可编程控制器Word文档格式.docx

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1973年，西欧国家也研制出他们的第一台可编程控制器。

随着半导体技术，尤其是微处理器和微型计算机技术的发展，到70年代中期以后，特别是进入80年代以来，PLC已广泛地使用16位甚至32位微处理器作为中央处理器，输入输出模块和外围电路也都采用了中、大规模甚至超大规模的集成电路，使PLC在概念、设计、性能价格比以及应用方面都有了新的突破。

这时的PLC已不仅仅是逻辑判断功能，还同时具有数据处理、PID调节和数据通信功能，称之为可编程序控制器（ProgrammableController）更为合适，简称为PC，但为了与个人计算机（Persona1Computer）的简称PC相区别，一般仍将它简称为PLC（ProgrammableLogicController）。

PLC是微机技术与传统的继电器-接触器控制技术相结合的产物，其基本设计思想是把计算机功能完善、灵活、通用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，控制器的硬件是标准的、通用的。

根据实际应用对象，将控制内容编成软件写入控制器的用户程序存储器内。

继电器控制系统已有上百年历史，它是用弱电信号控制强电系统的控制方法，在复杂的继电器控制系统中，故障的查找和排除困难，花费时间长，严重地影响工业生产。

在工艺要求发生变化的情况下，控制柜内的元件和接线需要作相应的变动，改造工期长、费用高，以至于用户宁愿另外制作一台新的控制柜。

而PLC克服了继电器-接触器控制系统中机械触点的接线复杂、可靠性低、功耗高、通用性和灵活性差的缺点，充分利用微处理器的优点，并将控制器和被控对象方便的连接起来。

由于PLC是由微处理器、存储器和外围器件组成，所以应属于工业控制计算机中的一类。

对用户来说，可编程控制器是一种无触点设备，改变程序即可改变生产工艺，因此如果在初步设计阶段就选用可编程控制器，可以使得设计和调试变得简单容易。

从制造生产可编程控制器的厂商角度看，在制造阶段不需要根据用户的订货要求专门设计控制器，适合批量生产。

由于这些特点，可编程控制器问世以后很快受到工业控制界的欢迎，并得到迅速的发展。

目前，可编程控制器已成为工厂自动化的强有力工具，得到了广泛的应用。

我国从1974年也开始研制可编程序控制器，1977年开始工业应用。

目前它已经大量地应用在楼宇自动化、家庭自动化、商业、公用事业、测试设备和农业等领域，并涌现出大批应用可编程序控制器的新型设备。

掌握可编程序控制器的工作原理，具备设计、调试和维护可编程序控制器控制系统的能力，已经成为现代工业对电气技术人员和工科学生的基本要求。

1.2可编程控制器的定义

国际电工委员会（IEC）曾于1982年11月颁发了可编程控制器标准草案第一稿，1985年1月又发表了第二稿，1987年2月颁发了第三稿。

该草案中对可编程控制器的定义是：

“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。

它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储和执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作命令，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。

”

定义强调了可编程控制器是“数字运算操作的电子系统”，是一种计算机。

它是“专为在工业环境下应用而设计”的工业计算机，是一种用程序来改变控制功能的工业控制计算机，除了能完成各种各样的控制功能外，还有与其他计算机通信联网的功能。

这种工业计算机采用“面向用户的指令”，因此编程方便。

它能完成逻辑运算、顺序控制、定时计数和算术操作，它还具有“数字量和模拟量输入输出控制”的能力，并且非常容易与“工业控制系统联成一体”，易于“扩充”。

定义还强调了可编程控制器应直接应用于工业环境，它须具有很强的抗干扰能力、广泛的适应能力和应用范围。

这也是区别于一般微机控制系统的一个重要特征。

应该强调的是，可编程控制器与以往所讲的顺序控制器在“可编程”方面有质的区别。

PLC引入了微处理机及半导体存储器等新一代电子器件，并用规定的指令进行编程，能灵活地修改，即用软件方式来实现“可编程”的目的。

可编程序控制器是应用面最广、功能强大、使用方便的通用工业控制装置，自研制成功开始使用以来，它已经成为了当代工业自动化的主要支柱之一。

1.3可编程控制器的基本组成

1.3.1控制组件

可编程控制器主要由CPU、存储器、基本I/O接口电路、外设接口、编程装置、电源等组成。

可编程控制器的结构多种多样，但其组成的一般原理基本相同，都是以微处理器为核心的结构，如图1-1所示。

编程装置将用户程序送入可编程控制器，在可编程控制器运行状态下，输入单元接收到外部元件发出的输入信号，可编程控制器执行程序，并根据程序运行后的结果，由输出单元驱动外部设备。

