CH7可编程控制器基础知识

可编程序控制器基础知识

一、可编程控制器的产生二、可编程控制器的定义三、可编程控制器的特点六、可编程控制器的应用七、可编程控制器的发展五、可编程控制器的类型7.1概述四、可编程控制器的性能指标一、可编程控制器的产生因为继电器逻辑电路配线复杂一、可编程控制器的产生背景：1968年美国通用汽车公司（GM），为了适应汽车型号的不断更新，生产工艺不断变化的需要，实现小批量、多品种生产，希望能有一种新型工业控制器，它能做到尽可能减少重新设计和更换继电器控制系统及接线，以降低成本，缩短周期。

1968年，GM公司提出十项设计标准：编程简单，可在现场修改程序；维护方便，采用插件式结构；可靠性高于继电器控制柜；体积小于继电器控制柜；成本可与继电器控制柜竞争；可将数据直接送入计算机；可直接使用115V交流输入电压；输出采用115V交流电压，能直接驱动电磁阀、交流接触器等；通用性强，扩展方便;能存储程序，存储器容量可以扩展到4KB。一、可编程控制器的产生1969年，美国数字设备公司研制第一台可编程控制器，并应用于工业现场。一、可编程控制器的产生什么是PLC？二、可编程控制器的定义是一种工业控制装置是在电气控制技术和计算机技术的基础上开发出来的，并逐渐发展成为以微处理器为核心，将自动化技术、计算机技术、通信技术融为一体的新型工业控制装置。通用叫法中文名称为可编程控制器；英文名称为ProgrammableLogicController，简称PLC。二、可编程控制器的定义1987年，国际电工委员会（IEC）定义：

“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外围设备，都应按易于与工业系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计”。三、可编程控制器的特点无触点免配线，可靠性高，抗干扰能力强通用性强，控制程序可变，使用方便硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强编程简单，容易掌握系统的设计、安装、调试工作量少维修工作量小，维护方便体积小，能耗低.图7-1PLC系统的组成四、可编程序控制器的性能指标存储容量I/O点数扫描速度指令的多少内部寄存器的配置和容量扩展能力扩展能力特殊功能单元专指用户存储器的存储容量，它决定了用户所编制程序的长短。大、中、小型PLC的存储容量变化范围一般为2KB～2MB。

I/O点数，即PLC面板上的I/O端子的个数。I/O点数越多，外部可连接的I/O器件就越多，控制规模就越大。它是衡量PLC性能的重要指标之一。扫描速度是指PLC执行程序的快慢，是一个重要的性能指标，体现了计算机控制取代继电器控制的吻合程度。从自动控制的观点来看，决定了系统的实时性和稳定性。它是衡量PLC能力强弱的指标，决定了PLC处理能力、控制能力的强弱。限定了计算机发挥运算功能、完成复杂控制的能力。直接对用户编制程序提供支持，对PLC指令的执行速度及可完成的功能提供直接的支持。包括I/O点数的扩展和PLC功能的扩展两方面的内容（即模块式和集中封装式系统的可扩展性）。按I/O点数分小型PLCI/O点数为256点以下的为小型PLC

（其中I/O点数小于64点的为超小型或微型PLC）中型PLCI/O点数为256点以上、2048点以下的为中型PLC大型PLCI/O点数为2048以上的为大型PLC

（其中I/O点数超过8192点的为超大型PLC）五、可编程控制器的类型按结构形式分整体式PLC

将电源、CPU、I/O接口等部件都集中装在一个机箱内，具有结构紧凑、体积小、价格低等特点。五、可编程控制器的类型模块式PLC

将PLC各组成部分分别作成若干个单独的模块，如CPU模块、I/O模块、电源模块（有的含在CPU模块中）以及各种功能模块。紧凑式PLC

还有一些PLC将整体式和模块式的特点结合起来。模块式PLC

将PLC各组成部分分别作成若干个单独的模块，如CPU模块、I/O模块、电源模块（有的含在CPU模块中）以及各种功能模块。紧凑式PLC

还有一些PLC将整体式和模块式的特点结合起来。整体式PLC

将电源、CPU、I/O接口等部件都集中装在一个机箱内，具有结构紧凑、体积小、价格低等特点。按功能分低档PLC

具有逻辑运算、定时、计数、移位以及自诊断、监控等基本功能，还可有少量模拟量输入／输出、算术运算、数据传送和比较、通信等功能。中档PLC

具有低档PLC功能外，增加模拟量输入/输出、算术运算、数据传送和比较、数制转换、远程I/O、子程序、通信联网等功能。有些还增设中断、PID控制等功能。高档PLC

具有中档机功能外，增加带符号算术运算、矩阵运算、位逻辑运算、平方根运算及其它特殊功能函数运算、制表及表格传送等。高档PLC机具有更强的通信联网功能。五、可编程控制器的类型PLC著名品牌1993年中国PLC市场排行榜上的世界十大厂家：美国A－B公司（Allen－Bradley）德国西门子公司（Siemens）美国GE－Fanuc公司美国的莫迪康（Modicon）和法国的TE电器公司日本欧姆公司（OMRON）日本三菱电机株式会社（MITSUBISHI）日本富士电机株式会社（FujiElectric）日本东芝公司（TOSHIBA）日本的光洋电子（KOYO）和中国的华光电子(CKE）日本松下电工株式会社（MEW）：MatsushitaElectricWorksLtd）根据美国AutomationResearchCo.（ARC）的商情调查，PLC市场上，最大的5家PLC制造商是:

