第四章可编程控制器及其工作原理.docx
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第四章可编程控制器及其工作原理
第2篇可编程序控制器及其应用
第4章可编程序控制器及其工作原理
4.1PLC的特点
可编程序控制器是60年代末在美国首先出现的，当时叫可编程逻辑控制器PLC（ProgrammableLogicController），目的是用来取代继电器，以执行逻辑判断、计时、计数等顺序控制功能。
最先提出PLC概念的是美国通用汽车公司。
当时，根据汽车制造生产线的需要，希望用电子化的新型控制器替代继电器控制柜，以减少汽车改型时，重新设计制造继电器控制盘的成本和时间。
通用汽车公司对新型控制器提出10点具体要求：
1）编程简单，可在现场修改程序；
2）维护方便，采用插件式结构；
3）可靠性高于继电路控制柜；
4）体积小于继电器控制柜；
5）成本可与继电器控制柜竞争；
6）可将数据直接送入计算机；
7）可直接用115V交流输入；
8）输出采用交流115V，能直接驱动电磁阀、交流接触器等；
9）通用性强，扩展时很方便；
10）程序要能存储，存储器容量可扩展到4KB。
这10点要求几乎成为当时各自动化仪表厂商生产PLC的基本规范。
概括起来，PLC的基本设计思想是把计算机功能完善、灵活、通用等优点和继电器控制系统的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点结合起来，控制器的硬件是标准的、通用的。
根据实际应用对象，将控制内容编成软件写入控制器的用户程序存储器内，控制器和被控对象连接方便。
随着半导体技术，尤其是微处理器和微型计算机技术的发展，到70年代中期以后，PLC已广泛地使用微处理器作为中央处理器，输入输出模块和外围电路也都采用了中、大规模甚至超大规模的集成电路、这时的PLC已不再是仅有逻辑（logic）判断功能．还同时具有数据处理、PID调节和数据通信功能。
国际电工委员会〔IEC〕颁布的可编程序控制器标准草案中对可编程序控制器作了如下的定义。
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。
它采用了可编程序的存储器、用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式和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外围设备易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的设计。
可编程序控制器对用户来说，是—种无触点设备，改变程序即可改变生产工艺，因此可在初步设计阶段选用可编程序控制器，在实施阶段再确定工艺过程。
另一方面，从制造生产可编程序控制器的厂商角度来看，在制造阶段不需要根据用户的订货要求专门设计控制器，适合批量生产。
由于这些持点，可编程序控制器问世以后很快受到工业控制界的欢迎，并得到迅速的发展。
目前，可编程序控制器已成为工厂自动化的强有力工具，得到了广泛的普及推广应用。
可编程序控制器是面向用户的专用工业控制计算机，具有许多明显的特点。
（1）可靠性高，抗干扰能力强可编程序控制器是专为工业控制而设计的，除了对器件的严格筛选和老化外，在硬件和软件两个方面还采用了屏蔽、滤波、隔离、故障诊断和自动恢复等措施，使可编程序控制器具有很强的抗干扰能力，使其平均无故障时间达到（3～5）×104h以上。
（2）编程方便易于使用可编程序控制器是面向用户、面向现场，考虑到大多数电气技术人员熟悉电气控制线路的特点，它没有采用微机控制中常用的汇编语言，而是采用了一种面向控制过程的梯形图语言。
梯形图语言与继电器原理图相类似，形象直观，易学易懂。
电气工程师和具有一定知识的电工、工艺人员都可以在短时间内学会，使用起来得心应手。
计算机技术和传统的继电器控制技术之间的隔阂在可编程序控制器上完全不存在。
世界上许多国家的公司生产的可编程序控制器把梯形图语言作为第一用户语言。
（3）适应性强，应用灵活可编程序控制器是通过程序实现控制的。
当控制要求发生改变时，只要修改程序即可。
由于可编程序控制器产品已标准化、系列化、模块化，因此能灵活方便地进行系统配置，组成规模不同、功能不同的控制系统，适应能力非常强，故既可控制一台单机，一条生产线，又可控制一个复杂的群控系统，既可以现场控制，又可以远距离控制。