图1-1可编程控制器系统结构

1.CPU单元

CPU是可编程控制器的控制中枢，相当于人的大脑。

CPU一般由控制电路、运算器和寄存器组成。

这些电路通常都被封装在一个集成的芯片上。

CPU通过地址总线、数据总线、控制总线与存储单元、输入输出接口电路连接。

CPU的功能有：

它在系统监控程序的控制下工作，通过扫描方式，将外部输入信号的状态写入输入映象寄存区域，PLC进入运行状态后，从存储器逐条读取用户指令，按指令规定的任务进行数据的传送、逻辑运算、算术运算等，然后将结果送到输出映像寄存区域。

CPU常用的微处理器有通用型微处理器、单片机和位片式计算机等。

通用型微处理器常见的如Intel公司的8086、80186、到Pentium系列芯片，单片机型的微处理器如Intel公司的MCS-96系列单片机，位片式微处理器如AMD2900系列的微处理器。

小型PLC的CPU多采用单片机或专用CPU，中型PLC的CPU大多采用16位微处理器或单片机，大型PLC的CPU多用高速位片式处理器，具有高速处理能力。

2.存储器

可编程控制器的存储器由只读存储器ROM、随机存储器RAM和可电擦写的存储器EEPROM三大部分构成，主要用于存放系统程序、用户程序及工作数据。

只读存储器ROM用以存放系统程序，可编程控制器在生产过程中将系统程序固化在ROM中，用户是不可改变的。

用户程序和中间运算数据存放的随机存储器RAM中，RAM存储器是一种高密度、低功耗、价格便宜的半导体存储器，可用锂电池做备用电源。

它存储的内容是易失的，掉电后内容丢失；

当系统掉电时，用户程序可以保存在只读存储器EEPROM或由高能电池支持的RAM中。

EEPROM兼有ROM的非易失性和RAM的随机存取优点，用来存放需要长期保存的重要数据。

3.I/O单元及I/O扩展接口

（1）I/O单元

PLC内部输入电路作用是将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，通过光电耦合电路送至PLC内部电路。

输入电路通常以光电隔离和阻容滤波的方式提高抗干扰能力，输入响应时间一般在0.1~15ms之间。

根据输入信号形式的不同，可分为模拟量I/O单元、数字量I/O单元两大类。

根据输入单元形式的不同，可分为基本I/O单元、扩展I/O单元两大类。

（2）I/O扩展接口

可编程控制器利用I/O扩展接口使I/O扩展单元与PLC的基本单元实现连接，当基本I/O单元的输入或输出点数不够使用时，可以用I/O扩展单元来扩充开关量I/O点数和增加模拟量的I/O端子。

4.外设接口

外设接口电路用于连接手持编程器或其他图形编程器、文本显示器，并能通过外设接口组成PLC的控制网络。

PLC通过PC/PPI电缆或使用MPI卡通过RS-485接口与计算机连接，可以实现编程、监控、连网等功能。

5.电源

电源单元的作用是把外部电源（220V的交流电源）转换成内部工作电压。

外部连接的电源，通过PLC内部配有的一个专用开关式稳压电源，将交流/直流供电电源转化为PLC内部电路需要的工作电源（直流5伏、正负12伏、24伏），并为外部输入元件（如接近开关）提供24V直流电源（仅供输入端点使用），而驱动PLC负载的电源由用户提供。

1.3.2输入输出接口电路

输入输出接口电路实际上是PLC与被控对象间传递输入输出信号的接口部件。

输入输出接口电路要有良好的电隔离和滤波作用。

1.输入接口电路

由于生产过程中使用的各种开关、按钮、传感器等输入器件直接接到PLC输入接口电路上，为防止由于触点抖动或干扰脉冲引起错误的输入信号，输入接口电路必须有很强的抗干扰能力。

