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23可编程逻辑控制器
第二篇第三章可编程序控制器
孙治强
第一节概述
可编程序控制器PLC（ProgammableLogicControl）是六十年代末在美国首先出现的，目的是用来取代继电器，执行逻辑判断、计时计数等顺序控制系统。
在八十年代迅速发展起来，它是以微处理器为核心的工业控制设备，它是传统的继电器控制思想和计算机控制技术的结合。
在可编程逻辑控制器发展的初期，它的应用领域有着鲜明的继电器控制的色彩。
由于继电器本身靠机械触点来控制电路的通断，所以继电器回路的可靠性先天不足；同时，回路布线的质量不容易控制，这也极大的影响了继电器逻辑控制的可靠性。
因此，对于大型的复杂控制逻辑，继电器回路几乎是不可能实现的。
而在可编程序控制器出现之后，它使用微处理器来实现控制逻辑，仅在现场接口部分才会用到继电器来驱动现场设备，这就大大的提高了逻辑控制的可靠性，并且大幅度的降低了系统维护的工作量。
经过十多年的发展之后，可编程逻辑控制器的应用范围越来越广，已经不再局限于开关量控制，而且可以进行模拟量控制、数据采集、伺服电机的控制等，这时候可编程逻辑控制器称为可编程控制器将更为合适，这两个词也确实经常是通用的。
在火力发电厂中，可编程控制器常用于锅炉保护、汽机保护和补给水处理程控、吹灰程控、除灰程控、输煤程控等外围程控系统。
随着PLC通讯功能的逐步提高，其功能也在逐渐的与大型的DCS系统靠近，应用的领域逐渐的扩大。
常见的可编程控制器品牌有OMRON、MODICON、SIEMENS，其它还有A.B、三菱、日立等众多的品牌。
不管是何种品牌，一套可编程控制器总是由底板或安装导轨、电源模块、CPU模块、各种输入输出模块以及各种高功能模块组成。
这些模块可以是组合成一体的，也可以是单独的模板，根据需要进行配置。
由于可编程控制器是从继电器控制思想发展来的，所以各个品牌的PLC都把梯形图逻辑做为它编程的标准工具语言。
如果是手持式编程器，可以把梯形图逻辑转换成与之对应的助记符输入；如果使用PC机（指PC结构的通用计算机）做为编程工具，则可以使用图形化的编程界面进行编程。
随着PLC应用范围的扩展、应用规模的扩大，现有的中型和大型PLC都有着强大的联网功能。
除了PLC与PC机之间的通讯外，PLC与PLC之间也有多种的通讯方式互联。
通过标准的通讯协议，还可以实现部分不同种类和品牌的PLC之间互联。
PLC作为控制用计算机需要有人机界面作为运行人员对生产过程进行干预的手段。
早期的PLC控制系统经常用按钮开关、数码拨盘以及各种指示灯作为运行人员进行过程监控的手段。
对于比较大型的控制系统来说，这种方式需要大量的按钮开关、指示灯等，都属于机械易损部件，从而造成系统的可靠性以及可操作性不高。
而现代的PLC大多具有强大的通讯功能，通过通讯的方式与另一台监控用计算机（通常是工业PC）相联，以CRT监视、键盘鼠标操作的方式进行系统监控已经成为实际应用中的主流。
这种方式相比按钮开关操作方式有几个优点：
一、提高了系统的可靠性；
二、减少了操作盘台的面积；
三、减轻了运行人员的劳动强度，提高了效率。
一台可编程控制器PLC是微机技术和常规控制相结合的产物。
它是用微机来代替原来顺序控制系统中的继电器、定时器、计数器等。
它的构成框图和一台普通计算机一样，都有中央处理器（CPU）、存储器和输入/输出接口等构成。
因此，从硬件结构来说，可编程控制器实际上就是计算机。
所不同的是可编程控制器是用于工业控制，必须能适应恶劣的工业环境，如湿度、温度、燥声等。
因此可编程控制器的所有部件都要经过严格的环境试验，按照一定的工业标准进行测试，以提高其耐温、耐湿和抗干扰能力。
另一方面，可编程控制器还有面向工业控制的编程语言，如梯形图编程语言，流程图语言等，以便用户不需要学习更深的计算机知识就能直接使用它。
