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机电传动电动机
第七章可编程序控制器
可编程控制器PC（ProgrammableController）又称可编程逻辑控制器PLC（ProgrammableLogicController），是微机技术与继电器常规控制技术相结合的产物，是在顺序控制器的基础上发展起来的新型控制器，是一种以微处理器为核心用作数字控制的专用计算机。
70年代初，由于计算机技术和集成电路的迅速发展，美国首先把计算机技术应用到控制装置中。
可编程控制器就是一种利用计算机技术设计的一种顺序控制装置，它采用了专门设计的硬件，而它的控制功能则是通过存放在存贮器中的控制程序来确定的，因此若要对控制功能作一些修改，只需改变一些软件即可。
7．1可编程序控制器的基本结构和工作原理
一、可编程序控制器的基本结构
PLC的种类很多，大、中、小型PLC的功能也不尽相同，其结构也有所不同，但主体结构形式大体上是相同的，由输入/输出电路、中央控制、电源及编程器等构成。
结构框图如图7.1所示：
图7.1可编程序控制器结构框图
1．中央控制单元
中央控制单元一般为微型计算机系统，包括微处理器、系统程序存储器、用户程序存储器、计时器、计数器等。
微处理器是PLC的核心，其主要作用是：
1）接受从编程器输入的用户程序，并存入程序存储器中；
2）用扫描方式采集现场输入状态和数据，并存入输入状态寄存器中；
3）执行用户程序，产生相应的控制信号去控制输出电路，实现程序规定的各种操作；
4）通过故障诊断程序，诊断PLC的各种运行错误。
用户程序存储器可分为两大部分，一部分用来存储用户程序，另一部分则供监控和用户程序作为缓冲单元。
微处理器对这一部分缓冲单元的某些部分可以进行字操作，而对另一部份可进行位操作。
在PLC中，对可进行字操作的缓冲单元常称为字元件（也称数据寄存器），对可进行位操作的缓冲单元常称为位元件（也称中间继电器）。
2．输入/输出电路（I/O）
1）输入电路
输入电路是PLC与外部连接的输入通道。
输入信号（如按钮、行程开关以及传感器输出的开关信号或模拟量）经过输入电路转换成中央控制单元能接受和处理的数字信号。
2）输出电路
输出电路是PLC向外部执行部件输出相应控制信号的通道。
通过输出电路，PLC可对外部执行部件（如接触器、电磁阀、继电器、指示灯、步进电机、伺服电机等）进行控制。
输入/输出电路根据其功能的不同可分为数字输入、数字输出、模拟量输入、模拟量输出、位置控制、通讯等各种类型。
3．电源部件：
电源部件能将交流电转换成中央控制单元、输入/输出部件所需要的直流电源；能适应电网波动、温度变化的影响，对电压具有一定的保护能力，以防止电压突变时损坏中央控制器。
另外电源部件内还装有备用电池（锂电池），以保证在断电时存放在RAM中的信息不至丢失。
因此用户程序在调试过程中，可采用RAM贮存，便于修改程序。
4．编程器
编程器是PLC的重要外部设备。
它能对程序进行编制、调试、监视、修改、编辑，最后将程序固化在EPROM中。
它可分成简易型和智能型两种。
简易型编程器只能在线编程，通过一个专用接口与PLC连接。
程序以软件模块形式输入。
可先在编程器RAM区存放，然后送入控制器的贮存器中。
利用编程器可进行程序调试。
可随时插入、删除或更改程序，调试通过后转入EPROM中贮存。
智能型编程器既可在线编程，又可离线编程，还可远离PLC插到现场控制站的相应接口编程。
可以实现梯形图编程、彩色图形显示、通讯联网、打印输出控制和事务管理等。
编程器的键盘采用梯形图语言键或指令语言键，通过屏幕对话进行编程。
也可用通用计算机作编程器，通过RS-232通讯口与PLC联接。
在微机上进行梯形图编辑、调试和监控，可实现人机对话、通信和打印等。