（4）功能完善，扩展能力强目前的可编程序控制器具有数字量和模拟量的输入输出、逻辑和算术运算、定时、计数、顺序控制、通信、人机对话、自检、记录和显示等功能，使设备控制水平大大提高。
接口功率驱动极大地方便了用户，常用的数字量输入输出接口，就电源而言有110v、220v交流和5v、24v、48V直流等多种；负载能力可在（0.5～5A）的范围内变化；模拟量的输入输出有±50mv、±10v和（0～10）mA、（4～20）mA等多种规格。
可以很方便地将可编程序控制器与各种不同的现场控制设备顺利连接，组成应用系统。
例如，输入接口可直接与各种开关量和传感器进行连接，输出接口在多数情况下也可直接与各种传统的继电器、接触器及电磁阀等相连接。
（5）维护方便，维修工作量小PLC有完善的自诊断、监视功能。
对于其内部工作状态、通信状态、异常状态和I/O点的状态均有显示。
工作人员通过它可以查出故障原因，便于迅速处理。
此外，PLC还具有体积小，重量轻，易于实现机电一体化。
由于具有上述特点，使得PLC的应用范围极为广泛，可以说只要有工厂、有控制要求，就会有PLC的应用。
表4-l是PLC、继电器控制系统、微机控制系统比较表。
表4-1PLC、继电器控制系统、微机控制系统比较表
项目
PLC
继电器控制系统
微机控制系统
功能
用程序可实现各种复杂控制
用大量继电器布线逻辑实现顺序控制
用程序实现各种复杂控制，功能最强
改变控制内容
修改程序较简单容易
改变硬件接线逻辑工作量大
修改程序技术难度较大
可靠性
平均无故障工作时间长
受机械触点寿命限制
一般比PLC差
工作方式
顺序扫描
顺序控制
中断处理，响应最快
接口
直接与生产设备连接
直接与生产设备连接
要设计专门接口
环境适应性
可适应一般工业生产现场环境
环境差，会降低可靠性和寿命
要求有较好的环境
抗干扰性
一般不用专门考虑干扰问题
能抗一般电磁干扰
要专门设计抗干扰措施
维护
现场检查、维修方便
定期更换继电器，维修费时
技术难度较大
系统开发
设计容易、安装简单、调试周期短
图样多、安装接线工作量大、调试周期长
系统设计复杂、调试技术难度大，需要有系统的计算机知识
通用性
较好、适应面广
一般是专用
要进行软、硬件改造才能作其他用
硬件成本
比微机控制系统高
少于30个继电器的系统最低
一般比PLC低
4.2PLC应用与发展
可编程序控制器在国内外已广泛应用于钢铁、石化、机械制造、汽车装配、电力、轻纺等各行各业。
目前典型的PLC功能有下面几点。
1）顺序控制：
这是可编程序控制器最广泛应用的领域，取代了传统的继电器顺序控制，例如注塑机、印刷机械、订书机械，切纸机、组合机床、磨床、装配生产线，包装生产线，电镀流水线及电梯控制等。
2）过程控制：
在工业生产过程中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位、速度、电流和电压等，称为模拟量。
可编程序控制器有A／D和D／A转换模块，这样，可编程序控制器可以作模拟量控制用于过程控制。
3）数据处理：
一般可编程序控制器都设有四则运算指令，可以很方便地对生产过程中的数据进行处理。
用PLC可以构成监控系统，进行数据采集和处理、监控生产过程。
较高档次的可编程序控制器都有位置控制模块，用于控制步进电动机或伺服电动机，实现对各种机械的位置控制。
4）通信联网和显示打印：
某些控制系统需要多台PLC连接起来使用或者由一台计算机与多台PLC组成分布式控制系统。
可编程序控制器的通信模块可以满足这些通信联网要求。
可编程序控制器还可以连接显示终端和打印机等外围设备，从而实现显示和打印功能。
5）可编程序控制器的更新很快：
可编程序控制器的技术发展特点为高速度、大容量、系列化、模块化、多品种。
可编程序控制器的编程语言、编程工具多样化，通信联网能力越来越强。
可编程序控制器的联网和通信可分为两类：
一类是可编程序控制器之间的联网通信，各制造厂商都有自己的专有联网手段；另一类是可编程序控制器与计算机之间的联网通信，一般可编程序控制器都有通信模块用于与计算机通信。
在网络中要有通用的通信标准，否则在同一个网络中不能连接许多厂商的产品。
美国通用汽车公司在1983年提出的制造自动化协议（MAP——ManufactureAutomationProtocol）是众多通信标准中发展最快的一个。
MAP的主要特点是提供以开放性为基础的局部网络，使来自许多厂商的设备可以通过相同的通信协议而相互连接。
