可编程控制器概述-PLC基础知识

模块三

可编程控制器概述

PLC基础知识3.1

可编程控制器（programmablelogiccontroller，PLC）是以微处理器为基础，综合了计算机技术、半导体技术、自动控制技术、数字技术和网络通信技术发展起来的一种通用工业自动控制装置。它采用电子编程来实现对工业现场的自动化控制。由于可编程控制器具有简单易懂、操作方便、可靠性高、体积小、功耗低、适用于在工业化的环境下运行、使用寿命长等优点，在工业领域得到广泛应用，并逐步成为各行各业的通用控制产品。

20世纪70年代前，工业生产采用继电器接触器控制系统，其优点：结构简单、价格低廉；缺点：灵活性差、可靠性低。1968年，美国最大的汽车制造厂家——通用汽车公司（GM）为了适应汽车型号不断更新的需要，提出了十条技术指标在社会上公开招标，制造一种新型的工业控制装置，提出了研制可编程序控制器的基本设想，即：(1)能用于工业现场。(2)能改变其控制“逻辑”，而不需要改变元件和内部接线。(3)出现故障时易于诊断和维修。1969年，美国数字设备公司(DEC)研制出了世界上第一台PLC，并在GM公司汽车生产线上首次应用成功。进入20世纪80年代后，PLC采用了16位（少数32位）微处理器，使得可编程逻辑控制器在概念、设计和性能上都有了新的突破，增加了数值运算、模拟量处理及联网通信等功能，成为真正意义上的可编程控制器（programmablecontroller，PC）。但为了与个人计算机（personalcomputer，PC）相区别，仍将可编程控制器简称为PLC。

下图所示为继电器电气控制系统和PLC电气控制系统框图。可以看出，它们的控制方式不同，继电器控制属于继电器硬件连线控制方式，PLC控制属于存储程序控制方式典型的继电器、PLC控制系统组成

PLC控制系统与继电器控制系统的比较

PLC由硬件系统（hardwaresystem)和软件系统（softwaresystem)组成，如下图所示。其中，软件系统包括系统程序和用户程序，硬件系统主要由中央处理器、存储器、输入/输出接口、接口电路和电源五大部分组成。

PLC的基本组成一、PLC的基本组成PLC的硬件基本结构图中央处理器（centralprocessingunit，CPU）是PLC的核心。PLC中所配置的CPU随机型不同而不同，主要有三类：通用微处理器（如Z80、8086、80286等）、单片微处理器（如8031、8096等）和位片式微处理器(如AMD29W等)。小型PLC大多采用8位通用微处理器和单片微处理器；中型PLC大多采用16位通用微处理器和单片微处理器；大型PLC大多采用高速位片式微处理器。S7-200系列PLC的CPU类型有CPU221、CPU222、CPU224、CPU224XP、CPU226和CPU226XM，其型号选择见表1-1。中央处理器1.

CPU在系统监控程序的控制下处于STOP、TERM和RUN三种工作方式，其主要功能如下。（1）编程时接受并存储从编程器输入的用户程序和数据，并能进行修改或更新。（2）以扫描的方式接受现场输入的用户程序和数据，并将输入状态表（输入继电器）和数据存入输入映像寄存器。（3）从存储器中逐条读出用户程序，经解读用户逻辑，完成用户程序中规定的各种任务，更新输出映像寄存器的内容。（4）根据输出所存电路的有关内容实现输出控制。（5）执行各种诊断程序。存储器2.

PLC的存储器包括只读存储器（ROM）、电可擦只读存储器（EEPROM）和随机存储器（RAM），系统程序存放在ROM中，中间运算数据存放在RAM中；用户程序也可以存放在RAM或EEPROM中，掉电时，则自动保存到ROM或高能电池支持的RAM中。

输入/输出模块（I/O模块）是PLC和工业控制现场各类信号连接的部件。其等效电路如下图所示。根据电路的结构形式不同，输入/输出模块可分为开关量和模拟量两大类，其中模拟量I/O模块要经过模/数转换器（A/D转换器）、数/模转换器（D/A转换器）实现模拟信号与数字信号之间的转换。输入/输出模块3.PLC的等效电路

