第三章PLC基础知识.docx

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第三章PLC基础知识

第3章可编程序控制器（PLC）基础知识

3．1绪论

3．1．1可编程序控制器的名称及定义

可编程序控制器是在继电器控制和计算机控制的基础上开发出来的，并逐渐发展成以微处理器为核心，把自动化技术、计算机技术、和通讯技术融为一体的新型工业自动控制装置。

目前已经被广泛地应用于各种生产机械和生产过程的自动控制中。

可编程序控制器出现以后，名称很不一致，早期的可编程序控制器在功能上只能进行逻辑控制，因此被称为可编程序逻辑控制器（ProgrammableLogicController）,简称PLC。

随着科学技术的发展，国外一些厂家开始采用微处理器来作为可编程序控制器的中央处理单元（CPU），从而扩大了控制器的功能，它不仅可以进行逻辑控制，而且还可以对模拟量进行控制，因此美国电气制造协会（NationalElectricalManufactures,简称NEMA）于1980年将它正式命明为可编程序控制器（ProgrammableController），简称PC。

PC这一名称在国外工业界已使用多年，但是近年来PC这个名字又成为个人计算机（personalcomputer）的专称，为了区别，现在常把可编程序控制器称为PLC。

美国电气制造协会（NEMA）于1980年给PLC作了如下定义：

“PLC是一种数字式的电子装置，它使用了可编程序的存贮指令能完成逻辑，顺序，计时，计数何算术运算功能，用以控制各种机械或生产过程。

”

国际电工委员会（IEC）于1985年在其颁布的可编程序控制器标准草案第二稿中，又给PLC作了如下定义：

“可编程序控制器是一种数字运算的电子系统，专为工业环境下应用而设计。

它采用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算，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，模拟式的输入和输出，控制各种机械或生产过程。

”

近年来，PLC技术发展很快，每年都推出不少新产品，其功能已超出上述定义范围。

3．1．2PLC产生和发展

世界上第一台PLC是1969年美国数字设备公司研制成功的。

最初，美国通用汽车公司根据生产的需要提出如下设想：

能否把计算机功能完善、灵活性、通用型等优点和继电器控制系统的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点结合起来，做成一种通用控制装置，并把计算机的编程方法和程序输入方式加以简化，用面向控制过程、面向问题的“自然语言”编程，使得不熟悉计算机的认也能方便的使用。

这样，使用人员不必在编程上花大量的经历，而是集中力量去考虑如何发挥该装置的功能和作用。

这一设想提出后，美国DEC公司首先响应于1969年首先研制成功第一台可编程序控制器，型号PDP-14，用它代替传统的继电器控制系统，在美国GE公司的汽车自动装配上试用获得了成功。

此后，这项新技术就迅速发展起来。

1971年，日本从美国引进了这项新技术，很快就研制成了日本第一台可编程序控制器DSC-8。

1973～1974年，西德和法国也开始研制出自己的可编程序控制器。

我国从1974年也开始研制，当时是仿制美国的第一台产品，水平不高。

直到1977年底美国Motorola公司研制成一位微处理器MC14500芯片以后，国内以一位微处理器MC14500为核心的可编程序控制器才发展起来，并开始工业应用。