由于MAP的出现，推动了通信标准化的进程。
4.3PLC基本结构和工作原理
4.3.1PLC基本结构
可编程序控制器的结构多种多样。
但其组成的—般原理基本相同，都是以微处理器为核心的结构，其功能的实现不仅基于硬件的作用，更要靠软件的支持。
实际上可编程序控制器就是一种新型的工业控制计算机。
目前PLC生产厂家很多，产品结构各不相同，其基本组成部分大致如图4-1所示。
图4-1PLC的典型结构
由图可以看出，PLC采用了典型的计算机结构，主要包括CPU、RAM、ROM和输入、输出接口电路等。
其内部采用总线结构进行数据和指令的传输。
如果把PLC看做一个系统，该系统由输入变量-PLC-输出变量组成，外部的各种开关信号、模拟信号以及传感器检侧的各种信号均作为PLC的输入变量，它们经PLC外部输入端子输入到内部寄存器中，经PLC内部逻辑运算或其他各种运算处理后送到输出端子，它们是PLC的输出变量。
由这些输出变量对外围设备进行各种控制。
这里可以把PLC看做一个中间处理器或变换器，它将输入变量转换为输出变量。
下面结合图4-1具体介绍各部分的作用。
1.中央处理单元（CPU）
CPU（CentreProcessingUnit）一般由控制电路、运算器和寄存器组成。
它作为整个PLC的核心，起着总指挥的作用。
它主要完成以下功能：
1）将输入信号送入PLC中存储起来。
2）按存放的先后顺序取出用户指令，进行编译。
3）完成用户指令规定的各种操作。
4）将结果送到输出端。
5）响应各种外围设备（如编程器、打印机等）的请求。
目前PLC中所用的CPU多为单片机，在高档机中现已采用16位甚至32位CPU。
2.存储器
存储器是具有记忆功能的半导体电路，用来存放系统程序、用户程序、逻辑变量和其他一些信息。
PLC内部存储器有两类：
一类是RAM（即随机存取存储器），可以随时由CPU对它进行读出、写入；另一类是ROM（即只读存储器），CPU只能从中读取而不能写入。
RAM主要用来存放各种暂存的数据、中间结果及用户程序。
ROM主要用来存放监控程序及系统内部数据，这些程序及数据出厂时固化在ROM芯片中。
3.输入、输出单元（I/O接口电路）
它起着PLC和外围设备之间传递信息的作用。
PLC通过输入接口电路将开关、按钮等输入信号转换成CPU能接收和处理的信号。
输出接口电路是将CPU送出的弱电控制信号转换成现场需要的强电信号输出，以驱动被控设备。
为了保证PLC可靠地工作，设计者在PLC的接口电路上采取了不少措施。
常用接口电路的结构如图4-2所示。
图4-2PLC接口电路
由图4-2可见，这些接口电路有以下特点：
1）输入端采用光电耦合电路，如图4-2a所示，它可以大大减少电磁干扰。
2）输出也采用光电隔离电路，并分为三种类型：
继电器输出型、晶闸管输出型和晶体管输出型，如图4-2b、c、d所示。
这使得PLC可以适合各种用户的不同要求。
其中继电器输出型为有触点输出方式，可用于直流或低频交流负载回路，晶闸管输出型和晶体管输出型皆为无触点输出方式，前者用于高频大功率交流负载回路，后者用于直流负载回路。
4.电源
PLC电源是指将外部交流电经整流、滤波、稳压转换成满足PLC中CPU、存储器、输入、输出接口等内部电路工作所需要的直流电源或电源模块。
为避免电源干扰，输入、输出接口电路的电源回路彼此相互独立。
5.编程工具
编程工具是PLC最重要的外围设备，它实现了人与PLC的联系对话。
用户利用编程工具不但可以输入、检查、修改和调试用户程序，还可以监视PLC的工作状态、修改内部系统寄存器的设置参数以及显示错误代码等。
编程工具分两种，一种是手持编程器，只需通过编程电缆与PLC相接即可使用，另一种是带有PLC专用工具软件的计算机，它通过RS232通信口与PLC连接，若PLC用的是RS422通信口，则需另加适配器。
6.I/O扩展接口
若主机单元（带有CPU）的I/O点数不够用，可进行I/O扩展，即通过I/O扩展接口电缆与I/O扩展单元（不带有CPU）相接，以扩充I/O点数。
A/D、D/A单元一般也通过接口与主机单元相接。
4.3.2PLC的工作原理
PLC采用循环扫描的工作方式，其扫描过程如图4-3所示。
这个工作过程分为内部处理、通信操作、程序输入处理、程序执行、程序输出几个阶段。
全过程扫描一次所需的时间称为扫描周期。
内部处理阶段，PLC检查CPU模块的硬件是否正常，复位监视定时器等。
