PLC的發(fā)展史、基本結(jié)構(gòu)、工作原理及機(jī)型選擇方法

1、PLC的發(fā)展史、基本結(jié)構(gòu)、工作原理及機(jī)型選擇方法簡(jiǎn)介可編程控制器（簡(jiǎn)稱(chēng) PLC）:是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系 統(tǒng)，專(zhuān)為在工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。 它采用一類(lèi)可編程的存儲(chǔ)器， 用于其內(nèi)部存儲(chǔ)程序，執(zhí)行邏輯運(yùn)算 , 順序控制，定時(shí)，計(jì)數(shù)與 算術(shù)操作等面向用戶(hù)的指令，并通過(guò)數(shù)字或模擬式輸入 / 輸出控 制各種類(lèi)型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程。1.1 PLC 發(fā)展歷史20 世紀(jì) 60 年代末期，美國(guó)汽車(chē)制造工業(yè)競(jìng)爭(zhēng)激烈，為了適 應(yīng)生產(chǎn)工藝不斷更新的需要， 在 1968年美國(guó)通用汽車(chē)公司 （GM） 首先公開(kāi)招標(biāo)，對(duì)控制系統(tǒng)提出的具體要求基本為：a。 它的繼電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)周期短，更改容易，接線(xiàn)簡(jiǎn)單成本低。b。它能把計(jì)算

2、機(jī)的功能和繼電器控制系統(tǒng)結(jié)合起來(lái)。 但編程要比計(jì)算機(jī) 簡(jiǎn)單易學(xué)、操作方便。c。系統(tǒng)通用性強(qiáng)。1969年美國(guó)數(shù)字設(shè)備 公司（DEC根據(jù)上述要求，研制出世界上第一臺(tái)PLC,并在GM公司汽車(chē)生產(chǎn)線(xiàn)上首次試用成功， 實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)的自動(dòng)化。 其后日 本、德國(guó)等相繼引入，可編程序控制器迅速發(fā)展起來(lái)，但是主要 應(yīng)用于順序控制， 只能進(jìn)行邏輯運(yùn)算， 故稱(chēng)為可編程邏輯控制器， 簡(jiǎn)稱(chēng)PLC其定義：可編程控制器是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系 統(tǒng)，專(zhuān)為在工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。 它采用一類(lèi)可編程的存儲(chǔ)器， 用于其內(nèi)部存儲(chǔ)程序，執(zhí)行邏輯運(yùn)算 , 順序控制，定時(shí)，計(jì)數(shù)與 算術(shù)操作等面向用戶(hù)的指令，并通過(guò)數(shù)字或模擬式輸入 / 輸出

3、控 制各種類(lèi)型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程?？删幊炭刂破骷捌溆嘘P(guān)外部設(shè)備，都按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)聯(lián)成一個(gè)整體，易于擴(kuò)充其功能的原則設(shè)計(jì)。1.2基本結(jié)構(gòu)PLC可編程序控制器實(shí)施控制，其實(shí)質(zhì)就是按一定算法進(jìn)行輸入 輸出變換，并將這個(gè)變換與以物理實(shí)現(xiàn)。輸入輸出變換、物理實(shí) 現(xiàn)可以說(shuō)是PLC實(shí)施控制的兩個(gè)基本點(diǎn)，同時(shí)物理實(shí)現(xiàn)也是PLC與普通微機(jī)相區(qū)別之處，其需要考慮實(shí)際控制的需要，應(yīng)能排除干擾信號(hào)適應(yīng)于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)， 輸出應(yīng)放大到工業(yè)控制的水平， 能為 實(shí)際控制系統(tǒng)方便使用，所以PLC采用了典型的計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)， 主 要是由微處理器(CPU、存儲(chǔ)器(RAM/RO)輸入輸出接口(I/O) 電路、通信接口及電源組成。PLC的

4、基本結(jié)構(gòu)如下圖所示：編程器輸入電路中央處理單元CCPU)系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器電源中央處理單元(CPU)中央處理單元(CPU)是PLC的控制核心。它按照PLC系統(tǒng)程 序賦予的功能：a.接收并存儲(chǔ)從用戶(hù)程序和數(shù)據(jù)；b.檢查電源、 存儲(chǔ)器、I/O以及警戒定時(shí)器的狀態(tài)，并能診斷用戶(hù)程序中的語(yǔ)法錯(cuò)誤。當(dāng)PLC投入運(yùn)行時(shí)，首先它以?huà)呙璧姆绞讲杉F(xiàn)場(chǎng)各輸 入裝置的狀態(tài)和數(shù)據(jù)， 并分別存入 I/O 映象寄存區(qū)， 然后從用戶(hù) 程序存儲(chǔ)器中逐條讀取用戶(hù)程序， 經(jīng)過(guò)命令解釋后按指令的規(guī)定 執(zhí)行邏輯或算數(shù)運(yùn)算并將結(jié)果送入 I/O 映象寄存區(qū)或數(shù)據(jù)寄存 器內(nèi)。等所有的用戶(hù)程序執(zhí)行完畢之后， 最后將 I/O 映象

