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第一章可编程序控制器概述可编程序控制器(ProgrammabIeLogiccontroller，简称PLC)，它是以微处理器为核心的通用工业控制装置，是在继电器一接触器控制基础上发展起来的。第一节PLC的产生、定义及分类一、PLC的产生PLC产生以前，以各种继电器为主要元件的电气控制线路承担着生产过程自动控制的艰巨任务。这些器件组成的控制系统需要大量的导线，大量的控制柜，占据大量的空间。当这些继电器运行时义产生大量的噪声，消耗大量的电能。20世纪60年代末期，美国的汽车制造业竞争激烈。各生产厂家的汽车型号不断更新，它必然要求生产线的控制亦随之改变，以及对整个控制系统重新配置。为此要寻求一种比继电器更可靠、响应速度更快、功能更强大的通用工业控制器。GM公司提出了著名的10条技术指标在社会上招标，要求控制设备制造商为其生产线提供一种新型的通用工业控制器，它应具有以下特点：①编程简单，可在现场修改程序；②维修方便，采用插件式结构；③可靠性高于继电器控制装置④体积小于继电器控制盘⑤数据可直接进入管理计算机；⑥成本可与继电器控制盘竞争；⑦输入可以是交流115V(美国电压标准)：⑧输出为交流115V，2A以上⑨扩展时原系统改变最小：⑩用户存储器至少能扩展到4KB1969年美国数据设备公司（DEC）根据上述要求，研制开发出世界上第一台可编程序控制器，并在GM公司汽车生产线上首次应用功能，取得了显著的经济效益。当时人们把它称为可编程序逻辑控制器（ProgrammableLogicController）,简称PLC。可编程控制器这一新技术的出现，受到国内外工程技术界的极大关注，纷纷投入力量研制。第一个把PLC商品化的是美国的哥德公司(GOULD)，时间也是1969年。1971年，日本从美国引进了这项新技术，研制出日本第一台可编程序控制器。1973~1974年，德国和法国也都相继研制出自己的可编程序控制器，德国西门子公司(SIEMENS)于1973年研制出欧洲第一台PLC。我国从1974年开始研制，1977年开始工业应用。20世纪70年代后期，随着微电子技术和汁算机技术的发展，可编程序逻辑控制器具备更多的计算机功能，不仅用逻辑编程取代硬接线逻辑，还增加了运算、数据传送和处理等功能，真正成为一种电子计算机工业控制装置，而且做到了小型化和超小型化。这种采用微电脑技术的工业控制装置的功能远远超出逻辑控制、顺序控制的范围，故称为可编程序控制器，简称PC（ProgrammableController）。但由于PC容易和个人计算机（PersonalComputer）混淆，故人们仍习惯地用PLC作为可编程序控制器的缩写。二、PLC的定义PLC一直在飞速发展中，因此到现在为止，还未能对其下一个十分确切的定义。1982年11月国际电工委员会以（IEC）曾颁发了可编程序控制器标准草案每一稿，1985年1月发表了第二稿，1987年2月颁布了第三稿。该草案中对可编程序控制器的定义是：“可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境而设计。它采用了可编程的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算，顺序控制、定时、计数和算术运算等操作指令，并通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型机械的生产过程。而有关的外围设备，都应按易于与工业系统连成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。”定义强调了PLC应直接应用于工业环境，它必须具有很强的抗干扰能力，广泛的适应能力和应用范围。这也是区别于一般微机控制系统的一种重要特征。定义强调了PLC是“数字运算操作的电子系统”，它也是一种计算机。它是“专为工业环境下应用而设计的”工业计算机。