近几年来，PLC技术的发展相当快。

据不完全统计，美国，日本，西德等国生产PLC的厂家达150多家，产品有数百种。

仅美国在1988年就有78家厂家，304种产品。

由于生产厂家的竞争激烈，导致PLC产品的更新换代很快，周期一般是5年，如日本三菱公司目前已用F1、F2系列代替了F系列产品，用A系列代了K系列产品。

国内PLC技术与国外比较差距还比较大。

在引进国外PLC技术的同时，在实现PLC国产化方面已有很大进步。

目前，以一位微处理器MC14500为核心的PLC已有批量成熟产品，但它的功能还是很有限的。

PLC的功能也在不断增长，主要表现在：

（1）控制规模不断扩大单台PLC可控制成千上万个点，多台PLC进行同位链接可控制几万个点。

（2）指令不断增多使之能更多地具有计算机处理功能，如逻辑运算、计时、计数、算术运算、PID运算、数制转换、ASCI码处理、高档PLC还能处理中断，调用子程序等。

由于指令系统很丰富，使得PLC能够实现逻辑控制、模拟量控制、数值控制和其它过程监控，以致在某些方面可以取代小型计算机控制。

（3）中央处理器位数不断增多由一位微处理器逐步发展到8位、16位甚至32位微处理器。

（4）处理速度不断提高每隔点的平均处理时间从10us提高到1us以内。

（5）编程容量不断增大从几K字节提高到几十K,甚至上百K字节。

（6）编程语言多样化大多数使用梯形图语言和语句表语言，有的使用流程图语言或高级语言。

（7）增加通讯与联网功能远程I/O能以CPU通讯，PLC与PLC之间能互相通讯，互相交换数据，PLC还可以与上位计算机通讯，接受计算机的命令，并将执行结果告诉计算机。

通讯接口多采用BS-232-C，RS422等标准街口，也有的采用光纤通讯。

由于PLC具有通讯和联网的功能，使工业自动化朝着控制分散化、管理集中化的集散系统发展。

（8）各种智能I/O模块相继开发如温度控制模块，位置控制模块，高速模拟量转换模块，高速计数模块等，使PLC能够完成更加复杂的控制功能。

还有自带微处理器的模块，它可以脱离PLC而独立工作，在工业控制应用上增强了适时性。

PLC从产生以来，经过30多年，现已发展到第四代。

其发展过程大致为：

第一代：

1969～1972。

特点是：

1）功能简单，主要是逻辑运算、定时、计数；

2）机种单一，没有形成系列；

3）与继电器控制装置相比，可靠性有一定提高；

4）CPU由中、小规模集成电路组成，促初期为磁芯存储器。

典型产品有：

美国MODICON公司的084；DE公司的PDP-14/L;ALLEN-BRA-DLEY公司的PDQ；日本富士电机公司的USC-4000;立石电机公司SCY-022,北辰电机公司的HOSC-20；横河电机公司的YODIC’S。

第二代：

1973～1975年。

特点是：

1）功能增加。

增加了数字运算，传送，比较等功能，能完成模拟量的控制；

2）初步形成系列；

3）可靠性进一步提高，开始具备自诊断功能；

4）存储器采用EPROM。

典型产品有：

美国MODICON公司的184,284,384;GE公司的LOGISTROT；西德SIMENS公司的SYMATICS3和S4系列；日本富士电机公司的SC系列。

第三代：

1976～1983年。

特点是：

1）微处理器及EPROM、EAROM、CMOSTAM等LSI电路用在PLC中，而且向多微处理器发展，使得PLC的功能和处理速度大大增强；

2）具有通讯功能和远程I/O能力；

3）增加了多种特殊功能，如浮点计算，平方，三角函数，相关数，查表，列表，脉宽调制变换等；

4）自诊断功能及容错技术发展迅速。

典型产品有：

美国GOULD公司的M84,484,584,684,884;西德SIEMENS公司的SYMATICS5系列；美国TI公司的PM550,TI510,520,530;日本三菱公司的MELPLAC-50,550；日本富士电机公司的MICREX。

