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可编程序控制器基础1.1PLC的发展、分类及应用1.2结构和工作原理1.3技术性能指标1.4编程语言2.1PLC的发展、分类及应用1.1.1产生1.1.2定义1.1.3发展1.1.4特点1.1.5分类1.1.6应用返回本章首页1.1.1.PLC的产生随着社会的进步，工业的发展，控制对象越来越多，其逻辑关系也越来越复杂，用继电器组成的控制系统就会变得非常庞大，从而造成系统的不稳定和造价昂贵。主要表现在：①当某个继电器损坏、甚至继电器的某触点接触不良都会影响系统的运行；②继电器本身并不太贵，但控制柜内元件的安装和接线工作量极大，造成系统价格偏高；③产品需要不断地更新换代，生产设备的控制系统不断地作相应的调整。但对庞大的系统而言，日常维护已很难，再作调整难度更大。解决问题的设想鉴于以上问题，1968年美国通用汽车公司(GeneralMotors)向传统的继电器控制系统提出了挑战：设想是否能用一种新型的控制器，引入这种控制器后可使庞大的系统减小，并且能方便地进行修改、调整。按照这个宗旨，该公司向外公开招标，提出如下十大指标：GE公司公开招标的十大指标：①.编程简单，可在现场改程序；②.维护方便，最好是插件式；③.可靠性高于继电器控制柜；④.体积小于继电器控制柜；⑤.成本低于继电器控制柜；⑥.可将数据直接输入计算机；⑦.输入可以是市电(AC110v)；⑧.控制程序容量≥4KB；⑨.输出可驱动市电2A以下的负荷，能直接驱动电磁阀；⑩.扩展时，原有的系统仅作少许更改。结果这次招标引起了工业界的密切注视，吸引了不少大公司前来投标，最后DEC公司一举中标，并于1969年研制成功第一台PC，当时命名为PC(ProgrammableController)。这台PLC投运到汽车生产线后，取得了极为满意的效果，引发了效仿的热潮，从此PLC技术得以迅猛的发展。1.1.2PLC的定义及其术语1.定义可编程序控制器是一种数字运算的电子系统，专为在工业环境条件下应用而设计。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、模拟式的输入输出，控制各种类型的机械或生产过程。NEMA1987年作的定义美国电气制造协会（NEMA）1987年作的定义如下：“它是一种带有指令存储器、数字或模拟I/O接口，以位运算为主，能完成逻辑、顺序、定时、计数和算术运算功能，用于控制机器或生产过程的自动控制装置。”2.PLC~PC之争PC(ProgrammableController)PC(PersonalComputer)PLC(ProgrammableLogicController)3.常用术语点数指能够输入/输出开关量、模拟量的总个数。一般是4或8的倍数。扫描周期是指PLC执行系统监控程序、用户程序、I/O刷新一次所用的时间。它直接反映PLC的响应速度，因此是PLC的重要指标之一，其单位是ms/kw(kb)。1.1.3发展1.发展及现状2.发展趋势（1）与计算机联系密切（2）发展多样化（3）模块化（4）网络与通信能力增强（5）多样化与标准化（6）工业软件发展迅速返回本节1.1.4特点1.可靠性高、抗干扰能力强2.程序可变、具有柔性3.编程简单、使用方便4.功能强大、完善5.组合灵活、扩充方便6.减少了工作量7.体积小、重量轻、环境要求低8.成本低、水平高返回本节1、可靠性高、抗干扰能力强故障原因设备故障原因外部环境、温度、灰尘、有害气体的影响由I/O线、电源线等引入的干扰振动、冲击引起的器件损坏等辐射干扰电磁干扰存储器信息的丢失、出错内部元器件的老化、失效程序错误运行进入死循环解决方法硬件常规手段：优质元器件，合理的系统结构隔离：I/O电路光电隔离，无电气回路的联接点滤波：对供电系统及输入回路采用模拟量滤波和数字滤波屏蔽：导电、导磁性能良好的材料，防电磁波辐射的干扰增强电源的适应性：开关电源采用模块式结构：一旦某模块有故障，能迅速更换解决方法软件设置警戒时钟WDT(看门狗)系统软件对用户软件自动进行检查掉电保护自检2．