可編程序控制器的結構及基本工作原理

1、可編程序控制器的結構及基本工作原理一、 PLC的發(fā)展史可編程序控制器（Programmable Logic Controller），簡稱PLC，是在繼電順序控制基礎上發(fā)展起來的以微處理器為核心的通用的工業(yè)自動化控制裝置。20世紀60年代末期，美國汽車制造工業(yè)競爭激烈，為了適應生產工藝不斷更新的需要，在1968年美國通用汽車公司（GM）首先公開招標，對控制系統(tǒng)提出的具體要求基本為：a。 它的繼電控制系統(tǒng)設計周期短，更改容易，接線簡單成本低。b。它能把計算機的功能和繼電器控制系統(tǒng)結合起來。但編程要比計算機簡單易學、操作方便。c。系統(tǒng)通用性強。1969年美國數(shù)字設備公司（DEC）根據(jù)上述要求，研制出

2、世界上第一臺PLC，并在GM公司汽車生產線上首次試用成功，實現(xiàn)了生產的自動化。其后日本、德國等相繼引入，可編程序控制器迅速發(fā)展起來，但是主要應用于順序控制，只能進行邏輯運算，故稱為可編程邏輯控制器，簡稱PLC。其定義：可編程控制器是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境應用而設計的。它采用一類可編程的存儲器，用于其內部存儲程序，執(zhí)行邏輯運算,順序控制，定時，計數(shù)與算術操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機械或生產過程?？删幊炭刂破骷捌溆嘘P外部設備，都按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)聯(lián)成一個整體，易于擴充其功能的原則設計。隨著電子技術和計算機技術的迅猛發(fā)展，PLC的功能也越來

3、越強大，更多地具有計算機的功能，所以又簡稱PC（PROGRAMMABLE CONTROLLER），但是為了不和PERSONAL COMPUTER混淆，仍習慣稱為PLC。目前PLC已經在智能化、網絡化方面取得了很好的發(fā)展，并且現(xiàn)今已出現(xiàn)SOFTPLC，更是PLC領域無限的發(fā)展前景。二、 可編程序控制器的功能特點1 邏輯控制 PLC具有邏輯運算功能，能夠進行與、或、非等邏輯運算，可以代替繼電器進行開關量控制，故它可替代繼電器進行開關量控制。 2 定時控制 為滿足生產控制工藝對時間的要求，PLC一般提供時間繼電器，如FX1S提供T0T63共64個計時器。并且計時時間常數(shù)在范圍內用戶編寫程序時自己設定

4、：接通延時、關斷延時和定 時脈沖等方式。并且在PLC運行中也可以讀出、修改，使用方便。3 計數(shù)控制 為滿足計數(shù)的需要，不同的PLC提供不同數(shù)量、不同類型的計數(shù)器。如FX1S提供16位增量計數(shù)C0C15（一般用）、C16C31（保持用），32位高速可逆計數(shù)器C235C245（單相單輸入）、C246C250（單相雙輸入）、C251C255（雙相雙輸入）共26個定時器。用脈沖控制可以實現(xiàn)加、減計數(shù)模式，可以連接碼盤進行位置檢測，且在PLC運行中也可以讀出、修改，使用方便 4 步進順序控制 步進順序控制是plc最基本的控制方式。是為有時間或運行順序的生產過程專門設置的指令，在前道工序完成之后，就轉入下

5、一道工序，使一臺PLC可作為多部步進控制器使用。 5對控制系統(tǒng)的監(jiān)控 PLC具有較強的監(jiān)控能力，操作人員可以根據(jù)PLC的監(jiān)控信息，通過監(jiān)控命令，可以監(jiān)視系統(tǒng)的運行狀態(tài)，從而改變對異常值的設定。6 數(shù)據(jù)處理 PLC具有較強的數(shù)據(jù)處理能力，隨著PLC的發(fā)展，已經能對大量的數(shù)據(jù)進行快速處理。如數(shù)據(jù)采集、存儲與處理功能。7 通信和聯(lián)網 現(xiàn)代 PLC大多數(shù)都采用了通信、網絡技術，有RS232或RS485接口，可進行遠程I/O控制，多臺 PLC可彼此間聯(lián)網、通信，外部器件與一臺或多臺可編程控制器的信號處理單元之間，實現(xiàn)程序和數(shù)據(jù)交換，如程序轉移、數(shù)據(jù)文檔轉移、監(jiān)視和診斷。 通信接口或通信處理器按標準的硬件