第四代：

1983年到现在。

特点是：

1）能完成对整个车间的监控，可在CRT上显示多种多样的现场图象，CRT的画面可代替仪表盘的控制，作各种控制和管理操作，十分灵活方便。

最大内存为896K,为第三代PLC的20倍左右。

2）有的采用32位微处理器，可以将多台PLC连接起来与大系统连成一体，网络资源可以共享。

3）编程语言出了传统的梯形图，流程图，语句表等以外，还有用于算术运算的BASIC原，用于机床控制的数控语言等。

典型产品有：

美国GOULD公司的A5900及MODULARSYSTEMSRESEARCH公司的IAC系列。

目前，为了适应大中小型企业的不同需要，进一步扩大PLC在工业自动化领域的应用范围，PLC正朝着一下两个方向发展：

其一是低档PLC向小型，简易，廉价方向发展，使之能更加广泛地取代继电器控制。

其二是中，高档PLC向大型，高速，多功能方向发展，使之能取代工业控制微机的部分功能，对大规模，复杂系统进行综合性的自动控制。

从PLC的发展趋势看，PLC控制技术将成为今后工业自动化的主要手段。

在未来的工业生产中，PLC技术和机器人、CAD/CAM技术将成为实现工业生产自动化的三大支柱。

3．1．3PLC的功能及特点

PLC可用于单台机电设备的控制，也可以用于生产流水线的控制。

使用者可以根据生产过程和工艺要求设计控制程序，然后将程序通过编程器送入PLC。

程序投入运行后，PLC就在现场输入信号（按钮，行程开关，光电开关或其它传感器）的作用下，按照预先送入的程序控制现场的执行机构按一定规律动作。

（一）PLC的主要功能

近年来，PLC把自动化技术，计算机技术和通讯技术融为一体。

它能完成以下功能：

1．条件控制（逻辑控制）

PLC设置了与（AND），或（OR）,非（NOT）等逻辑指令，能处理继电器接点的串联，并联，串并联，并串联等各种连接。

因此，它可以代替继电器进行开关控制。

2．定时控制

PLC为用户提供了若干个计时器（定时器），并设置了计时指令。

计时器的计时值可以由用户在编程时设定，也可以用拨盘开关设定。

计时器的计时值可以在运行中被读出，也可以在运行中修改，使用灵活，操作方便。

程序投入运行后，PLC将根据用户设定的计时值对某个输入信号计数，并对某个操作进行计时控制，以满足生产工艺的要求。

3．计数控制

PLC为用户提供了若干个计时器（定时器），并设置了计时指令。

计数器的计数值可以由用户在编程时设定，也可以用拨盘开关设定。

计数器的计数值可以在运行中被读出，也可以在运行中修改，使用灵活，操作方便。

程序投入运行后，PLC将根据用户设定的计数值对某个输入信号计数，并对某个操作进行计数控制，以满足生产工艺的要求。

4．步进控制

PLC为用户提供了若干个移位寄存器，可以用于步进控制，即在一道工序完成以后，再进行下一步工序。

有些型号的PLC，还专门设置了用于步进控制的步进指令和鼓形控制器操作指令，编程和使用极为方便，因此更容易事先步进控制的要求。

5．A/D、D/A转换

有些PLC还具有A/D和D/A转换功能，完成对模拟量的控制和调节。

6．数据处理

有些PLC还具有数据处理功能，它具有并行运算指令，能进行数据并行传送，BCD的加、减、乘、除、开方等运算，还能进行字与，求反，逻辑移位，算术移位，检索数据，比较，数制转换，等操作，还可以对数据存储器进行间接寻址，PLC还可以与打印机相连，打印出程序和有关数据及梯形图。

7．通讯联网

有些PLC采用了通讯技术，可以进行远程I/O控制，多台PLC之间可以进行同位链接，PLC还可以与上位计算机进行链接，接受上位计算机的命令，并将执行结果告诉计算机。