程序可变、具有柔性生产工艺或设备改变后，在原设计的PLC功能备用量够用的情况下，可不变PLC的硬件，只要改编控制程序即可。这点就充分体现了PLC具有继电器控制系统所不具备和无可比拟的优点。故PLC除应用于单机控制外，还在柔性制造单元(FMC)、柔性制造系统(FMC)、工厂自动化(FA)中被大量采用。3．编程简单、使用方便PLC采用与继电器控制逻辑图非常接近的“梯形图”进行编程，这种编程方法既具备传统控制线路的易懂易编，清晰直观优点，又顾及了多数电气技术人员的读图习惯和微机应用水平，易于被大众接受，因此受到普遍欢迎，这种面向生产的编程方法与目前微机控制中常用的汇编语言或高级语言编程相比，其优点是显而易见的。为进一步优化编程，PLC还针对实际问题设计了诸如步进顺控指令、移位指令、鼓形控制器等功能性指令，减少编程工作量，加快了开发速度。4．功能完善现代的PLC还具有数字量及模拟量的输入输出、逻辑和算术运算、定时、计数、顺序检测、功率驱动、联网通信、人机对话、自检、记录和显示等功能，使控制系统的水平大大提高，功能更加完善。5．组合灵活、扩充方便PLC除摸块化外，还具有各种扩充单元，I/O点数及各种I/O方式、I/O量均可选择，可以方便地适应不同的控制对象。6．减少了工作量由于PLC是采用软件编程来实现控制功能的，而继电器控制采用硬接线来实现。这就减少了设计、施工的工作量。同时，PLC能事先进行摸拟调试并且具有很强的监视功能，所以系统的调试、检修、维护的工作量得到大大地减少。7．体积小、重量轻、环境要求低由于PLC是专为工控而设计的专用计算机，所以其结构紧密、坚固、体积小巧、功能齐全，能直接投运在恶劣的工作环境。一般PLC的功能若用继电器来实现，需用3至4个1.8m高的大继电器控制柜。8．成本低、水平高PLC功能强大，使得控制系统的费用大量降低。PLC具有易修改性、高可靠性、易扩展性、易维护性，降低了日常运行的检修、维修工作量。PLC安装调试方便，开发、调试周期短，从而降低了设计、开发、安装、调试的工作量。PLC靠软件编程实现控制功能，硬件及其备件均具有通用性，也减少了采购的时间和费用。体积小、功能强，所以占地少、耗电小，每年节省的电费就可将投资收回。PLC是一种专用工控计算机，实现了智能控制，从而使得控制水平上了新台阶，并且具有联网功能，很易构成综合控制系统。1.1.5分类1.从结构上可编程序控制器从结构上可分为整体式和模块式。2.从规模上按PLC的输入输出点数可分为小型、中型和大型。返回本节1.1.6应用1.工业1）开关量控制，如逻辑、定时、计数、顺序等；2）模拟量控制，部分PLC或功能模块具有PID控制功能，可实现过程控制；3）监控，用PLC可构成数据采集和处理的监控系统；4）建立工业网络，为适应复杂的控制任务且节省资源，可采用单级网络或多级分布式控制系统。2.其他行业可编程序控制器在其他行业的应用也日益广泛：在国防和民用，如建筑，环保，家用电器等。返回本节1.2结构和工作原理2.2.1结构2.2.2工作原理返回本章首页1.2.1结构PLC专为工业场合设计，采用了典型的计算机结构，主要是由CPU、电源、存储器和专门设计的输入输出接口电路等组成。图2.1为一典型PLC结构简图。图2.1结构简图CPU存储器电源部分输入单元输出单元编程器或其他设备按钮接触器电磁阀指示灯行程开关继电器触点一.中央处理单元中央处理单元（CPU）一般由控制器、运算器和寄存器组成，这些电路都集成在一个芯片上。CPU的主要功能：(1)控制用户程序和数据的接收和存储(2)用扫描的方式通过I/O部件接收现场信号的状态和数据,并存入输入映像寄存器或数据存储器中(3)诊断PLC内部电路的工作故障和编程中的语法错误等(4)根据运算结果,更新有关标志位的状态和输出映像寄存器的内容,再经输出部件实现输出控制,制表或数据通信等功能二.