这种工业计算机采用“面向用户的指令”，因此编程方便，它能完成逻辑运算、顺序控制、定时、计数运算等操作，它还具有数字量和模拟量输入和输出的能力，并且非常容易与工业控制连成一体，易于扩充。应该强调的是，PLC与以往所讲的鼓式、机械式的顺序控制器在“可编程”方面有质的区别。由于PLC引入了微处理器及半导体存储器等新一代电子器件，并用规定的指令进行编程，可以地修改程序，即它是用软件方式来实现“可编程”的目的。三、PLC的分类PLC发展到今天，已经有很多种形式，而且功能也不尽相同，分类时，一般按以下原则来考虑。1、根据控制规模分类PLC控制规模是以所配置的输入/输出点数来衡量的，PLC的I/O点数表时了PLC可从外部接收多少个输入信号和向外部发出多少个输出信号，实际上也就是PLC的输入、输出端子数。根据I/O点数的多少可将PLC分为小型机、中型机和大型机，一般来说，点数多的PLC，功能也相应较强。2、小型机小型PLC的功能一般以开关量控制为主，小型PLC输入、输出总点数一般在256点以下，用户程序存储器容景在4K字左右。现在的高性能小型PLC还具有一定的通信能力和少量的模拟量处理能力，这类PLC的特点是价格低廉、体积小巧，适合于控制单台设备和开发机电一体化产品。典型的小型机有欧姆龙公司的C系列，三菱公司的Fl系列，西门子公司的S5—100U，S7－200系列等。(2)中型机I／0总点数在256~1024之间的称为中型机，它除了具备逻辑运算功能，还增加了模拟量输入/输出、算术运算、数据传送、数据通信等功能，可完成既有开关量又有模拟量的复杂控制。用户程序存储器容量达到8K字左右。中型机的软件比小型机丰富，在已固化的程序内，一般还有PID（比例、积分、微分）调节，整数/浮点运算等功能。中型机的特点是功能强，配置灵活，适用于具有诸如湿度、压力、流量、速度、角度、位置等模拟量控制和大量开关量控制的复杂机械，以及连续生产过程控制场合。（3）大型机I/O总点数在1024点以上的称为大型机，用户程序存储器容量达到16K字以上，大型PLC的功能更加完善，具有数据运算、模拟调节、联网通信、监视记录、打印等功能。大型机的内存容量超过640KB，监控系统采用CRT显示，能够生产过程的工艺流程，记录各种曲线，PID调节参数选择图等，能进行中断控制、智能控制、远程控制等。大型机的特点是I/O点数特别多，控制规模宏大，组网能力强。可用于大规模的过程控制，构成分布式控制系统，或者整个工厂的集散控制系统。典型的PLC大型机有西门子公司的S7-400，欧姆龙公司的CVM1和CS1系列，AB公司的SLC5/05等系列产品。以上划分没有十分严格的界限，随着PLC技术的飞速发展，某些小型PLC也具有中型或大型PLC的功能，这也是PLC的发展趋势。2、根据结构形式分类根据PLC结构形式的不同，可分为整体式、模板式及分散式3种形式。（1）整体式这种结构的特点是将PLC的基本部件，如CPU板、输入板、输出板、电源板等都集中配置在一个箱体中，安装在一个标准机壳内，构成一个整体，有的甚至全部装在一块印制电路板上，组成PLC的一个基本单元（主机）或扩展单元。基本单元上没有扩展端口，通过扩展电缆与扩展单元相连，配有许多专用的特殊功能模块，如模拟量I/O模块、热电偶、热电阻模块、通信模块等，以构成PLC不同的配置。整体式PLC结构紧凑、体积小、重量轻、价格低、容量装配在工业控制设备的内部，比较适合于生产机械的单机控制。这种结构的缺点是主机的I/O点数固定，使用不够灵活，维修也较麻烦。微型和小型PLC一般为整体式结构，如西门子的S7-200系列。（2）模板式这种结构的PLC各部分以单独的模板分开设置。如电源模板、CPU模板、I／0模板、各种功能模板及通信模板等。这种PLC一般设有机架底板(也有的PLC为串行连接，没有底板)，在底板上有若干插座，使用时，各种模板直接插入机架底板即可。各模块功能是独立的，外形尺寸是统一的，可根据需要灵活配置，装备方便、维修简单，易于扩展，一般中，大型PLC多采用这种结构形式。如西门子的S7－300和S7－400系列。这种结构形式的缺点是结构复杂，各种插件多，因而增加了造价。