SIEMENS

Allen－Bradly（Rockwell)

AEGSchneider

三菱电机

OMRON(立石电机）PLC著名品牌六、可编程控制器的应用领域六、可编程控制器的应用领域六、可编程控制器的应用领域六、可编程控制器的应用领域六、可编程控制器的应用领域六、可编程控制器的应用领域六、可编程控制器的应用领域六、可编程控制器的应用领域六、可编程控制器的应用领域六、可编程控制器的应用领域七、可编程控制器的发展高性能、高速度、大容量发展为了提高PLC的处理能力，要求PLC具有更好的响应速度和更大的存储容量。目前，有的PLC的扫描速度可达0.1ms/k步左右。PLC的扫描速度已成为很重要的一个性能指标。在存储容量方面，有的PLC最高可达几十兆字节。为了扩大存储容量，有的公司已使用了磁泡存储器或硬盘。向小型化和大型化两个方向发展小型PLC由整体结构向小型模块化结构发展，使配置更加灵活，为了市场需要已开发了各种简易、经济的超小型微型PLC，最小配置的I/O点数为8～16点，以适应单机及小型自动控制的需要。大型化是指大中型PLC向大容量、智能化和网络化发展，使之能与计算机组成集成控制系统，对大规模、复杂系统进行综合性的自动控制。现已有I/O点数达14336点的超大型PLC，其使用32位微处理器，多CPU并行工作和大容量存储器，功能强。七、可编程控制器的发展大力开发智能模块，加强联网与通信能力为满足各种控制系统的要求，不断开发出许多功能模块，如高速计数模块、温度控制模块、远程I/O模块、通信和人机接口模块等。PLC的联网与通信有两类：①PLC之间联网通信，各PLC生产厂家都有自己的专有联网手段；②PLC与计算机之间的联网通信。为了加强联网与和通信能力，PLC生产厂家也在协商制订通用的通信标准，以构成更大的网络系统。

七、可编程控制器的发展增强外部故障的检测与处理能力据统计资料表明：在PLC控制系统的故障中，CPU占5%，I/O接口占15%，输入设备占45%，输出设备占30%，线路占5%。前二项共20%故障属于PLC的内部故障，它可通过PLC本身的软、硬件实现检测、处理。而其余80%的故障属于PLC的外部故障。PLC生产厂家都致力于研制、发展用于检测外部故障的专用智能模块，进一步提高系统的可靠性。

七、可编程控制器的发展编程语言多样化在PLC系统结构不断发展的同时，PLC的编程语言也越来越丰富，功能也不断提高。除了大多数PLC使用的梯形图、语句表语言外，为了适应各种控制要求，出现了面向顺序控制的步进编程语言、面向过程控制的流程图语言、与计算机兼容的高级语言（BASIC、C语言等）等。多种编程语言并存、互补与发展是PLC进步的一种趋势。七、可编程控制器的发展7.2常用术语及编程语言一、常用术语1.位（bit）也称内部继电器，实际上是PLC存储器中的一个触发器。“1”和“0”两个状态。2.I/O点（I/OPoint）

可直接和输入设备相连接的触点——输入点可直接和输出设备相连接的触点——输出点I/O点数越多，控制规模越大。3.通道（Channel）

也称为字，16个位组成一个通道。4.区（Area）

相同类型通道的集合。数据区、定时/计数器区、内部继电器区等。梯形图编程

语句表编程控制系统流程图编程逻辑方程式或布尔代数式二、可编程序控制器的编程语言7.2常用术语及编程语言1.梯形图二、可编程序控制器的编程语言左母线右母线常开触点常闭触点输出线圈使用最广泛的语言，与继电接触器电路图很相似，直观易懂。可省略梯形图的基本画法编制PLC程序前的准备：设计PLC控制系统的结构、配置；确定I/O位置根据I/O位置确定信号的I/O地址（端口表）设计、整理输入/输出信号间的逻辑关系梯形图的基本画法：

在左右两条逻辑电源线之间，按系统逻辑要求从左到右排列接点和线圈；计算机可只画左边;

