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PLC多任务控制系统论文
PLC多任务控制系统论文
涂云龙
20041060062
信息学院
电子信息工程
目录
第一章PLC的定义~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~3
第二章PLC的工作特点~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~4
第三章PLC的结构特点~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~8
第四章PLC的指令系统~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~12
第五章PLC的编程方法~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~16
第六章PLC多任务控制系统的设计方案~~~~~~~~~~~~~~~~~~22
第七章PLC多任务控制系统的PLC程序~~~~~~~~~~~~~~~~~~24
第八章实验小结~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~30
第九章参考文献~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~31
摘要
本文对PLC的历史、发展、基本结构、应用领域、工作特点、工作原理、接口、指令系统、编程原理进行了详细的介绍，并说明了PLC如何工作。
最后选取了板料剪切和液体搅拌器两个简单的工业实例进行了实际的程序设计与程序调试。
关键词：
可编程序控制器（PLC）、多任务控制、工作原理、顺序功能图、梯形图
第一章PLC的定义
第一节PLC的由来
可编程逻辑控制器的应用最早出现在美国，它的兴起，是与美国现代工业自动化生产发展的要求密不可分的。
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。
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可编程逻辑控制器，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）。
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。
第二节PLC的发展
PLC处理能力的成本在下降，通信能力在增强，开放式的系统正在被广泛接受。
总共具有32点I/O的NanoPLC，网络通信能力不断增强；而具有129点I/O的microPLC，在功能上则更加完善。
根据一项ARCAdvisoryGroup的研究，小型PLC通过网络配置性能替代大型PLC已成发展趋势，其原因包括可靠性、简易联线以及可测量性。
同样，软件的进步也使用户能够容易地进设定和使用，PLC也可承担更多的逻辑控制。
ARC报告中还提到，另一发展趋势是精密运动和位移控制软件以及网络化（web-enabled）功能，如基于网络的HMI、在线升级和远程故障判断及排除。
资料显示，尽管全球经济衰退，PLC市场仍然兴旺。
用户需要通过自动化来提高生产力，降低成本，增加适应性，以满足不断变化的制造业要求。
另外，高速的科技发展迫使厂家希望对设备进行升级。
通过开放的连接和编程平台可降低总成本，这也刺激了用户对更高端的自动化的要求。
制造商现在已经缩小了可编程控制器的尺寸大小，降低了连线要求。
在有效地进行分布控制，增加了更多的通信能力，而且增加了高速通信功能后，对PLC扫描时间就不再有干扰，这就可以将繁多的计算结果卸载至PC，使用PLC处理的结果。
PLC不断发展，虽然PC被引入控制工业，但PLC并没有因此退出控制舞台，这是因为它能与新技术很快的结合，如大量网络连接、处理速率、本地存储和编程的灵活性等技术。
另一个原因是，各种控制模块的集成没有兼容性问题，降低了启动和系统确认的成本，提供了一个经测试的高稳定性的良好控制环境。
第三节PLC的定义
可编程序控制器简称为PLC（ProgrammableLogicController）是以微处理器为基础的新型工业控制装置，是以计算机技术应用于工业控制领域的崭新产品。
1985年1月，国际电工委员会（IEC）的可编程序控制器标准草案第二稿对PLC作了如下定义：
