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第10章可编程序控制器及应用第10章可编程序控制器及应用10.1PLC的发展概况和主要特点10.2PLC的基本结构与工作原理10.3PLC的指令与编程10.4编程技巧*10.5OMRONPLC的计算机辅助编程思考题与习题第10章可编程序控制器及应用10.1PLC的发展概况和主要特点10.1.1可编程序控制器的产生和现状第一台PLC是美国数字设备公司研制生产的，并成功地应用到美国通用汽车公司(GM)的生产线上。它既具有继电控制系统的外部特性，又具有计算机的可编程性、通用性和灵活性，并开创了自动控制设备的新局面。第10章可编程序控制器及应用20世纪70年代中期，随着大规模集成电路和微型计算机技术的发展，美国、日本、德国等把微处理器引入PLC，使可编程序逻辑控制器具有更多的计算机功能，不仅用软件编程取代了硬连线逻辑，还增加了数字运算、数据处理和数据通信功能，并且做到了小型化。在编程方面采用了面向生产、面向用户的语言，使广大工程技术人员以及具有电工知识的人员乐于接受和应用，因此得到了迅速而广泛的推广。20世纪80年代，国外工业界把引进了微处理器的可编程序逻辑控制器正式命名为可编程序控制器(programmablecontroller，简称PC)。在我国，一部分技术人员为了将其与个人计算机(personalcomputer，简称PC)区别开来，仍把可编程序控制器简称为PLC，本书中为了叙述方便也称其为PLC。第10章可编程序控制器及应用1985年1月，国际电工委员会对可编程序控制器给出如下定义：“可编程序控制器是一种数字运算的电子系统，专为工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在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的指令，并通过数字式、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设备，都应按易于与工业控制系统连成一个整体，易于扩充的原则设计”。第10章可编程序控制器及应用可编程序控制器的发展相当迅速，在发达国家的应用几乎覆盖所有工业企业。PLC的销售额年增长率在20％以上，PLC品种已多达数百种，世界上几十家著名的电气工厂都在生产PLC装置。目前，美国处于领先地位，著名的生产厂家有德州公司、通用电气公司、歌德公司、数字设备公司等。日本自1971年引进PLC技术后，发展也非常快，三菱公司、日立公司和立石公司是日本最大的三家PLC生产厂家。德国的西门子公司、荷兰的飞利浦公司及英国、法国等都生产自己的PLC。第10章可编程序控制器及应用10.1.2可编程序控制器的特点和应用可编程序控制器专为在工业环境下应用而设计，以用户需要为主，又采用了先进的微型计算机技术，具有以下显著特点：（1）可靠性高。PLC由于选用了大规模集成电路和微处理器，因而系统器件数大大减少，并且在硬件和软件的设计制造过程中采取了一系列隔离和抗干扰措施，使它能适应恶劣的工作环境，从而具有很高的可靠性。PLC控制系统平均无故障工作时间可达20000小时以上，美国GE公司带冗余系统的PLC无故障工作时间高达40000～50000小时。高可靠性是PLC成为通用自动控制设备的首选条件之一。第10章可编程序控制器及应用（2）编程简单、使用方便。PLC的编程采用类似继电控制系统电气原理的梯形图，用串联、并联、定时、计数等人们所熟悉的概念，使计算机语言大众化，例如比较熟练的电工和熟悉工艺知识的人员几天内就能学会，这是PLC得到推广的重要原因之一。第10章可编程序控制器及应用（3）通用性好，具有在线修改能力。PLC的硬件采用模块化结构，可以灵活地组态以适应不同的控制对象、控制规模和控制功能的要求，给组成各种系统带来极大的方便。PLC控制系统中的控制电路是由软件编程完成的，只要对应用程序进行修改就可以满足不同的控制要求，因此PLC具有在线修改能力，功能易于扩展，给生产带来了“柔性”，具有广泛的工业通用性。