20世纪20年代开始，人们把各种继电器、定时器、接触器及其触点按一定的逻辑关系连接起来组成控制系统，控制各种生产机械，这就是大家所熟悉的传统继电器-接触器控制系统。由于它结构简单、容易掌握、价格便宜，在一定范围内能满足控制要求，因而得到普遍使用，在工业控制领域中一直占主导地位，但继电器-接触器控制系统有明显的缺点，其设备体积大，可靠性差，动作速度慢，功能少，难以实现复杂的控制。特别当它是靠硬件连线逻辑构成的系统时，接线复杂。当生产工艺或控制对象需要改变时，原有的接线和控制箱（柜）就要更换，所以通用性和灵活性都较差。
1968年，美国通用汽车公司决定对汽车生产线采用计算机程序控制，并进行公开招标，对汽车生产线控制系统提出具体要求，归纳起来有以下一些具体要求：
①编程方便，可现场修改程序；②维修方便，采用插件式结构；③可靠性高于继电器控制装置；④体积小于继电器控制盘；⑤数据可直接送入管理计算机；⑥成本可与继电器控制盘竞争；⑦输入可以是交流115伏（美国电压标准）；⑧输出为交流115伏，容量要求在2安以上，可直接驱动接触器、电磁阀等；⑨扩展时原系统改变最小；⑩用户存储器至少能扩展4千字节。
这就是着名的“GM十条”。这些要求实际上提出了将继电器-接触器控制的简单易懂、使用方便、价格低廉的优点，与计算机的功能完善、灵活性、通用性好的优点结合起来，将继电器-接触器控制的硬件连线逻辑转变为计算机的软件逻辑编程的设想。1969年，美国数字设备公司根据上述要求，研制开发出世界上第一台可编程控制器，并在美国通用汽车公司汽车生产线上首次应用。当时人们把它称为可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller），简称PLC，它主要用来取代继电器-接触器控制系统，系统功能局限于执行继电器逻辑、计时、计数等。
随着微电子技术的发展，20世纪70年代中期出现了微处理器和微型计算机，人们将微机技术应用到PLC中，使它能更多地发挥计算机的功能，不仅用程序逻辑取代硬件连线，还增加了运算、数据传送和处理等功能，使其真正成为一种电子计算机工业控制设备。国外工业界在1980年正式命名其为可编程序控制器（Programmable Controller），简称PC，但是由于它和个人计算机的简称容易混淆，所以现在仍把可编程序控制器简称为PLC。
进入20世纪80年代以后，随着大规模和超大规模集成电路等微电子技术的迅猛发展，以16位和32位微处理器构成的微机化PLC得到了惊人的发展，使PLC在概念、设计、性能价格比以及应用等方面都有了新的突破。不仅控制功能增强，体积减小，成本下降，可靠性提高，编程和故障检测更为灵活方便，而且模拟量I/O和PID控制、远程I/O和通信网络、数据处理及像显示也有了长足发展，所有这些已经使PLC应用于连续生产的过程控制系统，成为今天自动化技术支柱之一。
3.5.2 可编程控制器的主要特点
现代工业生产是复杂多样的，它们对控制的要求也各不相同。可编程序控制器一经出现就受到了广大工程技术人员的欢迎。它的主要特点如下。
1.抗干扰能力强，可靠性高
微机虽然具有很强的功能，但抗干扰能力差，工业现场的电磁干扰、电源波动、机械振动、温度和湿度的变化，都可以使一般通用微机不能正常工作。而PLC在电子线路、机械结构以及软件结构上都吸取生产厂家长期积累的工业控制经验，主要模块均采用大规模与超大规模集成电路，I/O系统设计有完善的通道保护与信号调理电路。在结构上对耐热、防潮、防尘、抗震等都有精确考虑。在硬件上采用隔离、屏蔽、滤波、接地等抗干扰措施。在软件上采用数字滤波等抗干扰和故障诊断措施。所有这些使PLC具有较高的抗干扰能力。PLC的平均无故障时间通常在几万小时以上，这是一般微机不能比拟的。
继电器-接触器控制系统虽有较好的抗干扰能力，但使用了大量的机械触点，使设备连线复杂。电触点在开闭时易受电弧的损害，寿命短，系统可靠性差。而PLC采用微电子技术，大量的开关动作由无触点的电子存储器件来完成，大部分继电器和繁杂连线被软件程序所取代，故寿命长，可靠性大大提高。
