PLC以其可靠性高、抗干扰能力强、编程简单、功能强大、性价比高、体积小、能耗低等显著特点广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业。
2.2.1 PLC的历史和发展趋势
20世纪20年代起，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，控制各种机械设备，这就是传统的继电器控制系统。到20世纪60年代，汽车生产流水线的自动控制系统基本上都是由继电器控制装置构成的。20世纪60年代末，美国的汽车制造业竞争激烈，各生产厂家汽车型号不断更新，它必然要求加工的生产线亦随之改变，以及对整个控制系统重新配置，这样，继电器控制系统就需要经常更新和安装，阻碍了更新周期的缩短。为改变这一状况，美国通用汽车公司（GM）在1968年公开招标，要求用新的控制装置取代继电器控制装置。
1969年美国数字设备公司（DEC）根据美国通用汽车公司的这种要求，研制成功了世界上第一台可编程控制器，并在通用汽车公司的自动装配线上试用，取得很好的效果。这一新型工业控制装置的出现，也受到了世界其他国家的高度重视。1971年日本从美国引进了这项技术，很快研制了日本第一台PLC。1973年西欧国家也研制出它们的第一台PLC。我国从1974年开始研制，于1977年开始工业应用[1]。
目前比较著名的PLC生产厂家有日本的三菱公司、欧姆龙公司、富士电机、松下电工，德国的西门子，法国的TE公司、施耐德公司，韩国的三星公司、LG公司和美国的AB、通用（GE）公司。
PLC现在的发展很快，总的趋势是向高集成度、小体积、大容量、高速度、使用方便、高性能和智能化方向发展[2]。
2.2.2 PLC的分类
对于PLC的分类通常可以根据他的结构形式、容量或功能进行。
按照硬件的结构形式，可将PLC分为整体式和模块式两类，还有一些PLC将整体式和模块式的特点结合起来，构成所谓叠装式PLC。
PLC的容量主要指其输入/输出点数。按容量大小，可将PLC分为：
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·小型PLC：I/O点数一般在256点以下； ·中型PLC：I/O点数一般在256-1024点之间； ·大型PLC：I/O点数一般在1024点以上。
按PLC功能上的强弱可分为低档机，中档机，高档机。
当然，上述分类的标准不是固定的，而是随着PLC整体性能的提高不断变化。
2.2.3 PLC的基本结构
PLC专为工业现场应用而设计，采用了典型的计算机结构，主要由中央处理器（CPU）、存储器（RAM、ROM）、输入输出单元（I/O接口）、电源及编程器等几大部分组成。PLC的基本结构图如图2-2所示。
存储单元 输 入 单元 中央处理单元CPU 电源 输 出 单 元
编程器或其他编程设备 图2-2 PLC的基本结构图
中央处理器（CPU）是PLC的核心，一般由运算器、控制器、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。它的功能是接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。PLC中采用的CPU一般有三大类：通用微处理器；单片机芯片；位处理器。
存储器主要用于存放系统程序和应用软件。PLC所用的存储器基本上由ROM（只读存储器）、EPROM（可擦除的只读存储器）及RAM（随机存储器）组成。根据存储
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内容的不同，PLC的存储空间一般分为以下3个区域：系统程序存储区、用户程序存储区、系统RAM存储区。
输入/输出单元从广义上分包含两部分：与被控设备相连接的接口电路；输入输出的映像寄存器。PLC是通过各种I/O接口模块与外界联系的，按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。
2.2.4 PLC的编程
常用的PLC程序设计方法有梯形图(LAD)、功能块图(FBD)和语句表(STL)。梯形图的使用直观方便,可以建立与电器接线图等价的梯形逻辑图,而且在全世界范围内通用,因此,成为多数PLC程序设计和维护人员的首选方法,在实际设计中有着广泛的应用。
2.2.5 S7-300型PLC的特性
S7-300PLC是西门子公司的中型PLC，最多可以扩展32个模块。
S7-300PLC是模块式中小型PLC，电源、CPU和其他模块都是独立的，可以通过U形总线把电源（PS）、CPU和其他模块紧密地固定在西门子S7-300标准的导轨（Rail）上。S7-300PLC的结构示意图如图2-3和2-4。
图2-3 S3-300PLC实物图
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图2-4 S7-300PLC主要结构示意图
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第三章 PID控制器设计
控制器的设计是基于模型控制设计过程中最重要的一步。首先要根据受控对象的数学模型和它的各特性以及设计要求，确定控制器的结构以及和受控对象的连接方式。然后根据所要求的性能指标确定控制器的参数值。
3.1 PID控制器
PID控制技术是在反馈思想被实际应用以后在工业应中发展起来的。PID控制器早在一百年前就已经出现，经过长时间发展，已经有许许多多改进形式的PID控制器出现，但到目前为止没有一个PID控制器能够适用于所有控制场合。PID控制器具有结构简单，鲁棒性强等特点，因此，今天它己经成为应用最广泛的控制技术，在石化，化工，造纸等工业领域，甚至有97%的常规控制器都是PID控制器。
3.1.1 PID控制器的基本结构
最典型反馈控制系统的方块图如图3-1所示，此系统为单位反馈，其中偏差值e为给定值与测量值的差值，u为控制量，d为系统中扰动量。
给定值 SV + e - PID d + u 被控参数 被控对象 PV
图3-1 系统结构框图
PID控制器基本可以由以下的传递函数表示：
G(s)?Kc(?11（3-1） ?Tds )Tis其中Kc为比例增益，Ti为积分时间，Td为微分时间。
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