第4章 可编程序控制器

一、可编程控制器概述二、可编程控制器的基本原理三、可编程控制器的性能指标本章主要讲解…第4章可编程序控制器4.1可编程控制器的定义及历史4.1概述是一种工业控制装置是在电器控制技术和计算机技术的基础上开发出来的，并逐渐发展成为以微处理器为核心，将自动化技术、计算机技术、通信技术融为一体的新型工业控制装置。通用叫法中文名称为可编程控制器；1.什么是PLC？可编程控制器的定义：1980年正式将可编程序控制器命名为PC(ProgrammableController)，常将可编程序控制器简称为PLC。1980年PLC定义：可编程序控制器是一种带有指令存储器、数字的或模拟的输入/输出接口，以位运算为主，能完成逻辑、顺序、定时、计数和运算等功能，用于控制机器或生产过程的自动化控制装置。1987年国际电工委员会对PLC作了如下的定义：PLC是一种数字运算的电子系统，专为工业环境下应用而设计。它采用可编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、定时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关的外围设备，都应按照易于与工业控制系统形成一个整体、易于扩展其功能的原则而设计。2.可编程控制器的产生背景：1968年美国通用汽车公司（GM），为了适应汽车型号的不断更新，生产工艺不断变化的需要，实现小批量、多品种生产，希望能有一种新型工业控制器，它能做到尽可能减少重新设计和更换继电器控制系统及接线，以降低成本，缩短周期。1968年，GM公司提出十项设计标准：编程简单，可在现场修改程序；维护方便，采用插件式结构；可靠性高于继电器控制柜；体积小于继电器控制柜；成本可与继电器控制柜竞争；可将数据直接送入计算机；可直接使用115V交流输入电压；输出采用115V交流电压，能直接驱动电磁阀、交流接触器等；通用性强，扩展方便;能存储程序，存储器容量可以扩展到4KB。1969年，美国数字设备公司研制第一台可编程控制器，并应用于工业现场。4.1.2可编程控制器的特点无触点免配线，可靠性高，抗干扰能力强通用性强，控制程序可变，使用方便硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强编程简单，容易掌握系统的设计、安装、调试工作量少维修工作量小，维护方便体积小，能耗低.4.1.3.可编程控制器的应用与发展发展：高性能、高速度、大容量发展为了提高PLC的处理能力，要求PLC具有更好的响应速度和更大的存储容量。目前，有的PLC的扫描速度可达0.1ms/k步左右。PLC的扫描速度已成为很重要的一个性能指标。在存储容量方面，有的PLC最高可达几十兆字节。为了扩大存储容量，有的公司已使用了磁泡存储器或硬盘。向小型化和大型化两个方向发展小型PLC由整体结构向小型模块化结构发展，使配置更加灵活，为了市场需要已开发了各种简易、经济的超小型微型PLC，最小配置的I/O点数为8～16点，以适应单机及小型自动控制的需要。大型化是指大中型PLC向大容量、智能化和网络化发展，使之能与计算机组成集成控制系统，对大规模、复杂系统进行综合性的自动控制。现已有I/O点数达14336点的超大型PLC，其使用32位微处理器，多CPU并行工作和大容量存储器，功能强。大力开发智能模块，加强联网与通信能力为满足各种控制系统的要求，不断开发出许多功能模块，如高速计数模块、温度控制模块、远程I/O模块、通信和人机接口模块等。PLC的联网与通信有两类：①PLC之间联网通信，各PLC生产厂家都有自己的专有联网手段；②PLC与计算机之间的联网通信。为了加强联网与和通信能力，PLC生产厂家也在协商制订通用的通信标准，以构成更大的网络系统。增强外部故障的检测与处理能力据统计资料表明：在PLC控制系统的故障中，CPU占5%，I/O接口占15%，输入设备占45%，输出设备占30%，线路占5%。