CH7可編程控制器基礎(chǔ)知識

可編程序控制器基礎(chǔ)知識

一、可編程控制器的產(chǎn)生二、可編程控制器的定義三、可編程控制器的特點六、可編程控制器的應用七、可編程控制器的發(fā)展五、可編程控制器的類型7.1概述四、可編程控制器的性能指標一、可編程控制器的產(chǎn)生因為繼電器邏輯電路配線復雜一、可編程控制器的產(chǎn)生背景：1968年美國通用汽車公司（GM），為了適應汽車型號的不斷更新，生產(chǎn)工藝不斷變化的需要，實現(xiàn)小批量、多品種生產(chǎn)，希望能有一種新型工業(yè)控制器，它能做到盡可能減少重新設(shè)計和更換繼電器控制系統(tǒng)及接線，以降低成本，縮短周期。

1968年，GM公司提出十項設(shè)計標準：編程簡單，可在現(xiàn)場修改程序；維護方便，采用插件式結(jié)構(gòu)；可靠性高于繼電器控制柜；體積小于繼電器控制柜；成本可與繼電器控制柜競爭；可將數(shù)據(jù)直接送入計算機；可直接使用115V交流輸入電壓；輸出采用115V交流電壓，能直接驅(qū)動電磁閥、交流接觸器等；通用性強，擴展方便;能存儲程序，存儲器容量可以擴展到4KB。一、可編程控制器的產(chǎn)生1969年，美國數(shù)字設(shè)備公司研制第一臺可編程控制器，并應用于工業(yè)現(xiàn)場。一、可編程控制器的產(chǎn)生什么是PLC？二、可編程控制器的定義是一種工業(yè)控制裝置是在電氣控制技術(shù)和計算機技術(shù)的基礎(chǔ)上開發(fā)出來的，并逐漸發(fā)展成為以微處理器為核心，將自動化技術(shù)、計算機技術(shù)、通信技術(shù)融為一體的新型工業(yè)控制裝置。通用叫法中文名稱為可編程控制器；英文名稱為ProgrammableLogicController，簡稱PLC。二、可編程控制器的定義1987年，國際電工委員會（IEC）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)境下應用而設(shè)計。它采用可編程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作的指令，并通過數(shù)字式和模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程?？删幊炭刂破骷捌溆嘘P(guān)外圍設(shè)備，都應按易于與工業(yè)系統(tǒng)聯(lián)成一個整體，易于擴充其功能的原則設(shè)計”。三、可編程控制器的特點無觸點免配線，可靠性高，抗干擾能力強通用性強，控制程序可變，使用方便硬件配套齊全，用戶使用方便，適應性強編程簡單，容易掌握系統(tǒng)的設(shè)計、安裝、調(diào)試工作量少維修工作量小，維護方便體積小，能耗低.圖7-1PLC系統(tǒng)的組成四、可編程序控制器的性能指標存儲容量I/O點數(shù)掃描速度指令的多少內(nèi)部寄存器的配置和容量擴展能力擴展能力特殊功能單元專指用戶存儲器的存儲容量，它決定了用戶所編制程序的長短。大、中、小型PLC的存儲容量變化范圍一般為2KB～2MB。

I/O點數(shù)，即PLC面板上的I/O端子的個數(shù)。I/O點數(shù)越多，外部可連接的I/O器件就越多，控制規(guī)模就越大。它是衡量PLC性能的重要指標之一。掃描速度是指PLC執(zhí)行程序的快慢，是一個重要的性能指標，體現(xiàn)了計算機控制取代繼電器控制的吻合程度。從自動控制的觀點來看，決定了系統(tǒng)的實時性和穩(wěn)定性。它是衡量PLC能力強弱的指標，決定了PLC處理能力、控制能力的強弱。限定了計算機發(fā)揮運算功能、完成復雜控制的能力。直接對用戶編制程序提供支持，對PLC指令的執(zhí)行速度及可完成的功能提供直接的支持。包括I/O點數(shù)的擴展和PLC功能的擴展兩方面的內(nèi)容（即模塊式和集中封裝式系統(tǒng)的可擴展性）。按I/O點數(shù)分小型PLCI/O點數(shù)為256點以下的為小型PLC

