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可编程序控制器的结构及基本工作原理知识分享
可编程序控制器的结构及基本工作原理
可编程序控制器的结构及基本工作原理
一、PLC的发展史
可编程序控制器（ProgrammableLogicController），简称PLC，是在继电顺序控制基础上发展起来的以微处理器为核心的通用的工业自动化控制装置。
20世纪60年代末期，美国汽车制造工业竞争激烈，为了适应生产工艺不断更新的需要，在1968年美国通用汽车公司（GM）首先公开招标，对控制系统提出的具体要求基本为：
a。
它的继电控制系统设计周期短，更改容易，接线简单成本低。
b。
它能把计算机的功能和继电器控制系统结合起来。
但编程要比计算机简单易学、操作方便。
c。
系统通用性强。
1969年美国数字设备公司（DEC）根据上述要求，研制出世界上第一台PLC，并在GM公司汽车生产线上首次试用成功，实现了生产的自动化。
其后日本、德国等相继引入，可编程序控制器迅速发展起来，但是主要应用于顺序控制，只能进行逻辑运算，故称为可编程逻辑控制器，简称PLC。
其定义：
可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。
它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/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部设备，都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。
随着电子技术和计算机技术的迅猛发展，PLC的功能也越来越强大，更多地具有计算机的功能，所以又简称PC（PROGRAMMABLECONTROLLER），但是为了不和PERSONALCOMPUTER混淆，仍习惯称为PLC。
目前PLC已经在智能化、网络化方面取得了很好的发展，并且现今已出现SOFTPLC，更是PLC领域无限的发展前景。
二、可编程序控制器的功能特点
1．逻辑控制PLC具有逻辑运算功能，能够进行与、或、非等逻辑运算，可以代替继电器进行开关量控制，故它可替代继电器进行开关量控制。
2．定时控制为满足生产控制工艺对时间的要求，PLC一般提供时间继电器，如FX1S提供T0—T63共64个计时器。
并且计时时间常数在范围内用户编写程序时自己设定：
接通延时、关断延时和定时脉冲等方式。
并且在PLC运行中也可以读出、修改，使用方便。
3．计数控制为满足计数的需要，不同的PLC提供不同数量、不同类型的计数器。
如FX1S提供16位增量计数C0—C15（一般用）、C16—C31（保持用），32位高速可逆计数器C235—C245（单相单输入）、C246—C250（单相双输入）、C251—C255（双相双输入）共26个定时器。
用脉冲控制可以实现加、减计数模式，可以连接码盘进行位置检测，且在PLC运行中也可以读出、修改，使用方便
4．步进顺序控制步进顺序控制是plc最基本的控制方式。
是为有时间或运行顺序的生产过程专门设置的指令，在前道工序完成之后，就转入下一道工序，使一台PLC可作为多部步进控制器使用。
5．对控制系统的监控PLC具有较强的监控能力，操作人员可以根据PLC的监控信息，通过监控命令，可以监视系统的运行状态，从而改变对异常值的设定。
6．数据处理PLC具有较强的数据处理能力，随着PLC的发展，已经能对大量的数据进行快速处理。
如数据采集、存储与处理功能。
7．通信和联网现代PLC大多数都采用了通信、网络技术，有RS232或RS485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可编程控制器的信号处理单元之间，实现程序和数据交换，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。
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，以便完成较大规模的复杂控制。
通常所说的SCADA系统，现场端和远程端也可以采用PLC作现场机。
8．输入/输出接口调理功能具有A/D、D/A转换功能，通过I/O模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，直接连接各种电阻或电偶。
9．人机界面功能提供操作者以监视机器、过程工作必需的信息。
允许操作者和PLC系统与其应用程序相互作用，以便作出决策和调整。
实现人机界面功能的手段：
从基层的操作者屏幕文字显示，到单机的CRT显示与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监视系统。
可编程序控制器是属于存储程序控制的一种装置，其控制功能是通过存放在存储器内的程序来实现的，若要对控制功能作修改，在很大程度上只须改变软件指令即可，使得硬件软件化。
