可编程序控制器PLC概述.docx
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可编程序控制器PLC概述
2.PLC概述
2.1PLC的产生、定义、组成、特点及发展趋势
2．1．1PLC的产生
可编程序控制器（ProgrammableLogicController，简称PLC），是随着科学技术的进步与现代社会生产力式的转变，为适应多品种、小批量生产的需要而产牛、发展起来的一种新型的工业控制装置。
PLC从1969年问世以来，虽然至今还不到40年，但由于其具有道用灵活的控制性能、可以适应各种工业环境的可靠性与简单方便的使用性能，在工业自动化各领域取得了广泛的应用。
曾经有人将PLC技术与数控技术（CNC）、CAD／CAM技术、工业机器人技术井称为现代工业自动化技术的四大支柱。
众所周知，制造业中使用的生产设备与生产过程的控制，一般都需要通过工作机构、传动机构、原动机以及控制系统等部分实现。
特别是当原动机为电动机时，还需要对电动机的启／制动、正反转、调速与定位等动作进行控制。
生产设备与生产过程的电器操作与控制部分，称为电气自动控制装置或电气自动控制系统。
最初的电气自动控制装置（包括日前使用的一些简单机械），只是一些简单的手动电器（如刀开关、正反转开关等）。
这些电器只适合于电机容量小、控制要求简单、动作单一的场合。
随着技术的进步，生产机械对电气自动控制提出了越来越高的要求，电气白动控制装置逐步发展成了各种形式的电气自动控制系统。
作为常用电气自动控制系统的一种，人们习惯上把以继电器、接触器、按钮、开关等为主要器件所组成的逻辑控制系统，称为“继电—接触器控制系统”。
“继电—接触器控制系统”的基本特点是结构简单、生产成本低、抗干扰能力强、故障检修立观方便、运用范围广。
它不仅可以实现生产设备、生产过程的自动控制，而且还可以满足大容量、远距离、集中控制的要求。
因此，直到今天“继电—接触器控制系统”仍是工业自动控制领域最基本的控制系统之一。
但是，出于“继电－接触器控制系统”的控制元件（继电器、接触器）均为独立元件，它决定了系统的“逻辑控制”与“顺序控制”功能只能通过控制元件间的不同连接实现，因此，它不可避免地存在以下不足：
①通用性、灵活性差。
当生产流程或工艺发生变化、需要更改控制要求时，必须通过更改接线或增减控制器件，才能实现，有时甚至需要进行重新设计，因此难以满足多品种、小批量生产的要求。
②体积大，材料消耗多。
“继电—接触器控制系统”的逻辑控制需要通过控制电器与电器间的连接实现，安装电器需要大量的中间，连接电器需要大量的导线，控制系统的体积大，材料消托多。
②运行费用高，噪声大。
由于继电器、接触器均为电磁器件，在系统工作时，需要消耗较多的电能，同时，多个继电器、接触器的同时通顺，会产生较大的噪音，对工作环境造成不利的影响。
④功能局限性大。
内于继电器、接触器控制系统在精确定时、计数等方面的功能不完善，影响了系统的整体性能，它只能用于定时要求不高、计数简单的场合。
⑥可靠性较低，性用寿命较短。
出于继电器、接触器控制系统采用的是“触点控制”形式，额定工作频率低，工作电流大，长时间连续使用易损坏触点或产生接触不良等故障，直接影响到系统工作的可靠性。
⑥不具备现代工业控制所路要的数据通信、网络控制等功能。
正因为如此，“继电一接触器控制系统”难以适应现代复杂多变的生产控制要求与生产过程摔制集成化、网络化需要。
为了解决“继电一接触器控制系统”存在的通用性、灵活性关，功能局限性大与通信、网络方面欠缺的问题，20世纪50年代末．人们曾设想利用计算机功能先备、通用性和灵活性强的特点来解次以上问题。
但由于当时的汁算机原理复杂，生产成木高，程序编制难度大，加工业上业控制需要大量的外围接口设备，可靠件问题突出，使得它在面广量大的一般工业控制领域难以普及与应用。
到了20世纪60年代木，有人这样设想：
能否把计算机通用、灵活、功能完善的特点与“继电一接触器控制系统”的简单易懂、使用方便、生产成本低的特点结合起来，生产出一种而向牛产过程顺序控制，PLC利用简单语言编程，能让完全不熟悉计算机的人也能方便使用的控制器呢？
这一设想最早由美国最大的汽车制造商——通用汽车公司（GM公司）于1968年提出。
