第1章-可編程控制器

周美蘭周封王岳宇編著PLC電氣控制與組態(tài)設計河南科技學院自動控制教研室第一章可編程控制器的基本知識

繼電器產生于19世紀中后期，到了20世紀初期，開始在生產機械控制系統(tǒng)中得到廣泛應用。生產機械的控制系統(tǒng)，大多采用繼電-接觸器控制系統(tǒng)，即各種繼電器、接觸器及其觸點按一定的邏輯關系用導線連接起來組成的控制系統(tǒng)，控制各種生產機械。它具有結構簡單、價格低廉、容易操作等優(yōu)點，適應于工作模式固定，要求比較簡單的場合，目前應用仍比較廣泛。從20世紀30年代開始，機械加工企業(yè)為了提高生產效率，采用機械化流水作業(yè)的生產方式，對不同類型的部件或產品分別組成自動生產線。隨著產品機型的更新?lián)Q代，生產線承擔的加工對象也隨之改變，這就需要改變控制程序，使生產線的機械設備按新的工藝過程運行，而繼電接觸器控制系統(tǒng)是采用固定接線的，很難適應這個要求。大型自動生產線的控制系統(tǒng)，使用的繼電器數(shù)量很多，這種有觸點的電器工作頻率較低，在頻繁動作情況下壽命較短，從而造成系統(tǒng)故障，使生產線的運行可靠性降低。第一節(jié)可編程控制器的產生和發(fā)展一、可編程控制器的產生

（一）產生原因1.繼電接觸器控制系統(tǒng)特點（1）繼電接觸器控制裝置采用的是固定接線方式，是一種專用控制裝置，一旦生產過程有所變動，就需重新設計線路和連線安裝。（2）要求比較復雜的控制系統(tǒng)，采用繼電接觸器控制就相當麻煩。2.繼電接觸器控制系統(tǒng)優(yōu)缺點

（1）繼電接觸器控制系統(tǒng)優(yōu)點：結構簡單，價格低廉，容易操作，抗干擾能力強等。它是機床和其他許多機械設備廣泛采用的基本電氣控制形式，也是學習更先進電氣控制系統(tǒng)的基礎。（2）繼電接觸器控制系統(tǒng)缺點：固定接線方式，靈活性差，工作頻率低、觸點易損壞，可靠差等因此，這種裝置存在著設計制造周期長，維修困難、通用性和靈活性較差等缺點，不利于產品的迅速更新?lián)Q代。迫切需要新型先進的自動控制裝置。舉例：

美國通用汽車公司汽車生產線。

早期采用繼電接觸器控制裝置進行控制復雜的繼電器控制系統(tǒng)

繼電器邏輯電路配線復雜（實例圖）一、可編程控制器的產生（二）產生背景：1技術背景

20世紀60年代初期，電子技術的發(fā)展推動了控制電路的電子化，晶體管等無觸點器件的應用，促進了控制裝置的小型化和可靠性的提高；研制出矩陣式順序控制器和晶體管邏輯控制系統(tǒng)來代替繼電接觸器控制系統(tǒng)，由于這些控制裝置本身存在某些不足，均未能獲得廣泛應用

60年代中期，小型計算機被應用到過程控制領域，大大提高了控制系統(tǒng)的性能。但當時計算機價格昂貴，編程很不方便，輸入/輸出信號與工業(yè)現(xiàn)場不兼容。因而沒能在工業(yè)控制中得到推廣與應用

2社會背景

20世紀60年代末期，西方工業(yè)國家出現(xiàn)經濟危機，作為工業(yè)龍頭的汽車工業(yè)受到沉重打擊。美國通用汽車公司（GeneralMotorsCorporation，GM）為了在激烈的市場競爭中戰(zhàn)勝對手，擺脫困境，制定出多品種、小批量、不斷推出新車型來吸引顧客的戰(zhàn)略。但原有的控制系統(tǒng)由繼電器和接觸器等組成，靈活性差，不能滿足生產工藝不斷更新的需要。（三）產生的年代

