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电气控制与PLC应用（第三章）主编：陈建明副主编：巫付专朱晓东熊军华第3章可编程控制器基础了解可编程控制器产生的背景、特点、性能指标以及今后的发展方向掌握可编程控制器的硬件组成形式熟悉可编程控制器的软件及工作过程学习目标：教学内容：3.1可编程控制器概述3.2可编程控制器的组成3.3可编程控制器的工作原理3.4可编程控制器的硬件基础3.5可编程控制器的软件基础3.6可编程控制器的性能指标及分类第3章可编程控制器基础3.1可编程控制器概述可编程控制器的英文名称是ProgrammableController，早期简称PC，后来为了与个人计算机（PC）区分，在行业中多称之为ProgrammableLogicController，即可编程逻辑控制器，简称PLC，而这种称呼又与可编程控制器的起源和它本身的特点有关。返回3.1.1可编程控制器的产生与发展美国数字设备公司（DEC）根据美国通用汽车公司提出的10项指标，于1969年研制出第一台控制器，型号为PDP-14，它的开创性意义在于引入了程序控制功能，为计算机技术在工业控制领域的应用开辟了空间。至上世纪70年代，PLC技术已经进入成熟期。推动PLC技术发展的动力主要来自于两个方面：其一是企业对高性能、高可靠性自动控制系统的客观需要和追求；其次，大规模及超大规模集成电路技术的飞速发展，微处理器性能的不断提高，为PLC技术的发展奠定了基础并开拓了空间。返回3.1.1可编程控制器的产生与发展PLC对高性能的追求主要体现在：增强网络通信功能。发展智能模块。高可靠性。编程软件标准化。编程软件和语言向高层次发展。3.1.2可编程控制器的特点可编程控制器的产生是基于工业控制的需要，是面向工业控制领域的专用设备，它具有以下特点：CPU为可靠性高，抗干扰能力强；灵活性强，控制系统具有良好的柔性；编程简单，使用方便；控制系统易于实现，开发工作量少，周期短；维修方便；体积小，能耗低；功能强，性能价格比高。3.2可编程控制器的组成PLC的基本组成部件如下图所示：返回3.2.1中央处理单元（CPU）中央处理单元是PLC的核心部件，负责完成逻辑运算、数字运算以及协调系统内各部分的工作。它在系统程序的管理下运行，主要功能有：接受并存储由编程器键入的用户程序和数据；诊断电源故障以及用户程序的语法错误；读取输入状态和数据并存储到相应的存储区；读取用户程序指令，解释执行用户程序，完成逻辑运算、数字运算、数据传递等任务，刷新输出映像，将输出映像内容送至输出单元。返回3.2.2存储器单元PLC的存储器单元分成两个部分：系统程序存储器；用于存放PLC生产厂家编写的系统程序，系统程序在出厂时已经被固化在PROM或EPROM中。用户程序存储器。可分为程序存储区和数据存储区，程序存储器用于存放用户编写的控制程序，数据存储区存放的是程序执行过程中所需要的或者所产生的中间数据。3.2.3电源单元电源单元将外界提供的电源转换成PLC的工作电源后，提供给PLC。有些电源单元也可以作为负载电源，通过PLC的I/O接口向负载提供直流24V电源。电源单元还提供掉电保护电路和后备电池电源，以维持部分RAM存储器的内容在外界电源断电后不会丢失。在面板上通常有发光二极管（LCD）指示电源的工作状态，便于判断电源工作是否正常。3.2.4输入输出单元PLC的输入、输出单元也叫I/O单元，对于模块式的PLC来说，I/O单元以模块形式出现，所以又称为I/O模块。I/O单元是PLC与工业现场的接口，现场信号与PLC之间的联系通过I/O单元实现。工业现场的输入和输出信号包括数字量和模拟量两类，因此I/O单元也有数字I/O和模拟I/O两种，前者又称为DI/DO，后者又称为AI/AO。PLC的输入、输出单元还应包括一些功能模块，所谓功能模块就是一些智能化了的输入和输出模块。