由一台计算机和若干台PLC可以构成“集中管理，分散控制”的分布式控制系统，以完成较大规模的复杂控制。

PLC与上位计算机链接对计算机的要求是：

（1）具有RS-232接口；

（2）使用ASCII码字符。

这些要求，一般的计算机都能满足。

PLC与计算机之间的通讯，目前还没有国家标准。

各生产PLC的厂家一般都使用自己的标准。

例如C系列PLC采用OMRON标准，它规定了命令的种类和数据格式，以及应答的数据格式。

而且PLC方面的通讯软件已经做好，用户只要在计算机方面配置一个通讯软件，能够按规定向PLC发出命令和标识PLC给出的应答。

PLC在通讯系统中，一般采用RS-232接口，也可以采用RS-232接口和光通讯。

PLC的通讯和联网计数还在发展之中。

8．监控

PLC配置了较强的监控功能。

它能记忆某些异常情况，或在发生异常情况时自动中止运行。

在控制系统中，操作人员通过监控命令可以监视有关部分的运行状态，可以调整计时，计数等设定值。

为调试和维护提供了方便。

PLC还可以连接打印机，对程序和数据进行硬拷贝。

（二）PLC的特点

1、通用性好

PLC是通过软件来实现控制的。

同一台PLC可用于不同的控制对象，只需改变软件就可以实现不同的控制要求。

另外，PLC产品已系列化，其结构形式多种多样，按功能不同又有低档，中档，高档机之分，可适应各种不同要求的工业控制。

同一档次的PLC，不同机型的功能基本相同，可以互换。

PLC的功能模块品种多，可以灵活组合成各种不同大小和不同功能的控制装置。

2．可靠性高

PLC由于采用了微电子计数，大量的开关动作由无触点的半导体电路来完成；另外还采取了屏蔽、滤波、隔离等抗干扰的措施，因此可靠性很高，其平均故障间隔时间为2～5万小时甚至更高。

PLC还具有完善的自诊断功能，检查判断故障迅速方便，因而便于维修。

3．境适应性好，抗干扰能力强

PLC是专为工业控制设计的控制装置，能适应工业现场的恶劣环境，例如：

电源电压：

AC220V+15%

抗振强度：

16.7HZ，3mm双振幅（X,Y,Z三个方向各30min）;

工作湿度：

0～550C,有的甚至可以是－10～550C。

存放温度：

－20～600C

湿度：

35～90％RH无凝结。

4．功能强

前面介绍国，现代PLC不仅具有逻辑运算，计时，计数，步进等功能，而且还能完成A/D、D/A转换，数字运算和数据处理以及通讯联网，生产过程监控等。

因此，它既可对开关量进行控制，又可对模拟量进行控制；既可对模拟量进行控制；既可控制一台单机、一条生产线，又可控制一个机群，多条生产线；既可现场控制，又可远距离控制；既可控制简单系统，又可控制复杂系统。

5．接线简单

PLC的接线只需将输入信号的设备与PLC输入端子连接，将接收输出信号执行控制任务的执行元件与PLC输出端子连接。

接线简单，工作量少。

6．编程简单，使用方便

用微机实现自动控制，常使用汇编语言汇编，难于掌握，要求使用者具有一定水平的计算机硬件和软件知识。

PLC采用面向控制过程，面向问题的“自然语言”编程，容易掌握。

这种面向控制过程，面向问题的编程方式，与目前微机控制常用的汇编语言相比，虽然在PLC内部增加了解释程序，增加了程序执行时间，但对大多数的机电控制设备来说，是微不足道的。

用微机控制，还要在输入输出口上做大量工作，才能与控制现场连接起来，调试也比较繁琐。

而PLC的输入输出接口已经做好，可直接与控制现场的用户设备直接连接，输入接口可以与各种开关和传感器连接，输出接口具有较强的驱动能力，可以直接与继电器，接触器，电磁阀等连接，使用很方便。

7．体积小，重量轻，功耗低

由于PLC采用半导体集成电路，其体积小，重量轻，功耗低。

例如法国的TS21型PLC,它具有128各I/O口，可以完成相当于400多个继电器组成的控制功能，但其重量只有2.3kg,体积只有216X127X10mm2,不带接口的空载功能只有1.2W,其成本也只有同功能继电器系统的10～20％。