第10章可编程序控制器及应用（4）缩短设计、施工、投产试制周期，维护容易。目前PLC产品已实现了系列化、标准化，正朝着通用化方向发展。设计人员只需要根据控制系统的需要，选用相应的模块进行组件设计即可。用软件编程代替了继电控制的硬连线，大大减轻了繁重的安装和接线工作，这不仅提高了可靠性，还极大地缩短了施工周期。PLC还具有故障检测及显示功能，使故障处理时间可缩短为10分钟，对维护人员的技术水平要求也不太高。第10章可编程序控制器及应用（5）体积小。由于采用了微型计算机技术，因而使PLC实现了小型化和超小型化，很容易装入机械设备内部，便于实现机电一体化。由于上述特点，PLC作为通用自动控制设备，可用于单一机电设备的控制，也可用于工艺过程的控制，而且控制精度相当高，操作简便，又具有很大的灵活性和可扩展性。因此，PLC广泛应用于机械制造、冶金、化工、交通、电子、电力、纺织、印刷及食品等几乎所有工业行业。第10章可编程序控制器及应用PLC的应用可以归纳为以下几方面：（1）开关逻辑控制，这是PLC最初也是最基本的应用范围。可以用PLC取代继电控制用于机床电气、自动生产线、高炉上料系统、电梯及自动生产线等控制系统中。（2）闭环控制PLC可用于闭环的位置控制和速度控制，如轧钢机、自动焊机等。大型PLC都配有PID调节功能，能完成诸如锅炉、冷冻、反应堆、水处理及酿酒等闭环系统的过程控制。第10章可编程序控制器及应用（3）机械加工的数字控制。（4）机器人控制。目前，机器人在工厂自动化网络中和生产线上得到越来越多的普遍使用。（5）组成多级分布式控制系统。PLC控制技术已在世界范围内广为流行，国际市场竞争相当激烈，产品更新也很快，用PLC设计自动控制系统已成为世界潮流。第10章可编程序控制器及应用10.1.31.1)按照点数、功能不同分类根据输入/输出（I/O）点数、存储器容量和功能，PLC分为小型、中型和大型三类。小型PLC又称为低档PLC。它的输入/输出点数一般从20点到128点，用户程序存储器容量小于2KB，具有逻辑运算、定时、计数、移位等功能，可以用来进行条件控制、定时计数控制，通常用来代替继电器、接触器，在单机或小规模生产过程中使用。由于用途广泛，小型PLC产品是PLC中量大而面广的产品，例如立石公司的C－20及C系列P型PLC，三菱公司的F、F1、F2系列，德州仪器公司的T1－100，通用电气公司的GE－1，上海香岛机电制造公司的ACMY－S256和ACMY－S80系列。第10章可编程序控制器及应用中型PLC的输入／输出点数一般在128~512之间，用户存储器容量为2～8K字节，兼有开关量和模拟量的控制功能。它除了具备小型PLC的功能外，还具有数字计算、过程参数调节(如比例、积分、微分调节)、模拟定标、查表等功能，同时辅助继电器数量增多，定时计数范围扩大，适用于较为复杂的开关量控制（如大型注塑机控制、配料及称重等小型连续生产过程控制等）场合。常见的中型PLC产品有立石公司的C500、C2000H，三菱公司的MELSEC－A1/A2/A3，歌德公司的484型PLC等。第10章可编程序控制器及应用大型PLC又称为高档PLC，其I／O点数超过512点，最多可达8192点，进行扩展后还能增加，用户存储容量在8K字节以上，具有逻辑运算、数字运算、模拟调节、联网通信、监视、记录、打印、中断控制、智能控制及远程控制等功能，用于大规模过程控制(如钢铁厂、电站)、分布式控制系统和工厂自动化网络。常见的大型PLC产品有立石公司的C1000、C2000，歌德公司的584型等。第10章可编程序控制器及应用2)根据PLC各组件的组合结构，可将PLC分为整体式和机架模块式两种。整体式PLC将中央处理机、输入/输出部件和电源部件集中于一体，装在一个金属或塑料外壳之中。输入/输出接线端子及电源进线分布在机箱的两侧，并有相应的发光二极管显示输入/输出状态。