如图1-2所示，输入接口电路提高抗干扰能力的方法主要有：

（1）利用光电耦合器提高抗干扰能力。

光电耦合器工作原理是：

发光二极管有驱动电流流过时，导通发光，光敏三极管接收到光线，由截止变为导通，将输入信号送入PLC内部。

光电耦合器中的发光二极管是电流驱动元件，要有足够的能量才能驱动。

而干扰信号虽然有的电压值很高，但能量较小，不能使发光二极管导通发光，所以不能进入PLC内，实现了电隔离。

（2）利用滤波电路提高抗干扰能力。

最常用的滤波电路是电阻电容滤波，如图1-2中的R1、C。

图1-2中，S为输入开关，当S闭合时，LED点亮，显示输入开关S处于接通状态。

光电耦合器导通，将高电平经滤波器送到PLC内部电路中。

当CPU在循环的输入阶段锁入该信号时，将该输入点对应的映像寄存器状态置1；

当S断开时，则对应的映像寄存器状态置0。

图1-2可编程控制器输入电路

根据常用输入电路电压类型及电路形式不同，可以分为干接点式、直流输入式和交流输入式。

输入电路的电源可由外部提供，有的也可由PLC内部提供。

2.输出接口电路

根据驱动负载元件不同可将输出接口电路分为三种：

（1）小型继电器输出形式，如图1-3所示。

这种输出形式既可驱动交流负载，又可驱动直流负载。

它的优点是适用电压范围比较宽，导通压降小，承受瞬时过电压和过电流的能力强。

缺点是动作速度较慢，动作次数（寿命）有一定的限制。

建议在输出量变化不频繁时优先选用。

图1-3所示电路工作原理是：

当内部电路的状态为1时，使继电器K的线圈通电，产生电磁吸力，触点闭合，则负载得电，同时点亮LED，表示该路输出点有输出。

当内部电路的状态为0时，使继电器K的线圈无电流，触点断开，则负载断电，同时LED熄灭，表示该路输出点无输出。

图1-3小型继电器输出形式电路

（2）大功率晶体管或场效应管输出形式，如图1-4所示。

这种输出形式只可驱动直流负载。

它的优点是可靠性强，执行速度快，寿命长。

缺点是过载能力差。

适合在直流供电、输出量变化快的场合选用。

图1-4所示电路工作原理是：

当内部电路的状态为1时，光电耦合器T1导通，使大功率晶体管VT饱和导通，则负载得电，同时点亮LED，表示该路输出点有输出。

当内部电路的状态为0时，光电耦合器T1断开，大功率晶体管VT截止，则负载失电，LED熄灭，表示该路输出点无输出。

当负载为电感性负载，VT关断时会产生较高的反电势，VD的作用是为其提供放电回路，避免VT承受过电压。

图1-4大功率晶体管输出形式电路

（3）双向晶闸管输出形式，如图1-5所示。

这种输出形式适合驱动交流负载。

由于双向可控硅和大功率晶体管同属于半导体材料元件，所以优缺点与大功率晶体管或场效应管输出形式的相似，适合在交流供电、输出量变化快的场合选用。

图1-5所示电路工作原理是：

当内部电路的状态为1时，发光二极管导通发光，相当于双向晶闸管施加了触发信号，无论外接电源极性如何，双向晶闸管T均导通，负载得电，同时输出指示灯LED点亮，表示该输出点接通；

当对应T的内部继电器的状态为0时，双向晶闸管施加了触发信号，双向晶闸管关断，此时LED不亮，负载失电。

图1-5双向可控硅输出形式电路

3.I/O电路的常见问题

（1）用三极管等有源元件作为无触点开关的输出设备，与PLC输入单元的连接时，由于三极管自身有漏电流存在，或者电路不能保证三极管可靠截止而处于放大状态，使得即使在截止时，仍会有一个小的漏电流流过，当该电流值大于1.3mA时，就可能引起PLC输入电路发生误动作。