PLC的结构紧凑，坚固耐用。

又具有较强的环境适应性和较高的抗干扰能力，因此是实现和机电一体化的理想控制设备。

当然，PLC也并非十全十美，其缺点是：

（1）j价格还比较高：

一般来说，比继电器控制高，比一般的单板机系统也高；

（2）工作速度较计算机慢，输出对输入的响应有滞后现象（3）使用中，高档PLC要求使用者具有相当的计算机知识。

3．1．4PLC的应用概况

由于PLC上述的一系列优点，因此在工业控制方面，目前PLC已广泛应用于冶金、化工、轻工、机械、电力、建筑、交通、运输等各行各业。

按照PLC的控制类型的不同，PLC已应用于以下几个方面：

1．逻辑控制

这是PLC最基本的控制，可以取代继电器控制和二极管矩阵式顺序控制器控制，如机床、电梯、起重机、皮带运输机、布袋除尘器等的电器控制。

2．模拟量控制

PLC具有D/A、A/D转换及算术运算等功能，可以实现模拟量的控制，有的PLC还具有PID运算的功能，可用于闭环的位置控制、速度控制和过程控制。

3．数字控制

PLC能和机械加工中的数字控制及计算机数控组成一体，实现数值控制。

随着PLC技术的迅速发展，有人预言，今后的计算机控数控系统将变成以PLC为主体的控制和管理系统。

4．机器人控制

随着工业自动化的发展，使用机器人将愈来愈多。

对于机器人，很多工厂也选用PLC来控制，自动地处理它地各种机械动作。

5．多级控制系统

高功能地PLC具有较强地通讯联网功能，PLC与PLC、PLC与远程I/O、PLC和上位计算机之间安可以通讯，从而可形成多级控制系统。

通常采用多台PLC分散控制，由上位计算机集中管理，这样地控制系统称为分布式控制系统。

在我国，PLC的应用最近几年发展很快。

首先应用于一些大中型现代化工厂的引进工程上，如上海宝山钢铁总厂一、二期工程中就使用了PLC达857台。

武汉钢铁厂和首都钢铁厂等大型钢铁企业也都使用了很多PLC。

在老企业旧设备的技术改造上，PLC的应用比较广泛，而且已取得了可喜的经济效益。

在产品的设计方面，PLC的应用也不断扩大，尤其在机械制造行业中发展教快。

如南京第二机床厂，把PLC首先应用在YW4332型万能剃齿机上取得了成功。

它不仅简化了控制线路，缩小了电控装置的体积，提高了工作的可靠性，节约了电能，还扩大了机床的功能。

在其他方面，各工厂和研究单位也都不断推出由PLC控制的新产品。

但是，和国外PLC技术发达的国家相比，PLC在我国的研制和应用还比较落后。

随着生产技术的发展，借鉴国外的先进技术，在我国尽快的发展多品种多档级的PLC，进一步促进PLC的推广与应用，是提高我国工业自动化水平的迫切的任务。

目前，已由愈来愈多的单位正积极致力于这项工作，并取得了可喜的成绩。

3．2继电器控制系统和PLC控制系统的比较

在继电器控制系统和电子器件控制系统中，要完成一个控制任务，支配控制系统工作的“程序”是由各分立元件（继电器、接触器、电子元件等）用导线连接起来加以实现的，这样的控制成为接线程序控制系统。

其程序就在接线之中，所以又称为接线程序。

图1-1（a）是一个继电器控制系统，它是由继电器、接触器用导线连接起来加以实现控制程序的，因此属于接线程序控制系统，其输入对输出的控制是通过接线程序来实现的。

输入设备用以向系统输入控制信号。

输出设备（接触器、电磁阀等执行元件）用以控制生产机械和生产过程中的各种被控对象（电动机、电炉、电磁阀等）。

在接线程序控制中，控制程序的修改必须通过改变接线来实现。

图1-1继电器控制系统和PLC控制系统的比较

如果支配控制系统工作的程序是存放在存储器中，系统要完成的控制任务是通过存储器中的程序来完成，这样的控制系统称为存储程序控制系统。

其程序是由程序语言表达的，因此又称软件程序。

可编程序控制器就是一种存储控制器，其输入设备和输出设备与继电器控制系统相同，但它们是直接接到可编程序控制器的输入断和输出端的。

控制程序是通过一个编程器而写到可编程序控制器的程序存储器中。

每个程序语句确定了一个顺序，运行时依次读取存储中的程序语句，对它们的内容解释并加以执行，执行结果用以接通输出设备，控制被控对象工作。

在存储程序控制设备中，控制程序的修改不需要改变控制器内部的接线，而只需要通过编程序改变程序存储器中某些语句的内容。

由图1-2可见，任何一种继电器控制系统都可以认为是由三个部分组成：

输入部分用户输入设备组成，如按钮、操作开关、限位开关、传感器等。

它们直接接在继电器控制线路中，用以产生控制信号。

这些控制信号或来自操作台上的操作命令，或来自被控对象上的各种开关信息。

控制部分是按照被控对象实际要求而动作的继电器控制线路。

其“程序

”已固定在线路中，不能灵活改变。

输出部分由用户输出设备组成，如继电器、接触器、电磁阀等执行元件以及信号灯、电铃等信号元件。

用以控制各种对象（如电动机、电炉等）以及指示输出的状态（接同或断开）。

与继电器控制系统相比，PLC控制系统也可以认为是由输入部分、控制部分、输出部分这三部分组成。

但是PLC的控制部分采用大规模集成电路的微处理器以及存储器来代替继电器控制线路，其控制作用是通过编制好的并存入内存的程序来实现的。

对使用者来说，在编制程序时，可以不考虑微处理器以及存储器内部的复杂结构，也不必要用各种计算机语言，而是把PLC看成内部由许多“软继电器”组成的控制器，以便于提供使用者按设计继电器控制线路的形式进行编程。