3.2.5接口单元（对外部设备）接口单元包括扩展接口、通信接口、编程器接口和存储器接口及其它外部设备接口等。PLC的I/O单元也属于接口单元的范畴，它完成PLC与工业现场之间电信号的往来联系。除此之外，PLC与其它外界设备和信号的联系都需要相应的接口单元。3.2.5接口单元（对外部设备）接口单元通常有以下5种：I/O扩展接口。用于扩展输入输出点数。通信接口。通常集成有RS232或RS422口，用于与PLC、上位机、远程I/O、监视器、编程器等外部设备相连。编程器接口。PLC本体通常是不带编程器的，编程器接口是连接编程器的。存储器接口。存储器接口是为了扩展存储区而设置的。其它外部设备接口。包括条码读入器的接口、打印机接口等等。3.2.6外部设备PLC的外部设备种类很多，可以概括为以下四类：编程设备；除了用于编程，还可对系统作一些设定，以确定PLC的工作方式。监控设备；将现场数据动态实时显示出来，以便操作人员随时掌握系统运行的情况。存储设备；用于保存用户数据，避免程序丢失。输入输出设备。用于接受信号和输出信号的专用设备，例如条码读入器、打印机等。返回3.3可编程控制器的工作原理可编程控制器是基于电子计算机的工业控制器，从PLC产生的背景来看，PLC系统与继电器控制系统有着极深的渊源，因此可以比照着继电器系统来学习PLC的工作原理。返回3.3.1可编程控制器的等效电路PLC的等效电路如下图所示：3.3.2可编程控制器的工作过程PLC的工作过程以循环扫描的方式进行，当PLC处于运行状态时，它的运行周期可以划分为3个基本阶段：输入采样阶段；PLC逐个扫描每个输入端口，将所有输入设备的当前状态保存到相应的存储区。程序执行阶段；在系统程序的指示下，CPU从用户程序存储区逐条读取用户指令，经解释后执行相应动作，产生相应结果，刷新相应的输出映像寄存器，期间需要用到输入映像寄存器、输出映像寄存器的相应状态。输出刷新阶段。系统程序将输出映像寄存器中的内容传送到输出锁存器中，经过输出接口、输出端子输出，驱动外部负载。返回3.3.2可编程控制器的工作过程PLC工作过程的特点总结如下：PLC采用集中采样、集中输出的工作方式，这种方式减少了外界干扰的影响。PLC的工作过程是循环扫描的过程，循环扫描时间的长短取决于指令执行速度、用户程序的长度等因素。输出对输入的响应有滞后现象。PLC采用集中采样、集中输出的工作方式，当采样阶段结束后，输入状态的变化将要等到下一个采样周期才能被接收，因此这个滞后时间的长短又主要取决于循环周期的长短。此外，影响滞后时间的因素还有输入电路滤波时间、输出电路的滞后时间等。3.3.2可编程控制器的工作过程当系统规模较大，I/O点数众多，用户程序比较长时，单纯采用上面的循环扫描工作方式会使系统的响应速度明显降低，甚至会丢失、错漏高频输入信号，因此大多数大中型PLC在尽量提高程序指令执行速度的同时，也采取了一些其它措施来加快系统响应速度。例如采用定周期输入采样、输出刷新，直接输入采样、直接输出刷新，中断输入、输出，或者开发智能I/O模块，模块本身带有CPU，可以与主机的CPU并行工作，分担一部分任务，从而加快整个系统的执行速度。输出映像寄存器的内容取决于用户程序扫描执行的结果。输出锁存器的内容，由上一次输出刷新期间输出映像寄存器中的数据决定。PLC当前实际的输出状态，由输出锁存器的内容决定。3.4可编程控制器的硬件基础I/O单元是组成PLC系统的重要环节，本节以介绍I/O单元的硬件电路为主，在此基础上简单介绍PLC系统的硬件配置。应当说明的是，不同PLC在硬件的具体实现方案上总是有区别的，本节的任务是讨论一般性的原理，而非某一具体型号的结构特征，本书后续章节将针对不同型号的PLC，分别介绍其特点。返回3.4.1可编程控制器的I/O模块PLC的输入输出部分，可以分为数字I/O（DI/DO）和模拟I/O（AI/AO）两大类：数字量I/O（DI/DO）：数字量输入单元；数字量输出单元。