可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计，它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算，顺序控制，定时，记数和算术运算等操作的指令，并通过数字式，模拟式的输入和输出，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。
IEEE将PLC定义为：
具有编程能力的固态控制系统，类似于继电器逻辑系统。
继电器逻辑或梯形图，名称的来由是因为使用继电器控制工业设备。
不同于硬联线系统（hard-wired），它具有更强的简易性。
继电器逻辑多被用于设计电机线路和继电器整体控制盘。
继电器逻辑被称为梯形图逻辑是因为编写出来的程序像是梯子，这与其他高级编程语言如C++或BASIC等大不相同，高级语言采用的是文字数字式的字符。
第二章PLC工作特点
第一节PLC的应用领域
一、数字量的逻辑控制
PLC具有“与”、“或”、“非”等逻辑指令，可以实现触点和电路的串、并联，代替继电器进行组合逻辑控制、定时控制与顺序逻辑控制。
数字量逻辑控制可以用于单台设备，也可以用于自动生产线，其应用领域已遍及各行各业，甚至深入到家庭。
二、运动控制
PLC使用专用的运动控制模块，对直线运动或圆周运动的位置、速度、和加速度进行控制，可实现单轴、双轴、3轴和多轴位置控制，使运动控制与顺序控制功能有机地结合在一起。
PLC的运动控制功能广泛地用于各种机械，如金属切削机床，从属成形机械、装配机械、机器人，电梯等场合。
三、闭环过程控制
过程控制是对温度、压力、流量等连续变化的模拟量的闭环控制。
PLC通过模拟量I/O模块，实现模拟量和数字量之间的A/D转换和D/A转换，并对模拟量实行PID控制。
现代的大中型PLC一般都有PLD闭环控制功能，这一功能可以用PID子程序或专用的PID模块来实现。
其PID闭环控制功能已经广泛地应用于塑料挤压成形机、加热炉、热处理炉、锅炉等设备，以及轻工、化工、机械、冶金、电力、建材等行业。
四、数据处理
现代的PLC具有数学运算，、数据传送、转换、排序、和查表等到功能，可以完成数据的采集、分析和处理。
这些数据可以与储存在存储器中的参考值比较，也可以用通信功能传送到别的智能装置，或者将它们打印制表。
数据处理一般用于大型控制系统，如无人柔性制造系统，也可以用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。
五、通信联网
PLC的通信包括主机与远程I/O之间的通信、多台PLC之间的通信、PLC与其他智能控制设备（如计算机、变频器、数控装置）之间的通信。
PLC与其他智能设备一起，可以组成“集中管理、分散控制”的分布式控制系统。
必须指出，并不是所有的PLC都具有上述全部功能，有些小型PLC只具有上述的部分功能，但是价格较低。
六、信息家电和多媒体服务
通过简单的、基于Web的因特网家电，可以提供Web访问，这一切不需要PC，不需要网卡，只要有电源插座就可以，另外PLC良好的移动性也为一些SoHo爱好者提供了应用环境。
七、智能化小区和大厦
现在的智能化建筑已经实现了5A，但是这些不同的系统自动化需要不同的网络支持，给建设和维护网络系统带来了巨大的压力，借助PLC技术，无论是监控、消防、安防还是办公、通信都可以利用电力线实现，便于管理和扩展。
第二节PLC的种类
一．按照I/O接口的点数可分为：
（一）．小型PLC
小型PLC的I/O点数一般在128点以下，其特点是体积小、结构紧凑，整个硬件融为一体除了开关量I/O以外，还可以连接模拟量I/O以及其他各种特殊功能模块。
它能执行包括逻辑运算、计时、计数、算术运算、数据处理和传送、通讯联网以及各种应用指令。
（二）．中型PLC
中型PLC采用模块化结构，其I/O点数一般在256～1024点之间。
I/O的处理方式除了采用一般PLC通用的扫描处理方式外，还能采用直接处理方式，即在扫描用户程序的过程中，直接读输入，刷新输出。
它能联接各种特殊功能模块，通讯联网功能更强，指令系统更丰富，内存容量更大，扫描速度更快。
（三）．大型PLC
一般I/O点数在1024点以上的称为大型PLC。
大型PLC的软、硬件功能极强。
具有极强的自诊断功能。
通讯联网功能强，有各种通讯联网的模块，可以构成三级通讯网，实现工厂生产管理自动化。
大型PLC还可以采用三CPU构成表决式系统，使机器的可靠性更高。
二．按结构形式分类可分为：
（一）整体式PLC
整体式PLC是将电源、CPU、I/O接口等部件都集中装在一个机箱内，具有结构紧凑、体积小、价格低的特点。
