掌握可编程控制器的工作原理了解PLC的编程语言

主编：黄云龙副主编：郁炜吴国强审阅：陈国定制作：廖东进出版：科学出版社

2007年1月《可编程限制器》教化部一般高等教化“十一五”国家级规划教材第1章可编程限制器概论

1.1可编程限制器的产生、特点、现状和发展趋势1.2PLC的基本结构和工作原理1.3PLC的主要性能指标1.4PLC的编程语言本章要点1．理解可编程限制器的基本结构，驾驭可编程限制器的工作原理、了解PLC的编程语言。2．了解PLC的主要技术性能指标、扫描工作方式和PLC的响应时间。本章难点1．可编程限制器基本结构的理解。2．各种编程语言的理解。3．扫描工作方式和响应时间的理解。1.1可编程限制器的产生、特点、现状和发展趋势

本节主要介绍

PLC的产生

PLC的特点

PLC的现状

PLC的发展趋势可编程限制器（ProgrammableController）简称PC(PLC)1.1.1PLC的产生

1968年美国通用汽车公司（GM）提出了研制新型逻辑依次限制装置的十项招标指标：①编程便利，可现场修改程序；②修理便利，接受模块化结构；③牢靠性高于继电器限制装置；④体积小于继电器限制装置；⑤数据可干脆送入管理计算机；⑥成本可与继电器限制装置竞争；⑦输入可以是沟通115V；⑧输出为沟通115V，2A以上，能干脆驱动电磁阀，接触器等；⑨在扩展时，原系统只要很小变更；⑩用户程序存储器容量至少能扩展到4K。这些要求事实上提出了将继电器限制的简洁易懂、运用便利、价格低的优点与计算机的功能完善、灵敏性、通用性好的优点结合起来，将继电接触限制的硬连线逻辑转变为计算机的软件逻辑编程的设想。1.1.2PLC的特点

定义：可编程限制器是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境而设计。它接受了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、依次限制、定时、计数和算术运算等操作的指令并通过数字式或模拟式的输入和输出，限制各种类型的机械或生产过程。可编程限制器及其有关外围设备，都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。PLC的主要特点是：1．牢靠性高，抗干扰实力强PLC是专为工业环境设计的，其牢靠性高，抗干扰实力强，其平均故障间隔时间可达5年以上，主要体现在：①对元器件进行严格筛选和老化，I/O接口电路接受光电隔离；②结构上考虑耐热、防潮、防尘和抗震的要求；③硬件上接受隔离、屏蔽、滤波和接地等措施；④软件上接受数字滤波等抗干扰和故障诊断措施；⑤工作方式接受循环扫描方式。2．功能完善PLC除基本逻辑处理功能外，协作特殊的功能模块可用于数字限制领域，并可实现与上位机的通讯。3．易操作 ①程序输入和更改便利； ②多种程序设计语言可供运用； ③自诊断功能使修理便利。4．灵敏性和可扩展性强PLC的灵敏性表现在下列三个方面：

①接受的编程语言有梯形图、布尔助记符、菜单图、功能模块图和语言描述编程语言，只要驾驭其中一种语言就可以进行编程；②依据应用规模的不断扩展，即可进行容量的扩展、功能的扩展、应用和限制范围的扩展；③设计、编程和安装的工作量削减，易实现过程监视和限制。1.1.3PLC的现状

PLC产品可按地域分成三大流派：美国产品：代表性厂商有A-B公司、通用电气（GE）公司、莫迪康（MODICON）公司、德州仪器（TI）公司、西屋公司等。其中A-B公司是美国最大的PLC制造商，其产品约占美国PLC市场的一半。

欧洲产品：代表性厂商有德国的西门子（SIEMENS）公司、AEG公司、法国的TE公司是欧洲著名的PLC制造商。德国的西门子的电子产品以性能精良而久负盛名。在中、大型PLC产品领域与美国的A-B公司齐名。日本产品：日本的小型PLC最具特色，在小型机领域中颇具盛名，某些用欧美的中型机或大型机才能实现的限制，日本的小型机就可以解决。在开发较困难的限制系统方面明显优于欧美的小型机，所以特殊受用户欢迎。日本有很多PLC制造商，如三菱、欧姆龙、松下、富士、日立、东芝等，在世界小型PLC市场上，日本产品约占有70％的份额。我国PLC产品:我国有很多厂家、科研院所从事PLC的研制与开发，如中国科学院自动化探讨所的PLC-0088，北京联想计算机集团公司的GK-40，上海机床电器厂的CKY-40，上海起重电器厂的CF-40MR/ER，苏州电子计算机厂的YZ-PC-001A，原机电部北京机械工业自动化探讨所的MPC-00l/20、KB-20/40，杭州机床电器厂的DKK02，天津中环自动化仪表公司的DJK-S-84/86/480，上海独立电子设备厂的KKI系列，上海香岛机电制造有限公司的ACMY-S80、ACMY-S256，无锡华光电子工业有限公司（合资）的SR-10、SR-20/21等。1.1.4PLC的发展趋势

目前，PLC技术正在不断地向综合性的工业限制发展。随着科学技术的快速发展，将来PLC将朝两极化、多功能、智能化和网络化的模式方向发展。1．向高速度、大容量方向发展2．向超大型、超小型两个方向发展3．PLC大力开发智能模块，加强联网通信实力4．增加外部故障的检测与处理实力5．编程语言多样化1.2PLC的基本结构和工作原理

