工业电气控制及LC技术 第四章 可编程控制器及其工作原理

第四章可编程控制器及其工作原理第一节可编程控制器的产生和发展可编程控制器的产生

在可编程控制器诞生之前，工业电气控制主要使用低压电器构成的继电接触器电路。它是以接线逻辑实现控制功能的。

缺点：这样的控制设备一经生产出来，功能就固定了，若要改变就必须改变控制器内部的硬件接线在这种情况下，1968年通用汽车公司提出了要寻找一种比继电器更可靠，功能更齐全，响应速度更快的新型工业控制器。这种控制器必须具备编程方便，维修方便，可靠性高，体积小，数据可直接送入管理计算机，成本低，方便扩展的特点。其中，编程方便是接线逻辑向存储逻辑进步的重要标志。1969年第一台可编程控制器PDP-14由美国的数字设备公司研制出来，并且成功的用于工业生产，可编程控制器由此诞生。早期的可编程控制器（PC）主要用于逻辑量控制，并且为了和个人计算机（PC）区别，把可编程控制器缩写为PLC（ProgrammableLogicController）。1987年，国际电工委员会IEC对可编程序控制器作了如下规定：可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境下应用而设计。它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术操作等面向用户的指令，并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。它及其有关外围设备，都按易于与工业系统联成一体，易于扩展的原则设计。

可见：可编程控制器是一种工业用计算机。作为工业用途，决定了它必须有很强的抗干扰能力，广泛的适应能力和应用范围。可编程控制器的发展1、生产方面

1971年日本开始生产PLC1973年欧洲开始生产PLC至今，世界各国的一些著名的电器厂几乎都在生产PLCPLC已经作为一个独立的工业设备被列入生产中，成为当代电控装置的主导。2、组成方面

早期：PLC主要由分立元件和中小规模集成电路组成，采用了一些计算机技术，但简化了计算机的内部电路。

特点：对工业现场的环境适应性较好，指令系统简单，一般只具有逻辑运算功能。

20世纪70年代中：微处理器及其他大规模集成电路芯片成为其核心部件。

特点：有自诊断功能，可靠性和性价比都大幅提高。

20世纪80年代：微处理器，ROM，RAM或单片机作为核心。

特点：处理速度大大提高，增加了多种特殊功能，体积进一步减小。

20世纪九十年代末：几乎完全计算机化。其速度更快功能更强，各种智能模块不断被开发出来，使其不断地扩展着他在各类工业控制过程中的作用。

3、如今PLC的发展现在，PLC不仅能进行逻辑控制，在模拟量闭环控制、数字量智能控制、数据采集、监控、通信联网及集散控制系统等各方面都得到了广泛的应用。今后PLC将向两大方面发展：一是大型PLC向高速，大容量和高性能方向发展；二是发展简易经济的超小型可编程控制器，以适应单机控制及小型设备自动化的需要。

第二节可编程控制器的用途及特点用途顺序控制最广泛应用的领域，可取代传统的继电器的顺序控制可应用于单机控制，多机群控制，生产自动线控制运动控制目前已有拖动步进电机或多轴位置控制模块

多数情况，PLC把描述目标位置的数据送给模块，模块移动一轴或数轴到目标位置闭环过程控制

具有PID控制能力的PLC可用于过程控制数据处理

把支持顺序控制的PLC和计算机数值控制（CNC）设备紧密结合用以实现数据处理。

通信和联网

PLC之间，PLC和上级计算机之间的通信功能特点可靠性高，抗干扰能力强适应性强、应用灵活编程方便，易于使用功能强，扩展能力强PLC控制系统设计、安装、调试方便维修方便，维修工作量少PLC体积小，重量轻，易于实现机电一体化