二、可编程序控制器的结构形成
按结构形成的不同，PLC可分为整体式和模块式两种。
整体式PLC将所有的电路都装入一个模块内，构成一个整体。
因此，它的特点是结构紧凑，体积小，质量轻。
模块式可编程控制器采用搭积木的方式组成系统，在一块基板上插上CPU、电源、I/O模块及特殊功能模块，构成一个总I/O点数很多的大规模综合控制系统。
这种结构形式的特点是CPU模块、输入/输出模块都是独立模块。
因此可以根据不同的系统规模选用不同档次的CPU及各种I/O模块、功能模块。
其模块尺寸统一、安装方便，对于I/O点数很多的大型系统的选型、安装调试、扩展、维修等都非常方便。
这种结构形式的PLC除了各种模块以外，还需要用基板（主基板、扩展基板）将各模块联成整体；有多块基板时，则还要用电缆将各基板联在一起。
图7.2为可编程控制器两种结构形式的外形图。
（a）整体式结构（b）模块式结构
图7.2可编程控制器结构外形图
三、可编程序控制器的工作原理
PLC的输入电路是用来收集被控设备的输入信息或操作命令的；输出电路则是用来驱动被控设备的执行机构。
而执行机构与输入信号、操作命令之间的控制逻辑则靠微处理器执行用户编制的控制程序来实现。
PLC一般采用对用户程序循环扫描的工作方式。
扫描工作方式分五个阶段，如图7.3所
示：
1．自诊断：
首先执行自诊断程序，对输入输出点、存储器和CPU进行自诊断。
2．通讯处理：
如有通讯请求，在自诊断后就进行通讯处理。
3．输入采样阶段：
当PLC开始工作时，微处理器首先以顺序读入所有输入端的信号状态，并逐一存入输入状态寄存器中。
在程序执行期间，即使输入状态变化，输入状态寄存器的内容也不会改变。
这些变化只能在下一个工作周期的输入采样阶段才被读入。
4．程序执行阶段：
组成程序的每条指令都有顺序号，在PLC中称步号。
指令按步号依次存入贮存单元。
程序执行期间，微处理器将指令顺序调出并执行。
执行时，对输入和输出状态进行“处理”，即按程序进行逻辑、算术运算，再将结果存入输出状态寄存器中。
5．输出刷新阶段：
在所有的指令执行完毕后，输出状态寄存器中的状态通过输出锁存电路转换成被控设备所能接收的电压或电流信号，以驱动被控设备。
PLC经过这三个阶段的工作过程为一个扫描周期。
可见全部输入、输出状态的改变需一个扫描周期，也就是输入、输出状态的保持为一个扫描周期。
扫描周期主要取决于可编程控制器的速度和程序的长短。
一般在几ms至几十ms之间。
7．2可编程序控制器的主要功能和特点
一、可编程控制器的功能
随着科学技术的不断发展，可编程控制技术日趋完善，其功能越来越强。
它不仅可以代替继电器控制系统，使硬件软化，提高系统的可靠性和柔性，还具有运算、计数、计时、调节、连网等许多功能。
可编程控制器与计算机系统也不尽相同，它省去了一些函数运算功能，却大大增强了逻辑运算和控制功能，其中包括步进顺序控制、限时控制、条件控制、计数控制等等，而且逻辑电路简单，指令系统也大大简化了，程序编制方法容易掌握，程序结构简单直观。
它还配有可靠的输入输出接口电路，可直接用于控制对象及外围设备，使用极其方便，即使在很恶劣的工业环境中，仍能保持可靠运行。
其主要功能如下：
1．逻辑控制
可编程控制器具有逻辑运算功能，它设置有“与”、“或”、“非”等逻辑指令，能够描述继电器触点的串联、并联、串并联、并串联等各种连接。
因此它可以代替继电器进行组合逻辑和顺序逻辑控制。
2．定时控制
可编程控制器具有定时控制功能。
它为用户提供若干个定时器并设置了定时指令。
定时时间可由用户在编程时设定，并能在运行中被读出与修改，使用灵活，操作方便。
3．计数控制
可编程控制器具有计数控制功能。
它为用户提供若干个计数器并设置了计数指令。
定数值可由用户在编程时设定，并能在运行中被读出与修改，使用灵活，操作方便。
