PLC原理及应用讲义上.docx
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PLC原理及应用讲义上
第一章．PLC概论
可编程序控制器（ProgrammableController）简称PC，为了避免同个人计算机（PersonalComputer，简称PC）混淆，现在一般将可编程序控制器简称为PLC（ProgrammableLogicController）。
PLC从诞生至今已有30多年，发展势头异常迅猛，已经成为当代工业自动化领域中的支柱产品之一。
特别是随着计算机技术和通信技术的发展，PLC的应用领域逐步扩大，应用前景十分看好。
第一节．PLC的产生
传统的控制系统（特别是1969年以前，那时PLC还未出现）中主要元件是各
种各样的继电器，它可以可靠且方便地组成一个简单的控制系统。
例1-1：
但随着社会的进步，工业的发展，控制对象越来越多，其逻辑关系也越来越复杂，用继电器组成的控制系统就会变得非
常庞大，从而造成系统的不稳定和造价昂贵。
主要表现在：
当某个继电器损坏、甚至继电器的某触点接触不良都会影响系统的运行；
继电器本身并不太贵，但控制柜内元件的安装和接线工作量极大，造成系统价格偏高；
产品需要不断地更新换代，生产设备的控制系统不断地作相应的调整。
但对庞大的系统而言，日常维护已很难，再作调整难度更大。
鉴于以上问题，1968年美国通用汽车公司（GeneralMotors）向传统的继电器控制系统提出了挑战：
设想是否能用一种新型的控制器，引入这种控制器后可使庞大的系统减小，并且能方便地进行修改、调整。
按照这个宗旨，该公司向外公开招标，提出如下十大指标：
.编程简单，可在现场改程序；
.维护方便，最好是插件式；
.可靠性高于继电器控制柜；
.体积小于继电器控制柜；
.成本低于继电器控制柜；
.可将数据直接输入计算机；
.输入可以是市电（AC110v）；
.控制程序容量≥4KB；
.输出可驱动市电2A以下的负荷，能直接驱动电磁阀；
.扩展时，原有的系统仅作少许更改。
这次招标引起了工业界的密切注视，吸引了不少大公司前来投标，最后DEC公司一举中标，并于1969年研制成功第一台PLC，当时命名为PC（ProgrammableLogicController）。
这台PLC投运到汽车生产线后，取得了极为满意的效果，引发了效仿的热潮，从此PLC技术得以迅猛的发展。
第二节．PLC的定义及其术语
一．定义
严格地讲，至今对PLC没有最终的定义。
国际电工委员会（IEC）1985年在可编程序控制器标准草案（第二稿）中作了如下的定义：
“可编程序控制器是一种数字运算的电子系统，专为在工业环境条件下应用而设计。
它采用可编程序的存储器，用来在内部存储执行逻辑运算、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、模拟式的输入输出，控制各种类型的机械或生产过程。
可编程序控制器及其有关设备都应按易于使工业控制系统形成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。
”
美国电气制造协会（NEMA）1987年作的定义如下：
“它是一种带有指令存储器、数字或模拟I/O接口，以位运算为主，能完成逻辑、顺序、定时、计数和算术运算功能，用于控制机器或生产过程的自动控制装置。
”
IEC（国际电工委员会）在标准草案中，将这种装置定义为可编程序控制器（ProgrammableController），简称PC。
为了避免同个人计算机混淆，现在一般将可编程序控制器简称PLC（ProgrammableLogicController）
二．常用术语
1点数（I/OPoints）指能够输入/输出开关量、模拟量的总个数。
一般是4或8的倍数。
