可编程序控制器.docx

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可编程序控制器

2可编程控制器（PLC）概况

PLC（ProgrammableLogicController，可编程序控制器）是以微处理器为核心，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术而发展起来的一种通用工业自动控制装置。

它具有体积小、功能强、灵活通用及维护方便等一系列有点。

特别是它的高可靠性和较强的适应恶劣环境的能力，备受用户的青睐。

在冶金、化工、交通、电力等领域获得了广泛的应用，被称为现代工业技术的三大支柱之一。

2.1PLC的发展

2.1PLC的产生

传统的生产机械自动控制装置多采用继电器、接触器控制，我们成致谢系统为继电器控制系统。

继电器控制系统具有结构简单、价格低廉、容易操作等优点；同时又具有体积庞大，生产周期场，接线复杂，故障率高，可靠性及灵活性差等缺点。

比较适用于工作模式固定，控制逻辑简单的工业应用场合。

随着工业生产的迅速发展，市场竞争日益激烈，产品更新换代的周期不断缩短，传统的继电器控制系统越来越不适应现代工业发展的需要，迫切需要设计一种先进的自动控制装置。

于是，在1968年，美国通用汽车公司（GM）便提出一种设想：

将计算机的功能完善、通用、灵活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，制成一种通用控制装置。

这种通用控制装置把计算机的编程方法和程序输入方式加以简化，从用面对控制过程、面对对象的语言编程。

美国数字设备公司（DEC）根据这一设想，于1969年研制成功了第一台可编程控制器PDP—14，并在汽车自动装备线上成功试用。

该设备用计算机作为核心设备。

其控制功能是通过存储在计算机中的程序来实现的，这就是人们常说的程序程序控制。

由于当时主要用于顺序控制，只能进行逻辑运算，故称为可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController，，PLC）。

20世纪中末期，可编程控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全面进入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。

更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。

20世纪80年代，可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。

这个时期可编程控制器发展的特点是大规模、高速度、高性能、产品系列化。

这个阶段的另一个特点是世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。

这标志着可编程逻辑控制器已经入了成熟阶段。

上世纪80年代至90年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为30~40%。

在这时期，PLC在处理模拟量能力、数学运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度的提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。

20实际末期，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，生产了各种人际界面单元、通信单元、是应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。

目前，可编程控制器在极其制造、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。

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的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；从产品的规模看，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PLC语言；从网络的发展情况看，可编程控制器和其他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中已有大量的可编程控制器的应用。

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，将在工业及工业意外的众多领域发挥越来越大的作用。

2.2PLC的分类

PLC发展至今已经有多种形式，其功能也不尽相同。

分类是，一般按一下原则进行：

<1>一体化紧凑型PLC

其特点是电源、CPU、I/O接口都集成在一个机壳内。

如：

西门子公司的S7—200系列，OMRON公司的C系列，三菱公司的F1、F2系列，东芝公司的EX20/40系列和AB公司的SLC500等。

<2>标准模块式结构化PLC

其特点是电源模板、CPU模板、开关量I/O模板、模拟量I/O模板等在结构上时相互独立的，可根据具体的使用要求，选择合适的模板，安装在固定的机架上，构成一个完成的PLC应用系统。