4．A/D、D/A转换
大多数可编程控制器还具有模/数（A/D）和数/模（D/A）转换功能，能完成对模拟量的检测与控制。
5．定位控制
有些可编程控制器具有步进电动机和伺服电动机控制功能，能组成开环系统或闭环系统，实现位置控制。
6．通讯与联网
有些可编程控制器具有联网和通讯功能，可以进行远程I/O控制，多台可编程控制器之间可以进行同位链接，还可以与计算机进行上位链接。
由一台计算机和多台可编程控制器可以组成“集中管理、分散控制”的分布式控制网络，以完成较大规模的复杂控制。
7．数据处理功能
大多数可编程控制器都具有数据处理功能，能进行数据并行传送、比较运算；BCD码的加、减、乘、除等运算；还能进行字的按位“与”、“或”、“异或”、求反、逻辑移位、算术移位、数据检索、比较、数制转换等操作。
随着科学技术的不断发展，可编程控制器的功能也会不断拓宽和增强。
二、编程控制器的特点
1．抗干扰能力强、可靠性高、环境适应性好。
可编程控制器是专门为工业控制而设计的，在设计和制造中均采用了诸如屏蔽、滤波、隔离、无触点、精选元器件等多层次有效的抗干扰措施，因此可靠性很高。
此外，可编程控制器具有很强的自诊断功能，可以迅速方便地判断出故障，减少故障排除时间。
可在各种恶劣的环境中使用。
2．编程方法简单易学。
可编程控制器的设计者在设计可编程控制器时已充分考虑到使用者的习惯和技术水平以及用户的使用方便，采用了与继电器控制电路有许多相似之处的梯形图作为程序的主要表达方式，程序清晰直观，指令简单易学，编程步骤和方法容易理解和掌握。
3．应用灵活、通用性好。
可编程控制器的用户程序可简单而方便地修改，以适应各种不同工艺流程变更的要求；可编程控制器品种多、可由各种组件灵活组成不同的控制系统，同一台可编程控制器只要改变控制程序就可实现控制不同的对象或不同的控制要求；构成一个实际的可编程控制器控制系统一般不需要很多配套的外围设备。
4．完善的监视和诊断功能。
各类可编程控制器都配有醒目的内部工作状态、通讯状态、I/O点状态和异常状态等显示，也可以通过局部通讯网络由高分辨率彩色图形显示系统监视网内各台可编程控制器的运行参数和报警状态等；具有完善的诊断功能，可诊断编程的语法错误、数据通讯异常、内部电路运行异常、RAM后备电池状态异常、I/O模板配置变化等。
由于可编程控制器具有以上的功能和特点，它在顺序控制中获得了越来越广泛的应用，而且还进一步向过程控制、监控和数据采集、统计过程控制、统计质量控制等领域渗透。
7．3可编程序控制器的编程器件
PLC内部有许多具有不同功能的器件，实际上这些器件是由电子电路和存储器组成的。
例如输入继电器X是由输入电路和映象输入接点的存储器组成；输出继电器Y是由输出电路和映象输出接点的存储器组成；定时器T、计数器C、辅助继电器M、状态器S、数据寄存器D、变址寄存器V/Z等都是由存储器组成的。
为了把它们与通常的硬器件区分开，通常把上面的器件统称为软器件，也称编程器件。
一、输入继电器X
图7.4所示电路是一种直流开关量的输入继电器电路，由输入电路（光电耦合器电路）和映象输入接点的存储器（输入寄存器）组成。
图中所示为一8点输入接口电路，0~7为8个输入接线端子，COM为输入公共端，24V直流电源为PLC内部专供输入接口用电源，K0~K7为现场检测开关信号。
内部电路中，发光二极管LED为输入状态指示灯；R为限流电阻，它为LED和光电耦合器提供合适的工作电流。
图7.4直流开关量的输入接口电路
输入电路的工作原理如下（以0输入点为例）：
当开关K0合上时，24V电源经R、LED0、V0、K0形成回路，LED0发光，指示该路接通，同时光电耦合器的V0发光，感光元件VT0受光照饱和导通，X0输出高电平。
当开关K0未合上时，电路不通，LED0不亮，光电耦合器不通，X0输出低电平。