这种结构的PLC具有结构紧凑、体积小、重量轻、价格低和易于装入工业设备内部等优点，适用于单机控制，小型PLC通常采用这种结构。机架模块式的PLC，各功能模块独立存在，如主机模块、输入模块、输出模块、电源模块等，各模块做成插件式，在机架底板上有多个插座，使用时将选用的模块插入底板就构成PLC。这种PLC结构配置灵活，装配和维修都很方便，也便于功能扩展，大、中型PLC通常采用这种结构。第10章可编程序控制器及应用3)根据使用情况又可将PLC分为通用型和专用型两类。通用型PLC可供各工业控制系统选用，通过不同的配置和应用软件的编制可满足不同的需要，是用作标准工业控制装置的PLC，如前面所给出的各种型号的PLC。专用型PLC是为某类控制系统专门设计的PLC，如数控机床专用型PLC就有美国AB公司的8200CNC、8400CNC，德国西门子公司的专用型PLC等。第10章可编程序控制器及应用2.PLC的发展趋势目前PLC的发展大致有以下几方面的趋势：(1)向小型化、专用化方向发展。当前开发出许多简易、经济、超小型PLC，适用于单机控制和机电一体化，真正成为继电器的替代品。(2)向大型化、复杂化、高功能化、分散型、多层分布式工厂自动化网络方向发展。PLC的输入/输出容量已超过32K，扫描速度小于1ms／千步，新增容错功能可适应高可靠控制场合。第10章可编程序控制器及应用(3)编程语言和编程工具朝着标准化和高级化方向发展。PLC是近十几年发展起来的一种新型工业控制器，但已步入成熟阶段。这种工业专用微机系统是高精技术普及的典范，使计算机进入工业各行业。PLC将成为工业控制的主要手段和重要的基础控制设备。在未来的工业生产中，作为自动化的三大支柱(PLC技术、机器人、数控技术)之一的PLC技术将跃居主导地位。第10章可编程序控制器及应用10.2PLC的基本结构与工作原理10.2.11.可编程序控制器的组成基本同计算机一样，由电源、中央处理机、输入接口、输出接口及外围设备接口构成。图10.2.1给出了可编程序控制器的结构框图。第10章可编程序控制器及应用1)输入接口是可编程序控制器与控制现场的接口界面的输入通道。输入接口由光电耦合输入电路和微处理器输入接口电路组成，见图10.2.2。光电耦合输入电路隔离输入信号，防止现场的强电干扰进入可编程序控制器，见图10.2.3和图10.2.4。对交流输入信号还可采用变压器或继电器隔离。微处理器输入接口电路把隔离后的输入信号转换成微处理器能接收的信号。有许多种可编程序控制器还有滤波环节来增强抗干扰性能。第10章可编程序控制器及应用图10.2.1可编程序控制器的结构框图第10章可编程序控制器及应用图10.2.2输入接口示意图第10章可编程序控制器及应用图10.2.3直流输入电路第10章可编程序控制器及应用图10.2.4交流输入电路第10章可编程序控制器及应用图10.2.5继电器输出第10章可编程序控制器及应用2)输出接口接收主机的输出信号，并进行功率放大和隔离，经过输出接线端子向现场的输出部分输出相应的控制信号。输出接口电路一般由微处理器输出接口和隔离电路、功率放大电路组成。可编程序控制器的输出元件有三种形式，即继电器输出、双向晶闸管输出和晶体管输出，如图10.2.5、图10.2.6和图10.2.7所示。前者属于触点型输出，后两种是无触点型输出。用户可根据执行部件的需要来选择。第10章可编程序控制器及应用图10.2.6双向晶闸管输出第10章可编程序控制器及应用图10.2.7晶体管输出第10章可编程序控制器及应用3)中央处理机包括微处理器和存储器等。微处理器是具有运算和控制功能的大规模集成电路，又称CPU，它控制所有其它部件的操作，是PLC的核心。其作用是：(1)按照系统程序赋予的功能接收并存储由编程器键入的用户程序和数据，诊断电源及可编程序控制器内部电路的工作状态和编程中出现的语法错误。第10章可编程序控制器及应用(2)用扫描方式工作，监视和接收现场输入信号，从存储器中逐条读取并执行用户程序，完成用户程序所规定的逻辑或算术运算等操作，根据运算结果控制输出。不同型号的可编程序控制器可能使用不同种类的微