当时，该公司为了适应汽车市场多品种、小批量的生产要求，需要解决汽午生产线“继电一接触器控制系统”中普遍存在的通用性、灵活性问题，提们了对一种新颖控制器的十大技术要求，并面向社会进行招标。
十大技术要求具体如下：
①编样方使，从可以在现场方便地编辑、修改控制程序；
②价格便宜，性能价格比要而于继电器系统；
②体积要明显小于继电器控制系统；
④可靠性要明显高于继电器控制系统：
⑥具有数据通信功能；
⑥输入可以是ＡＣ１１５Ｖ；
⑦输出驱动能力在ＡＣ１１５Ｖ／２Ａ以上；
⑧硬件维护方便，最好采即“插接式”结构；
⑨扩展时，只需要对原系统进行很小的改动；
⑩用户存储器容量至少可以扩展到4KB。
根据以上要求，美国数字设备公司（DEC公司）在1969年首先研制比了全世界第一台可编程序控制器，并称之为“可编程序逻辑制器”〔ProgrammableLogicController，简称PLC）。
试样机在GM公司的应用获得了成功。
此后，PLC得到了快速发展，并被广泛用于各种开义量逻辑运算与处理的场合。
早期PLC的硬件主要由分立元件与小规模集成电路构成，它虽然采用了计算机技术，但指令系统、软件与功能相对较简单，一般只能进行逻辑运算的处理，同时通过简化计算机的内部结构与改进可靠性等措施，使之能与工业环境相适应。
正因为如此，在20世纪70年代初期曾经出现过一些出二极管矩阵、集成电路等器件组成的所谓“顺序控制器”；20世纪70年末期曾经出现过以MCl4500工业控制单元（Industrialcontrolunit，简称ICU）为核心．出8通道数据选择器〔MCl4512）、指令计数器（MCl4516）、8位可寻址双向锁存器（MCl4599）、存储器（2732）等组成的“可编程序控制器”等产品。
这些产品与PLC相比，虽然具有一定的价格优势，但最终还是因可靠性、功能等多方面的原因，未能得到址一步的推广与发展；而PLC则随着微处理器价格的全面下降，最终以其优良的性能价格比，得到了迅速发展，并最终成为了当代工业自动控制技术的重要支桂枝术之一。
2.1.2．PLC的定义
PLC技术一经出现，立即引起了全世界的广泛关注，1969年首先将其进行商品化并推向市场的是美国GOULD公司；1971年，在引进美国技术后，日木研制出了自己的第一台PLC；l973年，德国SIEMENS公司也研制出了欧洲第一台PLC；1974年，法国随之也研制出了PLC。
到了20世纪70年代中期，PLC开始采用微处理器。
PLC的功能也内最初的逻辑运算拓展到具有数据处理功能，并得到了更为广泛的应用。
由于当时的PLC功能已经不再局限于逻辑处理的范畴，为此，PLC也随之改称为可编程序控制器（ProgrammableController，简称PC）。
1980年，美国电气制造商协会（NationalElectronicManufactureAssociation，简称NEMA）对可编程序控制器进行了如下定义：
“可编程序控制器是一种带有指令存储器，数字或模拟输入/输出接口；以位运算为主；能完成逻辑、顺序、定时、计数和算术运算功能；面向机器或生产过程的自动控制装置”。
并将其统一命名为ProgrammableController（PC）。
2.1.3.PLC的基本结构：
PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，如下图2.1所示：
图2.1PLC硬件结构
1、中央处理单元（CPU）
中央处理单元（CPU）是PLC的控制中枢。
它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据：
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接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，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的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。
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，如此循环运行，直到停止运行。