若X0输出高电平时令X0=1；则X0输出低电平时X0=0，即X0=1表示K0接通，X0=0表示K0断开。
在输入电路中，光电耦合器有三个主要作用。
a.实现现场与CPU的隔离，提高系统的抗干扰的能力；
b.将现场各种电平信号转换成CPU能处理的标准电平信号；
c.避免外部电路出现故障时，外部强电损坏主机。
输入继电器的状态必须由外部信号来控制，不能用程序来控制，但输入继电器的状态可由程序无限次的读取。
即CPU对输入继电器只能进行读操作，而不能进行写操作。
二、输出继电器Y
为适应不同的负载，输出接口一般有晶体管、晶闸管和继电器输出三种方式。
晶体管输出方式——用于直流负载；
双向晶闸管输出方式——用于交流负载；
继电器输出方式——用于直流负载和交流负载。
图7.5所示电路是继电器输出接口的输出继电器电路，由输出电路（继电器）和映象输出接点的存储器（输出寄存器）组成。
图7.5所示电路为继电器输出接口电路
当CPU通过输出继电器在输出点输出0电平时，继电器KA得电，其常开触头闭合，Y0和COM导通，负载得电。
输出继电器的状态由程序控制，也可由程序无限次读取。
即CPU可对输出继电器进行读写操作。
三、时间继电器T
时间继电器又叫定时器，它由设定值寄存器、当前值寄存器以及状态寄存器组成，其工作原理图如图7.6所示。
图7.6时间继电器工作原理图
定时器的设定值由用户设定，存放在设定值寄存器中；当X0的状态为1时，计数器（当前值寄存器）累加时钟脉冲个数，当计数器的计数值等于设定值时，比较器输出为1，即定时器的状态为1，否则定时器的状态为0。
定时器的定时时间为设定值乘以时钟脉冲周期。
在可编程控制器中，不同的时间器其输入时钟脉冲的周期不同，一般有1ms、10ms、100ms等几种时钟脉冲。
因此，定时器根据时钟脉冲周期的不同可分为1ms、10ms、100ms等定时器。
1ms定时器的简单应用程序如图7.7所示。
图7.7延时断开的定时器
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四、计数器C
计数器由设定值寄存器、当前值寄存器以及状态寄存器组成。
分加计数器和加减计数器两种。
加计数器的动作过程如图7.8所示。
图7.8加计数器的动作过程
计数器的设定值由用户设定，存放在设定值寄存器中。
当X0的状态为1时，计数器不计数，计数器的状态为0；
当X0的状态为0时，计数器对X1的脉冲个数进行计数，计数值（当前值）等于设定值时，计数器的状态变为1，直到X0由0变为1，否则定时器的状态为0。
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五、辅助继电器M
PLC中设有许多辅助继电器，辅助继电器由程序指令控制，专供内部编程使用。
可编程控制器一般有通用辅助继电器、断电保持辅助继电器和特殊辅助继电器三种。
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7．4可编程序控制器的软件技术
一、程序的表达方式
编程的任务就是把控制功能变换成程序。
而程序的表达方式则随控制装置的不同而各异。
可编程控制器的程序表达方式是非常灵活，主要有如下两种基本形式：
1．接点梯形图
采用接点梯形图来表达程序的方法，看上去与传统的继电器线路图非常类似。
因此它比较直观形象，对于那些熟悉继电器电路的设计者来说，易被接受。
图7.9所示电路是一个简单的接点梯形图。
图7.9简单接点梯形图
采用接点梯形图表达程序时，用触头符号“┤├”和“”来表示可编程控制器的输入信号，而用线圈符号“一（）—”表示输入信号所控制的对象。
输入信号和被控制对象必须标上相应的标志符和地址码，如图中的X402、M102、X403和Y435等。