（其中I/O點數(shù)小于64點的為超小型或微型PLC）中型PLCI/O點數(shù)為256點以上、2048點以下的為中型PLC大型PLCI/O點數(shù)為2048以上的為大型PLC

（其中I/O點數(shù)超過8192點的為超大型PLC）五、可編程控制器的類型按結(jié)構(gòu)形式分整體式PLC

將電源、CPU、I/O接口等部件都集中裝在一個機箱內(nèi)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、價格低等特點。五、可編程控制器的類型模塊式PLC

將PLC各組成部分分別作成若干個單獨的模塊，如CPU模塊、I/O模塊、電源模塊（有的含在CPU模塊中）以及各種功能模塊。緊湊式PLC

還有一些PLC將整體式和模塊式的特點結(jié)合起來。模塊式PLC

將PLC各組成部分分別作成若干個單獨的模塊，如CPU模塊、I/O模塊、電源模塊（有的含在CPU模塊中）以及各種功能模塊。緊湊式PLC

還有一些PLC將整體式和模塊式的特點結(jié)合起來。整體式PLC

將電源、CPU、I/O接口等部件都集中裝在一個機箱內(nèi)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、價格低等特點。按功能分低檔PLC

具有邏輯運算、定時、計數(shù)、移位以及自診斷、監(jiān)控等基本功能，還可有少量模擬量輸入／輸出、算術(shù)運算、數(shù)據(jù)傳送和比較、通信等功能。中檔PLC

具有低檔PLC功能外，增加模擬量輸入/輸出、算術(shù)運算、數(shù)據(jù)傳送和比較、數(shù)制轉(zhuǎn)換、遠程I/O、子程序、通信聯(lián)網(wǎng)等功能。有些還增設(shè)中斷、PID控制等功能。高檔PLC

具有中檔機功能外，增加帶符號算術(shù)運算、矩陣運算、位邏輯運算、平方根運算及其它特殊功能函數(shù)運算、制表及表格傳送等。高檔PLC機具有更強的通信聯(lián)網(wǎng)功能。五、可編程控制器的類型PLC著名品牌1993年中國PLC市場排行榜上的世界十大廠家：美國A－B公司（Allen－Bradley）德國西門子公司（Siemens）美國GE－Fanuc公司美國的莫迪康（Modicon）和法國的TE電器公司日本歐姆公司（OMRON）日本三菱電機株式會社（MITSUBISHI）日本富士電機株式會社（FujiElectric）日本東芝公司（TOSHIBA）日本的光洋電子（KOYO）和中國的華光電子(CKE）日本松下電工株式會社（MEW）：MatsushitaElectricWorksLtd）根據(jù)美國AutomationResearchCo.（ARC）的商情調(diào)查，PLC市場上，最大的5家PLC制造商是:

SIEMENS

Allen－Bradly（Rockwell)

AEGSchneider

三菱電機

OMRON(立石電機）PLC著名品牌六、可編程控制器的應用領(lǐng)域六、可編程控制器的應用領(lǐng)域六、可編程控制器的應用領(lǐng)域六、可編程控制器的應用領(lǐng)域六、可編程控制器的應用領(lǐng)域六、可編程控制器的應用領(lǐng)域六、可編程控制器的應用領(lǐng)域六、可編程控制器的應用領(lǐng)域六、可編程控制器的應用領(lǐng)域六、可編程控制器的應用領(lǐng)域七、可編程控制器的發(fā)展高性能、高速度、大容量發(fā)展為了提高PLC的處理能力，要求PLC具有更好的響應速度和更大的存儲容量。目前，有的PLC的掃描速度可達0.1ms/k步左右。PLC的掃描速度已成為很重要的一個性能指標。在存儲容量方面，有的PLC最高可達幾十兆字節(jié)。為了擴大存儲容量，有的公司已使用了磁泡存儲器或硬盤。向小型化和大型化兩個方向發(fā)展小型PLC由整體結(jié)構(gòu)向小型模塊化結(jié)構(gòu)發(fā)展，使配置更加靈活，為了市場需要已開發(fā)了各種簡易、經(jīng)濟的超小型微型PLC，最小配置的I/O點數(shù)為8～16點，以適應單機及小型自動控制的需要。大型化是指大中型PLC向大容量、智能化和網(wǎng)絡化發(fā)展，使之能與計算機組成集成控制系統(tǒng)，對大規(guī)模、復雜系統(tǒng)進行綜合性的自動控制?，F(xiàn)已有I/O點數(shù)達14336點的超大型PLC，其使用32位微處理器，多CPU并行工作和大容量存儲器，功能強。七、可編程控制器的發(fā)展大力開發(fā)智能模塊，加強聯(lián)網(wǎng)與通信能力為滿足各種控制系統(tǒng)的要求，不斷開發(fā)出許多功能模塊，如高速計數(shù)模塊、溫度控制模塊、遠程I/O模塊、通信和人機接口模塊等。PLC的聯(lián)網(wǎng)與通信有兩類：①PLC之間聯(lián)網(wǎng)通信，各PLC生產(chǎn)廠家都有自己的專有聯(lián)網(wǎng)手段；②PLC與計算機之間的聯(lián)網(wǎng)通信。為了加強聯(lián)網(wǎng)與和通信能力，PLC生產(chǎn)廠家也在協(xié)商制訂通用的通信標準，以構(gòu)成更大的網(wǎng)絡系統(tǒng)。