2.3PLC的功能

PLC是应用面很广，发展非常迅速的工业自动化装置，在工厂自动化（FA）和计算机集成制造系统（CIMS）中占重要地位。

现在PLC的功能远不仅是替代传统的继电器逻辑，还具有一下的功能：

<1>控制功能

（1）逻辑控制

PLC具有“与”、“或”、“非”、“异或”和触发器等逻辑运算功能计算，可以代替继电器进行开关量控制。

（2）定时控制

PLC为用户提供了若干个电子定时器，用户可自行设定接通延时、关断延时和定时脉冲等方式。

（3）计数控制

用脉冲控制可以实现加、减计算模式，可以连接码盘进行位置检测。

<2>数据采集、存储和处理功能

（1）数学运算功能

能完成加、减、乘、除登记本算数计算；完成平方根、三角函数、浮点运算等算数扩展运算；完成大于、等于、小于等比较功能。

（2）数据处理

选择、组织、规格化、移动和先入先出

（3）模拟数据处理

PID、积分和滤波

<3>输入/输出接口调理功能

具有A/D、D/A转换功能，通过I/O木块完成对模拟量的控制和调节。

位数和精度可以根据用户要求选择。

具有温度测量接口，直接连接各种热敏电阻或热电偶。

<4>通信、联网功能

现代PLC大多数都采用了通信、网络技术，有RS—232或RS—485接口，可进行远程I/O控制，多台PLC可彼此间联网、通信、外部器件与一台或多台PLC的信号处理单元之间，能够实现程序和数据的交换，如程序转移、数据文档转移、监视和诊断。

通信接口或通信处理器按标准的硬件接口或专有的通信协议完成程序和数据的转移。

如西门子S7—300/400的PROFIBUS现场总线接口，其通信速率可以达到12MBits/s。

在系统构成时，可由一台计算机与多台PLC构成“集中管理、分散控制”的分布式控制网络，以完成较大规模的复杂控制。

<5>人机界面功能

提供操作者以监视机器/过程工作必须的信息。

允许操作者和PC系统与其应用程序相互作用，以便作决策和调整。

实现人机界面功能的手段：

从基层的操作者屏幕文字显示，到单击的CRT显示和键盘操作和用通信处理器、专用处理器、个人计算机、工业计算机的分散和集中操作与箭矢系统。

<6>编程、调试

使用复杂程度不同的手持、便携式和桌面式编程器、工作站、操作屏，进行编程、调试、监视、和记录，并通过打印机打印出程序文件。

2.4PLC的特点

为了适应在工业环境中的应用，PLC一般具备以下特点：

<1>高可靠性

所有的I/O接口电路均采用光电隔离措施，使工业现场的外电路与PLC内部电路之间电路上隔离；各输入端均采用RC滤波器，其滤波时间常数一般为10~20ms；各模式均采用屏蔽措施，以防止辐射干扰；采用性能优良的开关电源；对采用的器件采用严格的筛选；良好的自诊断功能，一旦电源或者其他软、硬件发生异常情况，CPU立即采取有效措施，以防止故障扩大；大型PLC还可以采用由双PLC构成的荣誉系统或由三CPU构成的表决系统，是可靠性进一步提高。

据有关资料提供数据表明：

一般中小型PLC。

如日立、西门子、IPM，平均无故障时间长达10万小时。

即使大型P:

C平均无故障时间也在4~5万小时之间。

大大优于继电器-接触器控制。

<2>丰富的I/O接口模块

PLC针对不同的工业现场信号（如：

交流或直流、开关量或模拟量、电压或电流、脉冲或电位、强电或弱电等），有相应的I/O模块与工业现场的其间或设备（如：

按钮、行程开关、接近开关、传感器及变送器、电磁线圈、控制阀）直接连接。

另外为了提高操作性能，还有多种人机对话的接口模块；为了组成工业局部网络，还有多种通信连网的接口模块。

<3>采用模块化结构

为了适应各种隔夜控制的需要，除单元式的小型PLC以外，绝大多数PLC均采用模块化结构。

PLC的各个部件，包括CPU、电源、I/O等均采用模块化设计，由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需求自行配置。

<4>运行速度快

随着微处理器的应用，PLC的运行速度也越来越快，使他更适合处理高速、复杂的控制任务。

<5>功能完善

PLC应用微电子和微计算机技术，简单型PLC都具有逻辑、定时、技术等顺序控制功能。

基本型PLC还具有模拟I/O、基本算数运算、通信能力等。

复杂型PLC除了具有基本型PLC的功能外，还具有扩展的计算能力、多级终端机制、智能I/O、PID调节、过程监视、网络同系能力、远程I/O、多处理器和高速数据处理能力。