图中所表示的逻辑关系为：
另外，为了在编程器的显示屏上直接读出接点梯形图所描述的程序段，构成接点梯形图的图案电流支路都是一行接一行横着向下排列的。
每一条电流支路以触头符号为起点，而最右边以线圈符号为终点。
接点梯形图多半适用于简单的连接功能的编程。
2．语句表
语句表形式是使用一组助记符来表示程序的各种功能。
这一组助记符应包括可编程控制器处理的所有功能。
每一条指令都包含操作码和操作数两个部分，操作数一般由标志符和地址码组成。
下面是一个简单的语句表。
LD
X000
在语句表中，LD、AND、OR、…为操作码，X000、M100、…为操作数，X、M、…为操作数中的标志符，000、100、…为操作数中的地址码。
AND
M100
OR
Y030
ANI
X002
OUT
Y030
┇
┇
采用这种类似计算机语言的编程方式，可使编程设备简单，逻辑紧凑，而且连接范围也不受限制。
上述两种程序的表达方式各有所长，在比较复杂的控制系统中，这两种方式可能会同时使用，但对于简单的控制系统采用一般的可编程控制器进行人工编程时，大都采用接点梯形图编制程序。
当设计好接点梯形图后再根据接口、梯形图写出语句表，最后便可将语句表键入可编程控制中进行调试。
二、基本指令
不同型号的可编程控制器，其编程语言不尽相同，但指令的基本功能大致相同，只要熟悉一种，掌握其它各种编程语言也就不困难了。
下面用梯形图和指令两种程序表达方式对日本三菱FX系列的可编程控制器指令的功能等进行说明。
1．输入、输出指令
LD：
取指令。
用于与母线连接的动合触头；
LDI：
取反指令。
用于与母线连接的动断触头；
OUT：
输出指令。
由于驱动输出继电器、辅助继电器、定时器、计数器等。
但不能用于输入继电器。
OUT指令用语计数器、定时器时，后面必须紧跟常数K值，常数K的设定也作为一个步序。
LD
X400
；取动合触头X401状态
OUT
Y430
；驱动输出继电器Y430
LDI
X401
；取动断触头X402的状态
OUT
M100
；驱动辅助继电器M100
OUT
T450
；驱动定时器T450
K19
；设定时常数
LD
T450
；取定时器T450动合触头的状态
OUT
Y431
；驱动输出继电器Y431
如图7.10所示为LD、LDI、OUT指令应用的实例。
图7.10LD、LDI、OUT指令的使用
程序的执行结果如下：
Y430与X400的状态完全相同。
当X401的状态由1变0时，定时器T450开始延时，19s后，定时器的动合触头闭合，使输出继电器Y431由0变1。
当X401的状态由0变1时，输出继电器Y431立即由1变0。
2．逻辑指令
（1）逻辑“与”指令
AND：
与指令。
动合触头串联连接指令。
ANI：
与非指令。
动断触头串联连接指令。
这两条指令只能用于一个触头与前面接点电路的串联。
如图7.11所示为AND、ANI两条指令的应用举例。
LD
X400
；取动合触头X401状态
OUT
Y430
；驱动输出继电器Y430
LDI
X401
；取动断触头X402的状态
OUT
M100
；驱动辅助继电器M100
OUT
T450
；驱动定时器T450
K19
；设定时常数
LD
T450
；取定时器T450动合触头的状态
OUT
Y431
；驱动输出继电器Y431
LD
X402
；取X402的状态
AND
M102
；动合触头串联连接
OUT
Y435
；驱动输出继电器Y435
LD
Y435
；取Y435的状态
ANI
X403
；动断触头串联连接
OUT
M102
；驱动辅助继电器M102
AND
T451
；动合触头串联连接
OUT
Y436
；驱动输出继电器Y436
图7.11AND、ANI指令的使用
（2）逻辑“或”指令
OR：
或指令。