小型PLC一般采用这种整体式结构。
整体式PLC由不同I/O点数的基本单元（又称主机）和扩展单元组成。
基本单元内有CPU、I/O接口、与I/O扩展单元相连的扩展口，以及与编程器或EPROM写入器相连的接口等。
扩展单元内只有I/O和电源等，没有CPU。
基本单元和扩展单元之间一般用扁平电缆连接。
整体式PLC一般还可配备特殊功能单元，如模拟量单元、位置控制单元等，使其功能得以扩展。
（二）模块式PLC
模块式PLC是将PLC各组成部分，分别作成若干个单独的模块，如CPU模块、I/O模块、电源模块（有的含在CPU模块中）以及各种功能模块。
模块式PLC由框架或基板和各种模块组成。
模块装在框架或基板的插座上。
这种模块式PLC的特点是配置灵活，可根据需要选配不同规模的系统，而且装配方便，便于扩展和维修。
大、中型PLC一般采用模块式结构。
还有一些PLC将整体式和模块式的特点结合起来，构成所谓叠装式PLC。
叠装式PLC其CPU、电源、I/O接口等也是各自独立的模块，但它们之间是靠电缆进行联接，并且各模块可以一层层地叠装。
这样，不但系统可以灵活配置，还可做得体积小巧。
三．按功能分类：
根据PLC所具有的功能不同，可将PLC分为低档、中档、高档三类。
（一）低档PLC
具有逻辑运算、定时、计数、移位以及自诊断、监控等基本功能，还可有少量模拟量输入／输出、算术运算、数据传送和比较、通信等功能。
主要用于逻辑控制、顺序控制或少量模拟量控制的单机控制系统。
（二）中档PLC
除具有低档PLC的功能外，还具有较强的模拟量输入／输出、算术运算、数据传送和比较、数制转换、远程I/O、子程序、通信联网等功能。
有些还可增设中断控制、PID控制等功能，适用于复杂控制系统。
（三）高档PLC
除具有中档机的功能外，还增加了带符号算术运算、矩阵运算、位逻辑运算、平方根运算及其它特殊功能函数的运算、制表及表格传送功能等。
高档PLC机具有更强的通信联网功能，可用于大规模过程控制或构成分布式网络控制系统，实现工厂自动化。
第三节PLC的工作特点
PLC大多采用成批输入/输出的周期扫描方式工作，按用户程序的先后次序逐条运行。
一个完整的周期可分为三个阶段：
（一）输入刷新阶段
程序开始时，监控程序使机器以扫描方式逐个输入所有输入端口上的信号，并依次存入对应的输入映象寄存器。
（二）程序处理阶段
所有的输入端口采样结束后，即开始进行逻辑运算处理，根据用户输入的控制程序，从第一条开始，逐条加以执行，并将相应的逻辑运行结果，存入对应的中间元件和输出元件映象寄存器，当最后一条控制程序执行完毕后，即转入输出刷新处理。
（三）输出刷新阶段
将输出元件映象寄存器的内容，从第一个输出端口开始，到最后一个结束，依次读入对应的输出锁存器，从而驱动输出器件形成可编程的实际输出。
第四节PLC输出特点
PLC一般都有三种输出形式可供用户选择，即继电器输出，晶体管输出和晶闸管输出。
PLC在线路结构上都采用了隔离措施。
其输出特点为：
继电器输出：
开关速度低，负载能力大，适用于低频场合。
晶体管输出：
开关速度高，负载能力小，适用于高频场合。
晶闸管输出：
开关速度高，负载能力小，适用于高频场合。
设置输出接口应注意的事项：
（1）PLC输出接口是成组的，每一组有一个COM口，只能使用同一种电源电压。
（2）PLC输出负载能力有限，具体参数请阅读相关资料。
（3）对于电感性负载应加阻容保护。
（4）负载采用直流电源小于30V时，为了缩短响应时间，可用并接续流二极管的方法改善响应时间。
第五节发展趋势`
一．向高速度、大容量方向发展
为了提高PLC的处理能力，要求PLC具有更好的响应速度和更大的存储容量。
目前，有的PLC的扫描速度可达0.1ms/k步左右。
PLC的扫描速度已成为很重要的一个性能指标。
在存储容量方面，有的PLC最高可达几十兆字节。
为了扩大存储容量，有的公司已使用了磁泡存储器或硬盘。
二．向超大型、超小型两个方向发展
当前中小型PLC比较多，为了适应市场的多种需要，今后PLC要向多品种方向发展，特别是向超大型和超小型两个方向发展。
现已有I/O点数达14336点的超大型PLC，其使用32位微处理器，多CPU并行工作和大容量存储器，功能强。
小型PLC由整体结构向小型模块化结构发展，使配置更加灵活，为了市场需要已开发了各种简易、经济的超小型微型PLC，最小配置的I/O点数为8～16点，以适应单机及小型自动控制的需要，如三菱公司α系列PLC。
三．PLC大力开发智能模块，加强联网通信能力