6、接口或專有的通信協(xié)議完成程序和數(shù)據(jù)的轉移。在系統(tǒng)構成時，可由一臺計算機與多臺PLC構成“集中管理、分散控制”的分布式控制網絡，以便完成較大規(guī)模的復雜控制。通常所說的SCADA系統(tǒng)，現(xiàn)場端和遠程端也可以采用PLC作現(xiàn)場機。 8輸入/輸出接口調理功能 具有 A/D、D/A轉換功能，通過I/O模塊完成對模擬量的控制和調節(jié)。位數(shù)和精度可以根據(jù)用戶要求選擇。具有溫度測量接口，直接連接各種電阻或電偶。9人機界面功能 提供操整理以監(jiān)視機器 、過程工作必需的信息。允許操整理和PLC系統(tǒng)與其應用程序相互作用，以便作出決策和調整。實現(xiàn)人機界面功能的手段：從基層的操整理屏幕文字顯示，到單機的CRT顯示與鍵盤操作和用

7、通信處理器、專用處理器、個人計算機、工業(yè)計算機的分散和集中操作與監(jiān)視系統(tǒng)?？删幊绦蚩刂破魇菍儆诖鎯Τ绦蚩刂频囊环N裝置，其控制功能是通過存放在存儲器內的程序來實現(xiàn)的，若要對控制功能作修改，在很大程度上只須改變軟件指令即可，使得硬件軟件化。因此它在工業(yè)控制中的地位越來越高，占有極其重要的地位，最重要的原因是它具有如下獨特的特點：1 可靠性高 PLC是專門為工業(yè)控制設計的，在設計和制造過程中采取了多層次抗干擾、精選元件的措施，可在惡劣的工業(yè)環(huán)境下與強電設備一起工作，運行的穩(wěn)定性和可靠性較高。PLC是以集成電路為基本單元的電子設備，內部處理不依賴于接點，元件的壽命長，平均無故障工作時間高。2編程簡單易

8、學 PLC的最大特點之一，就是采用易學易懂的梯形圖語言，它是以計算機軟件技術構成人們慣用的繼電器模型，形成一套獨具風格的以繼電器梯形圖為基礎的形象編程語言。方便電氣人員在了解PLC工作原理和它的編程技術后，就可迅速地結合實際需要進行應用設計，進而將PLC用于實際控制系統(tǒng)中。3通用性強，使用方便 由于PLC自身硬件特點，用戶在進行控制系統(tǒng)的設計時，不需要自己設計和整理硬件裝置，只需要根據(jù)控制要求進行模塊的配置；用戶所作的工作只是設計滿足控制對象的控制要求的應用程序。對于一個控制系統(tǒng)，當控制要求改變時，只需修改程序，就能變更控制功能；與外圍設備的連接方便，通訊協(xié)議標準。4系統(tǒng)設計周期短 由于系統(tǒng)硬

9、件的設計任務僅僅是根據(jù)對象的控制要求配置適當?shù)哪K，而不要設計具體的接口電路，同時軟件設計和外圍電路設計可以同時進行，這樣大大縮短了整個系統(tǒng)設計的時間，加快了系統(tǒng)的設計周期。5對生產工藝改變適應性強 其控制功能是通過軟件編程來實現(xiàn)的，當生產工藝改變時，在很大程度上只需改變用戶程序，這對現(xiàn)代化的小批量 、多品種產品的生產尤其適合；現(xiàn)今plc已經朝著嵌入式系統(tǒng)發(fā)展，將進入日常生活中。6安裝簡單、調試方便、維護工作量小 PLC控制系統(tǒng)的安裝接線工作量比繼電器控制系統(tǒng)少得多，只需將現(xiàn)場的各種設備與PLC相應的I/O口相連。PLC軟件設計和調試大部分可以在實驗室模擬進行，模擬調試好后再將PLC控制系統(tǒng)進