用于动合触头的并联。
ORI：
或非指令。
用于动断触头的并联。
如图7.12所示是OR、ORI两条指令的应用举例。
LD414
OR416；动合触头并联连接
ORI102；动断触头并联连接
OUT435
LD435
AND415
OR103；动合触头并联连接
ANI417
ORI110；动断触头并联连接
OUT103
图7.12OR、ORI指令的应用举例
（3）支路并联指令
两个触头串联连接后组成的电路称为支路。
ORB：
支路并联连接指令。
用于两条以上支路并联连接的情况。
如所示是ORB指令的应用举例。
图7.13ORB指令的应用举例
（4）电路块串联连接指令
两条以上支路并联连接后组成的电路称为电路块。
ANB：
电路块串联连接指令。
用于两个电路块串联连接的情况。
如图7.14所示是ANB指令的应用举例
图7.14ANB指令的应用举例
3．复位指令
RST指令用于计数器或移位寄存器的复位。
即清除计数器的逻辑状态，并使计数器的当前计数值恢复到设定值，或清除移位寄存器的内容。
一般使用脉冲信号对计数器或移位寄存器进行复位。
如图7.15所示是RST指令在对计数器进行复位的应用举例。
LD400
RST460；复位
LD401
OUT460；计数
K10
LD460；输出
OUT430
图7.15RST指令的应用举例
4．移位寄存器和移位指令
移位寄存器由辅助继电器组成，可由8个（或16个）组成一个8位（或16位）的移位寄存器。
组成移位寄存器的第一个辅助继电器的地址号就是移位寄存器的地址号。
当辅助寄存器作为移位寄存器时就不能作为它用。
SFT：
移位指令，使移位寄存器的内容进行移位操作。
如图7.16所示是SFT指令的应用举例。
LD402
OUT110；移位内容的输入
LD400
SFT110；移位
LD401
RST100；复位
图7.16SFT指令的应用举例
5．主令控制指令
MC：
主令控制起始指令，用于公共串联触头的连接。
MCR：
主令控制结束指令，用于MC指令的复位指令。
MC、MCR必须成对使用。
如图7.17所示是MC、MCR指令的应用举例。
LD400
AND401
OUT100
LD402
OR403
OUT101
MC100；M100主令控制开始
LD400
OUT430
AND405
OUT431
MC102；M102主令控制开始
LD407
OUT433
LD410
OUT434
MCR102；M102主令控制结束
MCR100；M100主令控制结束
MC101；M101主令控制开始
LD411
OUT435
LD412
OUT436
MCR101；M101主令控制结束
LD413
OUT437
图7.17MC、MCR指令的应用举例
6．跳转指令
CJP：
条件跳转开始指令；
EJP：
条件跳转结束指令。
如图7.18所示是跳转指令的应用举例。
LD400
CJP701
LD401
RST460
LD402
OUT460
K10
LD403
OUT450
K5
LD450
OUT430
EJP701
LD450
OUT431
END
图7.18CJP、EJP指令的应用举例
在上述程序中，程序A、程序B为必须执行的程序，而程序B是否执行要根据X400的状态而定，当X400闭合（X400=1）时，CJP指令使程序的执行跳过程序B，否则顺序执行。
使用跳转指令时应注意：
·CJP、EJP必须成对使用，成对使用的两条指令中的目的地址号要相同；
·对于不同的可编程控制器，其目的地址号不同，使用时请查阅使用说明书。
7．脉冲指令PLS
脉冲指令PLS利用中间继电器将脉宽较宽的输入信号变为脉宽为PLC的一个扫描周期的脉冲信号，如图7.19所示：
图7
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