可在PLC输入端并联一个旁路电阻来分流，使流入PLC的电流小于1.3mA。

（2）应在输出回路串联保险丝，避免负载电流过大，会损坏输出元件或电路板。

（3）由于晶体管、双向晶闸管型输出端子漏电流和残余电压的存在，当驱动不同类型的负载时，需要考虑电平匹配和误动等问题。

（4）感性负载断电时产生很高的反电势，对输出单元电路产生冲击，对于大电感或频繁关断的感性负载应使用外部抑制电路，一般采用阻容吸收电路或二极管吸收电路。

1.3.3编程器

编程器是PLC的重要外围设备。

利用编程器将用户程序送入PLC的存储器，还可以用编程器检查程序，修改程序，监视PLC的工作状态。

常见的给PLC编程的装置有手持式编程器和计算机编程方式。

在可编程序控制器发展的初期，使用专用编程器来编程。

小型可编程序控制器使用价格较便宜、携带方便的手持式编程器，大中型可编程序控制器则使用以小CRT作为显示器的便携式编程器。

专用编程器只能对某一厂家的某些产品编程，使用范围有限。

手持式编程器不能直接输入和编辑梯形图，只能输入和编辑指令，但它有体积小，便于携带，可用于现场调试，价格便宜的优点。

计算机的普及，使得越来越多的用户使用基于个人计算机的编程软件。

目前有的可编程序控制器厂商或经销商向用户提供编程软件，在个人计算机上添加适当的硬件接口和软件包，即可用个人计算机对PLC编程。

利用微机作为编程器，可以直接编制并显示梯形图，程序可以存盘、打印、调试，对于查找故障非常有利。

1.4可编程控制器的工作原理及主要技术指标

1.4.1可编程控制器的工作原理

结合PLC的组成和结构分析PLC的工作原理更容易理解。

PLC是采用周期循环扫描的工作方式，CPU连续执行用户程序和任务的循环序列称为扫描。

CPU对用户程序的执行过程是CPU的循环扫描，并用周期性地集中采样、集中输出的方式来完成的。

一个扫描周期主要可分为：

（1）读输入阶段。

每次扫描周期的开始，先读取输入点的当前值，然后写到输入映像寄存器区域。

在之后的用户程序执行的过程中，CPU访问输入映像寄存器区域，而并非读取输入端口的状态，输入信号的变化并不会影响到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）执行程序阶段。

用户程序执行阶段，PLC按照梯形图的顺序，自左而右，自上而下的逐行扫描，在这一阶段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，程序运行结果放入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，在扫描周期的各个部分，均可对中断事件进行响应。

（3）处理通信请求阶段。

是扫描周期的信息处理阶段，CPU处理从通信端口接收到的信息。

（4）执行CPU自诊断测试阶段。

在此阶段CPU检查其硬件，用户程序存储器和所有I/O模块的状态。

（5）写输出阶段。

每个扫描周期的结尾，CPU把存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），更新输出状态。

然后PLC进入下一个循环周期，重新执行输入采样阶段，周而复始。

如果程序中使用了中断，中断事件出现，立即执行中断程序，中断程序可以在扫描周期的任意点被执行。

如果程序中使用了立即I/O指令，可以直接存取I/O点。

用立即I/O指令读输入点值时，相应的输入映像寄存器的值未被修改，用立即I/O指令写输出点值时，相应的输出映像寄存器的值被修改。

1.4.2可编程控制器主要技术指标

可编程控制器的种类很多，用户可以根据控制系统的具体要求选择不同技术性能指标的PLC。

可编程控制器的技术性能指标主要有以下几个方面：

1.输入/输出点数

可编程控制器的I/O点数指外部输入、输出端子数量的总和。

它是描述的PLC大小的一个重要的参数。

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存储容量通常指用户程序存储器和数据存储器容量之和，表征系统提供给用户的可用资源，是系统性能的一项重要技术指标。

3.扫描速度

可编程控制器采用循环扫描方式工作，完成1次扫描所需的时间叫做扫描周期。

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。

可编程控制器的编程指令越多，软件功能就越强，但掌握应用也相对较复杂。

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.通信功能

通信有PLC之间的通信和PLC与其他设备之间的通信。

通信主要涉及通信模块，通信接口，通信协议和通信指令等内容。

PLC的组网和通信能力也已成为PLC产品水平的重要衡量指标之一。

厂家的产品手册上还提供PLC的负载能力、外形尺寸、重量、保护等级、适用的安装和使用环境如温度、湿度等性能指标参数，供用户参考。

1.5可编程控制器的分类、特点、应用及发展

1.5.1可编程控制器的分类

1.按I/O点数和功能分类

可编程控制器用于对外部设备的控制，外部信号的输入、PLC的运算结果的输出都要通过PLC输入输出端子来进行接线，输入、输出端子的数目之和被称作PLC的输入、输出点数，简称I/O点数。

