可编程控制器概述及应用Word文件下载.docx

可编程控制器概述及应用Word文件下载.docx

《可编程控制器概述及应用Word文件下载.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《可编程控制器概述及应用Word文件下载.docx（16页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

二可编程控制器（PLC）概述……………………………………………………4

2.1PLC的定义……………………………………………………………………4

2.2PLC的产生……………………………………………………………………4

2.3PLC的国内外发展状况及趋势………………………………………………5

2.4PLC的基本特点……………………………………………………………6

2.5PLC的分类……………………………………………………………………7

三PLC系统概述…………………………………………………………………8

3.1PLC的硬件系统………………………………………………………………8

3.2PLC的软件系统………………………………………………………………9

3.3PLC的工作原理………………………………………………………………10

3.4PLC的主要性能指标…………………………………………………………11

3.5PLC的应用领域………………………………………………………………12

3.6典型的PLC系统……………………………………………………………13

四、PLC控制系统的设计与应用……………………………………………14

4.1PLC控制系统的一般设计方法……………………………………………14

4.2PLC控制系统的应用………………………………………………………14

参考文献…………………………………………………………………………17

一、引言

可编程控制器（PLC）是专为工业过程而设计的控制设备。

正是由于PLC具有多种功能，并集三电（电控装置、电仪装置、电气传动控制装置）于一体，使得PLC在工厂中备受欢迎，成为现代工业自动化的三大支柱（PLC、机器人、CAD/CAM）之一。

本论文主要内容包括三部分。

第一部分介绍可编程控制器（PLC）的基本概述，包括PLC的定义、产生、国内外发展状况及趋势、基本特点、分类等方面，第二部分介绍PLC系统概述，包括PLC的硬件系统、软件系统、工作原理、主要性能指标、应用领域等方面，第三部分介绍PLC控制系统的设计方法及应用，包括PLC控制系统的一般设计方法的概述、并举例说明PLC控制系统的应用：

二、可编程控制器（PLC）概述

作为计算机技术的应用，可编程控制器是现代新型电气控制的标志产品。

它已取代继电接触控制而成为解决电气控制的最有效、最便捷的工具，在各行各业中得到了广泛应用。

2.1PLC的定义

可编程控制器（ProgrammableController）是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。

早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController），简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制随着技术的发展这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。

但是为了避免与个人计算机（PersonalComputer）的简称混淆，所以将可编程控制器简称PLC[1]。

国际电工委员会（IEC）对PLC的定义如下[3]：

“可编程控制器（PLC）是专为在工业环境应用而设计的一种数字运算操作的电子系统，是带有存储器的、可以编制程序的控制器。

它能够存储和执行指令，进行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术等操作，并通过数字式或模拟式的输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。

PLC及其有关外部设备，都应按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。

”