因此它在工业控制中的地位越来越高，占有极其重要的地位，最重要的原因是它具有如下独特的特点：
1．可靠性高PLC是专门为工业控制设计的，在设计和制造过程中采取了多层次抗干扰、精选元件的措施，可在恶劣的工业环境下与强电设备一起工作，运行的稳定性和可靠性较高。
PLC是以集成电路为基本单元的电子设备，内部处理不依赖于接点，元件的寿命长，平均无故障工作时间高。
2．编程简单易学PLC的最大特点之一，就是采用易学易懂的梯形图语言，它是以计算机软件技术构成人们惯用的继电器模型，形成一套独具风格的以继电器梯形图为基础的形象编程语言。
方便电气人员在了解PLC工作原理和它的编程技术后，就可迅速地结合实际需要进行应用设计，进而将PLC用于实际控制系统中。
3．通用性强，使用方便由于PLC自身硬件特点，用户在进行控制系统的设计时，不需要自己设计和制作硬件装置，只需要根据控制要求进行模块的配置；用户所作的工作只是设计满足控制对象的控制要求的应用程序。
对于一个控制系统，当控制要求改变时，只需修改程序，就能变更控制功能；与外围设备的连接方便，通讯协议标准。
4．系统设计周期短由于系统硬件的设计任务仅仅是根据对象的控制要求配置适当的模块，而不要设计具体的接口电路，同时软件设计和外围电路设计可以同时进行，这样大大缩短了整个系统设计的时间，加快了系统的设计周期。
5．对生产工艺改变适应性强其控制功能是通过软件编程来实现的，当生产工艺改变时，在很大程度上只需改变用户程序，这对现代化的小批量、多品种产品的生产尤其适合；现今plc已经朝着嵌入式系统发展，将进入日常生活中。
6．安装简单、调试方便、维护工作量小PLC控制系统的安装接线工作量比继电器控制系统少得多，只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O口相连。
PLC软件设计和调试大部分可以在实验室模拟进行，模拟调试好后再将PLC控制系统进行现场联机调试，方便省时。
其本身可靠性高，有完善的自诊断能力和系统监控能力，方便迅速故障查明和排除，维护的工作效率高。
7．适应工业环境：
PLC的技术条件能在一般高温、振动、冲击和粉尘等恶劣环境下工作，能在强电磁干扰环境下可靠工作。
这是PLC产品的市场生存价值。
三、PLC的应用和发展前趋势
PLC的应用是基于其以微处理器为核心，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术发展起来的一种通用的工业自动控制装置，它具有可靠性高、体积小、功能强、程序设计简单、灵活通用、维护方便等一系列优点，因而在制造、冶金、能源、交通、化工、电力等领域有着广泛的应用，成为现代工业控制的支柱之一。
根据这些特点，可将其应用形式归纳为以下几种：
开关量逻辑控制、模拟量控制、过程控制、定时和计数控制、顺序控制；、数据处理、通信和联网。
现代PLC的发展有两个主要趋势：
其一是向体积更小、速度更快、功能更强和价格更低的微小型方面发展，即现今开始发展的嵌入式PLC控制方式；其二是向大型网络化、高可靠性、好的兼容性和多功能方面发展。
1、大型网络化 主要是朝DCS方向发展，使其具有DCS系统的一些功能。
网络化和通信能力强是PLC发展的一个重要方面，向下可将多个PLC、I/O框架相连；向上与工业计算机、以太网、MAP网等相连构成整个工厂的自动化控制系统。
2、多功能 随着自调整、步进电机控制、位置控制、伺服控制等模块的出现，使PLC控制领域更加宽广。
如研制出了多回路闭环控制模块、步进电机控制模块、仿真模块和通信处理模块等。
并为用户提供了方便的人机界面，用户程序多级口令保护，极强的计算性能，完善的指令集，通过工业现场总线PROFIBUS以及以太网联网的网络能力，强劲的内部集成功能，全面的故障诊断功能；模块式结构可用于各处性能的扩展，脉冲输出晶闸管步进电机和直流电机；快速的指令处理大大缩短了循环周期，并采用了高速计数器，高速中断处理可以分别响应过程事件，大幅度降低了成本。
3、高可靠性 由于控制系统的可靠性日益受到人们的重视，一些公司已将自诊断技术、冗余技术、容错技术广泛应用到现有产品中，推出了高可靠性的冗余系统，并采用热备用或并行工作、多数表决的工作方式。
PLC即使在恶劣、不稳定的工作环境下，坚固、全密封的模板依然可正常工作，在操作运行过程中模板还可热插拔。
可编程控制器的结构和基本工作原理
PLC由于其自身的特点，在工业生产的各个领域得到了愈来愈广泛的应用。
而作为PLC的用户，要正确地应用PLC去完成各种不同的控制任务，首先应了解其组成结构和工作原理。
一、PLC的基本结构
可编程序控制器实施控制，其实质就是按一定算法进行输入输出变换，并将这个变换与以物理实现。
输入输出变换、物理实现可以说是PLC实施控制的两个基本点，同时物理实现也是PLC与普通微机相区别之处，其需要考虑实际控制的需要，应能排除干扰信号适应于工业现场，输出应放大到工业控制的水平，能为实际控制系统方便使用，所以PLC采用了典型的计算机结构，主要是由微处理器（CPU）、存储器（RAM/ROM）、输入输出接口（I/O）电路、通信接口及电源组成。