在具体结构上，可编程控制器一般作成总线模板框式结构。
装有CPU模板的框架称之为基本框架，其它为扩展框架。
不同厂家生产的不同系列产品，在每个框架上可插放的模板数是不同的。
第二节可编程控制器的工作原理
一、可编程控控制器的配置
可编程控制器的主要包括CPU微处理器、存贮器、输入/输出单元及电源。
（一）、微处理器
同一般微机一样，中央处理单元CPU是可编程控制器的主要部分，是系统的核心，它通过输入装置将外部设备的状态读入，并按照用户程序去处理，根据处理结果通过输出装置去控制外部设备。
可编程控制器和一般的微处理机不同，它常以字（每个字16位）为单位而不是以字节（每字节8位）为单位来存贮与处理信息。
可编程控制器多为双处理器系统，一个是字处理器，另一个是位处理器，也称布尔处理器。
字处理器是主处理器，它处理字节操作指令，控制系统总线、内部计数器、内部定时器，监视扫描时间、统一管理接口、协调位处理器及输入输出。
位处理器是从处理器，它的主要作用是处理位操作指令和在机器操作系统的管理下实现PC语言向机器语言的转换，是加快PC机工作处理速度的关键所在。
（二）、存贮器
在可编程控制器中存贮器主要用于存放系统程序、用户程序及工作数据。
存贮器的种类，可分为RAM和ROM两种。
RAM称为随机存取存贮器。
它在通电后随时可向其中写入数据，也可随时从中读出数据，但是在机器电源失去后该存贮器中的数据不在保存。
当再次通电存贮器中的内容是随机的。
ROM称为只读存贮器。
它的主要特点是它的数据是通过特殊的方法写入的，一旦写入后，这些数据在正常通电时只能被读出而不能被轻易改变，即使失电，这些内容仍被保持。
要使这些数据改变必须通过特殊的方法。
根据改变数据的方式不同ROM又可分为ROM、PROM、EPROM、EEPROM等几种。
1、ROM：
掩膜只读存贮器。
它中间的内容是由制造厂在制版时按用户程序事先刻版而成。
所以一旦由制造厂出厂后，用户就不能改变其中的内容。
这种ROM仅用于程序已成熟且大量生产的场合。
2、PROM：
由用户施加12V电压后写入所需内容的一种只读存贮器。
该片子只能由用户写入一次。
一次写入后就不能再被改变，使用非常不便。
3、ROM：
可擦除的可编程只读存贮器。
在12V~25V电压下写入内容，用紫外线灯照射时可清擦除原存贮器的内容，可以再次写入。
这种使用方便而且可靠性比较高，是使用最多的一种。
4、ROM：
电可擦除的可编程序只读存贮器。
它可以用电擦除存贮器的内容，也可以用电随时写入。
它在通电时相当于RAM，当它不能代替RAM。
因为它的写入速度比一般的RAM慢的多（约10ms），而且擦写它的次数是有限的（约1万次），还需要专门的电压提升电路。
根据RAM和ROM的不同特点，在可编程控制器中它们所存贮的内容也不同的。
在可编程控制器中按存贮内容来分，可分为系统存贮器、用户存贮器和数据存贮器。
●系统存贮器的内容包括操作系统程序、用户逻辑解释程序、系统诊断程序以及通讯管理程序等。
用户不需要了解这些程序更不能改变这些程序，这些产品在出厂时已经存贮在PROM或EPROM内。
●用户存贮器：
主要用来存放用户应用程序的存贮器。
用户存贮器使用RAM或EPROM便于用户随时修改或扩充新的程序或删取不需要的程序。
●数据存贮器：
用来存放运算数据或中间运算的结果。
数据存贮器使用RAM。
二、输入输出模块
输入输出模块是可编程控制器与现场设备连接的接口。
输入模块接受现场设备的控制条件信号，如限位开关、操作按钮、传感器信号等。
这些信号被预先限定在某个电压或电流范围内，输入模块将这个信号转换成中央处理单元能够接受和处理的数字信号。
输出模块的作用是接受中央处理单元处理过的数字信号，并把它转换成被控设备能接受的电压或电流信号，以驱动电机、阀门执行器或灯光显示等设备。
