可编程逻辑控制器.docx

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可编程逻辑控制器

可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController，PLC）,是一种用于自动化实时控制的数位逻辑控制器，广泛应用于目前的工业控制领域。

在可编程逻辑控制器出现之前，一般要使用成百上千的继电器以及计数器才能组成具有相同功能的自动化系统，而现在，经过编程的简单的可编程逻辑控制器模块基本上已经代替了这些大型装置。

可编程逻辑控制器的系统程序一般在出厂前已经初始化完毕，用户可以根据自己的需要自行编辑相应的用户程序来满足不同的自动化生产要求。

最初的可编程逻辑控制器只有电路逻辑控制的功能（IO控制），所以被命名为可编程逻辑控制器，后来随着不断的发展，这些当初功能简单的计算机模块已经有了包括逻辑控制，时序控制、模拟控制、多机通信等许多的功能，名称也改为可编程控制器（ProgrammableController），但是由于它的简写也是PC与个人电脑（PersonalComputer）的简写相冲突，也由于多年来的使用习惯，人们还是经常使用可编程逻辑控制器这一称呼，并在术语中仍沿用PLC这一缩写。

现在工业上使用可编程逻辑控制器（PLC）已经相当接近于一台轻巧型电脑所构成，甚至已经出现整合个人电脑（采用嵌入式操作系统）与PLC架构的PC-BASE控制器，能透过数位或类比输入/输出模组控制机器设备、制造处理流程、及其它控制模组的电子系统。

PLC可接收（输入）及发送（输出）多种型态的电气或电子讯号，并使用他们来控制或监督几乎所有种类的机械与电气系统。

PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。

在工业控制领域中，PLC控制技术的应用已成为工业界不可或缺的一员。

国际电工委员会（IEC）在其标准中将PLC定义为:

“

可编程逻辑控制器是一种数位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。

可编程逻辑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。

”

网络协议

应用层

DHCP·DNS·FTP·Gopher·HTTP·IMAP4·IRC·NNTP·XMPP·POP3·SIP·SMTP·SNMP·SSH·TELNET·RPC·RTCP·RTP·RTSP·SDP·SOAP·GTP·STUN·NTP·SSDP·BGP·RIP·更多