2扫描周期是指PLC执行系统监控程序、用户程序、I/O刷新一次所用的时间。
它直接反映PLC的响应速度，因此是PLC的重要指标之一，其单位是ms/kw（kb）。
3梯形图梯形图是PLC用户编程时最常用的一种图形编程方法，是表示I/O点之间逻辑关系的一种图。
它实质上是变相的继电器控制逻辑图，形式和规范非
常相似，其目的是为了让工厂技术人员不必懂计算机，就可使用（设计、阅读）它，例如图1-2：
第三节．PLC特点
PLC之所以能适应工业环境，并能够得以迅猛的发展，是因为它具有如下特点：
1．可靠性高、抗干扰能力强5、组合灵活、扩充方便
2．程序可变、具有柔性6、减少了工作量
3．编程简单、使用方便7、体积小、重量轻、环境要求低
4．功能完善8、成本低、水平高
一．可靠性高、抗干扰能力强
据有关资料称：
“到目前为止没有任何一种工业控制设备可达到PLC的可靠性”。
控制系统在使用时发生故障，绝大多数是由PLC外的开关、传感器、执行器引起的，而不是PLC本身。
若是PLC，多数是使用、设计不当引起的。
诱发电子设备故障的原因大概有如下几种：
针对以上故障原因，PLC在硬、软件两方面采取了相应的解决方法，使其可靠性大为提高，PLC本身发生故障的概率极小。
1.硬件
（1）常规手段选用优质元器件，设计合理的系统结构，实施加固使其易于抗冲击，印制板的设计加工和焊接工艺严格规范。
（2）隔离所有I/O电路一律采用光电器件进行隔离，使内外无电气回路的联接点（电浮空），这样可以抗电干扰。
（3）滤波对供电系统及输入回路采用模拟量滤波（如LC、π型滤波网络），再加上数字滤波，以消除或抑制高频干扰。
（4）屏蔽采用导电、导磁性能良好的材料进行屏蔽，以防电磁波辐射的干扰。
（5）增强电源的适应性PLC的供电系统（内部为DC）采用开关电源，并用集成电压调整器进行调整，使之适应电网电压较宽范围的波动。
（6）采用模块式结构一旦某模块有故障，能迅速更换，使系统停用时间减到最低程度。
2.软件
（1）设置警戒时钟WDT（看门狗）PLC在正常的运行程序中对WDT定时复位，若超过了WDT规定的时间，WDT会发出报警信号，并强制系统CPU复位，使之走入正常的运行程序。
（2）系统软件对用户软件自动进行检查能对用户程序进行查错、报错，使用户程序无语法、结构性错误，错误的程序或参数得不到运行。
（3）掉电保护对RAM区用后备电池或蓄能电容，掉电时使RAM继续有电，保证用户程序运行的状态信息和中间数据不会丢失。
（4）自检系统程序中有对CPU及外围器件自动检测的功能，一旦出错，立即报警。
二．程序可变、具有柔性
生产工艺或设备改变后，在原设计的PLC功能备用量够用的情况下，可不变PLC的硬件，只要改编控制程序即可。
这点就充分体现了PLC具有继电器控制系统所不具备和无可比拟的优点。
故PLC除应用于单机控制外，还在柔性制造单元（FMC）、柔性制造系统（FMC）、工厂自动化（FA）中被大量采用。
三．编程简单、使用方便
PLC采用与继电器控制逻辑图非常接近的“梯形图”进行编程，这种编程方法既具备传统控制线路的易懂易编，清晰直观优点，又顾及了多数电气技术人员的读图习惯和微机应用水平，易于被大众接受，因此受到普遍欢迎，这种面向生产的编程方法与目前微机控制中常用的汇编语言或高级语言编程相比，其优点是显而易见的。
为进一步优化编程，PLC还针对实际问题设计了诸如步进顺控指令、移位指令、鼓形控制器等功能性指令，减少编程工作量，加快了开发速度。
四．功能完善
现代的PLC还具有数字量及模拟量的输入输出、逻辑和算术运算、定时、计数、顺序检测、功率驱动、联网通信、人机对话、自检、记录和显示等功能，使控制系统的水平大大提高，功能更加完善。
五．组合灵活、扩充方便
PLC除摸块化外，还具有各种扩充单元，I/O点数及各种I/O方式、I/O量均可选择，可以方便地适应不同的控制对象。