1.2.1PLC的基本结构中心处理单元（CPU）它依据PLC系统程序赐予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据。检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。存储空间：①系统程序存储区:存放着相当于计算机操作系统的系统程序②系统RAM存储区（包括I/O映象区以及各类软设备)③用户程序存储区：存放用户编制的用户程序PLC存储空间电源部分存储器类型：①RAM②EPROM③EEPROM1.2.2PLC的工作原理

早期的PLC与传统由继电器接触器构成的限制装置的区分：（1）继电器限制装置接受硬逻辑并行运行的方式（2）PLC的CPU则接受依次逻辑扫描用户程序的运行方式考虑到继电器限制装置各类触点的动作时间一般在100ms以上，而PLC扫描用户程序的时间一般均小于100ms，因此，PLC接受了一种不同于一般微型计算机的运行方式——扫描技术。（3）扫描技术工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以确定的扫描速度重复执行上述三个阶段。PLC的扫描工作周期

①输入采样阶段PLC以扫描方式依次地读入全部输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变更，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会变更。因此，假如输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必需大于一个扫描周期，才能保证在任何状况下，该输入均能被读入。PLC的扫描工作周期

PLC依次依次地扫描用户程序（梯形图），然后依据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。②用户程序执行阶段PLC的扫描工作周期当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。CPU依据I/O映象区内对应的状态和数据刷新全部的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是PLC的真正输出。一般来说，PLC的扫描周期还包括自诊断、通讯等，即一个扫描周期等于自诊断、通讯、输入采样、用户程序执行和输出刷新等全部时间的总和。。③输出刷新阶段（4）PLC的I/O响应时间光电隔离等技术扫描技术PLC的I/O响应比一般微型计算机构成的工业限制系统慢的多，其响应时间至少等于一个扫描周期，一般均大于一个扫描周期甚至更长。1.3PLC的主要性能指标

1．输入／输出点数:2．扫描速度:3．存储器容量：4．编程语言：PLC接受梯形图、布尔助记符、菜单图、功能模块图和语言描述等编程语言。不同的PLC产品可能拥有其中一种、两种或全部的编程方式。5．指令功能指令种类越多，则其软件的功能就越强，运用这些指令完成确定的限制目的就越简洁。此外，PLC的可扩展性、运用条件、牢靠性、易操作性及经济性等性能指标也是用户在选择PLC时须留意的指标。表示PLC组成限制系统时可能的最大规模。扫描速度是指PLC执行用户程序的速度。包括系统程序存储器、用户程序存储器和数据存储器。程序指令是按“步”存放的，一“步”占用一个地址单元，一个地址单元一般占用两个字节。1.4PLC的编程语言

PLC中有多种程序设计语言，它们是梯形图语言、布尔助记符语言、菜单图语言、功能模块图语言及结构化语句描述语言等。梯形图语言和布尔助记符语言是基本程序设计语言，它们通常由一系列指令组成，用这些指令可以完成大多数简洁的限制功能。菜单图语言和语句描述语言是高级的程序设计语言，它可依据须要去执行更有效的操作。功能模块图语言接受功能模块图的形式，通过软连接的方式完成所要求的限制功能，它不仅在PLC中得到了广泛的应用，在集散限制系统的编程和组态时也常常被接受，由于它具有连接便利、操作简洁和易于驾驭等特点，为广袤工程设计和应用人员所宠爱。1.4.1梯形图语言

梯形图语言是用梯形图的图形符号来描述程序的一种程序设计语言。这种程序设计语言接受因果关系来描述事务发生的条件和结果。每个梯级是一个因果关系，在梯级中，描述事务发生的条件表示在左面，事务发生的结果表示在右面。梯形图程序设计语言的特点是：（1）与电气操作原理图相对应，具有直观性和对应性。（2）与原有继电器逻辑限制技术相一样，对电气技术人员来说，易于驾驭和学习（3）与原有的继电器逻辑限制技术的不同点是，梯形图中的能流（PowerFlow）不是实际意义的电流，内部的继电器也不是实际存在的继电器。因此，应用时需与原有继电器逻辑限制技术的有关概念区分对待。（4）与布尔助记符程序设计语言有一一对应关系，便于相互的转换和程序的检查。1.4.2布尔助记符语言

布尔助记符语言是用布尔助记符来描述程序的一种程序设计语言，它与计算机中的汇编语言特殊相像，接受布尔助记符来表示操作功能。布尔助记符程序设计语言具有下列特点：（1）接受助记符来表示操作功能，具有简洁记忆，便于驾驭的特点。（2）在编程器的键盘上接受助记符表示，具有便于操作的特点，可在无计算机的场合进行编程设计。（3）与梯形图有一一对应关系，其特点与梯形图语言基本类同。PLC是一种标准的工业设备，经过近40年的发展，制造厂商众多，产品不断更新，功能不断强大。就其工作原理而言，有很多共同之处。1．PLC是专为工业环境设计的，其牢靠性高，功能强大，简便易学，适用面广。特殊适合工程技术人员运用。2．PLC的不断发展和其所具有的一系列优点，使其从简洁的开关量限制发展到模拟量、数字量限制，并不断向多功能、大容量、大规模及网络化