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PLC的基础知识
第一节PLC的基础知识
1可编程序控制器的基本概念
1.1存储程序控制
继电器线路控制系统，又称为接线程序控制系统，是将电器元器件用接线固定连接起来实现控制逻辑，完成控制任务的。
在接线程序控制系统中，要实现一个控制任务，首先要针对具体的被控对象，分析对控制系统的要求，设计出相应的电器控制线路，然后制作出针对该控制任务的专用电器控制装置。
若被控对象对控制系统的要求比较复杂，那么控制线路的设计将非常困难，设计出的控制线路也比较复杂，因而电器控制装置的制造周期较长，造价相应较高，维修也不方便。
控制系统完成后，若控制任务发生变化，如某些生产工艺流程的变动，则必须通过改变接线才能实现。
另外，由于接线程序控制系统中的器件和接线较多，所以其平均无故障时间较短。
总之，接线程序控制系统的灵活性和通用性较低，故障率较高。
可编程序控制器是一种存储程序控制器，支配控制系统工作的程序存放在存储器中，利用程序来实现控制逻辑，完成控制任务。
在可编程序控制器构成的控制系统中，要实现一个控制任务，首先要针对具体的被控对象，分析对控制系统的要求，然后编制出相应的控制程序，利用编程器将控制程序写入可编程序控制器的程序存储器中：
系统运行时，可编程序控制器依次读取程序存储器中的程序语句，对其内容解释并加以执行。
根据输入设备的状态或实他条件，可编程序控制器将其程序执行结果输出给相应的输出设备，控制被控对象工作。
可编程序控制器是利用软件来实现控制逻辑的，能够适应不同控制任务的需要，具有通用、灵活、可靠性高等特点。
由可编程序控制器（PLC）构成的存储程序控制系统，一般由三部分组成：
输入部分：
直接接受来自操作台上的操作命令，或来自被控对象上的各种状态信息，如按钮、开关、传感器等发出的操作命令或状态信息。
输出部分：
用来接受程序执行结果的状态，以操作各种被控对象，如电动机、电磁阀、状态指示部件等。
控制部分：
采用微处理器和存储器，执行按照被控对象的实际要求编制并存入程序存储器的程序，来完成控制任务。
对于使用者来说，在编制应用程序时，可以不考虑微处理器和存储器的复杂构成及其使用的计算机语言，而把PLC看成是内部由许多"软继电器"组成的控制器，用提供给使用者的类似于继电器控制线路图的编程语言进行编程。
这些"软继电器"的线圈常开触点、常闭触点一般用图2-1―所示的符号表示。
PLC控制系统的组成示意图如图2-2所示。
图2-1软继电器的线圈与触电
成示意图如图2-2所示。
应当注意，PLC内部的继电器并不是实际的物理继电器，它实质上是存储器中的某些^发器，当该位触发器状态为"口时，相当于继电器接通；当该位触发器状态为昀相当于继电器断开。
图2-2PLC控制系统的组成
PLC为用户提供的继电器一般是：
输入继电器、输出继电器、辅助继电器、特殊功能继电器、移位寄存器、计时/计数器等。
其中输入输出继电器一般与外部输入输出设备相连接，而其他继电器与外部设备没有直接联系，因此可统称为内部继电器。
不同机型PLC中各类继电器的数量及使用方法不尽相同，实际应用中需要注意。
1.2PLC常用术语
PLC是在继电器控制系统和计算机的基础上发展起来的，因此PLC控制系统中使用一些继电器控制系统术语和计算机术语，但其含义又不完全相同。
为便于叙述和理解，PLC中的一些常用术语简述如下：
1.2.1位（bit）
位是PLC中逻辑运算的基本元素，通常也称为内部继电器。
位实际上是PLC存储器的一个触发器，有两个状态，即“0”和“1”有时也称为OFF和ON。
位可以作为条件与逻辑运算，相当于继电器的触点，但可以无限次地使用。
位也可以作为输出，存放逻辑算的结果，相当于继电器的线圈。
在程序中一个位只能进行一次输出操作。
1.2.2I/0点（I/OPoint）