（1）输入模块。输入模块是PLC内部输入接口电路，其作用是将PLC外部电路（如行程开关、按钮、传感器等）提供的、符合PLC输入电路要求的电压信号，通过光耦电路送到PLC内部电路。根据常用输入接口电路电压类型和电路形式的不同，输入接口分为直流输入式和交流输入式两类，如图所示。图1-5输入接口电路图（2）输出模块。输出模块是PLC输出接口电路用来将CPU运算的结果传送给输出端的电路元件，以控制其接通或断开，从而驱动被控负载（电磁铁、继电器、接触器线圈等）。依据不同负载工作电路，PLC输出接口电路有继电器式输出（见下图）、晶闸管式输出和晶体管式输出三种类型。图1-6继电器式输出接口电路图在继电器式输出接口电路中，CPU可根据程序执行的结果，使PLC内设继电器线圈通电，带动触点闭合，通过继电器闭合的触点，由外部电源驱动交、直流负载。其优点是过载能力强，交、直流负载皆宜。但它存在动作速度较慢，使用寿命有限等问题。在晶闸管式输出接口电路中，CPU通过光耦电路的驱动，使双向晶闸管通断，驱动交流负载，如图（a）所示；在晶体管式输出接口电路中，CPU通过光耦电路的驱动，使晶体管通断，驱动直流负载，如图（b）所示。两者的优点是均为无触点控制系统，不存在电弧现象，而且开关速度快，但缺点是半导体器件过载能力差。图1-7无触点输出接口电路图

在晶闸管式输出接口电路中，CPU通过光耦电路的驱动，使双向晶闸管通断，驱动交流负载；在晶体管式输出接口电路中，CPU通过光耦电路的驱动，使晶体管通断，驱动直流负载。两者的优点是均为无触点控制系统，不存在电弧现象，而且开关速度快，但缺点是半导体器件过载能力差。从上述三种PLC输出电路可以看出，继电器、晶体管和晶闸管作为输出端的开关元件，受PLC的输出指令控制，仅完成接通或断开与相应输出端相连的负载回路的任务，而不提供负载回路的工作电源。（3）公共端点。通常在PLC内部将一组输入/输出电路的公共端连在一起，共用一个公共端点，以减少PLC的外部接线。PLC一般以三四个输出或输入接点为一组，在PLC内部连成一个输出公共端，公共端点之间是绝缘隔离的。分组后，不同的负载可以采用不同的驱动电源。PC公共端接线如下图所示。CPU224型PLC输入/输出电路公共端点分组连接图接口电路4.（1）I/O扩展接口电路（2）外设通信接口电路

I/O扩展接口电路连接I/O扩展单元，可以用来扩充开关量I/O点数和增加模拟量I/O端子。I/O扩展接口电路采用并行接口和串行接口两种电路形式。外设通信接口电路连接手持编程器或其他图形编辑器、文本显示器，并能组成PLC的控制网络，可以实现编程、监控、联网等功能。电源5.

PLC外接供电电源分为交流电源和直流电源两种，交流电源幅值为85~264V，直流电源幅值为24V。同时，PLC内部配有一个专用开关式稳压电源，将交流或直流供电电源转化为其内部电路所需要的工作电源（5V直流），也可为外部输入元件提供24V直流电源（仅供输入端子使用）。软件系统6.（1）系统程序。系统程序与PLC的硬件组成有关，由PLC制造厂商设计编写，一般包括系统诊断程序、输入处理程序、编译程序、信息传送程序、监控程序等，完成系统诊断、命令解释、功能子程序调用管理、逻辑运算、通信及各种参数设定等功能，提供PLC运行的平台。系统程序关系到PLC的性能，而且在PLC使用过程中不会变动，由制造厂商直接固化在ROM、PROM或EPROM中。（2）用户程序。用户程序是随PLC的控制对象而定的，它是由用户根据对象生产工艺的控制要求，利用PLC编程语言而编制的应用程序。为了便于读出、检查和修改，用户程序一般存于静态RAM中，用锂电池作为后备电源，以保证掉电时不会丢失信息。为了防止干扰对RAM中程序的破坏，当用户程序运行正常不需要改变时，可将其固化在EPROM中。现在有许多PLC直接采用EEPROM作为用户存储器。