<6>编程简单，易于使用

PLC的编程可采用与继电器电路极为相似的梯形图语言，直观易懂，易受现场电气技术人员的欢迎。

近年来又发展了适应不同对象要求的更多种类的编程语言。

如梯形图（LAD）、语句表（STL）、功能块图（FBD）、顺序功能图（SFC）、连续功能图（CFC）、结构化控制语言（SCL）、顺序控制图编程语言（S7-Graph）、状态图编程语言（S7-HiGraph）、用于S7系统的C语言（CforS7）等，使编程更为简单方便。

<7>系统设计、安装、调试方便

PLC中含有大量的相当于中间继电器、时间继电器、计算器等的“软元件”。

又用程序—（软接线）代替硬接线，安装接线工作最少。

设计人员只要有PLC就可以直接将进行控制系统的设计，并可在实验室进行模拟调试。

<8>维修方便，维修工作量小

PLC有完善的自诊断、履历情报存储及监视功能。

PLC对于其内部工作状态、通信状态、异常状态和I/O点的状态均有显示。

工作人员通过它可以查出故障原因，便于迅速处理。

由于采用模块化结构，因此一旦某块模块发生故障，用户可以通过更换模块的方法，使系统迅速恢复运行。

<9>总价格低

PLC的重量、体积、功耗和硬件价格一直在降低，虽然软件价格所占的比重有所增加，但是各厂商为了竞争也相应的降低了价格。

另外，采用PLC还可以大大缩短设计、编程和投产周期，使总价格进一步降低。

PLC系统与工业总线计算机和DCS相互渗透，互为借鉴，互为竞争而发展，并促进工业的进步。

2.5PLC的结构和工作过程

尽管PLC类型繁多，但其结构和工作原理大同小异，了解PLC的基本结构，有助于理解PLC的工作原理及用户程序的编制。

2.5.1PLC的基本结构

PLC实际上时一种工业计算机，只不过它比一般的计算机具有更强的与工业过程相连接的接口和更直接的适应于控制要求的编程语言，故PLC与见算计的组成十分相似。

从硬件结构看，PLC由中央处理单元（CPU）、存储器（ROM/RAM）、输入/输出单元（I/O单元）、编程器、电源等部分组成。

<1>中央处理器

与一般计算机一样，中央处理单元（CPU）是PLC的核心，它按PLC的系统程序赋予的功能智慧PLC有条不紊地进行工作，其主要任务有：

1）接收、存储由编程工具输入的用户程序和数据，并通过显示器显示出程序的内容和存储地址。

2）检查、校验用户程序。

对正在输入的用户程序进行检查，发现语法错误立即报警，并停止输入；在程序运行过程中若发现错误，则立即报警或停止程序的执行。

3）执行用户程序。

当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接受现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映像区，然后从用户程序存储器重逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算术运算，并将运算结果送入I/O映像区或数据寄存器内。

等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映像区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，知道停止。

4）故障诊断。

诊断电源、PLC内部电路的障碍，根据障碍或错误的类型，通过显示器现实出相应的信息，一体式用户及时排除或纠正错误。

不同型号PLC的CPU的芯片是不同的，有的采用通用CPU芯片，如8031、8051、8086、80826等，大部分采用厂家自行设计的专用CPU芯片，CPU芯片的性能关系到PLC处理控信号的能力和速度，CPU位数越高，系统处理的信息量越大，运算速度也就越快。

随着CPU芯片技术的不断发展，PLC所用的CPU芯片也越来越高档。

为了进一步提高PLC的可靠性，近年来对大型PLC还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式胸膛呢。