PLC中可以直接和输入设备相连接的触点（位）称为输入点，可以直接和输出设备连接的触点（位）称为输出点，输入点和输出点统称为PLC的I/O点。
PLC的I/O点数越多，控制规模越大。
有时也常用I/O点数来表征PLC的规模。
1.2.3通道（channel）
4个二进制位构成一个数字。
这个数字可以是0～9（用于十进制数的表示），也可以是O～F（用于十六进制数的表示）。
2个数字，或8个二进制位构成一个字节。
2个字节构成一个字。
字也可以成为通道，一个通道包含16位，或者说包含16个继电器。
上述关系表示如下：
1.2.4区（Area）
区是相同类型通道的集合。
PLC中一般有数据区、定时/计数器区、内部继电器区等。
不同类型的PLC所具有的区的种类、容量差别较大。
2可编程序控制器的基本组成
PLC是一种工业控制用计算机，其组成与微型计算机基本相同。
2.1PLC的硬件组成
PLC的硬件一般由主机、I/0扩展机及外部设备组成，其简化框图如图2-3所示。
仅有观没有扩展机的构成方式称为基本构成。
带有扩展机的构成方式称为扩展构成方式。
2.1.1主机（CPU模块）
在主机内部，由微处理器（CPU）通过数据总线、地址总线、控制总线以及辅助电路连接存储器、接口及I/0单元，诊断PLC的硬件状态；借助编程器接收用户键入的程序和数据；读取、解释并执行用户程序；按规定的时序接收输入状态、刷新输出状态，与外部设交换信息等。
总之，由主机实现对整个PLC的控制和管理。
2.1.1.1微处理器（CPU）
PLC中常用的CPU主要采用通用微处理器、单片机、位片式处理器等。
常用的通用微处理器有：
8位处理器，如Z80A、8085、M6800、M6809等；16位微理器，如8086、M68000等。
常用的单片机有8039、8031、M6801等。
常用的位片式处理器有AMD2900、AMD02903等。
在小型PLC中，一般采用8位机；在中型PLC中，一般采用16位机；在大型PLC中般采用高速位片机。
由于CMOS型的单片机具有高集成度、高可靠性、高速度、多功能導点，所以许多PLC采用，CMOS型的单片机作微处理器。
2.1.1.2存储器
PLC的存储器用于存储程序和数据。
系统程序存储器用于存储系统程序，一般采用ROM或EPROM。
PLC出厂时，系统^已固化在存储器中。
用户程序存储器用于存储用户的应用程序。
用户根据实际控制的需要用的编程语言编制应用程序，通过编程器输入到PLC的用户程序存储器。
中、小的用户程序存储器一般采用EPROM、E2PROM或加后备电池的RAM，其容量一般不超过8KM。
有的PLC，其用户程序存储器有多种型号可供选择，用户可根据实际需要选用。
据存储器用于PLC的数据区、定时计数器区、内部继电器区等，采用ＲＡＭ。
2.1.1.3Ｉ/0接口
Ｉ/0接口是ＣＰＵ与外部设备、Ｉ/0模块等的连接部件，用于扩充ＰＬＣ总线的驱动能力扇入扇出点数。
Ｉ/0接口通常采用锁存器或专用Ｉ/0接口芯片。
2.1.2电源
配有开关式稳压电源，电源的交流输入端一般接有尖峰脉冲吸收电路，以提高抗干扰能力。
小型ＰＬＣ电源的交流输入电压范围一般较宽，有的小型ＰＬＣ可在ＡＣ160〜260Ｖ围内正常工作。
2.1.3输入输出模块
输入输出模块即Ｉ/0模块，是ＰＬＣ与现场Ｉ/0设备或其他外部设备之间的连接部件，ＰＬＣ通过输入模块把工业设备或生产过程的状态或信息读入主机，通过用户程序的运算与作，把结果通过输出模块输出给执行机构。
输入模块用于调理输入信号，对输入信号进行滤波、隔离、电平转换等，把输入信号的逻辑值安全可靠地传递到ＰＬＣ内部。
输出模块展把用户程序的逻辑运算结果输出到ＰＬＣ外部，输出模块具有隔离ＰＬＣ内部电路和外部怃化件的作用，还具有功率放大的作用。
种类很多，每种ＰＬＣ可使用多种型号的输人出模块，但各种输入输出模块的基本原理是相似的。
在此，介绍几种常用的输入输出模说明其工作原理。
2.1.3.1直流开关量输入模块