1968年美國通用汽車公司（GM），為了適應汽車型號的不斷更新，生產工藝不斷變化的需要，實現(xiàn)小批量、多品種生產，希望能有一種新型工業(yè)控制器，它能做到：盡可能減少重新設計和更換繼電器控制系統(tǒng)及接線，以降低成本，縮短周期。提出把計算機的完備功能、靈活性及通用性好等優(yōu)點，與繼電接觸器控制系統(tǒng)的簡單易懂、操作方便、價格低廉等優(yōu)點結合起來，做成一種能適應工業(yè)環(huán)境的通用控制裝置，并把編程方法和程序輸入方式加以簡化，使得不熟悉計算機的人員也能很快掌握它的使用技術。根據(jù)這一設想，因此，要求制造商為其裝配線提供一種新型的通用程序控制器，并提出10項招標指標。

一、可編程控制器的產生著名的GM10條編程簡單，可在現(xiàn)場修改程序；可靠性高于繼電器控制柜；體積小于繼電器控制柜；維護方便，最好是插件式；可將數(shù)據(jù)直接送入管理計算機；在成本上可與繼電器控制柜競爭；輸入可以是交流115V；輸出為交流115V、2A以上，能直接驅動電磁閥等；在擴展時，原系統(tǒng)只需很小變更；用戶程序存貯器容量至少能擴展到4K。這10項指標實際上就是現(xiàn)在PLC的最基本的功能。其核心要求可歸納為4點：1.計算機代替繼電器控制盤。2.用程序代替硬接線3.輸入/輸出電平可與外部裝置直接相聯(lián)。4.結構易于擴展。一、可編程控制器的產生工業(yè)現(xiàn)場一、可編程控制器的產生可編程控制器的定義

1969年，美國數(shù)據(jù)設備公司(DEC)研制出世界上第一臺可編程控制器，并成功地應用在GM公司的生產線上。這一時期它主要用于順序控制，只能進行邏輯運算，故稱為可編程邏輯控制器，簡稱PLC(ProgrammableLogicController)。

70年代后期，隨著微電子技術和計算機技術的迅猛發(fā)展，使PLC從開關量的邏輯控制擴展到數(shù)字控制及生產過程控制領域，真正成為一種電子計算機工業(yè)控制裝置，故稱為可編程控制器，簡稱PC(ProgrammableController)。但由于PC容易和個人計算機(PersonalComputer)相混淆，故人們仍習慣地用PLC作為可編程控制器的縮寫。二.可編程控制器的定義1985年1月，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)境下應用而設計。它采用可編程序的存儲器，用來在其內部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術運算等操作的指令，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過程。可編程控制器及其有關外圍設備，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計”。第二節(jié)可編程控制器的特點及分類

PLC的主要特點1.可靠性高、抗干擾能力強。主要有以下幾個方面：隔離(采用光電耦合器)濾波對PLC的內部電源采取了屏蔽、穩(wěn)壓、保護等措施。設置了連鎖、環(huán)境檢測與診斷、Watchdog等電路。利用系統(tǒng)軟件定期進行系統(tǒng)狀態(tài)、用戶程序、工作環(huán)境和故障檢測。對用戶程序及動態(tài)工作數(shù)據(jù)進行電池備份。采用密封、防塵、抗振的外殼封裝結構。以集成電路為基本元件，內部處理過程不依賴于機械觸點。采用循環(huán)掃描的工作方式，也提高了抗干擾能力。

可實現(xiàn)三電一體三電是指電控、電儀、電傳。根據(jù)工業(yè)自動化系統(tǒng)的分類，對于開關量的控制，即邏輯控制系統(tǒng)，繼電接觸器控制裝置，稱為電控裝置。對于慢的連續(xù)控制，即過程控制系統(tǒng)，采用的是電動儀表控制，稱為電儀裝置。對于快的連續(xù)量控制，即運動控制系統(tǒng)，采用的是電傳控制，稱為電傳裝置。