（3）分散式所为分散式的结构就是将PLC的电源、CPU、存储器集中旋转在控制室，而将各I/O模板分散放置在各个工作站，由通信接口进行通信连接，由CPU集中指挥。以上3种形式的可编程序控制的外观结构示意如图1-1所示。3、根据用途分类（1）用于顺序逻辑控制顺序逻辑控制是可编程序控制器的最基本的控制功能，也是PLC应用最多的场合，比较典型的应用如自动电梯的控制，自动仓库的自动存取，各种管道上的电磁阀的自动开启和关闭，带式运输机的顺序起动，或者自动化生产线的多机控制等，这些都是顺序逻辑控制。要完成这类控制，不要求PLC有太多的功能，只要有足够数量的I／O回路即可，因此可选低档的PLC。(2)用于闭环过程控制对于闭环控制系统，除了要用开关量I／0实现顺序逻辑控制外，还要有模拟量的I／0回路，以供采样输入和调节输出，实现过程控制中的PID调协，形成闭环过程控制系统，而中期PLC由于具有数值运算和处理模拟量信号的功能，可以设计出各种PID控制器。随着PLC控制规模的增大，可控制的回路数已从几个增加到几十个甚至几百个，因此可实现比较复杂的闭环控制系统，实现对温度、压力、速度等物理量的连续调节。比较典型的应用如加热炉的温度，锅炉的自动给水控制等。要完成这类控制，不仅要求PLC有足够数量的I/O点，还要有模拟量的处理能力，因此对PLC的功能要求高。根据能处理的模拟量的多少，至于应选用中档PLC。（3）用于多级分布式和集散控制系统对于这样档次的控制要求，除了要求所选用的PLC具有上述的功能外，还要求具有较强的信号功能，以实现各工作站之间的通信，上位机与下位机的通信，最终实现全厂的自动化，形成通信网络。由于近期推出的PLC都具有很强的通信和联网功能，建立一个自动化工厂已成为可能。显然，近期推出的就是档次最高的。（4）根据生产厂家分类PLC的生产厂家众多，各厂家的PLC，其点数、容量、功能各有差异，但都有自成系列，指令及外设向上兼容，因此在选择PLC时，若选择同一系列的产品，则可以使系统构成兼容，操作人员使用方便，备品配件的通用性及兼容性好。比较有代表性的有：日本欧姆龙公司的C系列，三菱公司的F系列，美国AB公司的PLC-5系列，德国西门子公司的S5系列、S7系列等。第二节PLC的特点、主要功能及性能指标一、PLC的特点现代工业生产过程是多种多样的，她们对控制的要求也各不相同，为了能够在各种工业环境中使用PLC，所有生产厂家的PLC都有许多共同的特点。1、抗干扰能力强，可靠性极高工业生产对电气控制设备的可靠性的要求是非常高的，它应具有很强的抗干扰能力，能在很恶劣的环境下（如温度高、湿度大、金属粉尘多、距离高压设备近、有较强的高频电磁干扰等）长期连续可靠地工作，平均无障碍时间长，故障修复时间短。而PLC是专为工业环境设计的，它在电子线路、机械结构以及软件结构上都吸取了生产厂家长期积累的生产控制经验，主要模块均采用大规模与超大规模集成电路，I/O系统设计有完善的通道保护与信号调理电路，在结构上对耐热、防潮、防尘、抗震等都有周到的考虑；在硬件上采用隔离、屏蔽、滤波、接地等抗干扰措施；在软件上采用数字滤波等抗干扰和故障诊断措施，所有这些使PLC具有较高的抗干扰能力。PLC的平均无故障时间通常在几万小时甚至几十万小时以上，这是其他电气控制设备根本做不到的。另外，PLC特有的循环扫描的工作方式，有效地屏蔽了绝大多数的干扰信号。通过这些有效的措施，保障了可编程序控制器的高可靠性。2、编程方便PLC是面向工业企业中一般电气工程技术人员而设计的，设计者充分考虑到现场工作人员的技能和习惯、它采用易于理解和掌握的梯形图语言，以及面向工业控制的简单指令。这种梯形图语言既继承了传统继电器控制线路的表达形式（如线圈、触电、动合、动端），又考虑到工业业余中的的电气技术人员的看图习惯和微机应用水平。因此，梯形图|语言对于企业中熟悉继电器控制线路的电气工程技术人员是非常亲切的。它形象、直观、简单、易学，尤其是对于小型PLC而言，几乎不需要专门的计算机知识，只要进行短暂几天甚至几小时的培训，就能基本掌握编程方法。立足于这样的出发点，经过几十年的验证，它真正受到了广