直流开关量输入模块原理图如图2-4所示。
在直流输入模块中，R1为限流电阻，R2和C构成滤波电路，可滤掉输入信号的高频抖动。
VL为输入指示灯，VLC为直流式光耦合器。
输入模块的外接直流电源极性任意。
当输入开关闭合时，经R1、VLC、VL构成通路，输入指示灯VL亮，表示该路输入的开关量状态为ON。
输入信号经VLC隔离后，再经滤波器滤波，转换成5V电压的直流输人信号，经输入选择器与CPU总线相连，将外部输入开关的状态输入到内部。
图2-4给出的是直流开关量输入模块两路输入信号的原理图，其他各路输入信号的原里图与其相同。
各输入信号回路有一个公共点，即图中的COM点，这种输入模块称为汇点式输入模块。
各输入信号回路相互独立的输入模块，称为分隔式输入模块。
图2-4直流开关量输入模块原理图
有的输入模块不需要外接电源，称为无源式输入模块。
无源式输入模块的电路原理图及内部参数与直流模块相同，只不过其电源采用的是PLC的内部直流电源而巳。
2.1.3.2交流开关量输入模块
交流开关量输入模块的原理图如图2-5所示。
在交流开关量输入模块中，R1为取样电阻，同时具有吸收浪涌的作用。
C为电容器，具有隔直流通交流的作用。
R2和R3构成分压电路。
VL为输入指示灯，为交流式光耦合器。
当输入开关闭合时，经C、R2、VLC和VL构成通路，输入指示灯VL亮，表示该路输入的开关量状态为ON。
交流输入信号经VLC隔离后，转换成5V电压的直流信号，再经过滤波器滤波后，通过输入选择器与CPU总线相连把外部输入开关的状态输入到PLC内部。
另外，还有交直流开关量输入模块，其电'路原理图同图2-4，但其电路参数有所不同，所用的光耦合器为交直流式光耦合器，所采用的巨源可为交流电源也可为直流电源。
2.1.3.3直流开关量输出模块
直流开关量输出模块的原里图如图2-4所示。
直流开关匱输出模块因其驱动电路采用晶体管进行放大，所以又称为晶体管开关量输出模块。
其输出方式一般为集电极输出，外加直流负载电源。
其带负载能力一般为：
每个输出点1A左右，每个模块3人左右。
晶体管开关量输出模块为无触点输出模块，使用寿命较长。
图2-6给出的是汇点式直流开关量输出模块原理图，图中仅画出了两路开关量输出（又称两个输出点）的原理图，其他各路输出的原理图与之相同。
图中VL为输出指示灯、VT1为输出晶体管，VD2为负载续流二极管，VD3为保护二极管，F为熔丝。
当对应于VT1的内部继电器为ON时，PLC的CPU通过数据总线和地址总线使该输出模块的输出锁存器中相应的位为高电平，指示灯VL亮，表示该输出点开关量为ON状态；晶体管VT1饱和导通，无触点开关闭合，负载L1得电。
当对应VT1的内部继电器为OFF时，VL指示灯灭，表示该输出点开关量为OFF状态；晶体管VT1截止，无触点开关断开，负载L1失电，并通过续流二极管VD2续流释放能量。
图2-6直流开关输出模块原理图
2.1.3.4交流开关量输出模块
交流开关量输出模块的原理图如图2-7所示。
交流开关量输出模块的驱动电路采用光控双向晶闸管进行驱动放大，所以交流开关量输出模块又称为晶闸管输出模块。
该模块外加交流负载电源，带负载能力一般为每个输出点1A左右，每个模块4A左右。
不同型号的交流开关量输出模块的外加交流负载电源电压和带负载能力有所不同。
晶闸管输出模块为无触点输出模块，使用寿命较长。
图2-7交流开关量输出模块原理图
图2-7为汇点式晶闸管输出模块原理图。
图中，VL为输出指示灯，R1、R2为限流电阻，VLC为光控双向晶闸管，A为浪涌吸收器，F为熔丝，R3和C构成阻容吸收电路。
当对应于VLC的内部继电器为ON时，VLC导通，L0得电，同时输出指示灯VL亮。
当对应于VLC的内部继电器为OFF时，VLC关断，L0失电，指示灯VL灭。
2.1.3.5继电器输出模块
继电器输出模块的原理图如图2-8所示。
继电器输出模块采用继电器进行驱动放大。