存储器系统程序存储器(1)系统管理程序(2)用户指令解释程序(3)标准程序模块与系统调用用户程序存储器数据表存储器(I/O映像存储器)PLC的I/O部分，因用户的需求不同有各种不同的组合方式1)开关量I/O模块2)模拟量I/O模块3)数字量I/O模块4)高速计数模块5)精确定时模块6)快速响应模块7)中断控制模块8)PID模块9)位置控制模块10)轴向定位模块11)通信模块。以下我们详细介绍三.输入输出单元1.开关量I/O模块(部分)(1)开关量输入模块开关量输入模块的作用：接收现场设备的状态信号、控制命令等，如限位开关、操作按钮等，并且将此开关量信号转换成CPU能接收和处理的数字量信号。开关量输出模块的作用：将经过CPU处理过的结果转换成开关量信号送到被控设备的控制回路去，以驱动阀门执行器、电动机的启动器和灯光显示等设备。开关量I/O模块的特性仅有通、断两种状态；用发光二极管在面板上显示。输入电压等级、4~64点/模块；外部引线连接在模块面板的接线端子上；（有些模块使用插座型端子板，在不拆去外部连线的情况下，可迅速地更换模块，便于安装、检修）开关量输入模块的几种型式（1）开关量输入模块内部电路COM输入1输入n图2.2直流输入电路图开关量输入模块的几种型式（1）开关量输入模块内部电路COM输入1输入n.图2.3交流输入电路图通常PLC的输入类型可以是直流、交流和交直流。输入电路的电源可由外部供给，有的也可由PLC内部提供。图2.2和图2.3分别为一种型号PLC的直流和交流输入接口电路的电路图，采用的是外接电源。图2.2描述了一个输入点的接口电路。其输入电路的一次电路与二次电路用光耦合器相连，当行程开关闭合时，输入电路和一次电路接通，上面的发光管用于对外显示，同时光耦合器中的发光管使三极管导通，信号进入内部电路，此输入点对应的位由0变为1。即输入映像寄存器的对应位由0变为1。(2)开关量输入模块的主要技术指标①输入电压：指PLC外接电源的电压值。②输入点数：指输入模块开关量输入的个数。③AC频率：指输入电压的工作频率，一般为50~60Hz。④输入电流：指开关闭合时，流入模块内的电流。一般为5~10mA。⑤输入阻抗：指输入电路的等效阻抗。⑥ON电压：指逻辑“1”之电压值，开关接通时为“1”。⑦OFF电压：指逻辑“0”之电压值，开关断开时为“0”。⑧OFF→ON的响应时间：指开关由断→通时，导致内部逻辑由“0”→“1”的变化时间。⑨ON→OFF的响应时间：指开关由通→断时，导致内部逻辑由“1”→“0”的变化时间。⑩内部功耗：指整个模块所消耗的最大功率。继电器输出晶体管输出可控硅输出(2)开关量输出模块每个输出点均有：LED发光管、隔离元件（光电管/继电器)、功率驱动元件输出保护电路三个PN结、整流、开关继电器输出J↘～▽+∨↗↗100Ω0.02uf∨负载(a)继电器输出J△↘▽↗↗↗↗△↘24v负载(b)晶体管输出▽晶体管输出～▽↗↗0.01uf∨470Ω(c)SSR/可控硅输出负载∧∨▽↗↗可控硅输出四、编程工具简易编程器图形编程器用专用编程软件在个人计算机(PC)上实现编程功能五、电源电源是PLC最重要的部分之一，是正常工作的首要条件。当电网有强烈波动遭强干扰时，输出电压要保持平稳。因此在PLC的电源中要加入许多稳压抗扰措施，如浪涌吸收器、隔离变压器、开关电源技术等。1.2.2工作原理一.循环扫描PLC采用循环扫描工作方式，这个工作过程一般包括五个阶段：内部处理、与编程器等的通信处理、输入扫描、用户程序执行、输出处理，其工作过程如图2.4所示。图2.4中当PLC方式开关置于RUN（运行）时，执行所有阶段；当方式开关置于STOP（停止）时，不执行后3个阶段，此时可进行通信处理，如对PLC联机或离线编程。图2.4工作原理图内部处理通信处理输入扫描执行用户程序输出处理RUN方式？否是开始可编程序控制器的输入处理、执行用户程序和输出处理过程的原理如图2.5所示。PLC