第三节PLC的硬件组成根据物理结构形式的不同，PLC可分为整体式和组合式两类。但是不论是哪一种类型的PLC都是由基本相同的部分组成的，下面分别介绍各组成部分及其作用。中央处理器（CPU） CPU是PLC的核心，按程序赋予的功能指挥PLC工作，他的主要任务有：1、控制从编程器键入的用户程序和数据的接收与存储；用扫描的方式通过I/O部件接受现场的状态和数据并存入输入映像存储器或数据存储器中。2、诊断PLC内部电路的工作故障和编程中的语法错误等。3、PLC进入运行行状态后，，从存储器器逐条读取取用户指令令，解释并并按指令规规定的任务务进行数据据传递、逻逻辑或算术术运算等；；并根据运运算结果，，更新有关关标志位的的状态和输输出映像存存储器的内内容，再经经过输出部部件实现输输出控制，，制表打印印或数据通通信等功能能。CPU芯片片的性能关关系到PLC处理控控制信号的的能力与速速度，CPU位数越越高，系统统处理的信信息量越大大，运算速速度也越快快。存储器PLC的存存储器包括括系统存储储器和用户户存储器两两部分。1、系统存存储器用来来存放由PLC生产产厂家编写写的系统程程序，并固固化在ROM内，用用户不能直直接更改。。它使PLC具有有基本本的智智能，，能够够完成成PLC设设计者者规定定的各各项工工作。。2、用用户存存储器器包括括用户户程序序存储储器（（程序序区））和功功能存存储器器（数数据区区）两两部分分。用户程程序存存储器器用来来存放放用户户针对对具体体控制制任务务，用用规定定的PLC编程程语言言编写写的各各种用用户程程序。。用户户程序序存储储器根根据所所选用用的存存储单单元的的不同同，可可以是是RAM（（有掉掉电保保护））、EPROM或EEPROM存存储器器，其其内容容可以以由用用户任任意修修改或或增删删。用户功功能存存储器器是用用来存存放用用户程程序中中使用用的ON/OFF状状态，，数值值数据据等，，它构构成PLC的各各种内内部器器件，，也称称“软软元件件”。。用户户存储储器容容量的的大小小关系系到用用户程程序容容量的的大小小和内内部器器件的的多少少，是是反映映PLC性性能的的重要要指标标之一一。输入、、输出出接口口输入、、输出出接口口是PLC与外外界连连接的的接口口。1、输输入接接口用用来接接收和和采集集两种种类型型的输输入信信号：：开关关量输输入信信号和和模拟拟量输输入信信号。。2、输输出接接口用用来连连接被被控对对象中中各种种执行行元件件，如如接触触器、、调节节阀等等。电源小型整整体式式可编编程控控制器器内部部有一一个开开关稳稳压电电源。。此电源源一方方面可可为CPU板，，I/O板板及扩扩展单单元提提供工工作电电源（（5VDC）），另另一方方面可可为外外部输输入元元件提提供24VDC电电源。。扩展接接口扩展接接口用用于将将扩展展单元元与基基本单单元相相连，，使PLC的配配置更更加灵灵活。。通信接接口使PLC可可以与与监视视器，，打印印机以以及其其他计计算机机相连连。智能I/O接口口有自身身的处处理器器系统统，满满足复复杂控控制功功能的的需要要。编程工工具编程器器，，也可可采用用微机机辅助助编程程（需需要通通信电电缆和和PLC之之间通通信））例如如step7智能单单元智能单单元配配有自自己的的CPU，，具有有自己己的软软件，，能独独立完完成一一项专专门的的工作作。通通过总总线与与主机机联机机，通通过通通讯方方式接接受主主机管管理。。PLC还可可配有有盒式式磁带带机，，EPROM写写入器器，存存储器器卡等等其他他外部部设备备。第四节节PLC的软软件及及应用用程序序编程程语言言PLC的软软件含含系统统软件件和用用户程程序。。系统统软件件由PLC制造造商固固化在在机内内，用用以控控制可可编程程控制制器本本身的的运作作；用用户程程序由由可编编程控控制器器的使使用者者编制制并输输入，，用于于控制制外部部对象象的运运行。。系统软软件系统软软件主主要包包括三三部分分。下下面我我们分分别讨讨论这这三个个部分分的作作用。。系统管管理程程序是系统统软件件中最最重要要的部部分，，主管管控制制可编编程控控制器器的运运作。。它的的作用用有：：运行行管理理（时时间上上的分分配管管理））；存存储空空间管管理；；系统统自检检程序序。用户指指令解解释程程序它的任任务是是把使使用者者直观观易懂懂的梯梯形图图变成成机器器易懂懂的机机器语语言。。然后后再由由CPU去去执行行这些些指令令。标准程程序模模块及及系统统调用用他是有有许多多独立立的程程序块块组成成，各各程序序块有有不同同的功功能，，有些些完成成输入入、输输出处处理，，有些些完成成特殊殊运算算等。。