它采用继电器触点的形式输出，外加负载电源根据负载的情况确定，可为交流也可为直流电源。
继电器输出模块为有触点开关式输出模块，使用寿命相对于无触点输出模块而言较短，开关动作一般为五千万次左右，使其使用比较灵活。
因此，在输出动作不是很频繁的场合，通常采用继电器输出模块。
在图2-8所示继电器输出模块中，VL为输出指示灯，K1为输出驱动放大继电器。
当对应于K1的内部继电器为ON时，VL指示灯亮，K1得电吸合，其触点闭合，负载L1得电；当对应于K1的内部继电器为OFF时，VL指示灯灭，K1失电，其触点断开，负载L1失电。
图2-8继电器输出模块原理图
2.1.3.6开关量输人/输出模块等效电路
开关量输入模块上每一个输入信号对应于PLC的一个位，即一个内部继电器。
对应于输人信号的位的状态，与输入信号的状态完全相同。
在PLC内部，通过逻辑指令对该位的操作，可以获得该输入信号的常开、常闭、常开延时开、常开延时闭、常闭延时开、常闭延时闭、上升沿微分、下降沿微分等形式的触点。
可见，一个输入信号〈按钮、开关等）只需要向输人模块接入一个触点即可。
输入模块等效电路如图2-9所示。
图中，内部继电器号C200Ha型PLC的000通道用作输入通道时的编号。
开关量输出模块向外部输出开关逻辑。
开关量输出模块上的每一个输出点对应于PLC内部的一个位，输出开关的状态与对应的PLC内部位的状态完全相同。
图2-10是开关量输出模块的等效电路。
图中，内部继电器号是C200Ha型PLC的001通道用作输出模块时的编号。
图2-9输入模块等效电路图2-10输出模块等效电路
2.1.4功能模块
除开关量输人/输出外，PLC的其他输入/输出功能由功能模块来实现。
一个功能模块占^多个输入/输出通道，因此在组合式PLC中对功能模块的使用数量存在限制，而对开关量输入/输出模块的数量不加限制。
一般地，除编程器以外的外设需经功能模块才能与主机总线连接。
因此，对应于各种外设以及PLC要完成的特殊输入/输出功能，有多种功能模块。
较常用的功能模块有：
模拟量输人模块（即A/D模块〉：
该模块用于将模拟量转换为数字量，将数字量输入到PLC内部。
模拟量输入模块的输入模拟信号一般为标准传感器信号。
模拟量输出模块（即D/A模块）：
该模块用于将PLC内部的数字量转换为模拟量将模拟量输出到PLC外部。
模拟量输出模块的输出模拟信号一般为标准传感器信号。
动态输入/输出模块：
该模块采用动态扫描方式进行输入/输出，可用于构成用户定义键盘和进行数码管显示等。
温度传感器模块：
可直接接铂-铑温度传感器或热电偶，将电压信号转换为数字量的温度值，并输人PLC的内部。
该模块广泛应用于温度控制系统中。
高速计数模块：
该模块用于处理高频开关量信号，可接旋转编码器等，广泛应用于速控制系统中。
PID模块：
该模块可按多种PID算法对模拟量进行控制，广泛应用于回路控制系统中。
远程I/O模块：
在远程扩展构成方式下，远程I/O模块作为主站，在作为从站的远程扩展机和主机之间进行信息交换。
通信模块：
通信模块用于处理通信，构成网络。
上位通信模块用于构成计算机与巧间的网络，一台计算机可与多台PLC构成网络。
PLC通信模块用于在多台间构成巧网络。
2.1.5扩展口
扩展口是PLC的总线接口。
主机与近程扩展机之间利用扩展口相连接。
2.1.6编程器
编程器是PLC最常用的外设，也是PLC中唯一不需要通过功能模块而直接与总线相接的外设。
它通过主机上的编程器接口直接与主机相连。
编程器上有一个方式选择开关，于控制PLC主机的工作方式。
当方式选择开关打在编程（PROGRAM）位置时，PLC主机处于编程方式。
此时，用户可通过编程器向PLC输入、查询、修改用户程序，但PLC不运用户程序。
当方式选择开关打在监控（MINITOR）位置时，PLC主机处于监控方式。
在监控方式下，PLC运行用户程序，用户通过编程器不能输人和修改用户程序，但可以查询用程序，并对用户程序的运行情况进行全面干预。