由于输入输出模块直接连接现场设备，因此对它们的要求如下：
（一）、抗干扰性能好，要能在噪声较大的场合可靠工作；
（二）、输入模块要能直接接收现场信号（交流或直流电压、热电偶、热电阻信号等）；
（三）、输出模块要能直接驱动诸如交流接触器电磁阀等现场执行机构；
（四）、可靠性和安全性要求高，除了能在恶劣环境下可靠地工作外，如果万一发生故障，要求安全地保护现场设备，不致扩大影响。
三、可编程控制器的巡回扫描原理
（一）、程序扫描
如前所述，可编程控制器可以代替传统的电继电器，定时/计数器等组成的电气控制系统。
但是它们的工作原理是有区别的。
传统的电气控制系统各被控电器的工作是并行的关系。
就是说当一个继电器动作时，它带动的各相关触点都在同一瞬间动作（不考虑元件的迟延）。
而可编程控制器，由于其基本原理是建立在计算机工作的基础上，所以是按时间一步一步来执行程序，即分时操作的原理。
每一时刻执行一个操作，随着时间的延伸，一个动作一个动作顺序地进行。
这样的操作过程就称为CPU扫描。
由于是扫描方式来执行操作，各个电器的动作在时间上是串行的。
这样就存在一个各逻辑关系上的滞后问题。
这一点在分析程序时是不能忽视的。
在举例具体说明之前，先介绍程序扫描所包括的几个操作过程。
（二）、程序扫描的流程
可编程控制器的程序扫描包括以故障诊断、处理为主的公共操作；联系工业现场的数据输入和输出操作以及执行用户程序及中断操作。
其流程可用如图来表示。
有时又把输入输出数据的操作称作I/O更新。
而仅把执行用户程序称作程序扫描。
这样，可编程控制器的操作过程就可以认为是由程序扫描和I/O更新这两部分组成。
（三）、输入输出的映象存储器
可编程控制器是这样处理I/O信号的：
送到可编程控制器端子上的信号经过光电隔离、滤波等处理电路进入缓冲区等待采样，所以外界信号在进入CPU是保持在缓冲区内而没有进入存贮器。
在可编程控制器的存贮器中有一部分专门存放I/O数据的数据存贮器，其中对应于输入端子的数据区称为输入映象存贮器。
当CPU采样时，输入信号由缓冲区进入映象区，这就是数据输入状态刷新。
同样CPU也不能直接驱动负载，CPU按用户程序要求及当前的输入状态处理后，其结果是放在输出数据区（即输出映象区），在程序执行结束（下次扫描用户程序前）才将输出映象区的内容通过锁存器输出到端子，即输出状态刷新，刷新后的输出状态要保持到下次刷新为止。
（四）、巡回扫描原理
一般计算机是按照程序计数器形成的程序号顺序执行，而可编程控制器对用户程序的执行不是从头至尾只执行一次，而是执行一次之后，又返回去执行第二次、第三次‥‥‥直至停机。
这种对整个程序巡回执行的方式就称为巡回扫描。
进行一次扫描的时间称为扫描时间。
扫描时间的长短取决于程序的长短及程序中的指令类型。
一般根据应用程序所需的存贮器大小来说明扫描时间。
例如：
AB公司PLC的扫描时间为<8ms/1K，即如果程序的长短为1K存贮容量，则扫描时间将小于8ms。
扫描时间应小于输入信号的变化时间，即输入信号在处理器扫描期间不能改变状态两次。
例如：
一控制器扫描时间为10ms，如果其监控的输入信号在8ms内改变状态（小于扫描时间），那么控制器就不能“观察”到信号的变化，回导致机器进程失误。
第三节可编程控制器的编程方法
可编程控制器是专为工业控制而开发的装置，主要使用对象是工厂广大电气技术人员，为满足他们的传统习惯和掌握能力，通常不用微机的高级编程语言，而采用梯形图编程，也可以采用顺序功能框图进行编程。
一、梯形图编程
梯形图表达式是在原电气控制系统中常见的接触器、继电器梯形图基础上演变而来，它与电气操作原理图相呼应，它形象、直观并且实用，为广大电气技术人员所熟悉，是可编程控制器的主要编程语言。
梯形图格式的特点：
（一）、梯形图格式中的继电器不是物理继电器，每个继电器和输入接点只是相应于存贮器中的一位，存贮器每一位有“1”和“0”两种状态，相应表示继电器线圈通电、断电或接点的闭合或断开。
