.2.1 可编程序控制器特点

PLC之所以越来越受到自动控制界人士的重视，是由于它具有令通用计算机望尘莫及的特点。

1.应用简便

（1）应用灵活、安装简便

标准的积木式硬件结构与模块化的软件设计，使PLC不仅适应大小不同、功能复杂的控制要求，而且适应工艺流程变化较多的场合。它的安装和现场接线简便，可按积木方式扩充和缩小其系统规模，组合成灵活的控制系统。由于其控制功能是通过软件实现的，因此，设计人员可以在未购置硬件设备前进行“软布线”工作，从而缩短了整个设计、生产、调试周期，研制经费相对减少了。

从硬件连接方面来看，PLC对现场环境要求不高，无论是接线、配置都极其方便，只用螺钉旋具即可进行全部接线工作，无须自行设计和制造专用接口电路，一般在编程并模拟调试后，即可投入现场，很快就能安装调试成功并投产。

（2）编程简化

PLC采用电气操作人员习惯的梯形图形式编程，直观易懂。因此，不仅程序开发速度快，而且程序的可读性强，软件维护方便。为了简化编程工作，PLC将编程工作主要集中于设计思想本身而不是如何实现设计思想，最新设计的PLC还针对具体问题设计了像步进顺控指令、流程图指令等指令系统，可以大大加快系统开发速度。

（3）操作方便，维修容易

工程师编好的程序十分清晰直观，只要写好操作说明书，操作人员经短期培训就可以使用。另外，PLC具有完善的监视和诊断功能，对其内部工作状态、通信状态、I/O点状态和异常状态等均有明显的提示，使维修人员能及时、准确地判断故障点，迅速替换故障模块或插件，恢复生产。

2.可靠性高

PLC的可靠性高，主要是因为它在硬件及软件两方面都采取了严格的措施。

在硬件设计方面，首先是选用优质器件，然后是设计合理的系统结构，简化安装，使它易于抗振动冲击。对印制电路板的设计、加工及焊接都采取了极为严格的工艺措施，而且在电路、结构及工艺上采取了一些独特的方式。例如，在输入/输出电路中采用了光电隔离措施，做到电浮空；各个I/O端口除采用常规模拟器滤波以外，还加上了数字滤波；内部采用了电磁屏蔽措施，防止辐射干扰；采用了较先进的电源电路，以防止由电源回路串入的干扰信号；采用了较合理的电路形式，支持模块在线插拔，调试时不会影响PLC的正常运行。

在软件设计方面也采取了很多特殊措施，设置了监视定时器WDT。系统运行时对WDT定时刷新，一旦程序出现了死循环，使之能立即跳出，重新启动并发出报警信号。为了避免由于程序出错而导致的错误运行，每次扫描都对程序进行检查和校验，一旦程序出错立即发出报警信号并停止运行。对程序及动态数据进行掉电保护，随时对CPU等内部电路进行检测，一旦出错，立即报警。软件系统中还设计了针对用户程序的查错报错程序，错误的程序和参数不能运行。上述有效措施，保证了PLC的高可靠性。所以它的平均无故障时间（MTBF）为4万～5万小时，某些优秀品牌的产品更高达十几万小时以上。

3.抗电磁干扰性能好，环境适应性强

PLC是按直接应用于工业环境而设计的，产品可以在相当宽的环境温度（0～55℃或0～60℃）、湿度（相对湿度＜90%）下，以及规定的机械振动、冲击下，在额定的电源电压与频率变化、电源瞬时中断、电源电压降低等因素作用下，均能正常工作。因此，可直接安装在工业现场，不必采取另外的特殊措施。另外，由于其结构精巧，所以耐热、防潮、抗振等性能也很好。

4.功能完善

PLC的基本功能包括逻辑运算、定时、计数、数制换算、数值计算，步进控制等。其扩展功能还有A/D转换、D/A转换、PID闭环回路控制、高速计数、通信联网、中断控制及特殊功能函数运算等，可以通过上位机进行显示、报警、记录、人机对话，使控制水平大大提高。