例如，在监控方式下，可通过编程器监视些内部位的状态以及某些通道的内容，也可以强行改变内部位的状态和通道内容。
利用PLC的监控方式，可以很方便地对用户程序进行调试。
当方式选择开关处在运行（RUN）位时，PLC主机处于运行方式。
在运行方式下，PLC运行用户程序，用户不能输入和修改用程序，也不能干预用户程序的运行情况，只能査询用户程序并监视其状态。
编程器上带有录音机接口，可连接录音机或磁带机。
在编程方式下，可以将用户程序PLC的某些数据区中的数据存储到磁带上，也可以将磁带上的用户程序和数据装入PLC。
程器是PLC编程及调试运行的重要工具。
2.1.7其他外设
PLC可带打印机、CRT显示器、键盘等外设，这些外设需通过相应的功能模块与PLC连接。
2.2PLC的软件系统
2.2.1系统程序
系统程序是PLC赖以工作的基础，采用汇编语言编写，在PLC出厂时就已固化于ROM型系统程序存储器中，不需要用户干预。
系统程序分为系统监控程序和解释程序。
系统监控程序用于监视并控制PLC的工作，如诊断PLC系统工作是否正常，对PLC各模块的工作行控制，与外设交换信息，根据用户的设定使PLC处在编制用户程序状态或者处在运行户程序状态等。
解释程序用于把用户程序解释成CPU能够执行的程序。
当PLC处在运行方式时，系统监控程序启动解释程序，启动程序将用户利用梯形图语言或语句表编制的用户程序解释成CPU可执行组成的程序，CPU执行这些处理后的程序完成用户的控制任务。
与此同时，系统监控程序对这一过程进行监视并控制，发现异常立即进行报警并作出相应的处里。
2.2.2用户程序
用户程序又称为应用程序，是用户为完成某一特定的控制任务而利用PLC的编程语言编制的程序。
用户程序通过编程器输入到PLC的用户程序存储器中。
一般地，在用户程序编釗和调试阶段及试运行阶段选用电池支持式RAM型用户程序存储器较好，程序便于修改；程序经过试运行定型后，宜选用EEPROM型用户程序存储器，既能对程序进行少量的调整，又避免了更换电池，可长期使用。
2.2.3编程语言
各种型号的PLC都有自己的编程语言，但这些编程语言基本可分为两类：
梯形图语言和语句表语言。
语句表语言类似于计算机汇编语言，是用指令助记符来编程的。
其表达形式为：
操作码操作数
（指令）（数据）
用若干条语句构成了语句表语言程序，以CPM系列PLC为例编程如下：
LD00100表示逻辑操作开始，常开触点00100与母线相连
OR01000表示常开触点01000与前面的触点并联
ANDNOT00101表示常闭触点00101与前面的触点串连
OUT01000表示前面的逻辑运算结果输出给01000
END表示程序结束
梯形图语言是类似于继电器控制线路图的一种编程语言，它面向控制过程，直观易懂，是PLC编程语言中应用最多的一种语言。
图2-11为电动机起停保控制电路的梯形图语言。
对照图2-11梯形图和前面的语句表程序，可以发现，根据梯形图可以很方便地写出语句表，根据语句表^可以很方便地画出梯形图。
在实际应用中，往往利用梯形图进行编程，根据梯形图利用编程器将语句表程序输入PLC。
图2-11电动机启停保梯形图
3可编程序控制器的扩展构成
在实际应用中，经常遇到仅用主机不能满足控制要求的情况。
例如，有的场合控制规律不太复杂，伹信号较多，这时仅用主机就可能出现输人/输出点数不够用，而选用高档PLC虽然输人/输出点数够用，但成本较高。
在这种情况下，应考虑采用主机带扩展机的方式。
扩展机是专为增加PLC的控制规模而设计的附机，它上面不带模块，其工作由主机CPU模块统一管理和控制。
近程扩展机主要用于扩大控制规模，在主机上使用的模块除CPU模块外均可在近程扩展机上使用；除近程扩展外，通信联网也属于扩展构成的范畴；而远程扩展目前已较少使用，在这里不作介绍。
3.1近程扩展方式