PLC集電控、電儀和電傳于一體。一臺控制裝置既有邏輯控制功能，又有過程控制功能，還有運動控制功能，可以方便、靈活地適應各種工業(yè)控制的需要。

3.PLC與傳統(tǒng)的繼電器邏輯比較

（1）可靠性高、邏輯功能強、體積小。（2）在需要大量中間繼電器、時間繼電器及計數(shù)繼電器的場合，PLC無需增加硬設備（PLC有大量的內部繼電器、定時器和計數(shù)器）。（3）隨著要求的變更，PLC對程序修改方便。繼電器線路要想改變控制功能，必須變更硬接線，靈活性差。

（4）具有網絡通訊功能，可附加高性能模塊對模擬量進行處理，實現(xiàn)各種復控制功能。

PLC與工業(yè)控制計算機相比

(1)PLC一般是由電氣控制器的制造廠家研制生產，各廠家的產品不通用。而工業(yè)控制計算機是由通用計算機推廣應用發(fā)展起來的，一般由微機廠、芯片及板卡制造廠開發(fā)生產。它在硬件結構方面的突出優(yōu)點是總線標準化程度高，產品兼容性強。(2)PLC繼承了繼電器系統(tǒng)的基本格式和習慣，對于有繼電器系統(tǒng)方面知識和經驗的人來說，尤其是現(xiàn)場的工程技術人員，學習起來十分方便。(3)PLC的運行方式與工業(yè)控制計算機不同，微機的許多軟件，PLC不能直接使用。而工業(yè)控制計算機可使用通用微機的各種編程語言，對要求快速、實時性強、模型復雜的工業(yè)對象的控制占有優(yōu)勢。但它要求使用者具有一定的計算機專業(yè)知識。(4)PLC和工業(yè)控制計算機都是專為工業(yè)現(xiàn)場應用環(huán)境而設計的。都具有很高的可靠性。(5)PLC一般具有模塊結構，可以針對不同的對象進行組合和擴展?？删幊炭刂破鞯陌l(fā)展PLC發(fā)展過程大致可分三個階段

1.第一代PLC（20世紀70年代至80年代中期）以單機為主，發(fā)展硬件技術，研發(fā)各種PLC機型

2.第二代PLC（20世紀80年代中期至80年代末期）適應柔性制造系統(tǒng)、加強軟件開發(fā)、提高通信能力

3.第三代PLC（20世紀90年代至今）適應計算機集成制造系統(tǒng)發(fā)展，研發(fā)多CPU系統(tǒng)

1.按結構形式分整體式PLC

將電源、CPU、I/O接口等部件都集中裝在一個機箱內，具有結構緊湊、體積小、價格低等特點。一般超小型或小型PLC采用這種結構，適合于單電動機控制的場合二可編程控制器的分類模塊式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。一般中型PLC采用這種結構，適合于多電動機控制的場合。單板式PLC

2.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、算術運算、數(shù)據(jù)傳送和比較、數(shù)制轉換、遠程I/O、子程序、通信聯(lián)網等功能。有些還增設中斷、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)網功能。二

可編程控制器的分類一可編程控制器的分類

3.

按I／O點數(shù)和程序容量分類分類I／0點數(shù)程序容量超小型機64點以內256～1000字節(jié)小型機64～2561～3.6K字節(jié)中型機256～20483.6～13K字節(jié)大型機2048以上13K字節(jié)以上一、PLC的應用場合邏輯控制

：可取代傳統(tǒng)繼電器系統(tǒng)和順序控制器。如各種機床、自動電梯、裝配生產線、電鍍流水線、運輸和檢測等的控制。運動控制：通過配合PLC使用的專用智能模塊，可以對步進電動機或伺服電動機的單軸或多軸系統(tǒng)實現(xiàn)位置控制，可用于精密金屬切削機床、機械手、機器人等設備的控制。過程控制

：通過配用A／D、D／A轉換模塊及智能PID模塊實現(xiàn)對生產過程中的溫度、壓力、流量、速度等連續(xù)變化的模擬量進行閉環(huán)調節(jié)控制。

第三節(jié)