2.控制系统结构简单，适用性强
PLC及外围模块品种多，可由各种组件灵活组合成各种大小和不同要求的控制系统。在PLC构成的控制系统中，只需在PLC的端子上接入相应的输入输出信号线即可，不需要诸如继电器之类的物理器件和大量而又繁杂的硬接线线路。当需要变更控制系统的功能时，可以用编程器在线或离线修改程序。同一个PLC装置用于不同的控制对象，只是输入输出组件和应用软件存在着区别。PLC的输入输出可直接与交流220伏、直流24伏等强电相连，并有较强的带负载能力。
3.编程方便，易于使用
PLC是面向用户的设备，PLC的设计者充分考虑到现场工程技术人员的技能和习惯。PLC程序的编制，采用梯形图或面向工业控制的简单指令形式。梯形图与继电器原理图相类似。这种编程语言形象直观，容易掌握，不需要专门的计算机知识和语言，只要具有一定的电工和工艺知识就可在短时间内学会。
4.功能完善
PLC的输入输出系统功能完善，性能可靠，能够适应各种形式和性质的开关量和模拟量的输入输出。采用了微处理器就能够很方便地实现定时、计数、锁存、比较、跳转和强制I／O等诸多功能。它不仅具有逻辑运算、算术运算、数制转换以及顺序控制功能，而且还具备模拟运算、显示、监控、打印及报表生成功能。此外，它还可以和其他微机系统、控制设备共同组成分布式或分散式控制系统，实现成组数据传送、矩阵运算、闭环控制、排序与查表、函数运算及快速中断等功能。因此，PLC具有极强的适应性，能够很好地满足各种类型控制的需要。
5.设计、施工、调试的周期短
用继电器-接触器控制完成一项控制工程，必须首先按工艺要求画出电气原理图，然后画出继电器屏（柜）的布置和接线图等，再进行安装调试，以后修改起来十分不便。
而采用PLC控制，由于其靠软件实现控制，所以硬件线路非常简洁，并为模块化积木式结构，且已商品化，故仅需按性能、容量、输入输出点数、内存大小等选用组装，而大量具体的程序编制工作也可在PLC到货前进行，因而缩短了设计周期，使设计和施工可同时进行。更由于用软件编程取代了硬接线实现控制功能，大大减轻了繁重的安装接线工作，缩短了施工周期。因为PID是通过程序完成控制任务的，采用了方便用户的工业编程语言，且都具有强制和仿真的功能，故程序的设计、修改和调试都很方便，这样可大大缩短设计和投运周期。
6.体积小，维护操作方便
PLC体积小，质量轻，便于安装。PLC的输入输出系统能够直观地反映现场信号的变化状态，还能通过各种方式直观地反映控制系统的运行状态，如内部工作状态、通信状态、I/O点状态、异常状态和电源状态等，均有醒目的指示，非常有利于运行和维护人员对系统进行监视。
3.5.3 可编程控制器（PLC）的分类
可编程序控制器发展到今天，已经有多种形式，而且功能也不尽相同。按不同的原则可有不同的分类。
1.按I/O点容量分类
由于PLC处理的I/O点数比较多、控制关系比较复杂、用户要求的程序存储器容量比较大、要求PLC指令及其他功能比较多、指令执行的过程也比较快等，故按PLC的输入输出点数可将PLC分为以下三类。
（1）小型机
小型PLC的功能一般以开关量控制为主。小型PLC输入、输出总点数通常在256点以下，用户程序存储器容量在4千字以下。现在的高性能小型PLC还具有一定的通信能力和少量的模拟量处理能力。这类PLC的特点是价格低廉，体积小巧，适合于控制单台设备，开发机电一体化产品。
（2）中型机
中型PLC的输入、输出总点数为256～1024点，用户程序存储器容量大于8千字。
中型PLC不仅具有开关量和模拟量的控制功能，还具有更强的数字计算能力，它的通信功能和模拟量处理能力更强大。中型机的指令比小型机更丰富，中型机适用于复杂的逻辑控制系统以及连续生产过程控制场合。
（3）大型机
大型PLC的输入、输出总点数在1024点以上，用户程序存储器容量达到8～16兆。