为了进一步提高PLC的可靠性，灵活性，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（Memory）
可编程控制器的控制中枢，在系统监控下工作，承担着将外部输入的信号的状态写入映像寄存器区域，然后将结果送到输出映像寄存器区域。
CPU常用的微处理器有通用型微处理器，单片机和位片式计算机等。
小型PLC的CPU多采用单片机或专用的CPU。
大型PLC的CPU多用位片式结构，具有高速数据处理能力。
3、基本I/O接口电路
（1）输入接口单元。
PLC内部输入电路作用是将PLC外部电路（如行程开关、按钮、传感器等）提供的、符合PLC输入电路要求的电压信号，通过光耦电路送至PLC内部电路。
输入电路通常以光电隔离和阻容滤波的方式提高抗干扰能力，输入响应时间一般在0.1~15ms之间。
多数PLC的输入接口单元都相同，通常有两种类型。
一种是直流输入，一种是交流输入。
（2）输出接口单元。
PLC输出电路用来将CPU运算的结果变换成一定形式的功率输出，驱动被控负载（电磁铁、继电器、接触器线圈等）。
PLC输出电路结构形式分为继电器式、晶闸管式和晶体管输出型等三种。
在继电器式输出中，CPU可以根据程序执行的结果，使PLC内设继电器线圈通电，带动触点闭合，通过继电器闭和的触点，由外部电源驱动交、直流负载。
优点是过载能力强，交、直流负载皆宜。
但存在动作速度较慢，且为有触点系统，使用寿命有限等问题。
双向晶闸管和晶体管输出型输出分别具有驱动交、直流负载的能力。
晶闸管输出型CPU通过光耦电路的驱动，使双向晶闸管通断，可以驱动交流负载；晶体管输出型CPU通过光耦电路的驱动，使双晶体管通断，驱动直流负载。
优点是两者均为无触点开关系统，不存在电弧现象，而且开关速度快，缺点是半导体器件的过载能力差。
以上列举了六类输入和输出电路形式，各类PLC产品的输入、输出电路结构形式均有所不同，但光耦隔离及阻容滤波等抗干扰措施是相似的。
根据输入、输出电路的结构形式不同，I/O借口又可以分为开关量I/O和模拟量I/O两大类。
其中模拟量I/O要经过A/D，D/A转换电路的处理，转换成计算机系统所能识别的数字信号，在整体机构的PLC中，有开关量的交，直流I/O模块，和模拟量I/O模块及各种智能I/O模块可供选择。
PLC输入电路和输出电路各种不同结构形式能够适应各不同负载的要求。
4、接口电路
PLC接口电路分为I/O扩展接口电路和外设通信接口电路两类
（1）I/O扩接口电路
I/O扩展接口电路用连接I/O扩展单元，可以用来扩充开关量I/O点数和增加模拟量的I/O端子。
I/O扩展接口电路采用并行接口和串行接口两种电路形式。
根据被控制对象对PLC控制系统的技术和要求，确定用户所需的输入、输出设备，据此确定PLC的I/O点数。
（2）外设通信接口电路
通信接口电路用于连接手持编程器或其他图形编程器、文本显示器，并能组成PLC的控制网络。
PLC通过PC/PPI电缆或使用MPI卡通过RS-485接口和电缆与计算机连接，可以实现编程、监控、联网等功能。
5、电源
PLC内部配有一个专用开关式稳压电源，将交流/直流供电电源转化为PLC内部电源需要的工作电源（5V直流）。
当输入端子为非干接点结构时，为外部输入元件提供24V直流电源（仅供输入点使用）。
2.1.4.PLC的特点
1、软硬件功能强
PLC的功能非常强大，其内部具备很多功能，如时序、计数器、主控继电器、移位寄存器及中间寄存器等，能够方便地实现延时、锁存、比较、跳转和强制I/O等功能。
PLC不仅可进行逻辑运算，算术运算，数据转换以及顺序控制，还可实现模拟运算、显示、监控、打印及报表生成等功能，并具有完善的输入输出系统。
PLC能够适应各种形式的开关量和模拟量的输入控制、输出控制，还可以和其他计算机系统、控制设备共同组成分布式控制系统，实现成组数据传送、矩阵运算、闭环控制、排序与查表、函数运算及快速中断等功能。
PLC的编程语言丰富，它可以分为梯形图语言、逻辑功能语言、指令表、和顺序功能四种。
特别是梯形图语言，它直观、方便，我们只要有了通常的继电接触器电路图、逻辑图或逻辑方程，就等于它有了PLC系统的用户程序，很适合电器工程技术人员操作和使用。
2、使用维护方便
PLC不需要像用计算机控制那样在输入输出接口上做大量的工作。
PLC的输入接口和输出接口是已经按不同需求做好的，可直接与控制现场的设备相连的接口。