由I/O点数的多少可将PLC的I/O点数分成小型、中型和大型。

小型PLC的I/O点数小于256点，以开关量控制为主，具有体积小、价格低的优点。

可用于开关量的控制、定时/计数的控制、顺序控制及少量模拟量的控制场合，代替继电器-接触器控制在单机或小规模生产过程中使用。

中型PLC的I/O点数在256～1024之间，功能比较丰富，兼有开关量和模拟量的控制能力，适用于较复杂系统的逻辑控制和闭环过程的控制。

大型PLC的I/O点数在1024点以上。

用于大规模过程控制，集散式控制和工厂自动化网络。

2.按结构形式分类

PLC可分为整体式结构和模块式结构两大类。

整体式PLC是将CPU、存储器、I/O部件等组成部分集中于一体，安装在印刷电路板上，并连同电源一起装在一个机壳内，形成一个整体，通常称为主机或基本单元。

整体式结构的PLC具有结构紧凑、体积小、重量轻、价格低的优点。

一般小型或超小型PLC多采用这种结构。

模块式PLC是把各个组成部分做成独立的模块，如CPU模块、输入模块、输出模块、电源模块等。

各模块作成插件式，并将组装在一个具有标准尺寸并带有若干插槽的机架内。

模块式结构的PLC配置灵活，装配和维修方便，易于扩展。

一般大中型的PLC都采用这种结构。

1.5.2可编程控制器的特点

1.可编程控制器的特点

（1）编程简单，使用方便

梯形图是使用得最多的可编程序控制器的编程语言，其符号与继电器电路原理图相似。

有继电器电路基础的电气技术人员只要很短的时间就可以熟悉梯形图语言，并用来编制用户程序，梯形图语言形象直观，易学易懂，。

（2）控制灵活，程序可变，具有很好的柔性

可编程序控制器产品采用模块化形式，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，用户能灵活方便地进行系统配置，组成不同功能、不同规模的系统。

可编程序控制器用软件功能取代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，硬件配置确定后，可以通过修改用户程序，不用改变硬件，方便快速地适应工艺条件的变化，具有很好的柔性。

（3）功能强，扩充方便，性能价格比高

可编程序控制器内有成百上千个可供用户使用的编程元件，有很强的逻辑判断、数据处理、PID调节和数据通信功能，可以实现非常复杂的控制功能。

如果元件不够，只要加上需要的扩展单元即可，扩充非常方便。

与相同功能的继电器系统相比，具有很高的性能价格比。

（4）控制系统设计及施工的工作量少，维修方便

可编程序控制器的配线与其它控制系统的配线比较少得多，故可以省下大量的配线，减少大量的安装接线时间，开关柜体积缩小，节省大量的费用。

可编程序控制器有较强的带负载能力、可以直接驱动一般的电磁阀和交流接触器。

一般可用接线端子连接外部接线。

可编程序控制器的故障率很低，且有完善的自诊断和显示功能，便于迅速地排除故障。

（5）可靠性高，抗干扰能力强

可编程序控制器是为现场工作设计的，采取了一系列硬件和软件抗干扰措施，硬件措施如屏蔽、滤波、电源调整与保护、隔离、后备电池等，例如，西门子公司S7-200系列PLC内部EEPROM中，储存用户原程序和预设值在一个较长时间段（190小时），所有中间数据可以通过一个超级电容器保持，如果选配电池模块，可以确保停电后中间数据能保存200天。

软件措施如故障检测、信息保护和恢复、警戒时钟，加强对程序的检测和校验。

从而提高了系统抗干扰能力，平均无故障时间达到数万小时以上，可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场，可编程序控制器已被广大用户公认为最可靠的工业控制设备之一。

（6）体积小、重量轻、能耗低，是“机电一体化”特有的产品。

2.可编程控制器PLC与个人计算机PC的主要差异

（1）PLC工作环境要求比PC低，PLC抗干扰能力强；

（2）PLC编程比PC简单易学；

（3）PLC设计调试周期短；

（4）PC应用领域与PLC不同；

（5）PLC的输入/输出响应速度慢，（一般ms级），而PC的响应速度快（为微秒级）；

（6）PLC维护比PC容易。

3.PLC与继电器控制的区别

PLC与继电器控制的区别主要体现在：

组成器件不同，PLC中是软继电器；

触点数量不同，PLC编程中无触点数的限制；

实施控制的方法不同，PLC是主要软件编程控制，而继电器控制依靠硬件连线完成。

1.5.3可编程控制器的应用

目前，可编程序控制器已经广泛地应用在各个工业部门。

随着其性能价格比的不断提高，应用范围还在不断扩大，主要有以下几个方面：

1.逻辑控制

可编程序控制器具有“与”、“或”、“非”等逻辑运算的能力，可以实现逻辑