当CPU主机上的I/O点数不能满足需要时，或组合式PLC选用的模块较多在主机上装不开时，可通过扩展口进行近程扩展。
近程扩展方式如图2-12所示。
靠近主机的扩展机称为1号扩展机，1号扩展机后面的扩展机称为2号扩展机。
主机的下面一个扩展口与1号扩展机的上面一个扩展口相连接，1号扩展机的下面一个扩展口与2号扩展机的上面一个扩展口相连接。
不同型号的PLC所带扩展机的数量不同，例如C200a只能带两个扩展机。
主机和扩展机必须同类型，但不一定同型号。
例如,C200H-BC051主机可以带C200H-BC051、C200H-BC031、C200H-BC081等型号的展机，但不能带其他类型扩展机。
在近程扩展方式下，主机虽然可以扩展I/O点数多于主I/O点数的扩展机，但是采用主机I/O点数多于扩展机I/O点数的近程扩展方式，效果更佳。
因此，在构成近程扩展方式时，一般采用主机I/O点数多于扩展机I/O点数的方式。
图2-12近程扩展方式
3.2通信联网方式
PLC有多种通信模块，利用这些通信模块，配以适当的通信适配器，可以构成PLC网络和计算机-PLC网络。
3.2.1HOSTLink通信
PLC与上位机的连接通信称为HOSTLink通信。
一台CPM2A与一台上位机通信称为1:
1方式；多台CPM2A与一台上位机通信称为1:
N方式。
HOSTLink通信时，上位机发出指令给PLC，PLC返回响应信息。
按照这种会话式的顺序，上位机就可以读出PLC的继电器区数据存储区及各种设定状态的信息，监视PLC的工作状态，进行故障报警，在线修改PLC的设定值和当前值，对PLC实行强迫置位、复位，甚至更换PLC程序等。
利用1:
NHOSTLink通信可以用一台上位机监控多台PLC实现集散控制，一台上位机最多可以监控32台PLC。
3.2.2同级连接系统ControllerLink网
ControllerLink是一种工厂自动化网络形式，它可在CS1、CQM1、C200Ha、CVM1等PLC之间进行数据交换。
此外，还可以与带ControllerLink支持卡的上位机进行大容量数据包的发送和接收操作。
ControllerLink的系统结构图如图2-13所示。
图2-13ControllerLink的系统结构图
ControllerLink支持可共享数据的数据链接及在需要时发送和接收数据的信息服务。
数据链接区域可以自由设置以建立灵活的数据链接系统，以便有效地使用数据区域。
不同的PLC可以通过各自的单元连在一起，上位机的作用有两个：
3.2.2.1作为网络的配置工具，配置方法有两种，一是利用ControllerLink支持卡实现，通信可利用CPU单元和上位机上的RS-232端口实现。
当网络配置完成后，上位机可以去掉；二是利用CXP软件。
3.2.2.2作为网络中的一个节点参与通信，此时上位机中必须配置ControllerLink支持卡。
3.2.3下级连接系统CompoBus/（DeviceNet）
CompoBus/D是一个多位、多厂家的机器/产线级别的网络，它将控制及数据融合在一起，并遵守DeviceNet开放现场总线的标准，这意味着除了C系列中的各种型号CompoBus/（DeviceNet）单元之外，凡符合DeviceNet的通信协议的其他厂家产品，也都可以接入该系统中。
CompoBus/D的组网方式有两种，一种是；带配置器的方式（系统出厂时的默认方式〉，其系统配置如图2-14所示。
从图2-14中可以看出，该系统只有一台PLC，而且该PLC上只允许有一个CompoBus/D单元。
另一种是带配置器的方式，如图2-15所示。
在此方式下，用户可以根据需要灵活组网，但前提是要进行系统设置。
图2-14不带配置器的系统连接方式
从图2-15中可以看出，当使用配置器时，网络中可以连接多台PLC，而且每台上允存有多个Compo
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