可編程控制器的應用場合和發(fā)展趨勢

4．機械加工的數(shù)字控制：

PLC和計算機數(shù)控（CNC）裝置組合成一體，可以實現(xiàn)數(shù)值控制，組成數(shù)控機床5．機器人控制：應用PLC可實現(xiàn)對機器人的控制。德國西門子制造的機器人就是采用本公司生產的16位PLC組成的控制裝置進行控制的。6．多級控制：多級控制是指利用PLC的網絡通信功能模塊及遠程I／O控制模塊實現(xiàn)多臺PLC之間的鏈接、PLC與上位計算機的鏈接，這種方式，能夠完成較大規(guī)模的復雜控制，甚至實現(xiàn)整個工廠生產的自動化。2023/2/326二、可編程控制器的發(fā)展趨勢1、在系統(tǒng)構成規(guī)模上向大、小兩個方向發(fā)展；2、功能不斷增強，各種應用模塊不斷推出；3、產品更加規(guī)范化、標準化。第四節(jié)可編程控制器的基本結構PLC的系統(tǒng)結構二、PLC硬件系統(tǒng)組成外部設備現(xiàn)場用戶輸出設備微處理器（CPU）運算器控制器輸出部件輸入部件系統(tǒng)存儲器用戶存儲器I/O擴展接口通訊及編程接口編程設備計算機打印機等傳感器按鈕、開關現(xiàn)場信號電磁閥中間繼電器執(zhí)行器現(xiàn)場用戶輸入設備擴展設備擴展單元通訊模塊功能模塊電源變換器～110V/220V市電PLC基本單元PLC系統(tǒng)結構示意圖PLC各部分的作用中央處理單元（CPU）主要由運算器、控制器、寄存器及實現(xiàn)它們之間聯(lián)系的地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線等構成。PLC的整體性能

取決于CPU性能?？刂破骺刂芇LC工作，由它讀取指令，解釋并執(zhí)行指令。運算器在控制器的指揮下工作，用于完成算術或邏輯運算。寄存器在控制器的指揮下工作，參與運算，并存儲運算的中間結果。

CPU是PLC的核心，其功能主要：

接收從編程器或計算機輸入的程序和數(shù)據(jù)并送入用戶程序存儲器中存儲。診斷PLC電源、內部電路的工作狀態(tài)及編制程序中的語法錯誤。對用戶程序進行編譯。采集現(xiàn)場的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并送入PLC的寄存器中。逐條讀取指令，完成各種運算將處理結果的控制信號送至輸出端，操作現(xiàn)場設備。響應各種外部設備的工作請求。存儲器

存儲器（內存）主要用于存儲程序及數(shù)據(jù)，一般包括系統(tǒng)程序存儲器和用戶程序存儲器兩部分（1）系統(tǒng)程序存儲器：用以存放系統(tǒng)管理程序、監(jiān)控程序及系統(tǒng)內部數(shù)據(jù)。PLC出廠前已將其固化在只讀存儲器ROM或PROM中，用戶不能更改。（2）用戶存儲器：包括用戶程序存儲區(qū)及工作數(shù)據(jù)存儲區(qū)。這類存儲器一般由低功耗的CMOS-RAM構成，其中的存儲內容可讀出并更改。注意：

PLC產品手冊中給出的“存儲器類型”和“程序容量”是針對用戶程序存儲器而言的。

3.輸入接口電路（1）直流輸入：采用光電耦合電路，將限位開關、按鈕開關、編碼器等現(xiàn)場輸入設備的控制信號轉換成CPU所能接受和處理的數(shù)字信號。

PLC的輸入接口電路（直流輸入型）

3.輸入接口電路3.輸入接口電路

（2）交流輸入對交流輸入信號，采用光電耦合電路、變壓器或繼電器隔離。4.輸出接口電路

采用光電耦合電路，將CPU處理過的信號轉換成現(xiàn)場需要的強電信號輸出，以驅動接觸器、電磁閥等外部設備的通斷電。輸出方式有三種類型：

繼電器輸出型繼電器輸出型：為有觸點輸出方式，用于接通或斷開開關頻率較低的直流負載或交流負載回路。（b）晶閘管輸出型（c）晶體管輸出型（NPN集電極開路）（d）

晶體管輸出型（PNP集電極開路）晶體管輸出型：為無觸點輸出方式，用于接通或斷開開關頻率較高的直流電源負載。晶閘管輸出型：為無觸點輸出方式，用于接通或斷開開關頻率較高的交流電源負載。5.輸入輸出I／0擴展接口