逻辑可以是一个或多个接点的串并联，然后接到输出线圈(定时器、锁存器、移位寄存器等);)

所有接点必须在输出线圈左边；输出线圈不能不经过任何接点直接接在两个逻辑电源线之间。2.PLC语句表（助记符）编程操作码（指令）操作数LD0000OR0500ANDNOT0001OUT0500LD0500OUT0501

由多条语句组成一个程序段，适合经验丰富的程序员使用，可以实现某些用梯形图难以实现的功能。在使用简易编程器编程时，常常需要将梯形图转换为语句表才能输入PLC。3.控制系统流程图编程4.逻辑方程式或布尔代数式编程5.PLC高级语言编程PASCAL、BASIC、C、汇编等PLC的硬件结构主要由中央处理器（CPU）、存储器（RAM、ROM）、输入输出单元（I/O）接口、电源及外围编程设备等几大部分构成。其结构框图如图所示。7.3.1PLC的基本结构

PLC的硬件电路框图7.3基本结构及工作原理电源I/O扩展单元输入设备输出设备输出接口外部设备接口输入接口I/O扩展接口主机PLC编程器打印机磁带机计算机扫描仪CPU存储器用户程序系统程序数据按钮行程开关触点电磁阀电磁线圈指示灯

PLC的硬件电路框图中央处理单元（CPU）

在系统程序的控制下，①诊断电源、PLC内部电路工作状态；②接收、诊断并存储从编程器输入的用户程序和数据；③用扫描方式接收现场输入装置的状态或数据，并存入输入映像寄存器或数据寄存器。中央处理器是可编程序控制器的核心。

在PLC进入运行状态后，①从存储器中逐条读取用户程序；②按指令规定的任务，产生相应的控制信号，去启闭有关控制门电路，分时分渠道地去执行数据的存取、传送、组合、比较和变换等动作；③完成用户程序中规定的逻辑或算术运算等任务。

根据运算结果，①更新有关标志位的状态和输出映像寄存器的内容，②实现输出控制、制表、打印或数据通信等。中央处理单元（CPU）

PLC采用的CPU一般有三大类：

通用微处理器，如80286、80386等。

单片机芯片，如8031、8096等。位处理器，如AMD2900、AMD2903等。中央处理器是可编程序控制器的核心。

存储器存储器：用于存放系统程序、用户程序及运算数据的单元。分类：只读存储器（ROM）：用来存放系统工作程序、模块化应用功能子程序、命令解释、功能子程序的调用管理程序以及按对应定义存储各种系统参数（I/O、内部继电器、计时/计数器、数据寄存器等）等功能。

只读存储器又分为掩膜只读存储器和电可擦除只读存储器

随机读写存储器（RAM）:用来存放用户程序及系统运行中产生的临时数据。特点是写入与擦除都很容易，但在掉电情况下存储的数据就会丢失。

PLC的存储器区域按用途不同，又可分为程序区及数据区。存放程序存放数据输入、输出部分（I/O单元）

输入输出电路是将外部输入信号变换成CPU能接受的信号，将CPU的输出信号变换成需要的控制信号去驱动控制对象，从而确保整个系统的正常工作。

作为抗干扰措施，输入/输出单元都带有光电耦合电路，将PLC与外部电路隔离。

PLC的输入单元类型：直流、交流、交/直流3种；

PLC的输出单元类型：继电器方式、晶体管方式、晶闸管方式。继电器输出方式可带交、直流两种负载，晶体管方式可带直流负载，晶闸管方式可带交流负载。两个主要的要求：一是接口有良好的抗干扰能力。二是接口能满足工业现场各类信号的匹配要求。输入输出接口：是PLC和工业控制现场各类信号连接的部分。

开关量、模拟量、特殊量（远程、干结点）输入单元——带光电隔离电路接口接受的外信号电源：直流输入

交流输入交流/直流输入接收开关量及数字量信号（数字量输入单元）；接收模拟量信号（模拟量输入单元）；接收按钮或开关命令（数字量输入单元）；接收传感器输出信号。直流输入交流输入交流/直流输入不同的接口需求设计了不同的接口单元。主要有以下几种：

开关量输入接口：

作用：是把现场的开关量信号变成PLC内部处理的标准信号。输出单元——带光电隔离器及滤波器多种输出方式：晶体管晶闸管继电器驱动直流负载（晶体管输出单元）；驱动非频繁动作的交/直流负载（继电器输出单元）；驱动频繁动作的交/直流负载（晶闸管输出单元）。晶体管输出晶闸管输出继电器输出

开关量输出接口：作用：是把PLC内部的标准信号转换成现场执行机构所需的开关量信号。继电器型的输出接口可用于交流及直流两种电源，但接通断开的频率低。晶体管型的输出接口有较高的接通断开频率，但只适用于直流驱动的场合。晶闸管型的输出接口仅适用于交流驱动的场合。模拟量输入接口