传输层

TCP·UDP·TLS·DCCP·SCTP·RSVP·PPTP·OSPF·更多

网络层

IP（IPv4·IPv6）·

ICMP·ICMPv6·IGMP·

IS-IS·IPsec·更多

数据链路层

Wi-Fi（IEEE802.11）·WiMAX（IEEE802.16）·ARP·RARP·ATM·DTM·令牌环·以太网·FDDI·帧中继·GPRS·EVDO·HSPA·HDLC·PPP·L2TP·ISDN·更多

物理层

以太网·调制解调器·PLC（PowerLineCommunication）·SONET/SDH·G.709·光导纤维·同轴电缆·双绞线·更多

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目录

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∙1发展历史

∙2PLC内部运作方式

∙3PLC的硬件结构及基本配置

o3.1硬件结构

▪3.1.1中央处理单元

▪3.1.2内存

▪3.1.3输入/输出单元（IO单元）

▪3.1.4AD/DA类比/数位单元（类比数位转换控制）

▪3.1.5电源模组

▪3.1.6通讯

o3.2PLC的外部设备

▪3.2.1编程设备

▪3.2.2监控设备

▪3.2.3存储设备

▪3.2.4输入输出设备

o3.3PLC内主要元件

▪3.3.1输入接点（input）与输出接点（Output）

▪3.3.2内部继电器（M）

▪3.3.3计数器（Counter）

▪3.3.4计时器（Timer）

▪3.3.5资料暂存器（Data）

▪3.3.6指标

∙4可编程逻辑控制器的系统与控制回路

o4.1模拟信号和数字信号的处理

o4.2编辑程式设计

▪4.2.1PLC专用编程语言种类

o4.3通信单元及通信协定

∙5PLC未来展望

o5.1关于PLC电控工程师的训练

o5.2OpenPLC

o5.3PLC的应用实例

∙6参考文献

[编辑]发展历史

三菱的Q系列PLC，可借由扩充底座连接各种模组扩充许多高性能之功能

PLC的兴起，是与美国现代工业自动化生产发展的要求密不可分的。

∙PLC源起于1960年代，当时美国一汽车制造公司，为解决工厂生产线调整时，继电器顺序控制系统之电路修改耗时，平时检修与维护不易等问题。

在可编程逻辑控制器出现之前，汽车制造业中的一般控制、顺序控制以及安全互锁逻辑控制必须完全依靠众多的继电器、定时器以及专门的闭回路控制器来实现。

它们体积庞大、有着严重的噪音，不但每年的维护工作要耗费大量的人力物力，而且继电器-接触器系统的排线检修等工作对维护人员的熟练度也有着很高的要求。

针对这些问题，美国通用汽车公司在1968年向社会公开招标，要求设计一种新的系统来替换继电器系统，并提出了著名的“通用十条”招标指标，即：

1、编程方便，现场可修改程序；

2、维修方便，采用模块化结构；

3、可靠性高于继电器控制装置；

4、体积小于继电器控制装置；

5、数据可直接送入管理计算机；

6、成本可与继电器控制装置竞争；

7、输入可以是交流115V；

8、输出为交流115V，2A以上，能直接驱动电磁阀，接触器等；

9、在扩展时，原系统只要很小变更；

10、用户程序存储器容量至少能扩展到4K。

∙

o随后，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PDP-14控制器，并在汽车自动装配线上使用并获得成功。

由于当时系统主要用于顺序控制、职能进行逻辑运算，所以被命名为可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController，PLC）。

o最早期之PLC只具有简易之逻辑开/关（on/off）功能，但比起传统继电器之控制方式，已具有容易修改、安装、诊断与不占空间等优点。

∙1970年代初期，PLC引进微处理机技术，使得PLC具有算术运算功能与多位元之数位信号输出/输入功能，并且能直接以阶梯图符号进行程式之编写。

这项新技术的使用，在工业界产生了巨大的反响。

日本在1971年从美国引进了这项技术，并很快研制成功了自己的DCS-8可编程逻辑控制器，德、法在1973年至1974年间也相继有了自己的该项技术。

中国则于1977年研制成功自己的第一台可编程逻辑控制器，但是使用的微处理器核心为MC14500。

∙1970年代中期，PLC功能加入远距通讯、类比输出输入、NC伺服控制等技术。

∙1980年代以后更引进PLC高速通讯网络功能，同时加入一些特殊输出/输入界面、人机界面、高功能函数指令、资料收集与分析能力等功能。

PLC之功能早已不止当初数位逻辑之运算功能，因此近年来PLC常以可编程控制器（ProgrammableController）简称之。

其他历史细节参考这里（英文）

[编辑]PLC内部运作方式

虽然PLC所使用之阶梯图程式中往往使用到许多继电器、计时器与计数器等名称，但PLC内部并非实体上具有这些硬件，而是以内存与程式编程方式做逻辑控制编辑，并借由输出元件连接外部机械装置做实体控制。

因此能大大减少控制器所需之硬件空间。

实际上PLC执行阶梯图程式的运作方式是逐行的先将阶梯图程式码以扫描方式读入CPU中并最后执行控制运作。

在整个的扫描过程包括三大步骤，“输入状态检查”、“程式执行”、“输出状态更新”说明如下：

∙步骤一“输入状态检查”：

PLC首先检查输入端元件所连接之各点开关或传感器状态（1或0代表开或关），并将其状态写入内存中对应之位置Xn。

∙步骤二“程式执行”：

将阶梯图程式逐行取入CPU中运算，若程式执行中需要输入接点状态，CPU直接自内存中查询取出。

输出线圈之运算结果则存入内存中对应之位置，暂不反应至输出端Yn。

∙步骤三“输出状态更新”：

将步骤二中之输出状态更新至PLC输出部接点，并且重回步骤一。

此三步骤称为PLC之扫描周期，而完成所需的时间称为PLC之反应时间，PLC输入讯号之时间若小于此反应时间，则有误读的可能性。

每次程式执行后与下一次程式执行前，输出与输入状态会被更新一次，因此称此种运作方式为输出输入端“程式结束再生”。

PLC内部运作架构

[编辑]PLC的硬件结构及基本配置

一般讲，PLC分为箱体式和模组式两种。

但它们的组成是相同的，对箱体式PLC，有一块CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，当然按CPU性能分成若干型号，并按I/O点数又有若干规格。

对模组式PLC，有CPU模组、I/O模组、内存、电源模组、底板或机架。

无任哪种结构类型的PLC，都属于总线式开放型结构，其I/O能力可按用户需要进行扩展与组合。

PLC的基本结构框图如下：

[编辑]硬件结构

可编程逻辑控制器硬件构成

可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController）简称PLC，是一种具有微处理机的数位电子设备，可以将控制指令随时加载内存内储存与执行。

可编程控制器由内部CPU，指令及资料内存、输入输出单元、电源模组、数位类比...等单元所模组化组合成.