六．减少了工作量
由于PLC是采用软件编程来实现控制功能的，而继电器控制采用硬接线来实现。
这就减少了设计、施工的工作量。
同时，PLC能事先进行摸拟调试并且具有很强的监视功能，所以系统的调试、检修、维护的工作量得到大大地减少。
七．体积小、重量轻、环境要求低
由于PLC是专为工控而设计的专用计算机，所以其结构紧密、坚固、体积小巧、功能齐全，能直接投运在恶劣的工作环境。
一般PLC的功能若用继电器来实现，需用3至4个1.8m高的大继电器控制柜。
八．成本低、水平高
1．由于PLC功能的强大（一台PLC相当于3至4个大控制柜），使得控制系统的直接费用大量降低。
2．由于PLC具有易修改性、高可靠性、易扩展性、易维护性，大大降低了日常运行的检修、维修工作量，降低了今后改造的成本。
3．由于PLC安装调试方便，开发、调试周期短，从而降低了设计、开发、安装、调试的工作量，故减少了工资费用。
4．由于PLC靠软件编程实现控制功能，硬件及其备件均具有通用性，也减少了采购的时间和费用。
5．由于体积小、功能强，所以占地少、耗电小（仅为继电器柜的几十分之一），每年节省的电费就可将投资收回。
6．由于PLC实质上是一种专用工控计算机，实现了智能控制，从而使得控制水平上了新台阶，并且具有联网功能，很易构成综合控制系统。
第四节．PLC的应用状况和发展趋势
一．应用状况
PLC自问世以来，经30多年的发展，在工业发达国家（如美、日、德等）已成为重要的产业之一，生产厂家不断涌现，PLC的品种多达几百种。
国内应用始于80年代。
一些大中型工程项目引进的生产流水线上采用了PLC控制系统，使用后取得了明显的经济效益，从而促进了国内PLC的发展和应用。
目前国内PLC的应用已取得了许多成功的经验和成果，证明了PLC是大有发展前途的工业控制装置，它与DCS、SCADA、计算机网络系统相互集成、互相补充而形成的综合系统将得到更加广泛的应用。
我国PLC的生产厂家主要是80年代涌现出来的，靠技术引进、转让、合资等方式进行生产，目前约有十几家，生产的PLC型号主要有：
天津中环自动化仪表公司DJK-84；无锡华光电子工业有限公司KCK系列；
上海东屋电器有限公司CF系列；北京樁树电子仪表厂BCM-PIC；
杭州机床电器厂DKK、D系列；上海电力电子设备厂KKI-IC；
大连组合机床研究所S系列；机械部北京自动化所MPC、KB系列；
上海国际程控公司E、EM、H系列；上海工业自动化研究所TCMS-300/D；
杭州通灵控制电脑公司HZK系列；苏州电子计算机厂YZ系列；
苏州机床电器厂CYK系列。
此外还有联想计算机集团公司、中科院自动化所、上海机床电器厂、四川仪表十五厂、珠海春海电子设备厂、深圳科用开发公司、北京恒达机电技术发展公司、上海香岛斯迈克有限公司，辽宁无线电二厂，厦门A-B公司等也生产PLC。
由上可看出国产PLC的品种只有二十多种，主要集中在小型PLC品种上（中型PLC的生产较少，大型的更少），生产和销售规模均不大。
目前国产PLC的质量和技术性能与发达国家相比还有较大的差距，远不能满足国内日益增长的市场需要，故须依赖进口，尤其是大中型PLC，更是清一色的国外产品。
国内流行的PLC多是国外产品，主要有：
日本：
立石（OMRON）、三菱、日立、夏普、松下、东芝、富士、安川、横河、
光洋（Koyo）等公司
美国：
AB（AllenBradley）、GM（GouldModicon）、GE（GE-Fanuc）、SquareD、
西屋（WestingHouse）、TI仪器（Texas,Instruments德洲仪器）等公司
德国：
西门子（Siemens）、BBC、AEG等公司
法国：
TE（Telemecanique）公司等