为满足各种自动化控制系统的要求，近年来不断开发出许多功能模块，如高速计数模块、温度控制模块、远程I/O模块、通信和人机接口模块等。
这些带CPU和存储器的智能I/O模块，既扩展了PLC功能，又使用灵活方便，扩大了PLC应用范围。
加强PLC联网通信的能力，是PLC技术进步的潮流。
PLC的联网通信有两类：
一类是PLC之间联网通信，各PLC生产厂家都有自己的专有联网手段；另一类是PLC与计算机之间的联网通信，一般PLC都有专用通信模块与计算机通信。
为了加强联网通信能力，PLC生产厂家之间也在协商制订通用的通信标准，以构成更大的网络系统，PLC已成为集散控制系统（DCS）不可缺少的重要组成部分。
四．增强外部故障的检测与处理能力
根据统计资料表明：
在PLC控制系统的故障中，CPU占5%，I/O接口占15%，输入设备占45%，输出设备占30%，线路占5%。
前二项共20%故障属于PLC的内部故障，它可通过PLC本身的软、硬件实现检测、处理；而其余80%的故障属于PLC的外部故障。
因此，PLC生产厂家都致力于研制、发展用于检测外部故障的专用智能模块，进一步提高系统的可靠性。
五．编程语言多样化
在PLC系统结构不断发展的同时，PLC的编程语言也越来越丰富，功能也不断提高。
除了大多数PLC使用的梯形图语言外，为了适应各种控制要求，出现了面向顺序控制的步进编程语言、面向过程控制的流程图语言、与计算机兼容的高级语言（BASIC、C语言等）等。
多种编程语言的并存、互补与发展是PLC进步的一种趋势。
六.PLC网络化
一是PLC网络化技术的发展，其中有两个趋势，一方面，PLC网络系统已经不再是自成体系的封闭系统，而是迅速向开放式系统发展，各大品牌PLC除了形成自己各具特色的PLC网络系统，完成设备控制任务之外，还可以与上位计算机管理系统联网，实现信息交流，成为整个信息管理系统的一部分。
另一方面，现场总线技术得到广泛的采用，PLC与其他安装在现场的智能化设备，比如智能化仪表，传感器，智能型电磁阀，智能型驱动执行机构等，通过一根传输介质（比如双绞线，同轴电缆，光缆）连接起来，并按照同一通信规约互相传输信息，由此构成一个现场工业控制网络，这种网络与单纯的PLC远程网络相比，配置更灵活，扩容更方便，造价更低，性能价格比更好，也更具开放意义。
第三章PLC的结构特点
第一节可编程序控制器的工作原理
PLC有两种基本的工作状态，即运行状态与停止状态。
在运行状态，PLC通过执行反映控制要求的用户程序来实现控制功能。
为了使PLC的输出及时地响应随时可能变化的输入信号，用户程序不是只执行一次，而是反复不断地重复执行，直至PLC停机或切换到STOP工作状态。
除了执行用户程序之外，在每次循环过程中，PLC还要完成内部处理、通信处理等工作，一共有5个阶段（如右图所示）。
PLC的这种周而复始的循环工作方式称为扫描工作方式。
由于计算机执行指令的速度极高，从外部输入—输出关系来看，处理过程似乎是同时完成的。
PLC具有比计算机更强的工业过程接口，更适应于控制要求的编程语言。
因此，PLC可视为一种特殊的工业控制计算机。
PLC的工业过程一般可以分为三个阶段：
输入采样阶段、程序执行阶段、程序执行阶段和输出刷新阶段，如下图所示。
一、输入采样阶段
PLC以扫描工作方式，按顺序将所有信号读入到寄存器输入状态的输入映象区中存储，这一过程称为采样。
在整个工作周期内，这个采样结果的内容不会改变，而且这个采样结果将在PLC执行程序时被使用。
二、执行程序阶段
PLC按顺序对程序进行扫描，即从上到下、从左到右地扫描每条指令，并分别从输入映象区和输出映象区中获得所需的数据进行运算、处理、再将程序执行的结构写入寄存执行结果的输出映象区中保存。
这个结果在程序执行期间可能发生变化，但在整个程序未执行完毕之前不会送到输出端口。
三、输出刷新阶段
在执行完用户所有程序后，PLC将输出映象区中的内容送到积存输出状态的输出锁存器中，在去驱动用户设备。
PLC重复执行上述三个阶段，每重复一次的时间称为一个扫描周期。
PLC在一个工作周期中，输入采样和输出刷新的时间一般为毫秒级，而程序执行时间因程序的长度不同而不同。
PLC一个扫描周期因CPU模块的运算速度差别很大。
PLC的一个工作周期主要有上述三个阶段，但严格来说还应包括系统自监测、编程器交换信息与网络通信等时间。
但PLC投入运行后，重复完成以上三个阶段的工作，即采用循环扫描工作过程。
PLC工作的主要特点是输入输出采样、程序执行、输出刷新“串行”工作方式，这样既可避免继电器、接触器控制系统中的触电竞争和时序失配，又可提高PLC的运算速度，这是PLC系统可靠性高、响应速度快的原因。