这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍然能够整张运行。

<2>存储器

PLC的存储器可以分为系统程序存储器、用户程序存储器、及系统RAM存储器三种。

（1）系统程序存储器

系统程序管理器用来存放由PLC生产厂家编写的系统程序，并固化在ROM内，用户不能直接更改。

它使PLC具有基本的智能功能，能够完成PLC设计者规定的各项工作。

系统程序的质量，很大程度上决定了PLC的性能，其内容主要包括三个部分：

系统管理程序，用户指令解释程序和标准程序模块与系统调用程序。

（2）用户程序存储器

根据控制要求而编制的应用程序成为用户程序。

用户程序存储器用来存放用户针对具体控制任务，用规定的PLC标称语言编写的各种用户程序。

用户程序存储器根据所用的存储单元类型的不同，可以使RAM、RPROM或EEPROM存储器，其内容可以由用户任意修改和增删。

目前较先进的PLC采用可随时读写的快闪存存储器作为用户程序存储器。

快闪存储器不需后备电池，掉电时数据也不会丢失。

（3）系统软设备存储区

系统RAM存储区包括I/O映像区以及各类软设备，如：

逻辑线圈、数据寄存器、计数器、变址寄存器、累加器等存储

器。

<3>输入/输出单元

输入/输出单元是PLC与工业现场连接的接口。

输入单元用来接收和采集两种类型的输入信号，一种为开关量输入信号，另一种为模拟量信号。

输入单元用来连接工业吸纳长被控对象中的各种执行元件。

<4>电源适配器

电源适配器一方面可为CPU板，I/O板及扩展单元提供工作电源，另一方面可为外部输入元件提供DC24V。

<5>I/O扩展接口

I/O扩展接口用于将扩展单元与基本单元相连，使PLC的配置更加灵活。

<6>设备通信接口

为了实现“人-机”或者“机-机”之间的对话，PLC配有多种通信接口。

PLC通过这些通信接口可以与监视器、打印机、其他PLC或计算机相连。

当PLC与打印机相接时，可将过程信息、系统参数等输出打印；当与监视器相接时，可将过程映像显示出来；当与其他PLC相连时，可以组成多机系统或练成网络，实现更大规模的控制；当与计算机相连时，可以组成多级控制系统，实现控制与管理相结合的综合系统。

<7>编程器

编程器的作用是供用户进行程序的编制、编辑、调试和监视。

编程器有简单型和智能型两类。

也可以利用微机作为编程器，这时微机应配有相应的编程软件包，若要直接与PLC通信，还要配置相应的通信电缆和通信卡。

<8>其他设备

PLC还可以配置EPROM写入器、存储器卡等其他外部设备。

2.5.2PLC的工作原理

最初研制生产的PLC主要用于代替传统的由继电器、接触器构成的控制装置，但这两者的运行方式时不相同的。

众所周知，继电器控制装置采用硬逻辑并行运行的方式，即如果某继电器的线圈通电或断电，那么该继电器所有的触点，无论在继电器控制线路的安个位置上都会同时运作。

PLC的CPU则采用顺扫描用户程序的运行方式，即如果一个输出线圈或逻辑线圈被接通或者断开，那么该线圈的所有触点不会立即动作，必须等扫描到该触点时才会运动。

为了消除两者之间由于运行方式不同而造成的诧异，考虑到继电器控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10ms。

因此，PLC采用了一种不同于一般卫星计算机的运行方式—扫描技术。

这样在对I/O相应要求不高的场合，PLC与继电器装置的处理结果上就没有什么区别了。

PLC的工作方式时一个不断循环的顺序扫描工作方式。

每一次扫描所用的时间成为扫描周期或工作周期。

CPU从第一条指令开始，按顺序逐条地执行用户程序知道用户程序结束，然后返回第一条指令开始新一轮的扫描。

PLC就这样周而复始地重复上述循环扫描。

PLC运行正常时，其扫描周期的长短与CPU的运算速度、I/O点的情况、用户应用程序的长短及编程情况等均有关。

LC整个运行可分为上电处理、扫描过程和出错处理三个阶段。

其中，第二阶段扫描过程分为输入采样阶段和程序执行阶段。