若主機單元的I／O點數(shù)不能滿足需要時，可通過此接口用扁平電纜線將I／O擴展單元與主機相連，以增加I／O點數(shù)。PLC的最大擴展能力主要受CPU尋址能力和主機驅動能力的限制。

6.電源

PLC的電源是指將外部輸入的交流電處理后轉換成滿足PLC的CPU、存儲器、輸人輸出接口等內部電路工作需要的直流電源或電源模塊。許多PLC的直流電源采用直流開關穩(wěn)壓電源，不僅可提供多路獨立的電壓（5V、12V），供內部電路使用，而且還可為輸入設備提供標準電源（24V）

。7.編程器

（1）手持編程器

手持編程器采用助記符語言編程，具有編輯、檢索、修改程序、進行系統(tǒng)設置、內存監(jiān)控等功能?？梢粰C多用，具有使用方便、價格低廉的特點。缺點：不夠直觀（2）計算機編程器

計算機編程器采用梯形圖語言編程，可通過PLC的RS232外設通訊口(或RS422口配以適配器)與計算機聯(lián)機，利用專用工具軟件（NPST－GR、FPSOFT、FPWIN－GR）對PLC進行編程和監(jiān)控。利用計算機進行編程和監(jiān)控，比手持編程工具更加直觀和方便。第五節(jié)可編程控制器的原理及技術性能一、PLC的工作原理（1）繼電器控制裝置運行方式：硬邏輯并行運行。

采用硬邏輯并行運行的方式。即如果一個繼電器的線圈通電或斷電，該繼電器的所有觸點（常開/常閉觸點）不論在控制線路的哪個位置，都會立即同時動作。（2）PLC的運行方式：周期性循環(huán)掃描。

PLC采用順序逐條地掃描用戶程序的運行方式，如果一個線圈接通或斷開，該線圈的所有觸點不會立即動作，必須等掃描到該觸點時才會動作。

CPU掃描用戶程序，從第一條指令開按指令步序號作周期性的循環(huán)掃描，如果無跳轉指令,則從第一條指令開始逐條順序執(zhí)行用戶程序，直至遇到結束符后又返回第一條指令，周而復始不斷循環(huán)。（3）微機運行方式：等待命令等待輸入命令、響應中斷的工作方式。如:常見的鍵盤掃描方式或I/O掃描方式一

.PLC的工作原理

一個掃描周期主要分為三個階段：

輸入刷新階段程序執(zhí)行階段輸出刷新階段

第一步是采樣階段通過輸入接口把所有輸入端子的信號狀態(tài)進入緩沖寄存器(鎖存器)，等待CPU的采樣。當CPU采樣（刷新）時，輸入信號由緩沖區(qū)進入映像區(qū)，即刷新輸入信號的原有狀態(tài)（由于PLC的掃描周期很短，一般只有幾十毫秒，兩次采樣間隔很短，可近似認為信號沒有因為間隔采樣而引起誤差）。第二步掃描用戶程序

（包括監(jiān)視與執(zhí)行兩部分操作）。根據(jù)本周期輸入信號的狀態(tài)和上周期輸出信號的狀態(tài)，對用戶程序逐條進行運算處理，將結果送到輸出映像寄存器。第三步進行輸出刷新將輸出映像寄存器中的內容通過輸出輸出鎖存器（輸出接口電路）依次輸出到PLC的輸出端子（刷新后的每種輸出狀態(tài)，要保持到下次刷新為止）。一