如输入借口可以与各种开关、传感器连接；输出接口具有较强的驱动能力，可以直接与继电器、接触器、电磁阀等连接。
不论是输入接口或输出接口，使用都很简单。
PLC具有很强的监控功能，利用编程器、监视器或触摸屏等人机界面可对PLC的远行状态进行监控。
3、运行稳定可靠
由于PLC采用了微电子技术，大量的开关动作有无触点的半导体电路来完成，同时还采用了屏蔽，滤波，隔离等抗干扰措施，所以其平均无故障时间在2万小时以上。
特别是在制造工艺上加强了抗干扰措施，例如输入输出都采用光电隔离，能有效的隔离PLC内部电路与输入输出电路之间的联系，从而避免了有输入输出通道串入的干扰信号引起的误动作。
PLC还采用屏蔽，输入延时滤波等软、硬件措施，有效的防止空间电磁干扰，特别多高频传导干扰信号具有良好的抑制作用。
所以这一切措施，都有效的保证了PLC在恶劣的工作环境下能正常地远行。
4、组织灵活
可编程控制器品种很多,小型PLC为整体结构，并外接I/O扩展机箱构成PLC控制系统。
中大型PLC采用分体模块式结构，设有各种专有功能模块（开关量、模拟量输入/输出模块、位控模块、伺服、步进驱动模块等）供选用和组合，由各种模块组成大小和要求不同的控制系统。
外部控制电路虽然仍为硬接线系统，但当受控对象的控制要求改变时，可以在线使用编程器进行修改用户程序来满足新的控制要求，最大限度地缩短工艺更新所需要的时间。
2.1.5.PLC的发展趋势
从当前产品来看，PLC的发展仍然主要体现在提及的缩小与性能的提高两大方面。
1．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。
2．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。
3．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。
4．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。
5．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。
2.2PLC工作原理
2.2.1循环扫描的特点：
1、输入映像寄存器的内容是由设备驱动的，在程序执行过程中的一个周期内输入映像寄存器的值保持不变，CPU采用集中输入的控制思想，只能使用输入映像寄存器的值来控制程序的执行。
2、扫描周期周而复始地进行，读输入、输出和用户程序是否执行是可控的。
3、对同一个输出单元的多次使用、修改次序会造成不同的执行结果。
4、各个电路和不同扫描阶段会造成输入和输出延迟，这是PLC的主要缺点。
在读输入阶段，CPU对各个输入端子进行扫描，通过输入电路将各输入点的状态锁入映象寄存器中。
紧接着转入用户程序执行阶段，CPU按照先左后右、先上后下的顺序对每条指令进行扫描，根据输入映象寄存器和输出映象寄存器的状态执行用户程序，同时将执行结果写入输出映象寄存器。
二、PLC中的存储器：
PLC中的存储器按用途分为系统程序存储器、用户程序存储器以及工作数据存储器。
1、用户程序存储器用来存储根据控制要求而编制的用户应用程序。
2、用来存储工作数据的区域称为工作数据区。
3、系统程序存储器中存放的是厂家根据其选用的PLC的指令的系统编写的系统程序，它决定了PLC的功能，用户不能更改其内容。
2.3PLC的编程语言
PLC是通过程序对系统进行控制的，作为一种专用计算机，为了适应其应用领域，一定有其专用的语言。
PLC的编程语言有多种，如梯形图、语句表、功能图等。
梯形图编程语言是一种图形语言，具有继电器控制电路形象、直观的优点；语句表编程语言类似计算机的汇编语言，用助记符来表示各种指令的功能，是PLC用户程序的基础元素。
梯形图程序让PLC仿真来自电源的电流通过一系列的输入逻辑条件，根据结果决定逻辑输出的允许条件。
梯形图按逻辑关系分为“梯级”或网络。
如图2.2所示是用PLC控制的梯形图程序，可完成与继电器控制的电动机直接起、停（起、保、停）继电器控制电路图相同的功能。
图2.2PLC控制的梯形图程序
2.4PLC的分类及性能指标
一、按I/O点数容量分类：
1、小型机（I/O点数小于256点）