其中美国的A-B（Allen-Bradley）、GE-Fanuc、Modicon，德国的西门子（Siemens），法国的TE（Telemecanique），日本的三菱、立石（OMRON）等7家公司，在所有PLC制造厂中占有主导地位。
这7家公司占有着全世界PLC市场80%以上的份额，他们的系列产品有其技术广度和深度，从售价为100美元左右的微型PLC到有数千个I/O点的大型PLC应有尽有。
小型PLC日本各厂家占领的市场份额最大，其结构型式的优点也较为突出，故其他国家小型PLC的结构形式也都向日本看齐。
大、中型PLC市场份额的90%一直被美、日、欧三家占领，具有三足鼎立之势，近年来日本稍有颓势。
二．发展趋势
1.结构微型化、模块化
自73年微处理机芯片（CPU）问世以后，为计算机应用产品（PLC也属其中之一）微型化创造了条件，一般小型的PLC产品只有32K—16K书这么大小（高度5—10mm）。
一般小型PLC整体式的较多，但功能较多的小型机，结构型式大多采用模块式，以便使用户有更多的选择余地，配置成性能比较高的控制系统。
大、中型PLC几乎全部采用模块结构。
采用模块式结构可让用户各取所需，减少投资费用。
2.功能全面化、标准化
在PLC发展的初期，PLC只具有开关量的I/O、定时、计数、顺序控制等功能，之后又增加了模拟量的I/O、PID调节、信号调制、数字量的I/O、通迅、高速计数器等功能模块，现代PLC能完成CNC过程控制、集散控制器柔性制造单元等各种控制系统所能完成的功能。
它大大加强了数学运算、数据处理图形显示、联网通信等功能，使PLC向IPC方向渗透和发展。
功能标准化后，使用同一系列的产品（甚至不同厂家、不同系列的PLC）均能选用同一功能的PLC模块。
3.产品系列化
一家PLC生产公司往往以统一的设计思想，设计其系列产品，在系列产品中，I/O模块和各种功能摸块的接口功能是统一的，但有各种规格，可任意选择、组合，构成小型、中型或大型（小到几点，大到上万点）规模的控制系统。
编程器、软件、指令是兼容的，也有不同规格、型号可选。
4.大容量化、高速化
IC及CPU技术的发展为PLC的大容量化、高速化创造了条件，现代大型PLC存储器容量大到数兆，控制程序达到数万步，梯形图的扫描速度可达0.1ms/kw的数量级，速度上比许多DCS（分散型控制系统）快数十倍。
大容量及高速化的PLC为加工机具的精确定位、机床速度的精确调节、阀门的灵活控制以及PID过程控制等提供了更好的手段。
5.模块化、模块智能化
大中型PLC几乎全用模块式结构，功能较多的小型PLC也采用模块式结构，因为这种结构最大的优点是可让用户按需组合，避免功能资源的浪费，使控制系统的成本最小化，实现性价比最优。
I/O模块的点数逐渐增多，小型机大多采用4、8及16点，大、中型机多采用64、32及16点。
模块智能化，就是模块的本身具有CPU，能独立工作，它们与主CPU模块并列运行，紧密结合，有助于克服PLC扫描算法上的局限性，使其在速度、精度、适应性、可靠性等各方面均更胜一筹，完成以前PLC本身无法完成的许多功能。
6.通迅化、网络化
现代工业生产规模大、控制复杂、被控对象分布广且具有一定的空间距离，因此要有许多PLC或其它控制器来分区控制，往往还有上位机对他们进行统一管理，以协调全厂的生产，这就需要各级控制器之间以及与上位机之间具有通讯手段，实现信息交流。
现代的PLC机大多具有标准通讯接口（例如RS-232C、422、485、ProfiBus、以太网等），具有通迅联网功能。
通过电缆或光纤，信息传送距离可达几十公里，联网后，各控制器形成一个统一的整体，实现集散控制。
各公司都有自己的专用通讯网络，造成了各家PLC之间的通迅困难，但是它们可以通过主机与遵循标准通迅协议（如MAP网络通迅协议）的网络联网。
7.编程语言化