PLC的的具体体工作作就是是由这这部分分程序序完成成的，，它的的多少少决定定了PLC性能能的强强弱。。整个系系统软软件是是一个个整体体，其其质量量的好好坏在在很大大程度度上影影响PLC的性性能。。很多多情况况下，，通过过改进进系统统软件件就可可以在在不增增加任任何设设备的的条件件下改改善PLC的性性能。。用户程程序PLC提供供的编编程语语言通通常有有三种种：梯梯形图图（LAD）、、指令令表（（STL））和顺顺序功功能流流程图图（SFC）。。我们们以西西门子子公司司的PLC为例例来介介绍这这三种种编程程语言言。梯形图图编程程（LAD）PLC梯形形图是是在继继电器器控制制系统统中常常用的的继电电器电电路图图的基基础上上演变变而来来的，，它的的许多多符号号与继继电器器控制制系统统中的的电路路图有有对应的的关系系。只是是PLC在在编程程中的的使用用的元元件他他们的的功能能都是是通过过软件件来实实现的的。能流的的概念念：PLC梯形形图中中一个个关键键的概概念，，是一一种假假想的的“能能量流流”。。只能能从左左向右右流，，任何何时候候都不不会从从右向向左流流。指令表表编程程（STL）类似于于计算算机中中的助助记符符语言言，它它是可可编程程控制制器最最基础础的编编程语语言。。所谓指指令表表编程程，是是用一一系列列的指指令来来表达达程序序的控控制要要求。。一条指指令有有两部部分组组成：：助助记符符操操作作数（（或称称操作作数的的地址址）指令和和梯形形图有有一定定的对应关关系。状态流流程图图（功功能图图）编编程（（SFC））SFC是一一种比比较新新的编编程方方法，，它的的作用用是用用“功功能图图”表表达一一个顺顺序控控制过过程。。例优点：：SFC作作为一一种步步进顺顺控语语言，，为顺顺序控控制类类程序序的编编制提提供了了很大大的方方便。。用它它可以以对一一个控控制过过程进进行分分解，，用多多个相相对独独立的的程序序段代代替一一个长长的梯梯形图图程序序，还还能使使用户户看到到在给给定时时间机机器处处于什什么状状态。。功能块块图（（FBD））编辑辑器也是一一种图图形编编程语语言。。与LAD相比比它没没有母母线、、触点点和线线圈，，只有有表示示指令令功能能的方方框，，方框框间用用线段段表示示方框框内的的联系系，整整个图图形则则用来来表示示一定定的控控制功功能。。例。第五节节可可编程程控制制器的的运行行方式式PLC的工工作方方式与与运行行框图图我们先先来看看一个个继电控控制系系统简简图。可以知知道继继电器器控制制系统统采用用的是是并行工工作方方式。可编程程控制制器是是一种种工业业控制制计算算机，，它的的工作作原理理是建建立在在计算算机工工作原原理基基础上上的，，是通通过执执行反反映控控制要要求的的用户户程序序来实实现的的。CPU以分分时操操作方方式来来处理理各项项任务务，计计算机机在每每一瞬瞬间只只能做做一件件事情情，所所以程程序的的执行行是按按程序序顺序序依次次完成成相应应各电电器的的动作作，便便成为为时间上的的串行。由于运运算速度度极高，，各电器器的动作作几乎是是同时完完成的，，但是实实际上输输入-输输出的响响应是有有滞后的的。例概括而言言，PLC的工工作方式式是一个个不断循循环的顺顺序扫描描工作方方式。每每一次扫扫描所用用的时间间称为扫描周期期或工作周周期。执行用户户程序时时，需要要各种现现场信息息，这些些现场信信息已接接到PLC的输输入端。。PLC采集现现场信息息即采集集输入信信号有两两种方式式。1、集中中采样输输入方式式2、立即即输入方方式同样，PLC对对外部的的输出控控制也有有集中和和立即输输出两种种方式。。PLC对对输入输输出信号号的传送送还有其其他方式式，如有有的PLC采用用输入、、输出刷刷新指令令。在需需要的地地方设置置这类指指令，可可以对此此时的全全部或部部分输入入点信号号读入一一次，以以刷新输输入映像像寄存器器内容；；或将此此时的输输出结果果立即向向输出端端或输出出模块输输出。如如PLC上有输输入、输输出的禁禁止功能能，这时时输入、、输出信信号不读读入也不不输出。。PLC的的工作过过程先来看PLC的的工作过过程是怎样的的。PLC运运行正常常时，扫扫描周期期的长短短与CPU的运运算速度度、I/O点的的情况、、用户应应用程序序的长短短及编程程情况等等均有关关。通常常用PLC执行行1K指指令所需需时间来来说明其其扫描速速度（一一般为1~10ms/K）。。值得注注意的是是，不同同指令其其执行时时间是不不同的。。若用于于高速系系统要缩缩短扫描描周期，，可以软软硬件两两方面兼兼顾考虑虑。PLC扫