可编程逻辑控制器 (PLC)

在固态逻辑电路出现之前，逻辑控制系统是专门围绕机电继电器设计和构建的。继电器在现代设计中远未过时，但在许多以前作为逻辑电平控制设备的角色中已被取代，最常被降级为那些需要高电流和/或高电压开关的应用。

现代商业和工业中需要“开/关”控制的系统和过程比比皆是，但此类控制系统很少由机电继电器或离散逻辑门构建。取而代之的是，数字计算机满足了需求，可以编程 做各种逻辑功能。

可编程逻辑控制器的历史

1960 年代后期，一家名为 Bedford Associates 的美国公司发布了一种名为 MODICON 的计算设备 .作为首字母缩写词，它的意思是 Mod ular Di gital Con troller，后来成为一个公司部门的名称，专门从事这些专用控制计算机的设计、制造和销售。

其他工程公司开发了他们自己的设备版本，最终以非专有术语被称为 PLC , 或 P 可编程 L 逻辑 C 控制器。 PLC的目的是直接代替机电继电器作为逻辑元件，用存储程序代替固态数字计算机，能够模拟多个继电器的互连以执行某些逻辑任务。

梯形逻辑和 PLC 编程

PLC 有许多“输入”端子，通过这些端子，它可以解释来自传感器和开关的“高”和“低”逻辑状态。它还具有许多输出端子，通过这些端子输出“高”和“低”信号，为灯、螺线管、接触器、小型电机和其他设备提供电源开关控制。

为了使 PLC 易于编程，它们的编程语言被设计为类似于梯形逻辑图。因此，习惯于阅读梯形逻辑原理图的工业电工或电气工程师对 PLC 进行编程以执行相同的控制功能会感觉很舒服。

PLC 是工业计算机，因此它们的输入和输出信号通常为 120 伏交流电，就像它们旨在取代的机电控制继电器一样。尽管一些 PLC 能够输入和输出逻辑门电路中使用的幅度的低电平直流电压信号，但这是例外而不是规则。不同型号的 PLC 之间的信号连接和编程标准略有不同，但它们足够相似，可以在这里对 PLC 编程进行“通用”介绍。

下图显示了一个简单的 PLC，它可能是从前视图中看到的。两个螺丝端子提供 120 伏交流电连接，为 PLC 的内部电路供电，标记为 L1 和 L2。左侧的六个螺丝端子用于连接输入设备，每个端子代表一个不同的输入“通道”，带有自己的“X”标签。

左下角的螺丝端子为“Common”接线，一般接120VAC电源的L2（零线）。

在 PLC 外壳内部，连接在每个输入端子和公共端子之间的是一个光隔离器设备（发光二极管），它向计算机电路提供电隔离的“高”逻辑信号（光电晶体管解释 LED 的光) 当在相应的输入端子和公共端子之间施加 120 VAC 电源时。 PLC 前面板上的 LED 指示灯给出“通电”输入的视觉指示：

输出信号由 PLC 的计算机电路生成，激活开关设备（晶体管、TRIAC 或什至机电继电器），将“源”端子连接到任何标记为“Y-”的输出端子。相应的，“Source”端子通常连接到 120 VAC 电源的 L1 侧。对于每个输入，PLC 前面板上的 LED 指示灯给出“通电”输出的视觉指示：

通过这种方式，PLC 能够与现实世界的设备（例如开关和螺线管）连接。实际的逻辑 控制系统的控制是通过计算机程序在PLC内部建立的。该程序规定了在何种输入条件下哪个输出被通电。

虽然程序本身看起来是一个梯形逻辑图，带有开关和继电器符号，但在 PLC 内部没有实际的开关触点或继电器线圈来创建输入和输出之间的逻辑关系。这些都是想象的 触点和线圈，如果你愿意的话。通过连接到 PLC 编程端口的个人计算机输入和查看程序。考虑如下电路和PLC程序：

当按钮开关未启动（未按下）时，不会向 PLC 的 X1 输入端发送电源。按照显示常开 X1 触点与 Y1 线圈串联的程序，不会向 Y1 线圈发送“电源”。因此，PLC 的 Y1 输出保持断电状态，与其相连的指示灯保持不亮。

但是，如果按下按钮开关，电源将发送到 PLC 的 X1 输入。出现在程序中的任何和所有 X1 触点都将呈现激活（非正常）状态，就好像它们是由名为“X1”的继电器线圈通电而激活的继电器触点一样。

在这种情况下，给 X1 输入通电将导致常开 X1 触点“闭合”，向 Y1 线圈发送“电源”。当程序的Y1线圈“通电”时，真正的Y1输出将通电，点亮与其相连的灯：

需要了解的是，个人电脑显示屏上出现的X1触点、Y1线圈、连接线、“电源”都是虚拟的 .它们不作为真正的电子元件存在。它们作为计算机程序中的命令存在 - 只是一个软件 - 恰好类似于真正的继电器原理图。

同样重要的是要理解用于显示和编辑 PLC 程序的个人计算机对于 PLC 的继续运行是不必要的。一旦程序从个人计算机加载到PLC，个人计算机可以从PLC上拔下，PLC将继续执行编程的命令。

我在这些插图中包含个人计算机显示只是为了您，以帮助您了解现实生活条件（开关闭合和灯状态）与程序状态（通过虚拟触点和虚拟线圈的“电源”）之间的关系。

控制系统行为

当我们想要改变控制系统的行为时，PLC 的真正力量和多功能性就会显现出来。由于 PLC 是一个可编程设备，我们可以通过改变我们给它的命令来改变它的行为，而不必重新配置连接到它的电气组件。