典型的小型机有SIEMENS公司的S7-200系列。
2、中型机（I/O点数在256—1024之间）
典型的中型机有SIEMENS公司的S7-300系列、OMRON公司的C200H系列。
3、大型机（I/O点数在1024点以上）
典型的大型PLC有SIEMENS公司的S7-400、OMRON公司的CVM1和CS1系列。
二、按结构形式分：
根据PLC结构形式的不同，PLC主要可分为整体式和模块式两类。
1、整体式结构
微型和小型PLC一般为整体式结构。
如西门子的S7-200。
2、模块式结构
目前大、中型PLC都采用这种方式。
如西门子的S7-300和S7-400系列。
三、PLC的性能指标：
1、I/O点数
I/O点数，即PLC面板上的I/O端子的个数。
I/O点数越多，外部可以连接的I/O器件就越多，控制规模就越大。
它是衡量PLC性能的重要指标之一。
2、存储容量
这里专指用户存储器的存储容量，它决定了用户所编程序的长短。
大、中、小型PLC的存储容量变化范围一般为2KB～2MB。
3、扫描速度
扫描速度是指PLC执行程序的快慢，是一个重要的性能指标，体现了计算机控制取代继电器控制的稳合程度。
可编程控制器采用循环扫描的工作方式。
4、指令系统
它是衡量PLC能力强弱的标志，决定了PLC的处理能力、控制能力的强弱。
限定了计算机发挥运算功能、完成复杂控制的能力。
5、通信功能
通信有PLC之间的通信和PLC与计算机或其它设备之间的通信。
主要涉及通信模块、通信接口、通信协议、通信指令等。
6、扩展能力
扩展能力包括I/O点数的扩展和PLC功能的扩展两方面的内容。
7、特殊功能单元
特殊功能单元种类多，也可以说PLC的功能多。
典型的特殊功能单元有模拟量、模糊控制连网等功能。
2.5.LPC几种常用指令的介绍
定时器指令
定时器是PLC中最常用的元器件之一，掌握它的工作原理对PLC的程序设计非常重要。
S7-200系列的PLC为用户提供了三种类型的定时器：
通电延时型（TON）、有记忆的通电延时型，又叫保持型（TONR）、断电延时型（TOF）,共计256个定时器（T0~T255）并且都为增量型定时器。
定时器的定时精度即分辨率（S）可分为1ms、10ms、100ms三个等级，详细分类方法和定时范围见下表2.1所示。
定时器类型
分辨率/ms
当前值/s
定时器号
TONR
1
32.767
T0,T64
10
327.67
T1~T4,T65~T68
100
3276.7
T5~T31,T69~T95
TON、TOF
1
32.767
T32,T96
10
327.67
T33~T36,T97~T100
100
3276.7
T37~T63,T101~T255
定时器的定时时间计算公式为T=PT*S（秒）。
其中：
T为实际定时时间，PT为设定值，S为分辨率。
注意：
不能把一个定时器号同时作用TON和TOF，例如：
不能有TON32又有TOF32。
定时器指令格式见表2.2所示。
LAD
STL
功能、注释
INTON
PT
INTON
PT
TON
通电延时型
TONR
有记忆的通电延时型
TOF
断电延时型
表2.2定时器指令格式
比较指令
比较指令应用于两个操作数的大小比较。
操作数可以是整数，也可以是实数。
在梯形图中用带参和运算的触点表示比较指令，比较条件满足时，触点闭合，否则断开。
梯形图的程序中，比较触点可以装入，也可以串联活并联。
比较指令格式见表2.3。
LAD
STL
功能
IN1
=B
IN2
LD=IN1,IN2
AB=IN1,IN2
0B=IN1,IN2
操作数IN1和IN2比较
表中给出了梯形图按字节相等比较的符号，比较指令其他比较关系和操作类型的说明如下：
比较运算符号：
=、<=、>=、<、>、<>
操作数类型：
字节比较B（byte）
整数比较I
双字节比较DW
实数比较R
不同的操作数类型和比较的运算关系，可分别构成各种字节、字、双字和实数比较运算指令。
数据处理指令
数据处理指令是可以进行复杂的数据处理和实现特殊用处的指令，包括数据的传送、交换、填充和移位指令等。
在这里我们简单的来看一下我们的抢答器程序中要用的数据传送指令，其指令格式见表2.4所示。
七段显示译码指令
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