[编辑]中央处理单元

PLC中的CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，每台PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程式赋予的功能接收并存贮用户程式和资料，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或资料，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。

进入运行后，从用户程式存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路，与通用电脑一样，主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的资料、控制及状态总线构成，还有周边芯片、总线界面及有关电路。

它确定了进行控制的规模、工作速度、内存容量等。

内存主要用于存储程式及资料，是PLC不可缺少的组成单元。

CPU的控制器控制CPU工作，由它读取指令、解释指令及执行指令。

但工作节奏由震荡信号控制。

CPU的运算器用于进行数位或逻辑运算，在控制器指挥下工作。

CPU的暂存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器指挥下工作。

CPU虽然划分为以上几个部分，但PLC中的CPU芯片实际上就是微处理器，由于电路的高度集成，对CPU内部的详细分析已无必要，我们只要弄清它在PLC中的功能与性能，能正确地使用它就够了。

CPU模组的外部表现就是它的工作状态的种种显示、种种接口及设定或控制开关。

一般讲，CPU模组总要有相应的状态指示灯，如电源显示、运行显示、故障显示等。

箱体式PLC的主箱体也有这些显示。

它的总线界面，用于接I/O范本或底板，有内存接口，用于安装内存，有外设口，用于接外部设备，有的还有通讯口，用于进行通讯。

CPU模组上还有许多设定开关，用以对PLC作设定，如设定起始工作方式、内存区等。

PLC的CPU内部包含CU、ALU、暂存器三大部分：

CU：

（控制单元-指令解码器）负责将储存在内存内的程式解码成控制信号，用以决定各单元模组的工作状态，是PLC的指挥部。

ALU：

（算数及逻辑运算单元）专门负责做加减乘除的算术运算及AND、OR、NOT逻辑运算

暂存器：

CPU内部内存可以暂时存放运算的结果，等待下一次运算。

[编辑]内存

PLC内部存放撰写完成编辑的程式指令及资料的地方，通常也可使用RAM或EEPROM等专用内存卡片方式扩充（但扩充能力得依各厂牌与型号有所不同）。

[编辑]输入/输出单元（IO单元）

PLC的对外功能，主要是通过各种I/O接口模组与外界联系的，按I/O点数确定模组规格及数量，I/O模组可多可少，但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。

I/O模组集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。

输入单元是用来连结撷取输入元件的信号动作并透过内部总线将资料送进内存由CPU处理驱动程式指令部分。

PLC输入模组PLC系统的架构和输入模组产品的选择端视需要被监测的输入讯号位准而定。

来自不同类型被监测的传感器与流程控制之变量讯号，可以涵盖从±10mV至±10V的输入讯号范围。

输出单元是用来驱动外部负载的接口，主要原理是由CPU处理以书写在PLC里的程式指令，判断驱动输出单元在进而控制外部负载，如指示灯、电磁接触器、继电器、气（油）压阀等。

PLC输出模组在工业环境中用来控制制动器、气阀及马达等的PLC系统类比输出范围包括±5V、±10V、0V到5V、0V到10V、4到20mA、或0到20mA等。

[编辑]AD/DA类比/数位单元（类比数位转换控制）

AD-类比讯号转数位讯号：

主要是把外部微电压微电流以及0与1的资料，透过专用模组接面接收，再以专用指令转换运算给程式运用。

DA-数位讯号转类比讯号：

主要是把PLC内部数学数值及专用指令以CPU做运算，并透过专用模组将数学数值转微电压微电流信号再加以控制外部设备，如变频器、温控器等包含其他具有数位类比收送的接口设备。

通常在使用AD/DA模组时都会去考虑到设备的分辨率，因为分辨率会影响到精准度，所以我门通常会选用高分辨率的设备使用，并遵照期线性比例做数学运算。

[编辑]电源模组

有些PLC中的电源，是与CPU模组合二为一的，有些是分开的，其主要用途是为PLC各模组的集成电路提供工作电源。

同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源。

电源以其输入类型有：

交流电源，加的为交流220VAC或110VAC，直流电源，加的为直流电压，常用的为24V。

[编辑]通讯

现在PLC大多具有可扩充通信网络模组的功能，简单的PLC以BUS缆线或RS-232方式通讯连结，较高阶的PLC会采用USB或以太网路方式做通讯连结。

它使PLC与PLC之间、PLC与个人电脑以及其他智慧设备之间能够交换资讯，形成一个统一的整体，实现分散集中控制。

现在几乎所有的PLC新产品都有通信网络功能，它和电脑一样具有RS-232接口，通过双绞线、同轴电缆或光缆，可以在几公里甚至几十公里的范围内交换资讯。

当然，PLC之间的通讯网络是各厂家专用的，PLC与电脑之间的通讯，一些生产厂家采用工业标准总线，并向标准通讯协定靠近，这将使不同机型的PLC之间、PLC与电脑之间可以方便地进行通讯与网络。