10、行現(xiàn)場聯(lián)機調試，方便省時。其本身可靠性高，有完善的自診斷能力和系統(tǒng)監(jiān)控能力，方便迅速故障查明和排除，維護的工作效率高。7適應工業(yè)環(huán)境 ： PLC的技術條件能在一般高溫、振動、沖擊和粉塵等惡劣環(huán)境下工作，能在強電磁干擾環(huán)境下可靠工作。這是PLC產品的市場生存價值。三、PLC的應用和發(fā)展前趨勢 PLC的應用是基于其以微處理器為核心，綜合了計算機技術、自動控制技術和通信技術發(fā)展起來的一種通用的工業(yè)自動控制裝置，它具有可靠性高、體積小、功能強、程序設計簡單、靈活通用、維護方便等一系列優(yōu)點，因而在制造、冶金、能源、交通、化工、電力等領域有著廣泛的應用，成為現(xiàn)代工業(yè)控制的支柱之一。 根據(jù)這些特點，可將其應

11、用形式歸納為以下幾種：開關量邏輯控制 、模擬量控制、過程控制、定時和計數(shù)控制、順序控制；、數(shù)據(jù)處理、通信和聯(lián)網。 現(xiàn)代 PLC的發(fā)展有兩個主要趨勢：其一是向體積更小、速度更快、功能更強和價格更低的微小型方面發(fā)展，即現(xiàn)今開始發(fā)展的嵌入式PLC控制方式；其二是向大型網絡化、高可靠性、好的兼容性和多功能方面發(fā)展。 1、大型網絡化主要是朝DCS方向發(fā)展，使其具有DCS系統(tǒng)的一些功能。網絡化和通信能力強是PLC發(fā)展的一個重要方面，向下可將多個PLC、I/O框架相連；向上與工業(yè)計算機、以太網、MAP網等相連構成整個工廠的自動化控制系統(tǒng)。 2、多功能隨著自調整、步進電機控制、位置控制、伺服控制等模塊的出現(xiàn)，

12、使PLC控制領域更加寬廣。 如研制出了多回路閉環(huán)控制模塊、步進電機控制模塊、仿真模塊和通信處理模塊等。并為用戶提供了方便的人機界面，用戶程序多級口令保護，極強的計算性能，完善的指令集，通過工業(yè)現(xiàn)場總線PROFIBUS以及以太網聯(lián)網的網絡能力，強勁的內部集成功能，全面的故障診斷功能；模塊式結構可用于各處性能的擴展，脈沖輸出晶閘管步進電機和直流電機；快速的指令處理大大縮短了循環(huán)周期，并采用了高速計數(shù)器，高速中斷處理可以分別響應過程事件，大幅度降低了成本。 3、高可靠性由于控制系統(tǒng)的可靠性日益受到人們的重視，一些公司已將自診斷技術、冗余技術、容錯技術廣泛應用到現(xiàn)有產品中，推出了高可靠性的冗余系統(tǒng)，并

13、采用熱備用或并行工作、多數(shù)表決的工作方式。PLC即使在惡劣、不穩(wěn)定的工作環(huán)境下，堅固、全密封的模板依然可正常工作，在操作運行過程中模板還可熱插拔。 可編程控制器的結構和基本工作原理PLC由于其自身的特點，在工業(yè)生產的各個領域得到了愈來愈廣泛的應用。而作為PLC的用戶，要正確地應用PLC去完成各種不同的控制任務，首先應了解其組成結構和工作原理。一、 PLC的基本結構可編程序控制器實施控制，其實質就是按一定算法進行輸入輸出變換，并將這個變換與以物理實現(xiàn)。輸入輸出變換、物理實現(xiàn)可以說是PLC實施控制的兩個基本點，同時物理實現(xiàn)也是PLC與普通微機相區(qū)別之處，其需要考慮實際控制的需要，應能排除干擾信號適

14、應于工業(yè)現(xiàn)場，輸出應放大到工業(yè)控制的水平，能為實際控制系統(tǒng)方便使用，所以PLC采用了典型的計算機結構，主要是由微處理器（CPU）、存儲器（RAM/ROM）、輸入輸出接口（I/O）電路、通信接口及電源組成。PLC的基本結構如下圖所示： 1、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. 接收并存儲從用戶程序和數(shù)據(jù)；b.檢查電源、存儲器、I/O以及警戒定時器的狀態(tài)，并能診斷用戶程序中的語法錯誤。當PLC投入運行時，首先它以掃描的方式采集現(xiàn)場各輸入裝置的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并分別存入I/O映象寄存區(qū)，然后從用戶程序存儲器中逐條讀