（二）、梯形图中的继电器接点可在编制用户程序时无限引用，即可常开又可常闭。
（三）、梯形图中用户逻辑计算的结果，马上可被用户后面的程序所利用。
（四）、梯形图中的接点应画在水平分支上，切忌画在垂直分支上。
二、顺序功能框图SFC
顺序功能框图和梯形图程序相结合进行结构性程序设计，可以克服梯形图的非结构程序设计的缺点，结构性程序设计可以改善程序结构，使之模块化、可读性更好。
复杂程序通常采用顺序功能框图和梯形图程序相结合的方法。
SFC是采用自顶向下的程序设计方法，将一个控制问题转变成一个程序设计的解决步骤，尽可能将各步骤分化为尽可能小的方框图（每一框称为一个步骤），直到每一步骤直接用功能框图表示为止，然后对每一步骤用梯形图语言进行设计。
SFC由初始步骤、步骤、转换条件、选择路径、并行路径组成。
初始步骤：
处理机从初始步骤开始功能框图的执行，并从程序结束处（遇到结束指令）返回到初始步骤。
步骤：
组成基本的功能框，它包括过程或机器运行独立阶段的逻辑控制梯形图程序。
转换条件：
在处理机扫描完每个活动的步骤后，要检查状态条件。
当其状态为真时，该状态条件（即转换条件）前面的步骤将变为禁止态，而在其后的步骤变为活动态，通常转换条件是一个单回路的梯形图程序。
选择路径：
SFC的“或”结构，处理机从多个并联路径中根据其转换条件为真而选择一路径。
并行路径：
SFC的“与”结构，处理机同时执行的多个并联路径。
处理机仅扫描活动态的步骤（功能框）和转换条件，而对于其他禁止态的步骤将不再进行扫描，这将缩短有效程序的扫描时间。
步骤和转换条件设置在串联和并联的路径里，并标有存放梯形图程序的文件编号。
处理机重复执行一个步骤中的梯形图程序直至其转换条件为真。
这种设计必须要注意以下几个方面的问题：
（一）、中断返回：
在掉电之后重新上电或处理机从编程方式切换到运行方式时，程序员必须为机器指出程序返回执行的位置，这是通过对处理机状态文件的设置而实现的。
通常中断有两种方式：
复位重新起动执行（从SFC的第一步骤开始执行），
从断点处继续执行。
（二）、掉电后起动保护：
利用故障子程序在掉电后实现起动保护。
对处理机状态文件进行设置，通过编写故障子程序，在处理机上电时首先执行故障子程序以确定以何种方式重新起动。
（三）、必须正确地在转换条件对应的梯形图程序中使用转换条件结束指令EOT。
第四节调试
可编程控制器是一种可靠性高、精度高的仪器，内部为弱电回路，极易被强电损坏。
在系统调试过程中，必须遵从以下原则：
一、查线：
根据设计图纸将现场设备接线全部检查完毕，正确无误后方可对机柜上电。
对到电气开关柜内的线要重点检查，反复核对。
并检查中央处理器的电源设置是否和供电电源一致，通常要求中央处理器为不间断电源供电。
二、机柜上电：
将所有输入输出模件拔出，对中央处理器上电。
检查其工作情况是否正常。
三、核对现场接线，逐个将输入模件插入，检查状态是否正常。
根据现场情况，将具备启动条件的设备的输出模件插入，检查状态是否正常。
四、根据控制要求作试验，并修改不合适的组态。
在附录中介绍下市场上常见以及应用比较多的几个PLC品牌和产品系列。
附录：
市场上常见以及应用比较多的几个PLC品牌和产品系列的技术特性。
一、OMRON产品系列：
OMRON的可编程控制器在电厂控制中应用的主要有C200系列、C200α系列、C1000和C2000系列、CV系列。
C200和C200α系列为中型PLC，多用于500个开关量点以下的控制规模；而C1000、C2000和CV系列则是可用于1000点以上规模的大型PLC。
OMRON公司当前主推的中型PLC为α系列的C200HX/HG/HE等型号。
该系列PLC的CPU模板主要规格见下表：
项目
规格
指令数
14条基本指令