作用：把现场连续变化的模拟量标准信号转换成适合PLC内部处理的由若干位二进制数字表示的信号。模拟量输入接口接受标准模拟信号。模拟量输出接口作用：将PLC运算处理后的若干位数字量信号转换为相应的模拟量信号输出。模拟量输出接口一般由光电隔离、D/A转换和信号驱动等环节组成。智能输入输出接口PID控制单元高速计数器工作单元温度控制单元等特点：①大多是独立的工作单元。②一般带有单独的CPU。③有专门的处理能力。符合国际标准的通用电压电流信号如：4～20mA的直流电流信号，0～10V的直流电压信号等编程器——外部设备由键盘、显示器和工作方式选择开关及外存插口等部件组成的PLC的重要外设，是人机对话的窗口。作用

编写、输入、编辑用户程序，也可以在线监视可编程控制器运行时各种元器件的工作状态，查找故障，显示出错信息。分类简易编程器：只能输入和编辑指令表程序，因此又叫指令编程器。它体积小，使用方便且价格便宜；缺点是不能输入和编辑图形程序，不够直观，一般用来给小型可编程控制器编程，或用于可编程控制器控制系统的现场调试和维修。图形编程器：是独立的专用计算机系统，有多种功能和多个接口，可以脱机直接生成和编辑梯形图程序，能监视全部程序的运行。方便、直观、价格高，只用于大型复杂控制系统。其他外围设备①盒式磁带机：用以记录程序或信息。②打印机：用以打印程序或制表。③EPROM写入器：用以将程序写入用户EFROM中。④高分辨率大屏幕彩色图形监控系统：用以显示或监视有关部分的运行状态。电源部件交流电（AC）:

一般为单相220V，也有采用交流100V直流电（DC）：一般为24V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。在控制面板上通常有发光二极管（LED）指示电源的工作状态，便于判断电源工作是否正常。电源

电源单元是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。PLC的电源一般采用开关电源，输入电压范围宽，抗干扰能力强。电源单元的输入与输出之间有可靠的隔离，以确保外界的扰动不会影响到PLC的正常工作。7.3.2PLC的基本工作原理1.PLC的等效电路收集被控设备的信息或操作命令按用户程序的控制要求对输入信息进行运算处理驱动外部负载PLC将输入信息采入PLC内部再执行逻辑部件组合后所达到的逻辑功能最后输出达到控制要求2.PLC的工作原理3.工作方式

采用循环扫描工作方式：系统周而复始地依一定的顺序完成一系列的具体的工作，这种工作方式叫做循环扫描工作方式。PLC系统正常工作所要完成的任务包括：

①PLC内部各工作单元的调度、监控；②PLC与外围设备间的通信；③用户程序所要完成的工作等。7.3.2PLC的基本工作原理其中，用户程序的完成可分为以下三个阶段：输入处理阶段输出处理阶段程序执行阶段根据PLC梯形图程序的扫描原则，按先左后右，先上后下的步序，逐句扫描，执行程序。将输出映像寄存器中寄存器的状态，转存到输出锁存器，通过隔离电路，驱动功率放大电路，使输出端子向外界输出控制信号，驱动外部负载。

PLC顺序读入所有输入端子的状态，并将读入的信息存入内存中所对应的输入映像寄存器。PLC用户程序执行阶段扫描工作过程如图所示。++扫描周期（重要指标）自检时间读入一点时间×输入点数+程序步数×运算速度输出一点时间×输出点数T=

PLC控制与继电器控制的区别

在继电器控制线路中，采用并行工作方式；而在梯形图的控制线路中，采用串行工作方式。

组成器件不同：继电器控制线路是许多真正的硬件继电器组成，而梯形图则由许多所谓“软继电器”组成。

触点数量不同：硬继电器的触点数量有限，用于控制的继电器的触点数一般只有4～8对；而梯形图中每个“软继电器”供编程使用的触点数有无限对。实施控制的方法不同：在继电器控制线路中，实现某种控制是通过各种继电器之间硬接线解决的。而PLC控制是通过梯形图即软件编程解决的。工作方式不同：输入/输出滞后现象

与PLC的集中输入集中刷新、程序循环执行、输入滤波器造成的时间常数、输出继电器机械滞后以及程序设计不当的附加影响等有关。多重输出不允许关于步进梯形图多重输出的情况，将在后面具体讲述的PLC指令时予以介绍。PLC的控制结果有一定的特殊性：最大限度地满足被控对象的控制要求。在满足控制要求的前提下，力求使控制系统简单、经济，使用及维修方便。

保证控制系统的安全、可靠。

考虑到生产的发展和工艺的改进，在选择PLC容量时，应适当留有余量。7.4PLC应用系统设计的基本内容和步骤7.4.1可编程序控制