梯形图编程固然方便直观，但对复杂的控制领域编程则较烦琐，因此对复杂的应用场合需要高级的编程工具，当代PLC已发展出了许多编程语言，如面向顺序控制的步进顺控语言，面向过程控制的流程图语言（它能表示过程中动态变量与信号的相互联接）。
还有用高级语言BASIS、PASCAL、C语言编程的。
8.增强外部故障检测能力
据分析，PLC控制系统的故障中：
内部故障占20%（其中CPU板占5%；I/O板占15%），
外部故障（非PLC）占80%，其中：
传感器占45%执行器占30%接线占5%
除了内部故障可通过PLC的软、硬件自动检测以外，其余80%都不能通过自诊断查出，因此，检测外部故障的功能是很有价值的发展方向。
第二章．PLC的组成及工作原理
第一节．PLC的组成
PLC由三个基本部分组成：
输入部分、逻辑处理部分、输出部分。
基本结构示意图参见图2-1所示。
输入部分是指各类按钮、行程开关、传感器等接口电路，它收集并保存来自被控对象的各种开关量、模拟量信息和来自操作台的命令信息等。
逻辑处理部分用于处理输入部分取得的信息，按一定的逻辑关系进行运算，并把运算结果以某种形式输出。
输出部分是指驱动各种电磁线圈、交/直流接触器、信号指示灯等执行元件的接口电路，它向被控对象提供动作信息。
为了使用方便，PLC还常配套有编程器等外部设备，它们可以通过总线或标准接口与PLC连接，图2-2为一般PLC组成系统的原理框图。
（由图2-2可看出，PLC的组成结构和计算机差不多，故PLC可看成用于工业控制的专用计算机）
第二节．PLC主要部件功能
一．CPU
CPU是PLC的核心部件之一，它的主要功能有：
采集输入信号；
执行用户程序；
刷新系统输出；
执行管理和诊断程序；
与外界通信。
PLC常用的CPU芯片主要有：
1．通用微处理器
如INTEL（8080、8085、8086、8088，80386、80486、80586）、Zilog（Z80、Z8000）、Motorola（6800、6809、68000）等。
通用微处理器芯片的通用性强、价格便宜、货源充足。
2．单片微处理器
如INTEL（8031、8039、8049、8051、8089），单片微处理器又叫单片机，它将ROM、RAM、接口电路、时钟电路、串行口甚至A/D都集成在一个很小的芯片上，自成一个小的微处理机系统；另外，单片机有大量的位寻址单元和丰富的位操作指令，它为PLC在位处理方面提供了最佳的功能和速度，所以特别适用于PLC；此外，单片机集成度高、体积小、通用性强、价格低、可扩充性好、货源足。
3．位片式微处理器
如AMD（2900、2901、2903、N8×300），位片式微处理器是独立于微型机的另一分支，因为它采用双极型工艺，所以比一般的MOS型微机处理器在速度上要快一个数量级。
上述两种微处理器的字长、结构、指令系统是固定的，而位片机是具有CPU的一切必要附件（如寄存器、算术逻辑部件ALU等），位片的宽度有2、4、8位几种，用几个位片机级联，可组成任意字长的微处理器。
还可通过改变微程序存储器的内容来改变机器的指令系统（即指令系统对用户开放）；位片式结构可使用多个微处理器，将任务分成几个部分让其并行处理，即重叠操作，这样能更有效地发挥其快速的特点；其缺点是：
集成度低，用的芯片较多，功耗也较大。
目前小型PLC一般采用8位CPU如：
8080、8085、Z80、6800、MCS48、51系列，而大、中型PLC常采用位片式微处理器、16/32位通用微处理器。
二．存储器
存储器是保存系统程序、用户程序、中间运算结果的器件，据其在系统中的作用，可将它们分为下列4种：
系统程序存储器、用户程序存储器、数据表存储器、高速暂存存储器。
1．系统程序存储器
系统程序存储器用来存放PLC的监控程序，可分为：
系统管理程序、命令解释程序、故障检测、诊断程序、通信程序。
系统程序由PLC厂家设计，并固化在ROM/PROM/EPROM存储器中，用户不必对它作细致的了解，更不能改变它。