PLC的基本结构如下图所示：
1、中央处理单元（CPU） 中央处理单元（CPU）是PLC的控制核心。
它按照PLC系统程序赋予的功能：
a.接收并存储从用户程序和数据；b.检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。
当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式采集现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象寄存区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算并将结果送入I/O映象寄存区或数据寄存器内。
等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象寄存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，如此循环直到停止运行。
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的表决式系统。
这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。
2、存储器 可编程序控制器的存储器分为系统程序存储器和用户程序存储器。
存放系统软件（包括监控程序、模块化应用功能子程序、命令解释程序、故障诊断程序及其各种管理程序）的存储器称为系统程序存储器；存放用户程序（用户程序存和数据）的存储器称为用户程序存储器，所以又分为用户存储器和数据存储器两部分。
PLC常用的存储器类型：
（1）RAM（RandomAssessMemory）这是一种读/写存储器（随机存储器），其存取速度最快，由锂电池支持。
（2）EPROM（ErasableProgrammableReadOnlyMemory）这是一种可擦除的只读存储器。
在断电情况下，存储器内的所有内容保持不变。
（在紫外线连续照射下可擦除存储器内容）。
（3）EEPROM（ElectricalErasableProgrammableReadOnlyMemory）这是一种电可擦除的只读存储器。
使用编程器就能很容易地对其所存储的内容进行修改。
PLC存储空间的分配：
虽然各种PLC的CPU的最大寻址空间各不相同，但是根据PLC的工作原理，其存储空间一般包括以下三个区域：
（1）系统程序存储区
（2）系统RAM存储区（包括I/O映象寄存区和系统软设备等）。
（3）用户程序存储区
系统程序存储区：
在系统程序存储区中存放着相当于计算机操作系统的系统程序。
包括监控程序、管理程序、命令解释程序、功能子程序、系统诊断子程序等。
由制造厂商将其固化在EPROM中，用户不能直接存取。
它和硬件一起决定了该PLC的性能。
系统RAM存储区：
系统RAM存储区包括I/O映象寄存区以及各类软元件，如：
逻辑线圈、数据寄存器、计时器、计数器、变址寄存器、累加器等存储器。
（1）I/O映象寄存区：
由于PLC投入运行后，只是在输入采样阶段才依次读入各输入状态和数据，在输出刷新阶段才将输出的状态和数据送至相应的外设。
因此，它需要一定数量的存储单元（RAM）以存放I/O的状态和数据，这些单元称作I/O映象寄存区。
一个开关量I/O占用存储单元中的一个位，一个模拟量I/O占用存储单元中的一个字。
因此整个I/O映象寄存区可看作两个部分组成：
开关量I/O映象寄存区；模拟量I/O映象寄存区。
（2）系统软元件存储区：
除了I/O映象寄存区区以外，系统RAM存储区还包括PLC内部各类软元件（逻辑线圈、计时器、计数器、数据寄存器和累加器等）的存储区。
该存储区又分为具有失电保持的存储区域和失电不保持的存储区域，前者在PLC断电时，由内部的锂电池供电，数据不会丢失；后者当PLC断电时，数据被清零。
（3）用户程序存储区：
用户程序存储区存放用户编制的用户程序。
不同类型的PLC，其存储容量各不相同。
3．输入接口电路输入输出信号有开关量、模拟量、数字量三种，在我们实习室涉及到的信号当中，开关量最普遍，也是实验条件所限，在次我们主要介绍开关量接口电路。
可编程序控制器优点之一是抗干扰能力强。
这也是其I/O设计的优点之处，经过了电气隔离后，信号才送入CPU执行的,防止现场的强电干扰进入。
如下图就是采用光电耦合器（一般采用反光二极管和光电三极管组成）的开关量输入接口电路：
4．输出接口电路：
可编程序控制器的输出有：
继电器输出（M）、晶体管输出（T）、晶闸管输出（SSR）三种输出形式。
（1）输出接口电路的隔离方式
（2）输出接口电路的主要技术参数
a.响应时间响应时间是指PLC从ON状态转变成OFF状态或从OFF状态转变成ON状态所需要的时间。