在通信操作服务阶段，PLC与一些智能模块通信、响应编程器键入的命令、更新编程器的显示内容等，当PLC处于停（STOP）状态时，只进行内部处理和通信操作服务等内容。
在PLC处于运行（RUN）状态时，从内部处理、通信操作、程序输入、程序执行、程序输出，一直循环扫描工作。
1．输入处理
输入处理也叫输入采样。
在此阶段顺序读入所有输入端子的通断状态，并将读入
的信息存入内存中所对应的映象寄存器。
在此输入映象寄存器被刷新。
接着进入程序执
行阶段。
在程序执行时，输入映象寄存器与外界隔离，即使输入信号发生变化，其映象寄
存器的内容也不会发生变化，只有在下一个扫描周期的输入处理阶段才能被读入信息。
2．程序执行
根据PLC梯形图程序扫描原则，按先左后右先上后下的步序，逐句扫描执行程序。
但遇到程序跳转指令，则根据跳转条件是否满足来决定程序的跳转地址。
从用户程序涉及到输入输出状态时，PLC从输入映象寄存器中读出上一阶段采入的对应输入端子状态，从输出映象寄存器读出对应映象寄存器的当前状态，根据用户程序进行逻辑运算，运算结果再存入有关器件寄存器中。
对每个器件而言，器件映象寄存器中所寄存的内容，会随着程序执行过程而变化。
3．输出处理
程序执行完毕后，将输出映象寄存器，即器件映象寄存器中的Y寄存器的状态，在输出处理阶段转存到输出锁存器，通过隔离电路，驱动功率放大电路，使输出端子向外界输出控制信号，驱动外部负载。
PLC的输入采样处理、程序执行和输出刷新处理工作方式如图4-3所示。
PLC的扫描既可按固定的顺序进行，也可按用户程序所指定的可变顺序进行。
这不仅因为有的程序不需每扫描一次就执行一次，而且也因为在一些大系统中需要处理的I/O点数多，通过安排不同的组织模块，采用分时分批扫描的执行方法，可缩短循环扫描的周期和提高控制的实时响应性。
循环扫描的工作方式是PLC的一大特点，也可以说PLC是“串行”工作的，这和传统的继电器控制系统“并行”工作有质的区别。
PLC的串行工作方式避免了继电器控制系统中触点竞争和时序失配的问题。
由于PLC是扫描工作过程，在程序执行阶段即使输入发生了变化，输入状态映象寄存器的内容也不会变化，要等到下一周期的输入处理阶段才能改变。
暂存在输出映象寄存器中的输出信号，等到一个循环周期结束，CPU集中将这些输出信号全部输送给输出锁存器。
由此可以看出，全部输入输出状态的改变，需要一个扫描周期。
换言之，输入输出的状态保持一个扫描周期。
扫描周期是PLC一个很重要的指标，小型PLC的扫描周期一般为十几毫秒到几十毫秒。
PLC的扫描时间取决于扫描速度和用户程序长短。
毫秒级的扫描时间对于一般工业设备通常是可以接受的。
4．3．3输出响应滞后
可编程序控制器的输入状态ON时间或OFF时间，必须比可编程序控制器的循环扫描时间与输入滤波器的时间相加还要长。
考虑输入滤波器10ms的响应延迟，10ms的循环扫描时间的话，输入状态ON时间、OFF时间各需要20ms。
因此，不可以处理1000Hz/（20+20）=25Hz以上的输入脉冲。
如图4-5所示，PLC不能获取宽度窄的输入脉冲。
但是，使用可编程序控制器的特殊功能和应用指令时，可以改善这个情况。
图4-5不能获取宽度窄的输入脉冲
PLC的响应滞后是允许的。
但是对某些I/O快速响应的设备则应采取相应的处理措施。
如选用高速CPU，提高扫描速度，采用快速响应模块、高速计数模块以及不同的中断处理等措施减少滞后时间。
影响I/O滞后的主要原因有输入滤波器的惯性，输出继电器接点的惯性，程序执行的时间，程序设计不当的附加影响等。
对用户说，选择了一个PLC，合理的编制程序是缩短响应的关键。
为了确保PLC在任何情况下都能正确无误地工作，一般情况下，输入信号的脉冲宽度必须大于一个扫描周期。
另外，还应该注意的一个问题是，输出信号的状态是在输出刷新时才送出的。
因此，在一个程序中，若给一个输出端多次赋值时中间状态将改变输出映像区。
只有最后一次赋值才能送到输出端。
这就是常说的执行指令的后者优先。
思考与练习题
4-1简述PLC定义，比较PLC控制、继电-接触器控制和微机控制系统的优缺点？
4-2PLC由哪几部分组成？
各部分的作用是什么？
4-3PLC执行用户程序的方式（工作方式）是怎样的？
输出响应滞后又是怎么产生的？
4-4PLC有哪几种输出类型？
各有什么特点？
4-5PLC执行程序的过程分为哪三个阶段？
程序执行的结果保存在什么地方？
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