总之，可编程控制器是一台计算机，它是专为工业环境应用而设计制造的计算机。

它具有丰富的输入/输出接口，并且具有较强的驱动能力。

但可编程控制器产品并不针对某一具体工业应用，在实际应用时，其硬件需根据实际需要进行选用配置，其软件需根据控制要求进行设计编制。

2.2PLC的产生

在60年代，汽车生产流水线的自动控制系统基本上都是由继电器控制装置构成的。

当时汽车的每一次改型都直接导致继电器控制装置的重新设计和安装。

随着生产的发展，汽车型号更新的周期愈来愈短，这样，继电器控制装置就需要经常地重新设计和安装，十分费时，费工，费料，甚至阻碍了更新周期的缩短。

为了改变这一现状，美国通用汽车公司在1969年公开招标，要求用新的控制装置取代继电器控制装置，并提出了十项招标指标，即：

1．编程方便现场可修改程序；

2．维修方便采用模块化结构；

3．可靠性高于继电器控制装置；

4．体积小于继电器控制装置；

5．数据可直接送入管理计算机；

6．成本可与继电器控制装置竞争；

7．输入可以是交流115V；

8．输出为交流115V2A以上能直接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。

1969年，美国数字设备公司（DEC）研制出第一台PLC，在美国通用汽车自动装配线上试用，获得了成功。

这种新型的工业控制装置以其简单易懂，操作方便，可靠性高，通用灵活，体积小，使用寿命长等一系列优点，很快地在美国其他工业领域推广应用。

到1971年，已经成功地应用于食品饮料冶金造纸等工业。

这一新型工业控制装置的出现，也受到了世界其他国家的高度重视。

1971日本从美国引进了这项新技术，很快研制出了日本第一台PLC。

1973年，西欧国家也研制出它们的第一台PLC。

我国从1974年开始研制，于1977年开始工业应用。

2.3PLC的国内外发展状况及趋势

　　20世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。

从控制规模上来说，这个时期发展了大型机和超小型机；

从控制能力上来说，诞生了各种各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合；

从产品的配套能力来说，生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。

目前，可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业等领域的应用都得到了长足的发展。

虽然PLC问世时间不长，但是随着微处理器的出现，大规模、超大规模集成电路技术的迅速发展和数据通讯技术的不断进步，PLC也迅速发展，其发展过程大致可分三个阶段：

1．早期的PLC（60年代末—70年代中期）

早期的PLC一般称为可编程逻辑控制器。

这时的PLC多少有点继电器控制装置的替代物的含义，其主要功能只是执行原先由继电器完成的顺序控制、定时等。

它在硬件上以准计算机的形式出现，在I/O接口电路上作了改进以适应工业控制现场的要求。

装置中的器件主要采用分立元件和中小规模集成电路，存储器采用磁芯存储器。

另外还采取了一些措施，以提高其抗干扰的能力。

在软件编程上，采用广大电气工程技术人员所熟悉的继电器控制线路的方式—梯形图。

因此，早期的PLC的性能要优于继电器控制装置，其优点包括简单易懂，便于安装，体积小，能耗低，有故障指使，能重复使用等。

其中PLC特有的编程语言—梯形图一直沿用至今。

2．中期的PLC（70年代中期—80年代中后期）

在70年代微处理器的出现使PLC发生了巨大的变化。

美国，日本，德国等一些厂家先后开始采用微处理器作为PLC的中央处理单元（CPU）。

这样，使PLC的功能大大增强。

在软件方面，除了保持其原有的逻辑运算、计时、计数等功能以外，还增加了算术运算、数据处理和传送、通讯、自诊断等功能。

在硬件方面，除了保持其原有的开关模块以外，还增加了模拟量模块、远程I/O模块、各种特殊功能模块。

并扩大了存储器的容量，使各种逻辑线圈的数量增加，还提供了一定数量的数据寄存器，使PLC的应用范围得以扩大。

3．近期的PLC（80年代中后期至今）

进入80年代中、后期，由于超大规模集成电路技术的迅速发展，微处理器的市场价格大幅度下跌，使得各种类型的PLC所采用的微处理器的档次普遍提高。

而且，为了进一步提高PLC的处理速度，各制造厂商还纷纷研制开发了专用逻辑处理芯片。

这样使得PLC软、硬件功能发生了巨大变化。

我国可编程控制器的引进、应用、研制、生产是伴随着改革开放开始的。

最初是在引进设备中大量使用了可编程控制器。

接下来在各种企业的生产设备及产品中不断扩大了PLC的应用。

目前，我国自己已可以生产中小型可编程控制器。

上海东屋电气有限公司生产的CF系列、杭州机床电器厂生产的DKK及D系列、大连组合机床研究所生产的S系列、苏州电子计算机厂生产的YZ系列等多种产品已具备了一定的规模并在工业产品中获得了应用。