继电器输出型响应时间平均约为10ms；晶闸管输出型响应时间为1ms以下；晶体管输出型在0.2ms以下为最快。
b.输出电流继电器输出型具有较大的输出电流，AC250V以下的电路电压可驱动纯电阻负载2A/1点、感性负载80VA以下（AC100V或AC200V）及灯负载100W以下（AC100V或200V）的负载；Y0、Y1以外每输出1点的输出电流是0.5A，但是由于温度上升的原因，每输出4合计为0.8A的电流，输出晶体管的ON电压约为1.5V，因此驱动半导体元件时，请注意元件的输入电压特性。
Y0、Y1每输出1点的输出电流是0.3A，但是对Y0、Y1使用定位指令时需要高速响应，因此使用10—100mA的输出电流；晶闸管输出电流也比较小，FX1S无晶闸管输出型。
c.开路漏电流开路漏电流是指输出处于OFF状态时，输出回路中的电流。
继电器输出型输出接点OFF是无漏电流；晶体管输出型漏电流在0.1mA以下；晶闸管较大漏电流，主要由内部RC电路引起，需在设计系统时注意。
（3）输出公共端（COM）公共端与输出各组之间形成回路，从而驱动负载。
FX1S有1点或4点一个公共端输出型，因此各公共端单元可以驱动不同电源电压系统的负载。
5．电源
PLC的电源在整个系统中起着十分重要得作用。
如果没有一个良好的、可靠得电源系统是无法正常工作的，因此PLC的制造商对电源的设计和制造也十分重视。
一般交流电压波动在+10%（+15%）范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去。
如FX1S额定电压AC100V—240V，而电压允许范围在AC85V—264V之间。
允许瞬时停电在10ms以下，能继续工作。
一般小型PLC的电源输出分为两部分：
一部分供PLC内部电路工作；一部分向外提供给现场传感器等的工作电源。
因此PLC对电源的基本要求：
1）能有效地控制、消除电网电源带来的各种干扰；
2）电源发生故障不会导致其它部分产生故障；
3）允许较宽的电压范围；
4）电源本身的功耗低，发热量小；
5）内部电源与外部电源完全隔离；
6）有较强的自保护功能。
二、PLC的工作原理
由于PLC以微处理器为核心，故具有微机的许多特点，但它的工作方式却与微机有很大不同。
微机一般采用等待命令的工作方式，如常见的键盘扫描方式或I/O扫描方，若有键按下或有I/O变化，则转入相应的子程序，若无则继续扫描等待。
PLC则是采用循环扫描的工作方式。
对每个程序，CPU从第一条指令开始执行，按指令步序号做周期性的程序循环扫描，如果无跳转指令，则从第一条指令开始逐条执行用户程序，直至遇到结束符后又返回第一条指令，如此周而复始不断循环，每一个循环称为一个扫描周期。
扫描周期的长短主要取决于以下几个因素：
一是CPU执行指令的速度；二是执行每条指令占用的时间；三是程序中指令条数的多少。
一个扫描周期主要可分为3个阶段。
1．输入刷新阶段
在输入刷新阶段，CPU扫描全部输入端口，读取其状态并写入输入状态寄存器。
完成输入端刷新工作后，将关闭输入端口，转入程序执行阶段。
在程序执行期间即使输入端状态发生变化，输入状态寄存器的内容也不会改变，而这些变化必须等到下一工作周期的输入刷新阶段才能被读入。
2．程序执行阶段
在程序执行阶段，根据用户输入的控制程序，从第一条开始逐步执行，并将相应的逻辑运算结果存入对应的内部辅助寄存器和输出状态寄存器。
当最后一条控制程序执行完毕后，即转入输入刷新阶段。
3．输出刷新阶段
当所有指令执行完毕后，将输出状态寄存器中的内容，依次送到输出锁存电路（输出映像寄存器），并通过一定输出方式输出，驱动外部相应执行元件工作，这才形成PLC的实际输出。
由此可见，输入刷新、程序执行和输出刷新三个阶段构成PLC一个工作周期，由此循环往复，因此称为循环扫描工作方式。
由于输入刷新阶段是紧接输出刷新阶段后马上进行的，所以亦将这两个阶段统称为I/O刷新阶段。
实际上，除了执行程序和I/O刷新外，PLC还要进行各种错误检测（自诊断功能）并与编程工具通讯，这些操作统称为“监视服务”，一般在程序执行之后进行。
综上述，PLC的扫描工作过程如图1—4所示。
显然扫描周期的长短主要取决于程序的长短。
扫描周期越长，响应速度越慢。
由于每个扫描周期只进行一次I/O刷新，即每一个扫描周期PLC只对输入、输出状态寄存器更新一次，所以系统存在输入输出滞后现象，这在一定程度上降低了系统的响应速度。
但是由于其对I/O的变化每个周期只输出刷新一次，并且只对有变化的进行刷新，这对一般的开关量控制系统来说是完全允许的，不但不会造成影响，还会提高抗干扰能力。
这是因为输入采样阶段仅在输入刷新阶段进行，PLC在一个工作周期的大部分时间是与外设隔离的，而工业现场的干扰常常是脉冲、短时间的，误动作将大大减小。
但是在快速响应系统中就会造成响应滞后现象，这个一般PLC都会采取高速模块。
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