[编辑]PLC的外部设备

外部设备是PLC系统不可分割的一部分，它有四大类

[编辑]编程设备

有简易编程器和智慧图形编程器，用于编程、对系统作一些设定、监控PLC及PLC所控制的系统的工作状况。

编程器是PLC开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件，但它不直接参与现场控制运行。

[编辑]监控设备

资料监视器和图形监视器。

直接监视资料或通过画面监视资料。

[编辑]存储设备

有存储卡、存储磁带、软碟或只读内存，用于永久性地存储用户资料，使用户程式不丢失，如EPROM、EEPROM写入器等。

[编辑]输入输出设备

用于接收信号或输出信号，一般有条码读入器，输入模拟量的电位器，打印机等。

[编辑]PLC内主要元件

PLC利用内部内存，规划许多顺序控制程式上常会使用到的元件，这些元件包括:

输入继电器、输出继电器、补助继电器、计数器、计时器、资料暂存器等主要元件，各元件功能与使用方法，说明如下：

[编辑]输入接点（input）与输出接点（Output）

1.用于PLC与外部元件之间的状态传送。

可连接外部器件，及按钮开关、选择开关、光电开关、数字开关等，使用过大电流将会造成内部接点元件损坏。

2.PLC输出（Yn）与输入（Xn）之继电器对应至实际输出与输入之接点状态，由PLC内部之记体来记忆，在每回程式执行完毕后，PLC会将运算结果后内存之值（0或1）反应至输出接点Yn（ON或OFF）；接着扫描输入接点Xn之状态，并更新所有输入点内存内之值，以备下一回程式执行使用。

3.输入点Xn与输出点Yn可当作一虚拟继电器的接点，因此可作常开接点（-||-）与常闭接点（-|/|-）处理，每个输出点Yn（-（）-）只能使用在程序一次（步进指令STL+RET例外），但如作为接点，则可在程式设计的程序中无限使用。

4.以上为三菱PLC标记方式，其中n代表接点之编号，接点编号方式各厂牌不同，有些PLC采八进制而非惯用之十进制。

[编辑]内部继电器（M）

1.PLC内部提供很多补助继电器（通常以M或者R表示），用来取代传统顺序控制中的继电器。

传统继电器包括接点与线圈二部份，但实际上PLC是以内存来记忆补助继电器之状态，若线圈被驱动则将1写入，否则将0写入。

接点之运算则直接读自所对应之内存值（0或1），其但原理与传统继电器相同，只有持续输出电源或采用自我保持设计，才可保持继电器的ON

（1）状态，如果切断PLC的电源，或者对PLC进行复归，内部继电器都将断开OFF，除非是停电保持形态之内部继电器。

2.补助继电器可分为一般型与停电保持型，差别在系统重新启动或断电后，停电保持型会记忆启动或断电前之状态。

3.依各厂生产型别，尚可能有网络继电器（B）、步进继电器（S）...等特殊型态。

[编辑]计数器（Counter）

1.计数器在程式中被用来计算重复动作的次数。

2.每一个计数器Cn有一个位元内存位址代表其接点状态，另有一字符暂存器用来记录目前所计数之大小。

3.一般PLC的计数器计数方式可分为上数或下数方式，有的计数器则同时具有上数与下数方式。

上数指的是由小往大数（如:

1,2,3...），下数指的是由大的往小数（如:

9,8,7...）。

因此首先要了解所使用之计数器到底是上数或下数。

4.一般PLC中的计数器并非真有硬件计数器存在，而是以内存配合软件的模拟方式来完成计数等功能。

但有的PLC具有高速计数器，则是以实际的硬件来完成所需的高速计数工作。

顺序控制使用一般计数器即可，但若输入讯号为高速脉波，则须改采高速计数器。

5.有的PLC为避免意外停电后计数器计数值的遗失，也提供部份计数器具有停电后保持计数值与接点状况之功能。

[编辑]计时器（Timer）

1.计时器用来计算动作的时间长短。

2.每一个计时器Tn有一个内存位址记忆其接点状态，另有一暂存器用来记录目前所计时之次数。

每单位计时时间乘上计时次数，代表所计时之时间长短。

3.一般型计时器按其接点动作方式可分为“启动延迟型”或“断电延迟型”二种

4.另有一积算型计时器，在输入讯号消失或停电后，计时器内之资料会被保存。

因此积算型计器内之资料在每一次重新计时动作前，应先予以归零。

∙“启动延迟型”计时器:

在启动讯号输入后开始计时，等到计时终了才启动计时线圈与接点；

∙“断电延迟型”计时器:

则在启动讯号输入后，除了开始计时，并启动计时线圈与接点，等到计时终了才将计时线圈与接点关闭。

[编辑]资料暂存器（Data）

1.资料暂存器（Dn）用来储存字符组之数值或字符资料。

2.其资料型态使用二进制符号，数据用O与1表示。

每个暂存器使用16位元储存，但是如果使用二个资料暂存器，则可处理32位元的数据。

3.数值存入后其内容会一直保持，直到新数据送入或程式停止运转才清除归零。

4.依其功能可分为一般用、停电保持用、特殊用、档案暂存用四种。

∙

o一般与停电保持用资料暂存器用来暂存程式中之运算值；特殊用资料暂存器用来控制或监视PLC内部各项要素；档案暂存资料暂存器用来读入周边装置资料。

[编辑]指标

其概念与编程语言上的指标功能相同，可作为程式的跳步指令与之配合使用。

[编辑]可编程逻辑控制器的系统与控制回路

[编辑]模拟信号和数字信号的处理

PLC是一种监控装置,为了监视及控制各项机电等设备,当然必须与那些设备有相互沟通的方式.

在这些机电设备的世界里,人类发明了各种形式的讯号,以作为它们之间的沟通媒介.

目前来说,人们研发出来的各种侦测如:

温度,湿度,压力等自然现象的侦测元件,都是将所测得的数据转换为线性对应的电流信号,通常是4~20mA.

PLC接受这样的信号,就可依据电流的大小而知道侦测器侦得的目前状况.

Pulse（脉冲）信号是一种形式的接点信号.它的意思是每"达到条件"时,接点会闭合一次.例如:

某个转轮式的流量计,可能被设计成--当它计算出水流累计量达到一度时,就将输出接点闭合一次.

至于所谓的RS232讯号,乃是指一种"通讯"的方式（RS232是一种电气规格）.以上所提的各种信号都是电气形式的讯号.而且每个信号都需要独立的线路来作传递.

通讯的方式,则可以把它当作设备用"交谈"的方式来做沟通.它们彼此间以一串行的数值信号来组成所要传递的资料,使得多样化的资料能够借由一组通讯线路来达成.

4~20mA算是通用规格.另外常见的还有0~20mA.

另外还有电压式的:

0~5V,1~5V,0~10V,等等.

当然还有以其他形式来表达自然环境中各种"连续性"数值的方式,像是:

电阻式,以及其他变化应用.

总之呢,4~20mA的规格最多.

但是,事实上,4~20mA的电流信号,在进入电路板时,还是会串上一个250或500欧姆的电阻,而获得一个1~5V或2~10V的电压,然后再由A/D（类比/数位）转换IC得到一个对应的数值.

这个"5V"或"10V"的原因,乃是人们研发出来的A/DIC最容易且廉价的关系而已.至于为何以电流的方式较多,因为4~20mA控制电流不易因传送距离较长而导致讯号衰减。

[编辑]编辑程式设计

PLC程式设计示意图

编程语言PLC的编程语言与一般电脑语言相比，具有明显的特点，它既不同于高阶语言，也不同与一般的组合语言，它既要满足易于编写，又要满足易于调试的要求。

目前，还没有一种对各厂家产品都能相容的编程语言。

如三菱公司的产品有它自己的编程语言，OMRON公司的产品也有它自己的语言。

但不管什么型号的PLC，其编程语言都具有以下特点：

1.图形式指令结构：

程式由图形方式表达，指令由不同的图形符号组成，易于理解和记忆。

系统的软件发展者已把工业控制中所需的独立运算功能编制成象征性图形，用户根据自己的需要把这些图形进行组合，并填入适当的参数。

在逻辑运算部分，几乎所有的厂家都采用类似于继电器控制电路的梯形图，很容易接受。

如西门子公司还采用控制系统流程图来表示，它沿用二进制逻辑元件图形符号来表达控制关系，很直观易懂。

较复杂的算术运算、定时计数等，一般也参照梯形图或逻辑元件图给予表示，虽然象征性不如逻辑运算部分，也受用户欢迎

2.明确的变量常数：

图形符相当于操作码，规定了运算功能，算