此外，无锡华光公司、上海乡岛公司等中外合资企业也是我国比较著名的PLC生产厂家。

可以预期，随着我国现代化进程的深入，PLC在我国将有更广阔的应用天地。

21世纪，PLC会有更大的发展。

从技术上看，计算机技术的新成果会更多地应用于可编程控制器的设计和制造上，会有运算速度更快、存储容量更大、智能更强的品种出现；

从产品规模上看，会进一步向超小型及超大型方向发展；

从产品的配套性上看，产品的品种会更丰富、规格更齐全，完美的人机界面、完备的通信设备会更好地适应各种工业控制场合的需求；

从市场上看，各国各自生产多品种产品的情况会随着国际竞争的加剧而打破，会出现少数几个品牌垄断国际市场的局面，会出现国际通用的编程语言；

从网络的发展情况来看，可编程控制器和其它工业控制计算机组网构成大型的控制系统是可编程控制器技术的发展方向。

目前的计算机集散控制系统DCS（DistributedControlSystem）中已有大量的可编程控制器应用。

伴随着计算机网络的发展，可编程控制器作为自动化控制网络和国际通用网络的重要组成部分，将在工业及工业以外的众多领域发挥越来越大的作用。

2.4PLC的基本特点

PLC专为工业环境下应用及满足用户需要而设计，因此，具有以下的显著特点。

1、具有高度可靠性，抗干扰能力强，适用于工业环境。

可编程控制器在硬件设计方面，采用了一系列提高可靠性的措施。

如，采用可靠性高的工业级元件，采用先进的电子加工工艺制造，对干扰采用屏蔽、隔离和滤波等。

还采用一系列可靠性设计方法进行设计，如冗余设计，掉电保护，故障诊断，报警等。

与此同时，系统的维修简单，因此可靠性得到提高。

2、控制程序可变，具有很好的柔性。

在生产工艺流程改变或生产设备更新的情况下，不必改变PLC的硬设备，只需改变程序就可满足要求。

3、功能完善。

现代PLC具有数字和模拟量输入/输出、逻辑和算术运算、定时、顺序控制、PID调节、各种智能模块、远程I/O模块、通信、人机对话、自诊断、组态、记录、图形显示等功能。

4、安装简单，维修方便。

PLC可以在各种工业环境下直接运行。

使用时只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O端相连接即可投入运行。

由于PLC有完善的自诊断功能，输入/输出均有明显的指示，在线监控软件的功能很强。

因此，很容易进行维修。

PLC的高可靠性也保证了故障的几率是很低的。

5、体积小，重量轻，能耗低。

6、PLC的性能价格比高。

随着集成电路芯片功能的提高，价格的降低，PLC硬件的价格也一直不断地下降。

虽PLC的软件价格在系统中所占的比例在不断提高，但由于缩短了工程项目的设计和编程的时间，减少了投运费用以及缩短了投运周期，因此PLC的总造价是低廉的。

2.5PLC的分类

PLC产品种类繁多，其规格和性能也各不相同。

对于PLC的分类，通常根据其结构形式的不同、功能的差异和I/O点数的多少等进行大致分类。

1、按结构形式分类PLC主要分为整体式和模块式两种结构形式。

2、按功能分类PLC分为低档、中档和高档三类。

3、按I/O点数的多少分类PLC分为微型机（64点以内）、小型机（64~256点）、中型机（256~2048点）、大型机（大于2048点）和特大型机（上万点）。

三、PLC系统概述

PLC与普通计算机类似，也是由硬件和软件两部分组成。

PLC的硬件系统主要中央处理器CPU、存储器、输入/输出单元等部件，另外还有一些其他模块，如编通信接口、扩展接口等。

软件系统由系统程序、组态信息和用户程序三部分组成。

系统程序包括监控程序、编译程序、诊断程序等，主要用于管理全机、将编程语言翻译成机器语言、诊断机器故障。

组态信息和用户程序是用户根据现场控制要求，用于PLC的组态和编程工具定义或编制的系统信息和应用程序。

3.1PLC的硬件系统

如图3-1所示，可编程控制器一般由中央处理器CPU、存储器、输入/输出单元、电源、编程器和其他设备等部分组成。

其中中央处理器CPU、存储器、输入/输出单元为PLC的基本组成部分。

其他为可选部件，如编程器、外存储器、模拟I/O盘、通信接口、扩展接口、测试设备等[1]。

图3-1PLC的基本构成

3.1.1中央处理器CPU

中央处理器CPU是可编程控制器的核心。

它能够识别用户按照特定的格式输入的各种指令，并按照指令的规定，根据当前的现场I/O信号的状态，发出相应的控制指令，完成预定的控制任务。

另外，它还能识别用户所输入的指令序列的格式和语法错误，还具有系统电源、I/O系统、存储器及其他接口的测试与诊断功能。

CPU与其他部件之间的连接是通过总线进行的。

3.1.2存储器

PLC内的存储器主要用于存放系统程序、用户程序和数据等。

　　1）系统程序存储器

　　PLC系统程序决定了PLC的基本功能，该部分程序由PLC制造厂家编写并固化在系统程序存储器中，主要有系统管理程序、用户指令解释程序和功能程序与系统程序调用等部分。