PLC在执行程序时所用到的状态值不是直接从实际输入口获得，而是来源于输入映象区和输出映象区。
输入映象区的状态取决于上一扫描周期从输入端子中采样取得的数据，并在程序执行阶段保持不变。
输出映象区的状态取决于执行程序输出指令的结果。
输出锁存器中的状态值上一个扫描周期的刷新结果。
第二节PLC的基本结构
PLC主要由CPU模块、输入模块、输出模块和编程装置组成。
如下图：
编程器
CPU
模块
输出模块
输入模块
按钮接触器
选择开关电磁阀
限位开关
电源指示灯
电源
一、CPU模块
CPU模块又叫中央处理单元或控制器，它主要由微机处理器（CPU）和存储器组成。
CPU的作用类似于人的大脑和心脏，它采用扫描方式工作，每一次扫描要完成以下工作：
1）输入处理：
将现场的开关量输入信号和数据分别读入映象寄存器和数据寄存器。
2）程序执行：
逐条读入和解释用户程序，产生相应的控制信号去控制有关的电路，完成数据的存取，传送和处理工作，并根据运算结果更新有关寄存器的内容。
3）输出处理：
将输出映象寄存器的内容送给输出模块，去控制外部负载。
二、I/O模块
输入（Input）模块和输出（Output）模块简称I/O模块，它们是系统的眼、耳、手、脚，是联系外部现场和CPU模块的桥梁。
输入模块用来接收和采集输入信号。
数字量（或开关量）输入模块用来接收从按钮、选择开关、数字拨码开关、限位开关、接近开关、光电开关、压力继电器等来的数字输入信号；模拟量输入模块用来接收电位器，测速发电机和各种变送提供的连续变化的模拟量电流电压信号。
数字量输出模块用来控制接触器、电磁阀、电磁铁、批示灯、数字显示装置和报警装置等输出设备。
模拟量输出模块用来控制调节阀、变频器等执行装置。
CPU模块的工作电压一般是DC5V，而PLC的输入/输出信号电压一般较高，如DC5V和AC220V。
从外部引入的尖峰电压和干扰噪声可能损坏CPU模块中的元器件，或影响PLC的正常工作。
在I/O模块中，用光电耦合器、小型继电器等器件来隔离外部输入电路和负载。
I/O模块除了传递信号外，还有电平转换与隔离的作用。
三、编程装置
编程装置用来生成用户程序，并对它进行编辑、检查和修改。
手持式编程器不能直接输入和编辑梯形图，只能输入和编辑指令表程序，因此又叫做指令编程器。
它的体积小，价格便宜，一般用来给小型PLC编程，或者用来现场调试和维修。
使用编程软件可以在屏幕上直接生成和编辑梯形图、指令表、功能块图和顺序功能图程序，并可以实现不同的编程语言的相互转换。
程序被编译后下载到PLC，也可以实现远程编程和传送。
可以用编程软件设置PLC内部的各种参数。
通过通信，可以显示梯形图中触点和线圈的通断情况，以及运行时PLC内部的各种参数，对于查找故障非常有用。
四、电源
PLC一般使用220V交流电源或24V直流电源。
内部的开关电源为各模块提供各种直流电源。
小型PLC一般可以为输入电路和外部的电子传感器（如接近开关）提供24V直流电源，驱动PLC负载的直流电源一般由用户提供。
五.用户程序存储器
PLC的存储器分为系统程序存储器和用户程序存储器。
系统程序相当于单板机的监控程序或个人计算机的操作系统，它使PLC具有基本的智能，能够完成PLC设计者规定的各种工作。
系统程序由PLC生产厂家固化在ROM内，用户不能直接存取。
PLC的用户程序由用户设计，它决定PLC的输入信号与输出信号之间的具体关系。
用户程序存储器的容量由于以字（每个字由二进制的16位组成）位单位，有的PLC将字称为步，每一步存储一条指令。
六.输出接口电路
根据驱动负载元件不同可将输出接口电路分为三种：
（一）小型继电器输出形式
这种输出形式既可驱动交流负载，又可驱动直流负载。
它的优点是适用电压范围比较宽，导通压降小，承受瞬时过电压和过电流的能力强。
缺点是动作速度较慢，动作次数（寿命）有一定的限制。
建议在输出量变化不频繁时优先选用。
（二）大功率晶体管或场效应管输出形式
这种输出形式只可驱动直流负载。
它的优点是可靠性强，执行速度快，寿命长。
缺点是过载能力差。
适合在直流供电、输出量变化快的场合选用。
（三）双向晶闸管输出形式
这种输出形式适合驱动交流负载。
由于双向可控硅和大功率晶体管同属于半导体材料元件，所以优缺点与大功率晶体管或场效应管输出形式的相似，适合在交流供电、输出量变化快的场合选用。
七.输入接口电路
为了保证能在恶劣的工业环境中使用，PLC输入接口都采用了隔离措施。
如下图，采用光
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