5、寄存區(qū) 的各輸出狀態(tài)或輸出寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)傳送到相應(yīng)的輸出裝置， 如 此循環(huán)直到停止運(yùn)行。為了進(jìn)一步提高PLC的可靠性，近年來(lái)對(duì)大型PLC還采用雙CPU勾成冗余系統(tǒng)，或采用三CPU的表決式 系統(tǒng)。這樣，即使某個(gè)CPU出現(xiàn)故障，整個(gè)系統(tǒng)仍能正常運(yùn)行。存儲(chǔ)器 可編程序控制器的存儲(chǔ)器分為系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器和用戶(hù)程序 存儲(chǔ)器。存放系統(tǒng)軟件 （包括監(jiān)控程序、 模塊化應(yīng)用功能子程序、 命令解釋程序、 故障診斷程序及其各種管理程序） 的存儲(chǔ)器稱(chēng)為 系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器；存放用戶(hù)程序（用戶(hù)程序存和數(shù)據(jù)）的存儲(chǔ)器 稱(chēng)為用戶(hù)程序存儲(chǔ)器， 所以又分為用戶(hù)存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器兩部 分。PLC常用的存儲(chǔ)器類(lèi)型：（1）RAM（ Ran

6、dom Assess Memory） 這是一種讀 / 寫(xiě)存儲(chǔ) 器（ 隨機(jī)存儲(chǔ)器 ） ，其存取速度最快，由鋰電池支持。（2）EPRO（M Erasable Programmable Read Only Memory ） 這是一種可擦除的只讀存儲(chǔ)器。 在斷電情況下， 存儲(chǔ)器內(nèi)的所有 內(nèi)容保持不變。 （在紫外線(xiàn)連續(xù)照射下可擦除存儲(chǔ)器內(nèi)容 ） 。（3）EEPROM（Electrical Erasable Programmable ReadOnly Memory）這是一種電可擦除的只讀存儲(chǔ)器。使用編程器就能很容 易地對(duì)其所存儲(chǔ)的內(nèi)容進(jìn)行修改。PLC存儲(chǔ)空間的分配： 雖然各種PLC的CPU勺最大尋址 空間

7、各不相同，但是根據(jù)PLC的工作原理，其存儲(chǔ)空間一般包括 以下三個(gè)區(qū)域：（1）系統(tǒng)程序存儲(chǔ)區(qū)（2）系統(tǒng)RAM存儲(chǔ)區(qū)（包括I/O映象寄存區(qū)和系統(tǒng)軟設(shè)備 等）。（ 3）用戶(hù)程序存儲(chǔ)區(qū)系統(tǒng)程序存儲(chǔ)區(qū)： 在系統(tǒng)程序存儲(chǔ)區(qū)中存放著相當(dāng)于計(jì)算機(jī) 操作系統(tǒng)的系統(tǒng)程序。 包括監(jiān)控程序、 管理程序、命令解釋程序、 功能子程序、 系統(tǒng)診斷子程序等。 由制造廠(chǎng)商將其固化在 EPROM 中，用戶(hù)不能直接存取。它和硬件一起決定了該P(yáng)LC的性能。系統(tǒng)RAM存儲(chǔ)區(qū)：系統(tǒng)RAM存儲(chǔ)區(qū)包括I/O映象寄存區(qū)以及 各類(lèi)軟元件，如：邏輯線(xiàn)圈、數(shù)據(jù)寄存器、計(jì)時(shí)器、計(jì)數(shù)器、變 址寄存器、累加器等存儲(chǔ)器。（1）I/O映象寄存區(qū)：由于 PLC

8、投入運(yùn)行后，只是在輸入 采樣階段才依次讀入各輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)， 在輸出刷新階段才將輸 出的狀態(tài)和數(shù)據(jù)送至相應(yīng)的外設(shè)。 因此，它需要一定數(shù)量的存儲(chǔ) 單元（RAM）以存放I/O的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，這些單元稱(chēng)作 I/O映象寄 存區(qū)。一個(gè)開(kāi)關(guān)量 I/O 占用存儲(chǔ)單元中的一個(gè)位，一個(gè)模擬量 I/O 占用存儲(chǔ)單元中的一個(gè)字。因此整個(gè) I/O 映象寄存區(qū)可看作 兩個(gè)部分組成： 開(kāi)關(guān)量 I/O 映象寄存區(qū)；模擬量 I/O 映象寄存區(qū)。（2）系統(tǒng)軟元件存儲(chǔ)區(qū) ：除了 I/O 映象寄存區(qū)區(qū)以外，系 統(tǒng)RAM存儲(chǔ)區(qū)還包括PLC內(nèi)部各類(lèi)軟元件（邏輯線(xiàn)圈、計(jì)時(shí)器、計(jì)數(shù)器、數(shù)據(jù)寄存器和累加器等）的存儲(chǔ)區(qū)。該存儲(chǔ)區(qū)又分為具 有失電