2．用户程序存储器
用户程序存储器用来存放用户编制的控制程序。
PLC术语中讲的存储器容量及型式就是指的用户程序存储器。
常用的用户存储器型式有：
EPROM、E2ROM、带掉电保护的RAM等。
EPROM作程序存储器的优点是：
写入程序不会因停电而丢失，但其成本较高，主要体现在两个方面：
1）调试时仍要用RAM作程序存储器，而且最好用带电容/电池后备的RAM，这样用户实质上是购了两套用户程序存储器。
2）对许多PLC而言，往往还要另外配套购置专用的EPROM写入装置和擦除装置。
E2PROM是非易失性的且可电擦除的存储器，它兼有ROM的非易失性和RAM随机存取之优点，它的写入或擦除不需特殊装置，用它作用户程序存储器，在程序调试阶段，可用编程器直接修改程序，程序确定下来投入运行后。
这是它的优越之处，不足的是，它的写入时间较长（约为ms级），但对手工输入或修改程序而言，这点是不成问题的。
一般而言，用户的控制程序必须经过多次的调试和修改才能确定下来，据此特点，在控制程序没确定以前，常先采用带掉电保护的RAM作用户程序存储器，待程序确定后，再由厂家提供的EPROM写入器将程序固化到EPROM中，并将该EPROM插入PLC中运行。
EPROM插入PLC后，PLC则运行EPROM中的用户程序，若没EPROM插入，PLC则运行RAM区中的用户程序。
许多用户用掉电保护的RAM作用户程序存储器，因为它比另两种价格便宜，一旦电源停电，靠后备电池/电容可以保存RAM中的程序数年/数十天，只要做到停电时间不超过这期限即可。
这点对于一般的工矿企业而言是容易做到的。
例如：
OMRON公司的C200H-MR431/831是全电池后备RAM存储器，C200H-MR431/831是电容后备RAM存储器，它们在25℃的坏境下，可以保存程序的时间分别是2~3年、20天。
3．数据表存储器（I/O映像存储器）
数据表存储器用来存放开关量I/O状态表，定时器、计算器的预置值表，模拟量I/O数值等。
4．高速暂存储器
高速暂存储器主要存放运算的中间结果，统计数据、故障诊断的标志位等。
其中，3、4两类存储器，常用RAM，这其中部分或全部有后备电源。
三．I/O部分
PLC的I/O部分，因用户的需求不同有各种不同的组合方式，通常以模块的形式供应，一般可分为：
开关量I/O模块
模拟量I/O模块
数字量I/O模块（包括TTL电平I/0模块、拨码开关输入模块、
LED/LCD/CRT显示控制模块、打印机控制模块）
高速计数模块
精确定时模块
快速响应模块
中断控制模块
PID模块
位置控制模块
轴向定位模块⑾通信模块。
1．开关量I/O模块（部分）
开关量输入模块（部分）的作用是接收现场设备的状态信号、控制命令等，如限位开关、操作按钮等，并且将此开关量信号转换成CPU能接收和处理的数字量信号。
开关量输出模块（部分）的作用是将经过CPU处理过的结果转换成开关量信号送到被控设备的控制回路去，以驱动阀门执行器、电动机的启动器和灯光显示等设备。
开关量I/O模块（部分）的信号仅有通、断两种状态，各I/O点的通/断状态用发光二极管在面板上显示。
输入电压等级通常有DC（5V、12V、24V、48V）或AC（24V、120V、220V）等。
每个模块可能有4、8、12、16、24、32、64点，外部引线连接在模块面板的接线端子上，有些模块使用插座型端子板，在不拆去外部连线的情况下，可迅速地更换模块，便于安装、检修。
（1）开关量输入模块
按与外部接线对电源的要求不同，开关量输入模块可分为AC输入，DC输入，无压接点输入，AC/DC输入等几种型式，参见图2-3。
每个输入点均有滤波网络、LED显示器、光电隔离管。
从图2-3©中可以看出无压接
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