15、取用戶程序，經過命令解釋后按指令的規(guī)定執(zhí)行邏輯或算數(shù)運算并將結果送入I/O映象寄存區(qū)或數(shù)據(jù)寄存器內。等所有的用戶程序執(zhí)行完畢之后，最后將I/O映象寄存區(qū)的各輸出狀態(tài)或輸出寄存器內的數(shù)據(jù)傳送到相應的輸出裝置，如此循環(huán)直到停止運行。 為了進一步提高PLC的可靠性，近年來對大型PLC還采用雙CPU構成冗余系統(tǒng)，或采用三CPU的表決式系統(tǒng)。這樣，即使某個CPU出現(xiàn)故障，整個系統(tǒng)仍能正常運行。     2、存儲器   可編程序控制器的存儲器分為系統(tǒng)程序存儲器和用戶程序存儲器。存放系統(tǒng)軟件（包括監(jiān)控程序、模塊化應用功能子程序、命令解釋程序、故障診

16、斷程序及其各種管理程序）的存儲器稱為系統(tǒng)程序存儲器；存放用戶程序（用戶程序存和數(shù)據(jù)）的存儲器稱為用戶程序存儲器，所以又分為用戶存儲器和數(shù)據(jù)存儲器兩部分。 PLC常用的存儲器類型 ：（1）RAM （Random Assess Memory） 這是一種讀/寫存儲器(隨機存儲器)，其存取速度最快，由鋰電池支持。（2）EPROM（Erasable Programmable Read Only Memory）這是一種可擦除的只讀存儲器。在斷電情況下，存儲器內的所有內容保持不變。(在紫外線連續(xù)照射下可擦除存儲器內容)。（3）EEPROM(Electrical Erasable Programmable R

17、ead Only Memory)這是一種電可擦除的只讀存儲器。使用編程器就能很容易地對其所存儲的內容進行修改。     PLC存儲空間的分配 ： 雖然各種 PLC的CPU的最大尋址空間各不相同，但是根據(jù)PLC的工作原理，其存儲空間一般包括以下三個區(qū)域： （1）系統(tǒng)程序存儲區(qū)（2）系統(tǒng)RAM存儲區(qū)（包括I/O映象寄存區(qū)和系統(tǒng)軟設備等）。（3）用戶程序存儲區(qū)     系統(tǒng)程序存儲區(qū)：在系統(tǒng)程序存儲區(qū)中存放著相當于計算機操作系統(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

18、造廠商將其固化在 EPROM中，用戶不能直接存取。它和硬件一起決定了該PLC的性能。     系統(tǒng)RAM存儲區(qū)：系統(tǒng)RAM存儲區(qū)包括I/O映象寄存區(qū)以及各類軟元件，如：邏輯線圈、數(shù)據(jù)寄存器、計時器、計數(shù)器、變址寄存器、累加器等存儲器。     （1）I/O映象寄存區(qū)：由于PLC投入運行后，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)送至相應的外設。因此，它需要一定數(shù)量的存儲單元(RAM)以存放I/O的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，這些單元稱作I/O映象寄存區(qū)。一個開關量I/O占用存儲單元中的一個位

19、，一個模擬量I/O占用存儲單元中的一個字。因此整個I/O映象寄存區(qū)可看作兩個部分組成：開關量I/O映象寄存區(qū)；模擬量I/O映象寄存區(qū)。     （2）系統(tǒng)軟元件存儲區(qū) ：除了I/O映象寄存區(qū)區(qū)以外，系統(tǒng)RAM存儲區(qū)還包括PLC內部各類軟元件（邏輯線圈、計時器、計數(shù)器、數(shù)據(jù)寄存器和累加器等）的存儲區(qū)。該存儲區(qū)又分為具有失電保持的存儲區(qū)域和失電不保持的存儲區(qū)域，前者在PLC斷電時，由內部的鋰電池供電，數(shù)據(jù)不會丟失；后者當PLC斷電時，數(shù)據(jù)被清零。 （3）用戶程序存儲區(qū) ： 用戶程序存儲區(qū)存放用戶編制的用戶程序。不同類型的 PLC，其存儲容量各不相同。 3輸入