模拟量I/O（AI/AO）：模拟量输入单元；模拟量输出单元。3.4.1可编程控制器的I/O模块数字量输入单元（直流）：图3-4漏型数字量输入电路示意图电阻R2和电容C构成RC滤波电路，光耦将现场信号与PLC内部电路隔离。3.4.1可编程控制器的I/O模块数字量输入单元（交流）：图3-5带整流桥的交流输入电路示意图也可使用双向光电耦合器和双向发光二极管，去了桥式整流电路。3.4.1可编程控制器的I/O模块数字量输出单元（继电器式）：图3-6继电器输出电路示意图3.4.1可编程控制器的I/O模块模拟量输入单元：模拟量输入信号可以是电压或电流，在选型时要考虑输入信号的范围以及系统要求的A/D转换精度。图3-78通道模拟输入单元原理框图3.4.1可编程控制器的I/O模块模拟量输出单元：模拟量输出的过程与输入正相反，它将PLC运算处理过的二进制数字转换成相应的电量（例如4～20mA、0～10V等）。图3-8模拟量输出单元原理框图3.4.2可编程控制器的配置PLC的品种繁多，其结构型式、性能、容量、指令系统、编程方法、价格等各有自已的特点，适用场合也各有侧重。站在硬件选型的角度，首先需要考虑的是设备容量与性能是否与任务相适应；其次要看PLC运行速度是否能够满足实时控制的要求。所谓设备容量，主要是指系统I/O点数的多少以及扩充的能力。对于纯开关量控制的应用系统，如果对控制速度的要求不高，比如单台机械的自动控制，可选用小型一体化PLC（如S7-200系列）。对于比较复杂，控制功能要求较高的系统（如需要PID调节，应当选用中、大型PLC（S7-300/400系列）。返回3.5可编程控制器的软件基础PLC是一种通用的、商业化的工业控制计算机，与个人计算机相仿，用户程序必须在系统程序的管理下才能运行。本节首先介绍PLC系统监控程序的运行情况，然后再介绍用户指令系统的相关内容。返回3.5.1系统监控程序系统监控程序执行过程分为以下几部分：初始化程序；CPU自诊断；通信信息处理；输入刷新；用户程序执行；输出刷新；外部设备服务。第一大类：公共操作第二大类：现场输入/输出第三大类：用户程序操作第四大类：服务外部设备3.5.1系统监控程序初始化程序：作用是清零各个标志寄存器，清零输入、输出映像寄存器，清零各计数器，复位定时器等，为PLC开始正常工作“清理现场”。CPU自诊断：自诊断主要包括检查电源电压是否正常，I/O单元的连接是否正常，用户程序是否存在语法错误，对监控定时器定期复位等。通信信息处理：这个阶段PLC要完成与网络及总线上其它设备的通信任务，包括与PLC、计算机、智能I/O模块、数字处理器（DPU）等设备之间的信息交换。外部设备服务：PLC在这个阶段与外部设备交换信息，包括编程器、图形监视器（监控设备）、打印机等。3.5.2用户应用程序用户程序是由用户编写的，能够完成系统控制任务的指令序列。不同厂家的PLC会提供不同的指令集，但基本的编程元件和编程形式有许多共同之处。返回1.PLC的编程元件（1）继电器输入、输出映像寄存器里的每一位，在指令系统中都对应一个固定的编号，在图形编程语言（例如梯形图语言）中形象的用继电器线圈来表示，因此也常称之为输入继电器、输出继电器。同时为了满足对复杂逻辑关系的编程要求，还提供大量的中间辅助继电器，它们也对应存储器中的某一固定区域。这些继电器都是所谓的“软元件”，它们的状态用一个二进制位就可以表示，1对应ON状态，0对应OFF状态，在用户程序中可以无限次使用它们的常开、常闭触点。3.5.2用户应用程序(2)定时器类似于继电器逻辑电路中的时间继电器，有延时接通、延时断开、脉冲定时等多种形式，可以组成复杂的时间顺序逻辑。定时器指令一般由线圈、定时时间设定值和当前计时值组成，PLC专门在存储器中开辟出一个区域，用以保存各个定时器线圈当前的状态（ON或OFF）以及时间的设定值和当前值。定时器的常开、常闭触点可以在用户程序中无限次使用。3.5.