231条特殊指令
执行时间
基本指令：
C200HE-CPU□□-E/ZE：
0.3μs
C200HG-CPU□□-E/ZE：
0.15μs
C200HX-CPU□□-E/ZE：
0.1μs
特殊指令：
C200HE-CPU□□-E/ZE：
1.2μs
C200HG-CPU□□-E/ZE：
0.6μs
C200HX-CPU□□-E/ZE：
0.4μs
程序容量
C200HE-CPU11-E/ZE：
3.2K字MAX
C200HE-CPU32-E/CPU42-E/ZE：
7.2K字MAX
C200HG-CPU33/43/53/63-E/ZE：
15.2字MAX
C200HX-CPU34/44/54/64-E/ZE：
31.2K字MAX
C200HX-CPU65/85-ZE：
63.2K字MAX
I/O容量
640位
定时器/计数器
512
C200α系列和C200系列有着通用的I/O模块和高功能模块，而α系列CPU的容量和速度都比C200系列要高，是C200系列的换代产品。
OMRON的大型PLC有C1000H、C2000H，CV系列和CVM1。
其中C1000H和C2000H是较早的型号，CV和CVM1系列具有更高的性能。
以下是CV系列各型号CPU的性能比较：
项目
规格
I/O点数
CVM1-CPU01-V2：
512点开关量
CVM1-CPU11-V2：
1024点开关量
CVM1-CPU21-V2：
2048点开关量
CVM1-CPU01-V2：
512点开关量
CVM1-CPU01-V2：
1024点开关量
CVM1-CPU01-V2：
2048点开关量
编程方式
CVM1系列：
梯形图
CV系列：
梯形图+SFC
指令数
CVM1-CPU01-V2：
284种515条
CVM1-CPU11-V2：
284种515条
CVM1-CPU21-V2：
284种517条
CVM1-CPU01-V2：
169种329条
CVM1-CPU01-V2：
169种329条
CVM1-CPU01-V2：
169种331条
处理时间
CVM1-CPU01-V2：
基本指令0.15μs
应用指令0.6μs
CVM1-CPU11-V2：
基本指令0.125μs
应用指令0.5μs
CVM1-CPU21-V2：
基本指令0.125μs
应用指令0.5μs
CVM1-CPU01-V2：
基本指令0.15μs
应用指令0.6μs
CVM1-CPU01-V2：
基本指令0.125μs
应用指令0.5μs
CVM1-CPU01-V2：
基本指令0.125μs
应用指令0.5μs
程序容量
CVM1-CPU01-V2：
标准30K字
CVM1-CPU11-V2：
标准30K字
CVM1-CPU21-V2：
标准62K字
CVM1-CPU01-V2：
标准30K字
CVM1-CPU01-V2：
标准62K字
CVM1-CPU01-V2：
标准62K字
OMRON的PLC产品使用的主要通讯方式有：
HOSTLINK：
用于PLC与IBMPC/AT或兼容机之间的通讯。
使用RS232C/RS422接口。
SYSMACLINK：
用于PLC之间互联。
最多可支持62个节点，最大节点间距离1KM（同轴电缆）或10KM（光缆）。
网络结构为令牌总线，速度2Mbps。
SYSMACNET：
可联接PLC与IBMPC/AT兼容机。
最多可联接126个节点，最大节点间距1KM，网络结构为令牌环速度2Mbps。
以太网：
用于将PLC工控网络与厂级的信息管理网相联。
此外，OMRON和PLC还支持远程I/O网络和DeviceNet网。
二、SIMENS产品系列：
SIEMENS在电力生产中常用的PLC有S5和S7两个系列，两个系列都包含小型、中型、大型各种规格的PLC，应用于不同的场合。
其中S7系列是SIEMENS最新的产品系列，所以这里将只介绍S7系列。