9、保持的存儲(chǔ)區(qū)域和失電不保持的存儲(chǔ)區(qū)域，前者在PLC斷電時(shí)，由內(nèi)部的鋰電池供電，數(shù)據(jù)不會(huì)丟失；后者當(dāng)PLC斷電時(shí)， 數(shù)據(jù)被清零。（3 ）用戶(hù)程序存儲(chǔ)區(qū)：用戶(hù)程序存儲(chǔ)區(qū)存放用戶(hù)編制的用戶(hù)程序。不同類(lèi)型的 PLC，其存儲(chǔ)容量各不相同。123輸入接口電路輸入輸出信號(hào)有開(kāi)關(guān)量、模擬量、數(shù)字量三種，在我們實(shí)習(xí) 室涉及到的信號(hào)當(dāng)中，開(kāi)關(guān)量最普遍，也是實(shí)驗(yàn)條件所限，在次 我們主要介紹開(kāi)關(guān)量接口電路?？删幊绦蚩刂破鲀?yōu)點(diǎn)之一是抗干擾能力強(qiáng)。這也是其I/O設(shè) 計(jì)的優(yōu)點(diǎn)之處，經(jīng)過(guò)了電氣隔離后，信號(hào)才送入 CPU執(zhí)行的，防 止現(xiàn)場(chǎng)的強(qiáng)電干擾進(jìn)入。如下圖就是采用光電耦合器 （一般采用 反光二極管和光電三極管組成）的開(kāi)關(guān)量

10、輸入接口電路： ¥CC用戶(hù)電廊光輜124輸出接口電路可編程序控制器的輸出有：繼電器輸出（M）、晶體管輸出（T）、晶閘管輸出（SSR）三種輸出形式。（1）輸出接口電路的隔離方式維電番光電播合番晶閘管?chē)L出 輸出接口電路的主要技術(shù)參數(shù)a. 響應(yīng)時(shí)間響應(yīng)時(shí)間是指PLC從ONI犬態(tài)轉(zhuǎn)變成OFF犬態(tài)或從OFF狀態(tài)轉(zhuǎn)變成ON狀態(tài)所需要的時(shí)間。繼電器輸出型響應(yīng) 時(shí)間平均約為10ms晶閘管輸出型響應(yīng)時(shí)間為1ms以下；晶體管輸出型在0.2ms以下為最快。b. 輸出電流繼電器輸出型具有較大的輸出電流，AC250V以下的電路電壓可驅(qū)動(dòng)純電阻負(fù)載 2A/1點(diǎn)、感性負(fù)載80VA以下（AC100V或 AC200V

11、 及燈負(fù)載 100W以下（AC100V 或 200V）的 負(fù)載；Y0、Y1以外每輸出1點(diǎn)的輸出電流是0.5A，但是由于溫 度上升的原因，每輸出4合計(jì)為0.8A的電流，輸出晶體管的 ON 電壓約為1.5V，因此驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體元件時(shí)，請(qǐng)注意元件的輸入電 壓特性。Y0、Y1每輸出1點(diǎn)的輸出電流是0.3A，但是對(duì)Y0、Y1 使用定位指令時(shí)需要高速響應(yīng)，因此使用10 100mA的輸出電流；晶閘管輸出電流也比較小，F(xiàn)X1S無(wú)晶閘管輸出型。c. 開(kāi)路漏電流 開(kāi)路漏電流是指輸出處于 OFF狀態(tài)時(shí)，輸 出回路中的電流。繼電器輸出型輸出接點(diǎn) OFF是無(wú)漏電流；晶體 管輸出型漏電流在0.1mA以下；晶閘管較大漏電流，主

12、要由內(nèi)部 RC電路引起，需在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)注意。輸出公共端（COM 公共端與輸出各組之間形成回路，從而驅(qū)動(dòng)負(fù)載。FX1S有1點(diǎn)或4點(diǎn)一個(gè)公共端輸出型，因此各公 共端單元可以驅(qū)動(dòng)不同電源電壓系統(tǒng)的負(fù)載。電源PLC的電源在整個(gè)系統(tǒng)中起著十分重要得作用。如果沒(méi)有一 個(gè)良好的、可靠得電源系統(tǒng)是無(wú)法正常工作的，因此PLC的制造商對(duì)電源的設(shè)計(jì)和制造也十分重視。一般交流電壓波動(dòng)在 +10%(+15%范圍內(nèi)，可以不采取其它措施而將 PLC直接連接到交 流電網(wǎng)上去。女口 FX1S額定電壓AC100X240V，而電壓允許范圍 在A(yíng)C85V-264V之間。允許瞬時(shí)停電在10ms以下，能繼續(xù)工作。一般小型PLC的電源輸出分為兩部分：一部分供PLC內(nèi)部電 路工作；一部分向外提供給現(xiàn)場(chǎng)傳感器等的工作電源。因此 PLC 對(duì)電源的基本要求： 能有效地控制、消除電網(wǎng)電源帶來(lái)的各種干擾； 電源發(fā)生故障不