七、可編程控制器的發(fā)展增強外部故障的檢測與處理能力據(jù)統(tǒng)計資料表明：在PLC控制系統(tǒng)的故障中，CPU占5%，I/O接口占15%，輸入設(shè)備占45%，輸出設(shè)備占30%，線路占5%。前二項共20%故障屬于PLC的內(nèi)部故障，它可通過PLC本身的軟、硬件實現(xiàn)檢測、處理。而其余80%的故障屬于PLC的外部故障。PLC生產(chǎn)廠家都致力于研制、發(fā)展用于檢測外部故障的專用智能模塊，進一步提高系統(tǒng)的可靠性。

七、可編程控制器的發(fā)展編程語言多樣化在PLC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不斷發(fā)展的同時，PLC的編程語言也越來越豐富，功能也不斷提高。除了大多數(shù)PLC使用的梯形圖、語句表語言外，為了適應各種控制要求，出現(xiàn)了面向順序控制的步進編程語言、面向過程控制的流程圖語言、與計算機兼容的高級語言（BASIC、C語言等）等。多種編程語言并存、互補與發(fā)展是PLC進步的一種趨勢。七、可編程控制器的發(fā)展7.2常用術(shù)語及編程語言一、常用術(shù)語1.位（bit）也稱內(nèi)部繼電器，實際上是PLC存儲器中的一個觸發(fā)器。“1”和“0”兩個狀態(tài)。2.I/O點（I/OPoint）

可直接和輸入設(shè)備相連接的觸點——輸入點可直接和輸出設(shè)備相連接的觸點——輸出點I/O點數(shù)越多，控制規(guī)模越大。3.通道（Channel）

也稱為字，16個位組成一個通道。4.區(qū)（Area）

相同類型通道的集合。數(shù)據(jù)區(qū)、定時/計數(shù)器區(qū)、內(nèi)部繼電器區(qū)等。梯形圖編程

語句表編程控制系統(tǒng)流程圖編程邏輯方程式或布爾代數(shù)式二、可編程序控制器的編程語言7.2常用術(shù)語及編程語言1.梯形圖二、可編程序控制器的編程語言左母線右母線常開觸點常閉觸點輸出線圈使用最廣泛的語言，與繼電接觸器電路圖很相似，直觀易懂?？墒÷蕴菪螆D的基本畫法編制PLC程序前的準備：設(shè)計PLC控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、配置；確定I/O位置根據(jù)I/O位置確定信號的I/O地址（端口表）設(shè)計、整理輸入/輸出信號間的邏輯關(guān)系梯形圖的基本畫法：

在左右兩條邏輯電源線之間，按系統(tǒng)邏輯要求從左到右排列接點和線圈；計算機可只畫左邊;

邏輯可以是一個或多個接點的串并聯(lián)，然后接到輸出線圈(定時器、鎖存器、移位寄存器等);)