大型PLC的性能已经与工业控制计算机相当。它具有计算、控制和调节的功能，还具有强大的网络结构和通信联网能力。它可以连接HMI作为系统监视或操作界面，能够表示过程的动态流程，记录各种曲线，PID调节参数选择图，可配备多种智能模块，构成一个多功能系统。这种系统还可以和其他型号的控制器互联，可以和上位机相连，组成一个集中分散的生产过程和产品质量控制系统。大型机适用于设备自动化控制、过程自动化控制和过程监控系统。
以上划分没有一个十分严格的界限，随着PLC技术的飞速发展，某些中、小型PLC也具有大型PLC的功能，这也是PLC的发展趋势。
2.按结构形式分类
根据PLC结构形式的不同，PLC可以分为整体式和模块式两种。整体式结构的特点是将PLC的基本部件，如CPU板、输入板、输出板、电源板等紧凑地安装在一个标准机壳内，构成一个整体，组成PLC的一个基本单元（主机）或扩展单元。基本单元上设有扩展端口，通过扩展电缆与扩展单元相连，以构成PLC不同的配置。整体式结构的PLC体积小，成本低，安装方便。微型和小型PLC一般为整体式结构。
模块式结构的PLC是由一些模块单元构成，标准模块包括CPU模块、输入模块、输出模块、电源模块和各种功能模块等，将这些模块插在框架上或基板上即可。各模块功能是独立的，但外形尺寸是统一的，插入什么模块可根据需要灵活配置。目前，中、大型PLC多采用这种结构形式。
3.5.4 可编程控制器（PLC）的组成结构
PLC种类繁多，但其组成结构和工作原理基本相同。用可编程序控制器实施控制，其实质是按一定算法进行输入输出变换，并将这个变换予以物理实现，应用于工业现场。
PLC专为工业现场应用而设计，采用了典型的计算机结构，它主要是由中央处理单元（CPU）、电源、存储器和专门设计的输入输出接口电路等组成。
1.CPU
CPU一般由控制器、运算器和寄存器组成，这些电路都集成在一个芯片内。CPU通过数据总线、地址总线和控制总线与存储单元、输入输出接口电路相连接。与一般计算机一样，CPU是PLC的核心，它按PLC中系统程序赋予的功能指挥PLC有条不紊地进行工作。用户程序和数据事先存入存储器中，当PLC处于运行方式时，CPU按循环扫描方式执行用户程序。
CPU的主要任务有：控制用户程序和数据的接收与存储；用扫描的方式通过I/O部件接收现场的状态或数据，并存入输入映像寄存器或数据存储器中；诊断PLC内部电路的工作故障和编程中的语法错误等；PLC进入运行状态后，从存储器逐条读取用户指令，经过命令解释后按指令规定的任务进行数据传送、逻辑或算术运算等；根据运算结果，更新有关标志位的状态和输出映像寄存器的内容，再经输出部件实现输出控制、制表打印或数据通信等功能。
2.存储器
PLC的存储器包括系统存储器和用户存储器两部分。系统存储器用来存放由PLC生产厂家编写的系统程序，系统程序固化在ROM内，用户不能直接更改，它使PLC具有基本的功能，能够完成PLC设计者规定的各项工作。系统程序质量的好坏，很大程度上决定了PLC的性能。其内容主要包括三部分：第一部分为系统管理程序，它主要控制PLC的运行，使整个PLC按部就班地工作；第二部分为用户指令解释程序，通过用户指令解释程序，将PLC的编程语言变为机器语言指令，再由CPU执行这些指令；第三部分为标准程序模块与系统调用，它包括许多不同功能的子程序及其调用管理程序，如完成输入、输出及特殊运算等的子程序。PLC的具体工作都是由这部分程序来完成的，这部分程序的多少也决定了PLC性能的高低。
用户存储器包括用户程序存储器（程序区）和功能存储器（数据区）两部分。用户程序存储器用来存放用户针对具体控制任务，用规定的PLC编程语言编写的各种用户程序，以及用户的系统配置。用户程序存储器根据所选用的存储器单元类型的不同，可以是RAM（有掉电保护）、EPROM或EEPROM存储器，其内容可以由用户任意修改或增删。用户功能存储器是用来存放（记忆）用户程序中使用器件的“ON/OFF”状态/数值数据等。用户存储器容量的大小关系到用户程序容量的大小，是反映PLC性能的重要指标之一。