PLC的CPU采取循环扫描工作方式执行用户任务，用户程序运行一次所经历的时间称为PLC的一个机器扫描周期，简称扫描周期，分为CPU自诊断、处理通信请求、读输入、执行程序（CPU处于RUN状态）和写输出（输出刷新）5个阶段，如图所示。PLC的CPU扫描周期（1）执行CPU自诊断。每次扫描开始，先执行一次自诊断程序，对各输入/输出点、存储器和CPU等进行诊断。诊断的方法通常是测试出各部分的当前状态，并与正常的标准状态进行比较，若两者一致，说明各部分工作正常；若不一致，则认为有故障。此时，PLC立即启动关机程序，保留现行工作状态，并关断所有输出点，然后停机。（2）处理通信请求。诊断结束后，如果没有发现故障，PLC将继续往下扫描，检查是否有编程器等的通信请求。如果有故障就进行相应的处理，如接受编程器的命令，把要显示的状态数据、出错信息送给编程器显示等。（3）读输入。在读输入阶段，CPU对数字量和模拟量的输入信息进行处理。①数字量输入信息的处理。每次扫描周期开始，先读数字输入点的当前值，然后写到输入映像寄存器区域。在之后的用户程序执行过程中，CPU访问输入映像寄存器区域，而不是读取输入端口状态，输入信号的变化不会影响输入映像寄存器的状态；通常要求输入信号有足够的脉冲宽度才能被响应。②模拟量输入信息的处理。在处理模拟量输入信息时，用户可以对每个模拟通道选择数字滤波器，即对模拟通道设置滤波功能。变化缓慢的输入信号可以选择数字滤波，高速变化信号不能选择数字滤波。如果选择了数字滤波器，CPU在每个扫描周期自动刷新模拟输入，执行滤波功能并存储滤波值（平均值）。当选用模拟输入时，读取该滤波值。（4）执行程序。PLC按照梯形图的顺序，自左而右，自上而下地逐行扫描，CPU从用户程序的第一条指令开始执行，直到最后一条指令结束，程序运行的结果存放在输出映像寄存器区域。在此阶段，允许对数字量I/O指令和不设置数字滤波的模拟量I/O指令进行处理。扫描周期的各部分，均可对中断事件进行响应。（5）写输出。在每个扫描周期的结尾，CPU把存放在输出映像寄存器中的数据输出给数字量输出端点（写入输出锁存器中，保证输出状态不会发生突变），更新输出状态。当CPU操作模式从RUN状态切换到STOP状态时，数字量输出可设置为输出表中定义的值或当前值；模拟量输出保持最后写的值；默认设置是关闭数字量输出。

CPU的工作方式主要有STOP（停止）和RUN（运行）两种，可以通过指令、编程软件和拨动开关来设定。CPU在STOP工作方式下，不执行程序，此时，可以向CPU装载程序或进行系统设置；CPU在RUN工作方式下，运行用户程序。CPU的工作过程2.CPU工作过程示意图（1）输入I/O刷新阶段。①CPU对输入状态进行扫描，由输入电路采样输入端子送入PLC允许信息（数字或模拟信号）并转换成数字信号，存入输入映像寄存器中，实现输入映像寄存器刷新，即内容更新。②对输入状态的扫描只在输入采样阶段进行，只有此时才能实现输入映像寄存器刷新，即在用户程序执行阶段或输出阶段，即使输入端状态发生变化，输入映像寄存器的内容也不会改变，只有到下一个扫描周期的输入处理阶段才能被读入（输入响应滞后）。（2）用户程序执行阶段。CPU对用户程序进行“自左而右，自上而下”的逐行扫描，同时对输入（输出）映像寄存器进行读操作，完成每条指令执行，结果存入输出映像寄存器中，刷新输出映像寄存器。（3）输出I/O刷新阶段。①CPU将输出映像寄存器中的内容转存到输出锁存器，实现输出锁存器刷新。②在一个扫描周期内，只有在输出处理阶段才将输出映像寄存器中的状态输出，在其他阶段，输出值一直保存在输出映像寄存器中（输出响应滞后）。③输出锁存器主要解决CPU与执行部件之间的速度匹配问题。④输出电路将程序执行结果的数字信号转换成数字或模拟信号输出，驱动外部负载。