所有接點必須在輸出線圈左邊；輸出線圈不能不經(jīng)過任何接點直接接在兩個邏輯電源線之間。2.PLC語句表（助記符）編程操作碼（指令）操作數(shù)LD0000OR0500ANDNOT0001OUT0500LD0500OUT0501

由多條語句組成一個程序段，適合經(jīng)驗豐富的程序員使用，可以實現(xiàn)某些用梯形圖難以實現(xiàn)的功能。在使用簡易編程器編程時，常常需要將梯形圖轉(zhuǎn)換為語句表才能輸入PLC。3.控制系統(tǒng)流程圖編程4.邏輯方程式或布爾代數(shù)式編程5.PLC高級語言編程PASCAL、BASIC、C、匯編等PLC的硬件結(jié)構(gòu)主要由中央處理器（CPU）、存儲器（RAM、ROM）、輸入輸出單元（I/O）接口、電源及外圍編程設(shè)備等幾大部分構(gòu)成。其結(jié)構(gòu)框圖如圖所示。7.3.1PLC的基本結(jié)構(gòu)

PLC的硬件電路框圖7.3基本結(jié)構(gòu)及工作原理電源I/O擴展單元輸入設(shè)備輸出設(shè)備輸出接口外部設(shè)備接口輸入接口I/O擴展接口主機PLC編程器打印機磁帶機計算機掃描儀CPU存儲器用戶程序系統(tǒng)程序數(shù)據(jù)按鈕行程開關(guān)觸點電磁閥電磁線圈指示燈

PLC的硬件電路框圖中央處理單元（CPU）

在系統(tǒng)程序的控制下，①診斷電源、PLC內(nèi)部電路工作狀態(tài)；②接收、診斷并存儲從編程器輸入的用戶程序和數(shù)據(jù)；③用掃描方式接收現(xiàn)場輸入裝置的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并存入輸入映像寄存器或數(shù)據(jù)寄存器。中央處理器是可編程序控制器的核心。

在PLC進入運行狀態(tài)后，①從存儲器中逐條讀取用戶程序；②按指令規(guī)定的任務，產(chǎn)生相應的控制信號，去啟閉有關(guān)控制門電路，分時分渠道地去執(zhí)行數(shù)據(jù)的存取、傳送、組合、比較和變換等動作；③完成用戶程序中規(guī)定的邏輯或算術(shù)運算等任務。

根據(jù)運算結(jié)果，①更新有關(guān)標志位的狀態(tài)和輸出映像寄存器的內(nèi)容，②實現(xiàn)輸出控制、制表、打印或數(shù)據(jù)通信等。中央處理單元（CPU）

PLC采用的CPU一般有三大類：

通用微處理器，如80286、80386等。

單片機芯片，如8031、8096等。位處理器，如AMD2900、AMD2903等。中央處理器是可編程序控制器的核心。

存儲器存儲器：用于存放系統(tǒng)程序、用戶程序及運算數(shù)據(jù)的單元。分類：只讀存儲器（ROM）：用來存放系統(tǒng)工作程序、模塊化應用功能子程序、命令解釋、功能子程序的調(diào)用管理程序以及按對應定義存儲各種系統(tǒng)參數(shù)（I/O、內(nèi)部繼電器、計時/計數(shù)器、數(shù)據(jù)寄存器等）等功能。

只讀存儲器又分為掩膜只讀存儲器和電可擦除只讀存儲器

隨機讀寫存儲器（RAM）:用來存放用戶程序及系統(tǒng)運行中產(chǎn)生的臨時數(shù)據(jù)。特點是寫入與擦除都很容易，但在掉電情況下存儲的數(shù)據(jù)就會丟失。

PLC的存儲器區(qū)域按用途不同，又可分為程序區(qū)及數(shù)據(jù)區(qū)。存放程序存放數(shù)據(jù)輸入、輸出部分（I/O單元）

輸入輸出電路是將外部輸入信號變換成CPU能接受的信號，將CPU的輸出信號變換成需要的控制信號去驅(qū)動控制對象，從而確保整個系統(tǒng)的正常工作。

作為抗干擾措施，輸入/輸出單元都帶有光電耦合電路，將PLC與外部電路隔離。

PLC的輸入單元類型：直流、交流、交/直流3種；

PLC的輸出單元類型：繼電器方式、晶體管方式、晶閘管方式。繼電器輸出方式可帶交、直流兩種負載，晶體管方式可帶直流負載，晶閘管方式可帶交流負載。兩個主要的要求：一是接口有良好的抗干擾能力。二是接口能滿足工業(yè)現(xiàn)場各類信號的匹配要求。輸入輸出接口：是PLC和工業(yè)控制現(xiàn)場各類信號連接的部分。