.PLC的工作原理輸入刷新

程序執(zhí)行輸出刷新

一個掃描周期輸入采樣

PLC的掃描工作過程用戶輸出設備輸入端子輸入緩沖鎖存器

輸入映象寄存器

輸出映象寄存器輸出緩沖鎖存器

輸出端子程序執(zhí)行

用戶輸入設備寫讀讀一.PLC的工作原理

由于輸入刷新階段是緊接輸出刷新階段后馬上進行的，所以亦將這兩個階段統(tǒng)稱為I／O刷新階段。實際上，除了執(zhí)行程序和I／O刷新外，PLC還要進行各種錯誤檢測(自診斷功能)并與編程工具通訊，這些操作統(tǒng)稱為“監(jiān)視服務”。一般在程序執(zhí)行后進行。掃描周期的長短主要取決于程序的長短。由于每一個掃描周期只進行一次I／0刷新，故使系統(tǒng)存在輸入、輸出滯后現(xiàn)象。這對于一般的開關量控制系統(tǒng)不但不會造成影響，反而可以增強系統(tǒng)的抗干擾能力。但對于控制時間要求較嚴格、響應速度要求較快的系統(tǒng)，就需要精心編制程序，必要時采用一些特殊功能，以減少因掃描周期造成的響應滯后。

I／0響應滯后既與掃描方式和電路慣性有關，還與程序設計安排有關PLC的主要技術指標輸入／輸出點數(shù)（I/O點數(shù)）內存容量注意：

“內存容量”實際是指用戶程序容量，不包括系統(tǒng)程序存儲器的容量。

掃描速度(單位：ms／k或μs/步。)指令條數(shù)內部繼電器和寄存器數(shù)目編程語言及編程手段高級模塊主控模塊可實現(xiàn)基本控制功能，高級模塊可實現(xiàn)一些特殊的專門功能。如A／D和D／A轉換模塊等。

PLC的內存分配及I／O點數(shù)I／0繼電器區(qū)：

I／0區(qū)的寄存器可直接與PLC外部的輸入、輸出端子傳遞信息，具有“繼電器”的功能，有自己的“線圈”和“觸點”。故常稱為“I／0繼電器區(qū)”。內部通用繼電器區(qū)：只能在PLC內部使用，其作用與中間繼電器相似，在程序控制中可存放中間變量。數(shù)據(jù)寄存器區(qū)：只能按字使用，不能按位使用。一般只用來存放各種數(shù)據(jù)。

特殊繼電器、寄存器區(qū)：被系統(tǒng)內部占用，專門用于某些特殊目的，一般不能由用戶任意占用。

系統(tǒng)寄存器區(qū)：用來存放各種重要信息和參數(shù)。通過用戶程序，不能讀取和修改系統(tǒng)寄存器的內容。

四可編程控制器的應用領域（按行業(yè)分）四可編程控制器的應用領域制面機四可編程控制器的應用領域音樂噴泉四可編程控制器的應用領域工業(yè)洗衣機四可編程控制器的應用領域四可編程控制器的應用領域四可編程控制器的應用領域四可編程控制器的應用領域四可編程控制器的應用領域四可編程控制器的應用領域

第六節(jié)PLC的幾種編程語言不采用微機的編程語言，采用梯形圖語言、指令助記符語言、控制系統(tǒng)流程圖語言、布爾代數(shù)語言等。其中梯形圖、指令助記符語言最為常用。

PLC的設計和生產至今尚無國際統(tǒng)一標準，不同廠家所用語言和符號也不盡相同。但它們的梯形圖語言的基本結構和功能是大同小異的。

梯形圖語言

梯形圖是在原繼電器—接觸器控制系統(tǒng)的繼電器梯形圖基礎上演變而來的一種圖形語言。它是目前用得最多的PLC編程語言。

注意：梯形圖表示的并不是一個實際電路而只是一個控制程序，其間的連線表示的是它們之間的邏輯關系，即所謂“軟接線”。常開觸點：常閉觸點：線圈：

注意：它們并非是物理實體，而是“軟繼電器”。每個“軟繼電器”僅對應PLC存儲單元中的一位。該位狀態(tài)為“1”時，對應的繼電器線圈接通，其常開觸點閉合、常