5.成熟的工控网络体系，通信便捷，易于远程实时监控

随着计算机网络通信技术的成熟发展，以及工业控制实际的需要，近年来工控网络通信技术得到了大量应用，如石油、化工过程自动化控制，铸造自动生产线的控制，卷烟生产自动线的控制，轿车生产自动线的控制，污水处理厂的控制，以及高速公路隧道的监控等。特别是近年来，PLC网络通信技术得到了飞速的发展。现在，世界上各大PLC厂家都在积极开发网络通信技术，包括具有网络通信功能的新型可编程序控制器，网络通信协议和新型网络。

对于PLC网络及工业控制局域网而言，目前基本形成了设备层网络、控制层网络和信息层网络的三层网络体系结构。以欧姆龙公司的PLC通信网络为例，图1-1是由DeviceNet网络、Controller Link网络和Ethernet网络所组成的一个典型的三层工控网络的拓扑结构图。

（1）设备层网络

设备层网络是针对自动化系统底层设备的操作和管理网络。它负责对底层设备的控制、信息采集和传送。目前，设备层网络主要有Profibus现场总线、CAN总线和DeviceNet网络等。

图1-1中的DeviceNet网络是一种串行通信网络，它是20世纪90年代中期才发展起来的一种基于CAN（控制区域网）技术的开放型、符合全球工业标准的低成本、高性能的通信网络，最初由美国ROCKWELL公司开发应用。目前，DeviceNet网络技术属于ODVA（开放DeviceNet厂商协会）所有。

DeviceNet网络是用于现场设备（拖动装置、开关、I/O和人机界面等）与PLC之间的通信网络。它采用生产者/客户（Producer/Consumer）通信模式，支持多种网络拓扑结构，允许在线组态和带电插拔。

DeviceNet网络作为设备层网络，它可以通过控制层网络Contro1ler Link和信息层网络Ethernet与Internet网络互联，构成微软公司的基于Internet的分布式制造网络体系结构（DNA），实现异地监控和诊断功能。

（2）控制层网络

控制层网络处于三层网络的中间层，它主要负责对处在中间层的各个控制器进行数据的传送与控制。具有代表性的控制层网络主要有日本欧姆龙公司开发的Controller Link网络和美国ROCKWELL公司开发的ControlNet网络等。

Controller Link网络是欧姆龙公司将SYSMAC Link网络改进后推出的一种FA（工厂自动化）网络。这种网络可以实现PLC与PLC之间或者PLC与计算机之间的大容量、灵活高效的数据链接功能。Controller Link网络也称控制器网络，通信速率高，距离长，既有线缆系统又有光缆系统。使用Controller Link支持软件，该网络可以对每一节点分别设定数据链接区域，能向每一节点自由地分配链接区域。每一节点发送区域的尺寸是任意的。更为特别的是，Controller Link网络也可以只接收其他节点的发送区域的一部分数据。

Controller Link网络采用令牌环的通信方式，所以它的数据传输速率非常快，可以达到2 Mbps；当通信电缆采用双绞线时，最大传输距离为1 km，而采用光纤电缆时，最大传输距离为30 km（带中继器）。另外，Controller Link网络具有灵活的网络连接功能，既可以配置成单级系统，又可以配置成多级系统。目前，Controller Link网络在污水处理厂的自动控制、高速公路隧道监控等系统中都得到了实际应用。

（3）信息层网络

信息层网络主要用于对多层网络的信息进行操作与处理。该层网络主要关注报文传输的高速性以及高容量的数据是否能共享。

目前，信息层网络一般都使用以太网（Ethernet）技术，这是一个开放的、全球公认的用于信息层互联的标准。Ethernet是FA（工厂自动化）领域用于信息层上的网络，它的通信速率高，可达到100 Mbps，以太网单元使PLC可以作为工厂局域网的一个节点，在网络上的任何一台计算机都可以实现对它的控制。Ethernet支持FINS协议，使用FINS命令可进行FINS通信、TCP/IP和UDP/IP的Socket（接驳）服务和FTP服务。