PLC的特点与性能指标三、PLC的特点1.（1）整体式结构，通用性好。整体式结构是将PLC的中央处理器单元、输入/输出部件安装在一块印刷电路板上，并连同电源一起装在一个标准机壳内，形成一个箱体。这种结构简单，体积小，重量轻，通过输入/输出端子与外部设备连接。一般小型PLC常采用这种结构，它适用于单机自动控制。（2）模块品种丰富，扩展性好，功能强大。PLC通过预留I/O扩展口来连接扩展模块，如输入模块、输出模块、网络模块、PID模块、位控模块、伺服与步进驱动模块等。这种结构形式配置灵活，装配方便，便于扩展，用户根据控制要求灵活地组合各种模块，可以构成规模不同的控制系统。（3）可靠性高，抗干扰能力强。可靠性指的是PLC平均无故障时间（meantimebetweenfailure，MTBF）,即指相邻两次故障之间的平均工作时间。目前，各生产厂家的PLC平均无故障时间都远大于国际电工委员会（InternationalElectrotechnicalCommission，IEC）规定的10万小时的标准，工业界称为无故障设备，故现在的PLC性能指标不再列出MTBF。由于工业生产过程经常昼夜连续，工业现场环境恶劣，各种电磁干扰特别严重，PLC在设计、制作和元器件的选取上，采用了精选、高度集成化和冗余量大等一系列措施，对所有输入/输出接口电路均采取光电隔离措施，对各组成模块均采取屏蔽措施，系统程序具有自诊断功能，硬件采用冗余结构等，有效地抑制了外部干扰源对PLC的影响，使其能安全、可靠地在恶劣的工业环境中工作。其主要方法如下。①各输入端均采用RC滤波器，其滤波时间常数一般为10～20ms，对于一些高速输入端，则采用数字滤波，其滤波时间常数可用指令设定。②各模块均采用屏蔽措施，防止辐射干扰。③采用优良的开关电源。④对器件进行严格的筛选。⑤具有自诊断功能，一旦电源或软件、硬件发生异常情况，CPU立即采取措施防止故障扩大。⑥大型PLC还采取双CPU构成冗余结构或由三个CPU构成表决系统，使可靠性进一步提高。（4）设计、安装容易，调试周期短，维护简单。PLC已实现了产品的系列化、标准化和通用化，设计者可在规格繁多、品种齐全的PLC产品中选用高性价比的产品。PLC用软件功能代替了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，减少了控制柜的设计、安装接线工作量；用户程序的大部分可以在实验室模拟进行，调试好后再将PLC控制系统放到生产现场联机调试，既快速、又安全方便，大大缩短了设计与调试周期；由于PLC本身的故障率极低，维修的工作量很小，而且各种模块上均有运行状态和故障状态指示灯，便于用户了解运行情况和查找故障。同时，许多PLC采用模块式结构，一旦某个模块出现故障，用户可以更换模块，使系统迅速恢复运行。此外，PLC外部控制电路虽然仍为硬连线系统，但当受控对象的控制要求改变时，可以在线使用编程器修改用户程序以满足新的控制要求，大大缩短了工艺更新所需要的时间。（5）编程简单易学。PLC编程软件大多具有汉化界面，并提供了多种面向用户的编程语言，如常用的梯形图（ladderdiagram，LAD）、指令语句表（statementlist，STL）和功能块图（functionblockdiagram，FBD）。PLC编程主要采用PC或手持式编程器，其中手持式编程器有键盘、显示功能，通过电缆线与PLC相连，具有体积小、重量轻、便于携带、易于现场调试等优点；而PC更有利于PLC程序的输入、修改、调试、打印、存储及运行的动态监视，适用于较复杂的PLC控制系统的开发、设计与维护。（6）应用广泛，发展迅猛。随着计算机控制技术的快速发展，PLC具有更国际化，更高性能等级，安装空间更小，更良好的Windows操作系统等优势，成为当代各种控制工程的理想控制器，广泛应用于数字量逻辑控制、运动控制、闭环过程控制、数据处理与通信联网等领域。

（1）I/O点数。PLC的I/O点数是指外部输入/输出端子的总和，又称主机的开关量I/O点数。它是描述PLC大小的一个重要参数。（2）存储容量。PLC的存储器由系统程序存储器、用户程序存储器和数据存储器三部分组成。PLC的存储容量通常指用户程序存储器和数据存储器容量之和，它表征系统提供给用户的可用资源，是系统性能的一项重要的技术指标。PLC的性能指标2.

（3）扫描速度。PLC采用循环扫描工作方式。完成一次扫描所需的时间称为扫描周期，扫描速度与周期成反比。影响扫描速度的主要因素有用户程序的长度和PLC产品的类型。PLC中CPU的类型、机器字长等直接影响PLC的运算精度和运行速度。

（4）指令系统。指令系统是指PLC所有指令的总和，数量越多，软件功能就越强，但掌握和应用起来也相对复杂。用户应根据实际控制要求选择合适指令功能的可编程控制器。

（5）可扩展性。小型PLC的基本单元（主机）多为开关量I/O接口，各厂家在PLC基本单元的基础上大力发展模拟量处理、高速处理、温度控制、通信等智能扩展模块。智能扩展模块的多少及性能也已成为衡量PLC产品水平的标志。

（6）通信功能。通信包括PLC之间的通信和PLC与计算机或其他设备之间的通信。通信主要涉及通