　　系统管理程序主要控制PLC的运行，使PLC按正确的次序工作；

用户指令解释程序将PLC的用户指令转换为机器语言指令，传输到CPU内执行；

功能程序与系统程序调用则负责调用不同的功能子程序及其管理程序。

　　系统程序属于需长期保存的重要数据，所以其存储器采用ROM或EPROM。

ROM是只读存储器，该存储器只能读出内容，不能写入内容，ROM具有非易失性，即电源断开后仍能保存已存储的内容。

EPEROM为可电擦除只读存储器，须用紫外线照射芯片上的透镜窗口才能擦除已写入内容，可电擦除可编程只读存储器还有E2PROM、FLASH等。

　　2）用户程序存储器

　　用户程序存储器用于存放用户载入的PLC应用程序，载入初期的用户程序因需修改与调试，所以称为用户调试程序，存放在可以随机读写操作的随机存取存储器RAM内以方便用户修改与调试。

　　通过修改与调试后的程序称为用户执行程序，由于不需要再作修改与调试，所以用户执行程序就被固化到EPROM内长期使用。

　　3）数据存储器

　　PLC运行过程中需生成或调用中间结果数据（如输入/输出元件的状态数据、定时器、计数器的预置值和当前值等）和组态数据（如输入输出组态、设置输入滤波、脉冲捕捉、输出表配置、定义存储区保持范围、模拟电位器设置、高速计数器配置、高速脉冲输出配置、通信组态等），这类数据存放在工作数据存储器中，由于工作数据与组态数据不断变化，且不需要长期保存，所以采用随机存取存储器RAM。