前二项共20%故障属于PLC的内部故障，它可通过PLC本身的软、硬件实现检测、处理。而其余80%的故障属于PLC的外部故障。PLC生产厂家都致力于研制、发展用于检测外部故障的专用智能模块，进一步提高系统的可靠性。编程语言多样化在PLC系统结构不断发展的同时，PLC的编程语言也越来越丰富，功能也不断提高。除了大多数PLC使用的梯形图、语句表语言外，为了适应各种控制要求，出现了面向顺序控制的步进编程语言、面向过程控制的流程图语言、与计算机兼容的高级语言（BASIC、C语言等）等。多种编程语言并存、互补与发展是PLC进步的一种趋势。4.2PLC基本结构外部设备现场用户输出设备微处理器（CPU）运算器控制器输出部件输入部件系统存储器用户存储器I/O扩展接口通讯及编程接口编程设备计算机打印机等传感器按钮、开关现场信号电磁阀中间继电器执行器现场用户输入设备扩展设备扩展单元通讯模块功能模块电源变换器～110V/220V市电PLC基本单元PLC系统结构示意图微处理器（CPU）接收并存储用户程序和数据；诊断电源、PLC工作状态及编程的语法错误；接收输入信号，送入数据寄存器并保存；运行时顺序读取、解释、执行用户程序，完成用户程序的各种操作；将用户程序的执行结果送至输出端。4.2.1中央处理单元系统存储器——系统程序存储器+系统数据存储器存放系统工作程序（监控程序）；存放模块化应用功能子程序；存放命令解释程序；存放功能子程序的调用管理程序；存放存储系统参数。4.2.2存储器用户存储器——RAM/EPROM/EEPROM存放用户工作程序；存放工作数据。4.2.3输入/输出接口输入/输出(I/O)是PLC和工业控制现场各类信号连接的部件。PLC通过输入接口把工业现场的状态信息读入,输入部件接收是从开关、按钮、继电器触点和传感器等输入的现场控制信号,通过用户程序的运算与操作,对输入信号进行滤波、隔离、电平转换等,把输入信号的逻辑值准确、可靠地传入PLC内部。并将这些信号转换成中央处理器能接收和处理的数字信号，把结果通过输出接口输出给执行机构。PLC通过输出接口，接收经过中央处理器处理过的输出的数字信号,并把它转换成被控制设备或显示装置所能接收的电压或电流信号,从而驱动接触器、电磁阀和指示器件等。输入单元——带光电隔离电路接收开关量及数字量信号（数字量输入单元）；接收模拟量信号（模拟量输入单元）；接收按钮或开关命令（数字量输入单元）；接收传感器输出信号。Y0COMX0X0COM1Y0X0X1Y0Y0Y0X0X0常开触点常闭触点输入信号输入端子梯形图电源公共端输入继电器输出继电器公共端输出端子输出负载Y0COMX0X0COM1Y0X0X1Y0Y0Y0X0X0常开触点常闭触点输入信号输入端子梯形图电源公共端输入继电器输出继电器公共端输出端子输出负载输出单元——带光电隔离器及滤波器驱动直流负载（晶体管输出单元）；驱动非频繁动作的交/直流负载（继电器输出单元）；驱动频繁动作的交/直流负载（晶闸管输出单元）。Y0COMX0X0COM1Y0X0X1Y0Y0Y0X0X0常开触点常闭触点输入信号输入端子梯形图电源公共端输入继电器输出继电器公共端输出端子输出负载Y0COMX0X0COM1Y0X0X1Y0Y0Y0X0X0常开触点常闭触点输入信号输入端子梯形图电源公共端输入继电器输出继电器公共端输出端子输出负载4.2.4电源模块电源部件是把交流电转换成直流电源的装置,它向PLC提供所需要的高质量直流电源。可编程控制器电源包括各工作单元供电的开关稳压电源和掉电保护电源（一般为电池）。PLC电源与普通电源相比稳定性好、抗干扰能力强。许多PLC还向外提供DC24V稳压电源，用于对外部传感器供电。4.2.5编程器编程器是PLC必不可少的重要外围设备。它的主要作用是进行编辑、输入用户程序、检查、调试、修改，用来监视PLC的工作状态。也可在线监控PLC内部状态和参数，与PLC进行人机对话。它是开发、应用、维护PLC不可缺少的设备。