S7系列PLC包括S7200、S7300、S7400三个子系列，分别是小型、中型和大型PLC。
火力发电厂中常用的是S7300、S7400。
各系列的CPU性能如后列表1和表2所示。
SIEMENS的全系列PLC支持AS-interface和PROFIBUS通讯协议。
其中AS-interface是PLC与智能仪表或仪器的通讯接口，PROFIBUS是PLC设备、编程器以及人机界面之间的通讯方式。
PROFIBUS包括PROFIBUS-FMS、PROFIBUS-DP、PROFIBUS-PA，使用无屏蔽双绞线或光缆，最大通讯速率可以达到12Mbps，最大通讯距离可以达到100km，最大节点数127。
S7300系列
参数
性能
RAM
CPU312IFM：
6Kbytes
CPU313：
12Kbytes
CPU314：
24Kbytes
CPU314IFM：
32Kbytes
CPU315：
48Kbytes
CPU315-2DP：
64Kbytes
程序存储器
内置
CPU312IFM：
20KbRAM/20KbFEPROM
CPU313：
20KbytesRAM
CPU314：
40KbytesRAM
CPU314IFM：
40KbytesRAM/40KbytesFEPROM
CPU315：
80KbytesRAM
CPU315-2DP：
80KbytesRAM
扩展
CPU312IFM：
-
CPU313：
512KbytesFlash-EPROM
CPU314：
512KbytesFlash-EPROM
CPU314IFM：
-
CPU315：
512KbytesFlash-EPROM
CPU315-2DP：
512KbytesFlash-EPROM
编程语言
STEP7
执行时间
位操作
CPU312IFM：
0.6sto1.2s
CPU313：
0.6sto1.2s
CPU314：
0.3to0.6s
CPU314IFM：
0.3sto0.6s
CPU315：
0.3to0.6s
CPU315-2DP：
0.3to0.6s
字操作
CPU312IFM：
2s
CPU313：
2s
CPU314：
1s
CPU314IFM：
1s
CPU315：
1s
CPU315-2DP：
1s
位存储器
CPU312IFM：
1024
CPU313：
2048
CPU314：
2048
CPU314IFM：
2048
CPU315：
2048
CPU315-2DP：
2048
计数器
CPU312IFM：
32
CPU313：
64
CPU314：
64
CPU314IFM：
64
CPU315：
64
CPU315-2DP：
64
计时器
CPU312IFM：
64
CPU313：
128
CPU314：
128
CPU314IFM：
128
CPU315：
128
CPU315-2DP：
128
其它
CPU312IFM:
CPU模板集成4输入计数器
10KHz频率测量
10开关量输入
6开关量输出
CPU312IFM:
CPU模板集成计数器
10KHz频率测量
开环定位控制
闭环控制
20开关量输入
16开关量输出
4模拟输入
1模拟输出
S7400系列
参数
性能
RAM
CPU412-1：
48Kbytes
CPU413-1/CPU413-2DP：
72Kbytes
CPU414-1/CPU414-2DP：
128Kbytes/128Kbytesor384Kbytes
CPU416/CPU416-2DP：
512Kbytes/0.8Mbytesor1.6Mbytes
LOADMEMORY
CPU412-1：
8-KbyteRAM
CPU413-1/CPU413-2DP：
8-KbyteRAM
CPU414-1/CPU
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