20、接口電路 輸入輸出信號有開關量、模擬量、數(shù)字量三種，在我們實習室涉及到的信號當中，開關量最普遍，也是實驗條件所限，在次我們主要介紹開關量接口電路?？删幊绦蚩刂破鲀?yōu)點之一是抗干擾能力強。這也是其I/O設計的優(yōu)點之處，經過了電氣隔離后，信號才送入CPU執(zhí)行的,防止現(xiàn)場的強電干擾進入。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)的開關量輸入接口電路：4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 (2) 輸出接口電路的主要技術參數(shù)a.響應時間 響應時間是指PLC從ON狀態(tài)轉變成OFF狀態(tài)或

21、從OFF狀態(tài)轉變成ON狀態(tài)所需要的時間。繼電器輸出型響應時間平均約為10ms；晶閘管輸出型響應時間為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動純電阻負載2A/1點、感性負載80VA以下（AC100V或AC200V）及燈負載100W以下（AC100V 或200V）的負載；Y0、Y1以外每輸出1點的輸出電流是0.5A，但是由于溫度上升的原因，每輸出4合計為0.8A的電流，輸出晶體管的ON電壓約為1.5V，因此驅動半導體元件時，請注意元件的輸入電壓特性。Y0、Y1每輸出1點的輸出電流是0.3A，但是對Y0、Y1使用定

22、位指令時需要高速響應，因此使用10100mA的輸出電流；晶閘管輸出電流也比較小，F(xiàn)X1S無晶閘管輸出型。c.開路漏電流 開路漏電流是指輸出處于OFF狀態(tài)時，輸出回路中的電流。繼電器輸出型輸出接點OFF是無漏電流；晶體管輸出型漏電流在0.1mA以下；晶閘管較大漏電流，主要由內部RC電路引起，需在設計系統(tǒng)時注意。(3) 輸出公共端（COM） 公共端與輸出各組之間形成回路，從而驅動負載。FX1S有1點或4點一個公共端輸出型，因此各公共端單元可以驅動不同電源電壓系統(tǒng)的負載。5電源 PLC的電源在整個系統(tǒng)中起著十分重要得作用。如果沒有一個良好的、可靠得電源系統(tǒng)是無法正常工作的，因此PLC的制造商對電源的

23、設計和制造也十分重視。一般交流電壓波動在+10%(+15%)范圍內，可以不采取其它措施而將PLC直接連接到交流電網上去。如FX1S額定電壓AC100V240V，而電壓允許范圍在AC85V264V之間。允許瞬時停電在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內部電路工作；一部分向外提供給現(xiàn)場傳感器等的工作電源。因此PLC對電源的基本要求：1） 能有效地控制、消除電網電源帶來的各種干擾；2） 電源發(fā)生故障不會導致其它部分產生故障；3） 允許較寬的電壓范圍；4） 電源本身的功耗低，發(fā)熱量小；5） 內部電源與外部電源完全隔離；6） 有較強的自保護功能。 二、 PLC的

24、工作原理由于PLC以微處理器為核心，故具有微機的許多特點，但它的工作方式卻與微機有很大不同。微機一般采用等待命令的工作方式，如常見的鍵盤掃描方式或I/O掃描方，若有鍵按下或有I/O變化，則轉入相應的子程序，若無則繼續(xù)掃描等待。PLC則是采用循環(huán)掃描的工作方式。對每個程序，CPU從第一條指令開始執(zhí)行，按指令步序號做周期性的程序循環(huán)掃描，如果無跳轉指令，則從第一條指令開始逐條執(zhí)行用戶程序，直至遇到結束符后又返回第一條指令，如此周而復始不斷循環(huán)，每一個循環(huán)稱為一個掃描周期。掃描周期的長短主要取決于以下幾個因素：一是CPU執(zhí)行指令的速度；二是執(zhí)行每條指令占用的時間；三是程序中指令條數(shù)的多少。一個掃描周期主要可分為3個階段。1輸入刷新階段在輸入刷新階段，CPU掃描全部輸入端口，讀取其狀態(tài)并寫入輸入狀態(tài)寄存器。完成輸入端刷新工作