例如，假设我们想让这个开关和灯电路以相反的方式工作：按下按钮使灯关闭 ，然后松开它以使其打开 . “硬件”解决方案需要一个常闭按钮开关来代替目前使用的常开开关。 “软件”解决方案要简单得多：只需更改程序，使触点 X1 常闭而不是常开。

在下图中，我们在按钮未启动（not 被按下）：

在下图中，开关显示为已启动（按下）：

在软件中而不是在硬件中实现逻辑控制的优点之一是输入信号可以在程序中根据需要多次重复使用。例如，采用以下电路和程序，设计用于在三个按钮开关中的至少两个同时启动时为灯通电：

要使用机电继电器构建等效电路，必须使用三个继电器，每个继电器带有两个常开触点，以便为每个输入开关提供两个触点。然而，使用 PLC，我们可以为每个“X”输入编程任意数量的触点，而无需添加额外的硬件，因为每个输入和每个输出只不过是 PLC 数字存储器中的一个位（0 或 1） , 并可根据需要多次调用。

此外，由于 PLC 中的每个输出也只不过是其内存中的一个位，我们可以在 PLC 程序中分配由输出 (Y) 状态“驱动”的触点。以下一个系统为例，一个电机启停控制电路：

连接到输入 X1 的按钮开关用作“启动”开关，而连接到输入 X2 的开关用作“停止”。程序中的另一个触点 Y1 直接将输出线圈状态用作密封触点，以便在松开“启动”按钮开关后电机接触器将继续通电。您可以看到常闭触点 X2 出现在彩色块中，表明它处于闭合（“导电”）状态。

如果我们按下“启动”按钮，输入 X1 将通电，从而“闭合”程序中的 X1 触点，向 Y1“线圈”发送“电源”，使 Y1 输出通电，并将 120 伏交流电源施加到真正的电机接触器线圈。并联的 Y1 触点也将“闭合”，从而将“电路”锁定在通电状态：

现在，如果我们松开“启动”按钮，常开的 X1“触点”将返回“打开”状态，但电机将继续运行，因为 Y1 密封“触点”继续提供“连续性”给线圈 Y1“供电”，从而保持 Y1 输出通电：

要停止电机，我们必须暂时按下“停止”按钮，这将使 X2 输入通电并“打开”常闭“触点”，从而断开 Y1“线圈”的连续性：

当释放“停止”按钮时，输入 X2 将断电，使“触点”X2 返回到正常的“闭合”状态。但是，在启动“启动”按钮之前，电机不会再次启动，因为 Y1 的“密封”已经丢失：

PLC 控制系统中的故障安全设计

这里要说明的一个重点是故障安全 设计在 PLC 控制系统中与在机电继电器控制系统中一样重要。人们应该始终考虑故障（开路）布线对被控制的一个或多个设备的影响。在这个电机控制电路示例中，我们有一个问题：如果 X2 的输入接线（“停止”开关）发生故障打开，将无法停止电机！

这个问题的解决方案是PLC程序内部的X2“触点”和实际的“停止”按钮开关之间的逻辑颠倒：

当常闭“停止”按钮开关未动作（未按下）时，PLC 的 X2 输入端将通电，从而“闭合”程序内部的 X2“触点”。这允许电机在输入 X1 通电时启动，并允许它在不再按下“启动”按钮时继续运行。当“停止”按钮被启动时，输入端 X2 将断电，从而在 PLC 程序中“打开”X2“触点”并关闭电机。

所以，我们看到这个新设计和以前的设计在操作上没有区别。但是，如果输入 X2 上的输入接线发生故障打开，则 X2 输入将以与按下“停止”按钮时相同的方式断电。那么，如果 X2 输入的接线故障，电机将立即关闭。

这是一种比之前显示的更安全的设计，其中“停止”开关接线故障会导致无法 关闭电机。除了输入 (X) 和输出 (Y) 程序元素之外，PLC 还提供“内部”线圈和与外部世界没有内在联系的触点。它们的使用与标准继电器电路中使用的“控制继电器”（CR1、CR2 等）非常相似：在必要时提供逻辑信号反转。

为了演示如何使用这些“内部”继电器之一，请考虑以下示例电路和程序，旨在模拟三输入与非门的功能。由于 PLC 程序元素通常由单个字母设计，因此我将内部控制继电器称为“C1”，而不是继电器控制电路中惯用的“CR1”：

在这个电路中，只要any，灯就会一直亮着 的按钮保持未启动（未按下）。要关闭灯，我们必须启动（按）all 三个开关，像这样：

高级 PLC 功能

关于可编程逻辑控制器的这一部分仅说明了其功能的一小部分。作为计算机，PLC 可以执行定时功能（相当于延时继电器）、鼓排序和其他高级功能，其准确性和可靠性比使用机电逻辑设备可能实现的要高得多。大多数 PLC 的容量远远超过六个输入和六个输出。下图显示了单个 Allen-Bradley PLC 的多个输入和输出模块。

每个模块有16个输入或输出“点”，该PLC具有监控和控制数十台设备的能力。安装在控制柜中，PLC 占用的空间很小，特别是考虑到机电继电器执行相同功能所需的等效空间：

通过数字计算机网络对 PLC 进行远程监控

PLC 的一项不能的优势 由机电继电器复制的是通过数字计算机网络进行远程监控。因为 PLC 只不过是一台特殊用途的数字计算机，所以它可以很容易地与其他计算机进行通信。下图显示了一台个人计算机，显示由 PLC 控制的真实液位过程（城市污水处理系统的泵站或“提升”站）的图形图像。

实际的泵站距离个人计算机显示屏数英里：