開關(guān)量、模擬量、特殊量（遠程、干結(jié)點）輸入單元——帶光電隔離電路接口接受的外信號電源：直流輸入

交流輸入交流/直流輸入接收開關(guān)量及數(shù)字量信號（數(shù)字量輸入單元）；接收模擬量信號（模擬量輸入單元）；接收按鈕或開關(guān)命令（數(shù)字量輸入單元）；接收傳感器輸出信號。直流輸入交流輸入交流/直流輸入不同的接口需求設(shè)計了不同的接口單元。主要有以下幾種：

開關(guān)量輸入接口：

作用：是把現(xiàn)場的開關(guān)量信號變成PLC內(nèi)部處理的標準信號。輸出單元——帶光電隔離器及濾波器多種輸出方式：晶體管晶閘管繼電器驅(qū)動直流負載（晶體管輸出單元）；驅(qū)動非頻繁動作的交/直流負載（繼電器輸出單元）；驅(qū)動頻繁動作的交/直流負載（晶閘管輸出單元）。晶體管輸出晶閘管輸出繼電器輸出

開關(guān)量輸出接口：作用：是把PLC內(nèi)部的標準信號轉(zhuǎn)換成現(xiàn)場執(zhí)行機構(gòu)所需的開關(guān)量信號。繼電器型的輸出接口可用于交流及直流兩種電源，但接通斷開的頻率低。晶體管型的輸出接口有較高的接通斷開頻率，但只適用于直流驅(qū)動的場合。晶閘管型的輸出接口僅適用于交流驅(qū)動的場合。模擬量輸入接口

作用：把現(xiàn)場連續(xù)變化的模擬量標準信號轉(zhuǎn)換成適合PLC內(nèi)部處理的由若干位二進制數(shù)字表示的信號。模擬量輸入接口接受標準模擬信號。模擬量輸出接口作用：將PLC運算處理后的若干位數(shù)字量信號轉(zhuǎn)換為相應的模擬量信號輸出。模擬量輸出接口一般由光電隔離、D/A轉(zhuǎn)換和信號驅(qū)動等環(huán)節(jié)組成。智能輸入輸出接口PID控制單元高速計數(shù)器工作單元溫度控制單元等特點：①大多是獨立的工作單元。②一般帶有單獨的CPU。③有專門的處理能力。符合國際標準的通用電壓電流信號如：4～20mA的直流電流信號，0～10V的直流電壓信號等編程器——外部設(shè)備由鍵盤、顯示器和工作方式選擇開關(guān)及外存插口等部件組成的PLC的重要外設(shè)，是人機對話的窗口。作用

編寫、輸入、編輯用戶程序，也可以在線監(jiān)視可編程控制器運行時各種元器件的工作狀態(tài)，查找故障，顯示出錯信息。分類簡易編程器：只能輸入和編輯指令表程序，因此又叫指令編程器。它體積小，使用方便且價格便宜；缺點是不能輸入和編輯圖形程序，不夠直觀，一般用來給小型可編程控制器編程，或用于可編程控制器控制系統(tǒng)的現(xiàn)場調(diào)試和維修。圖形編程器：是獨立的專用計算機系統(tǒng)，有多種功能和多個接口，可以脫機直接生成和編輯梯形圖程序，能監(jiān)視全部程序的運行。方便、直觀、價格高，只用于大型復雜控制系統(tǒng)。其他外圍設(shè)備①盒式磁帶機：用以記錄程序或信息。②打印機：用以打印程序或制表。③EPROM寫入器：用以將程序?qū)懭胗脩鬍FROM中。④高分辨率大屏幕彩色圖形監(jiān)控系統(tǒng)：用以顯示或監(jiān)視有關(guān)部分的運行狀態(tài)。電源部件交流電（AC）:

一般為單相220V，也有采用交流100V直流電（DC）：一般為24V電源單元還提供掉電保護電路和后備電池電源，以維持部分RAM存儲器的內(nèi)容在外界電源斷電后不會丟失。在控制面板上通常有發(fā)光二極管（LED）指示電源的工作狀態(tài)，便于判斷電源工作是否正常。電源

電源單元是將外界提供的電源轉(zhuǎn)換成PLC的工作電源后，提供給PLC。有些電源單元也可以作為負載電源，通過PLC的I/O接口向負載提供直流24V電源。PLC的電源一般采用開關(guān)電源，輸入電壓范圍寬，抗干擾能力強。電源單元的輸入與輸出之間有可靠的隔離，以確保外界的擾動不會影響到PLC的正常工作。7.3.2PLC的基本工作原理1.PLC的等效電路收集被控設(shè)備的信息或操作命令按用戶程序的控制要求對輸入信息進行運算處理驅(qū)動外部負載PLC將輸入信息采入PLC內(nèi)部再執(zhí)行邏輯部件組合后所達到的邏輯功能最后輸出達到控制要求2.PLC的工作原理3.工作方式

采用循環(huán)掃描工作方式：系統(tǒng)周而復始地依一定的順序完成一系列的具體的工作，這種工作方式叫做循環(huán)掃描工作方式。PLC系統(tǒng)正常工作所要完成的任務包括：

①PLC內(nèi)部各工作單元的調(diào)度、監(jiān)控；②PLC與外圍設(shè)備間的通信；③用戶程序所要完成的工作等。7.3.2PLC的基本工作原理其中，用戶程序的完成可分為以下三個階段：輸入處理階段輸出處理階段程序執(zhí)行階段根據(jù)PLC梯形圖程序的掃描原則，按先左后右，先上后下的步序，逐句掃描，執(zhí)行程序。將輸出映像寄存器中寄存器的狀態(tài)，轉(zhuǎn)存到輸出鎖存器，通過隔離電路，驅(qū)動功率放大電路，使輸出端子向外界輸出控制信號，驅(qū)動外部負載。

PLC順序讀入所有輸入端子的狀態(tài)，并將讀入的信息存入內(nèi)存中所對應的輸入映像寄存器。PLC用戶程序執(zhí)行階段掃描工作過程如圖所示。++掃描周期（重要指標）自檢時間讀入一點時間×輸入點數(shù)+程序步數(shù)×運算速度輸出一點時間×輸出點數(shù)T=

PLC控制與繼電器控制的區(qū)別

在繼電器控制線路中，采用并行工作方式；而在梯形圖的控制線路中，采用串行工作方式。

組成器件不同：繼電器控制線路是許多真正的硬件繼電器組成，而梯形圖則由許多所謂“軟繼電器”組成。

觸點數(shù)量不同：硬繼電器的觸點數(shù)量有限，用于控制的繼電器的觸點數(shù)一般只有4～8對；而梯形圖中每個“軟繼電器”供編程使用的觸點數(shù)有無限對。實施控制的方法不同：在繼電器控制線路中，實現(xiàn)某種控制是通過各種繼電器之間硬接線解決的。而PLC控制是通過梯形圖即軟件編程解決的。工作方式不同：輸入/輸出滯后現(xiàn)象

與PLC的集中輸入集中刷新、程序循環(huán)執(zhí)行、輸入濾波器造成的時間常數(shù)、輸出繼電器機械滯后以及程序設(shè)計不當?shù)母郊佑绊懙扔嘘P(guān)。多重輸出不允許關(guān)于步進梯形圖多重輸出的情況，將在后面具體講述的PLC指令時予以介紹。PLC的控制結(jié)果有一定的特殊性：最大限度地滿足被控對象的控制要求。在滿足控制要求的前提下，力求使控制系統(tǒng)簡單、經(jīng)濟，使用及維修方便。

保證控制系統(tǒng)的安全、可靠。

考慮到生產(chǎn)的發(fā)展和工藝的改進，在選擇PLC容量時，應適當留有余量。7.4PLC應用系統(tǒng)設(shè)計的基本內(nèi)容和步驟7.4.1可編程序控制