4.2.6其它接口其它接口包括外存储器接口、BEPPROM写入器接口、A/D转换接口、D/A转换接口、远程通信接口、与计算机相连的接口、打印机接口、与CRT相连的接口等。4.3PLC的基本工作原理4.3.1扫描工作方式PLC采用周期循环扫描的工作方式，扫描过程包括：内部处理、通信操作、程序输入处理、程序执行、程序输出几个阶段。全过程扫描一次所需的时间称为扫描周期。内部处理阶段，PLC检查CPU模块的硬件是否正常，复位监视定时器等。在通信操作服务阶段，PLC与一些智能模块通信、响应编程器键入的命令，更新编程器的显示内容等，当CPU处于停(STOP)状态时，只进行内部处理和通信操作服务等；CPU处于运行(RUN)状态时，从内部处理、通信操作、程序输入、程序执行、程序输出，一直循环扫描工作。电源ON内部处理通信处理CPU运行方式输入扫描程序执行输出处理NY4.3.2工作过程输入端子扫描输入映像寄存器程序执行元件映像寄存器输出锁存器输出端子刷新写读输入输出输入采样阶段程序执行阶段输出刷新阶段1）输入采样阶段：PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入输入映像寄存器中。2）程序执行阶段：根据PLC梯形图程序扫描原则，PLC按先左后右，先上后下的顺序逐句扫描。处理结果存入元件映像寄存器中。3）输出刷新阶段：当所有指令执行完毕，PLC就进入输出刷新阶段。输出映像寄存器的状态被送至输出锁存器中，并通过一定的方式（继电器、晶体管或晶闸管）输出，驱动相应输出设备工作。四个过程PLC工作的4个过程都是在输入扫描过程之后进行的。（1）系统自监测。检查程序执行过程，程序执行是否正确,如果超时则会停止中央处理器的工作。（2）与编程器交换信息,这个过程，只有使用编程器输入和调试程序时才执行。（3）与数字处理器交换信息,这个过程，也只有在PLC中配置有专用数字处理器时才执行。（4）网络通信,这个过程，也只有当PLC配置有网络通信模块时,应与通信对象进行数据交换。4.4PLC的主要性能指标和分类4.4.1几个术语位、数字、字节及字等术语：位指二进制的一位,仅有0、1两种取值。一个位对应PLC一个继电器,某位的状态为0或1,分别对应继电器线圈断电或通电。4位二进制数构成一个数字,这个数字可以是0000-1001(十进制),也可以是0000～1111(十六进制)。2个数字或8位二进制数构成一个字节。2个字节构成一个字。在PLC术语中,字称为通道。一个字含16位,或者说一个通道含16个继电器。4.4.2PLC的性能指标1.编程语言种类PLC常用的编程语言有梯形图语言、语句表语言、流程图语言及某些高级语言等，使用最多的是前两者。2.存储容量小型机内存为1K到几K，中型机为几K至几百K，大型机几百K至2M字节。3.输入输出（I/O）总点数输入输出（I/O）点数越多，控制规模就越大。目前输入输出点数为8～14336点。4.扫描速度目前最快的能达到0.75ms/K字逻辑运算程序。5.PLC内部继电器的种类有如输入继电器、输出继电器、辅助继电器、定时器、计数器、特殊继电器、数据寄存器、状态继电器等。6.扩展能力大部分PLC用I/0扩展单元进行I/O点数的扩展。7.工作环境工作环境的温度0～5000C8.其它4.4.3PLC的分类1.按输入/输出点数分类（1）超小型PLC：输入输出（I/O）点数在64点以下,用户程序存储器容量通常在1～2KB。（2）小型PLC：输入输出（I/O）点数在64～256之间,用户程序存储器容量通常在2～4KB。（3）中型PLC：输入输出点数在256～512点之间,用户程序存储器容量通常在2～8K字。（4）大型PLC：入输出点数在512～8192之间，用户程序存储器容量通常在8K～64KB。（5）超大型PLC：入输出点数在8192以上，用户程序器容量大于64KB，目前已有I/O点数达14336点的超大型PLC，使用32位微处理器。2．按结构形式分类（1）整体式：整体