　　RAM是一种高密度、低功耗的半导体存储器，可用锂电池作为备用电源，一旦断电就可通过锂电池供电，保持RAM中的内容。

3.1.3输入/输出单元

输入/输出单元通常也称I/O单元或I/O模块，是PLC与工业生产现场之间的连接部件。

PLC通过输入接口可以检测被控对象的各种数据，以这些数据作为PLC对被控制对象进行控制的依据；

同时PLC又通过输出接口将处理结果送给被控制对象，以实现控制目的。

由于外部输入设备和输出设备所需的信号电平是多种多样的，而PLC内部CPU的处理的信息只能是标准电平，所以I/O接口要实现这种转换。

I/O接口一般都具有光电隔离和滤波功能，以提高PLC的抗干扰能力。

另外，I/O接口上通常还有状态指示，工作状况直观，便于维护。

PLC提供了多种操作电平和驱动能力的I/O接口，有各种各样功能的I/O接口供用户选用。

I/O接口的主要类型有：

数字量（开关量）输入（DI）、数字量（开关量）输出（DO）、模拟量输入（AI）、模拟量输出（AO）、脉冲量输入（PI）等。

3.2PLC的软件系统

系统程序由PLC厂家提供并已固化在EPROM中，不能直接存取和干预。

用户程序可用梯形图、功能块图、指令表、高级语言等编制。

根据国际电工委员会制定的工业控制编程语言标准（IEC61131-3），PLC编程语言有5种形式：

1）顺序功能图语言（SepuentialFunctionChart，SFC）

2）梯形图语言（LadderDiagram，LD）

3）功能块图语言（FunctionBlock，FBD）

4）语句表语言（StatementList，STL）

5）结构化文本语言（StructuredText，ST）

3.3PLC的工作原理

（1）PLC的工作方式：

采用循环扫描方式。

在PLC处于运行状态时，从内部处理、通信操作、程序输入、程序执行、程序输出，一直循环扫描工作。

注意：

运行

）

由于PLC是扫描工作过程，在程序执行阶段即使输入发生了变化，输入状态映象寄存器的内容也不会变化，要等到下一周期的输入处理阶段才能改变。

循环扫描过程如下：

停止

（2）工作过程：

主要分为内部处理、通信操作、输入处理、程序执行、输出处理几个阶段。

1）内部处理阶段：

在此阶段，PLC检查CPU模块的硬件是否正常，复位监视定时器，以及完成一些其它内部工作。

2）通信服务阶段

在此阶段，PLC与一些智能模块通信、响应编程器键入的命令，更新编程器的显示内容等，当PLC处于停止状态时，只进行内容处理和通信操作等内容。

3）输入处理

输入处理也叫输入采样。

在此阶段顺序读入所有输入端子的通断状态，并将读入的信息存入内存中所对应的映象寄存器。

在此输入映象寄存器被刷新，接着进入程序的执行阶段。

4）程序执行

根据PLC梯形图程序扫描原则，按先左后右，先上后下的步序，逐句扫描，执行程序。

但遇到程序跳转指令，则根据跳转条件是否满足来决定程序的跳转地址。

若用户程序涉及到输入输出状态时，PLC从输入映象寄存器中读出上一阶段采入的对应输入端子状态，从输出映象寄存器读出对应映象寄存器的当前状态。

根据用户程序进行逻辑运算，运算结果再存入有关器件寄存器中。

5）输出处理

程序执行完毕后，将输出映象寄存器，即元件映象寄存器中的Y寄存器的状态，在输出处理阶段转存到输出锁存器，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。

（3）PLC的运行方式：

1）运行工作模式

当处于运行工作模式时，PLC要进行从内部处理、通信服务、输入处理、程序处理、输出处理，然后按上述过程循环扫描工作。

在运行模式下，PLC通过反复执行反映控制要求的用户程序来实现控制功能，为了使PLC的输出及时地响应随时可能变化的输入信号，用户程序不是只执行一次，而是不断地重复执行，直至PLC停机或切换到STOP工作模式。

注：

PLC的这种周而复始的循环工作方式称为扫描工作方式。

2）停止模式

当处于停止工作模式时，PLC只进行内部处理和通信服务等内容。

3.4PLC的主要性能指标

1．存储容量

存储容量是指用户程序存储器的容量。

用户程序存储器的容量大，可以编制出复杂的程序。

一般来说，小型PLC的用户存储器容量为几千字，而大型机的用户存储器容量为几万字。

2．I/O点数

输入/输出（I/O）点数是PLC可以接受的输入信号和输出信号的总和，是衡量PLC性能的重要指标。

I/O点数越多，外部可接的输入设备和输出设备就越多，控制规模就越大。

3．扫描速度

扫描速度是指PLC执行用户程序的速度，是衡量PLC性能的重要指标。

一般以扫描1K字用户程序所需的时间来衡量扫描速度，通常以ms/K字为单位。

PLC用户手册一般给出执行各条指令所用的时间，可以通过比较各种PLC执行相同的操作所用的时间，来衡量扫描速度的快慢。

4．指令的功能与数量

指令功能的强弱、数量的多少也是衡量PLC性能的重要指标。

编程指令的功能越强、数量越多，PLC的处理能力和控制能力也越强，用户编程也越简单和方便，越容易完成复杂的控制任务。

5．内部元件的种类与数量

在编制PLC程序时，需要用到大量的内部元件来存放变量、中间结果、保持数据、定时计数、模块设置和各种标志位等信息。

这些元件的种类与数量越多，表示PLC的存储和处理各种信息的能力越强。

6．特殊功能单元

特殊功能单元种类的多少与功能的强弱是衡量PLC产品的一个重要指标。

近年来各PLC厂商非常重视特殊功能单元的开发，特殊功能单元种类日益增多，功能越来越强，使PLC的控制功能日益扩大

7．可扩展能力

PLC的可扩展能力包括I/O点数的扩展、存储容量的扩展、联网功能的扩展、各种功能模块的扩展等。

在选择PLC时，经常需要考虑PLC的可扩展能力。

3.5PLC的应用领域

　　目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类[2]。

1、开关量的逻辑控制

　　这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。

如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。

2、模拟量控制

　　在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。

为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A/D转换及D/A转换。

PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。

3、运动控制

　　PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。

从控制机构配置来说，早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。

如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。

世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。

4、过程控制

　　过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。

作为工业控制计算机，PLC能编