这样，从功能上来说就可以把PLC的控制部分看成是由许多“软继电器”组成的等效电路，如图1-2。

图1-2PLC等效电路

值得注意的是PLC等效电路中的继电器并不是实际的物理继电器，实际上是存储器中的每一位触发器。

3．3PLC系统组成及工作原理

PLC实质上也是一种工业控制用的专用计算机，系统的实际组成与微型计算机基本相同，它也是由硬件系统和软件系统组成的。

3．3．1PLC的硬件系统

PLC的硬件系统指构成PLC的物理实体或物理装置，也就是它的各个结构部件。

图1-3是PLC的硬件系统简化框图。

PLC的硬件系统由主机、I/O扩展机以及外部设备组成。

主机和扩展机采用微机的结构形式，其内部由运算器、控制器、存储器、输入单元、输出单元以及接口等部分组成。

运算器和控制器集成在一片或几片大规模集成电路中，称之为微处理器，简称CPU。

主机内各部分之间均通过总线连接。

总线电源总线、控制总线、地址总线和数据总线。

以下介绍各部分作用：

1、CPU

CPU在PLC控制系统中的作用类似与人体的神经中枢。

他是PLC运算、控制中心，用来实现逻辑运算、算术运算并进行全机控制。

它按照PLC中系统程序所赋予的功能，完成以下任务：

1）接收并存贮从编程器键入的用户程序和数据；

2）用扫描的方式接收现场输入设备的状态或数据，并存入输入状态表或数据寄存器中：

3）诊断电源、PLC内部电路工作状态和编程过程中的语法错误等；

4）PLC进入运行状态后，从存贮器中逐条读取用户程序，经指令解释后，按指令规定的任务产生相应的控制信号，去启闭有关的控制电路，分时、分渠道的去执行数据的存取、传送、组合、比较和变换等动作，完成用户程序中规定的逻辑运算或算术运算等任务；

5）根据运算结果，更新有关标志位的状态和输出状态寄存器的内容，再由输出状态表的位状态或数据寄存器的有关内容，实现输出控制、制表打印或数据通讯等功能。

2．存贮器

存贮器（简称内存）用来存贮数据或程序。

它包括可以随机存取的存取存贮器（RAM）和在工作过程中只能读出，不能写人的只读存贮器（ROM）

PLC配有系统程序存贮器和用户程序存贮器，分别用以存贮系统程序和用户程序。

关于系统程序和用户程序的解释将在PLC的软件系统中介绍。

RAM中的用户程序可以用EPROM写入器写入到主机外的EPRM芯片中。

写入了用户程序的EPROM又可以通过外部设备接口与主机连接，然后让主机按EPROM中的程序运行。

EPROM是可擦可编的只读存贮器，它存贮的内容如果不需要时，可以用紫外线擦除器擦除，重新写入新的程序。

3．输入／输出（I/O）模块

I/O模块是CPU与现场设备或其它外部设备之间的连接部件。

提供了各种操作电平和输出驱动能力的1/O模块和各种用途的1/O功能模块供用户选用。

一般PLC均配置1/O电平转换模块及电气隔离模块。

输入电平转换是用来将输入端不同电压或电流的信号源转换成微处理器所能接收的低电平信号。

输出电平转换是用来将微处理器控制的低电平信号转换为控制设备所需的电压或电流信号。

电气隔离：

PLC在微处理器部分与I/O回路之间采用了光电隔离措施，这样能有效地隔离微外换器与1/O回路之间的联系，而不致引起误操作；

此外，某些PLC还具有其它