第1章可編程序控制器概論

第1章可編程序控制器概論

1.1

PLC的發(fā)展、分類及應(yīng)用1.2結(jié)構(gòu)和工作原理1.3技術(shù)性能指標(biāo)1.4編程語言S7-200PLC的實(shí)物圖在可編程控制器問世以前，工業(yè)控制領(lǐng)域中是以繼電氣控制占主導(dǎo)地位的。這種由繼電器構(gòu)成的控制系統(tǒng)有著明顯的缺點(diǎn)：體積大、耗電多、可靠性差，一旦生產(chǎn)任務(wù)和工藝發(fā)生變化，就必須重新設(shè)計(jì)，并改變硬件結(jié)構(gòu)，這造成了時(shí)間和資金的嚴(yán)重浪費(fèi)。

1968年，美國通用汽車公司（GM公司）為了在每次汽車改型或改變工藝流程時(shí)不改動(dòng)原有繼電器柜內(nèi)的接線，以便降低生產(chǎn)成本，縮短新產(chǎn)品的開發(fā)周期，而提出了研制新型邏輯順序控制裝置，并提出了該裝置的研制指標(biāo)要求，即10項(xiàng)招標(biāo)技術(shù)指標(biāo)。其主要內(nèi)容如下：1.1可編程控制器的由來

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（1）在使用者的工廠里，能以最短的中斷時(shí)間，迅速方便的對(duì)控制的硬件和設(shè)備進(jìn)行編程，并重新進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。（2）所有系統(tǒng)單元必須能在工廠內(nèi)無特殊支持的設(shè)備、硬件及環(huán)境條件下運(yùn)行。（3）系統(tǒng)的維護(hù)必須簡(jiǎn)單易行。在系統(tǒng)中應(yīng)設(shè)計(jì)有狀態(tài)指示器和插入式模塊，以便在最短的停車時(shí)間內(nèi)使維修和故障診斷變得簡(jiǎn)單易行。（4）裝置的體積小于原有繼電器控制柜的體積，它的能耗也應(yīng)比較少。（5）必須能與中央數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行通信，以便監(jiān)視系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)和運(yùn)行情況。（6）輸入開關(guān)量可以是已有的標(biāo)準(zhǔn)的按鈕和限位開關(guān)的交流115V電壓信號(hào)。（7）輸出的驅(qū)動(dòng)信號(hào)必須能驅(qū)動(dòng)以交流運(yùn)行的電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)器和電磁閥線圈，每個(gè)輸出量將設(shè)計(jì)為可開停和連續(xù)操縱具有115V、2A以下容量的電磁閥等負(fù)載設(shè)備。（8）具有靈活的擴(kuò)展能力。在擴(kuò)展時(shí)必須以系統(tǒng)最小的變動(dòng)及最短的更換和停機(jī)時(shí)間，使原有裝置從系統(tǒng)的最小配置擴(kuò)展到系統(tǒng)最大配置。（9）在購買和安裝費(fèi)用上，應(yīng)與原有繼電器控制和固態(tài)邏輯控制系統(tǒng)的競(jìng)爭(zhēng)力，即具有較高的性能價(jià)格比。（10）用戶存儲(chǔ)器容量至少4KB以上（根據(jù)當(dāng)時(shí)的汽車裝配過程的要求提出）。從上述10項(xiàng)指標(biāo)可以看出，它實(shí)際上就是當(dāng)今可編程控制器的基本功能。將它們歸納一下，其核心為以下四點(diǎn)：（1）用計(jì)算機(jī)代替繼電器控制盤。（2）用程序代替接線。（3）輸入、輸出電平可與外部裝置直接連接。（4）結(jié)構(gòu)易于擴(kuò)展。其后，美國MODICON公司也推出了084控制器，1971年日本推出了DSC-8控制器，1973年西歐各國的可編程序控制器也研制成功，我國在1974年開始研制可編程序控制器。1969年美國數(shù)字設(shè)備公司（DEC）根據(jù)招標(biāo)的要求，研制出世界上第一臺(tái)可編程序控制器（PDP-14），并在GM公司汽車生產(chǎn)線上首次應(yīng)用成功。1969年美國研制出世界上第一臺(tái)PLC以后，日本、德國、法國等國相繼研制了各自的PLC。70年代中期，PLC進(jìn)入了實(shí)用化階段。70年代末和80年代初，PLC進(jìn)入了成熟階段。國外PLC的狀況美國著名廠家有A—B（Allen－Bradley）艾倫一布拉德利公司，MODICON莫迪康公司，GE－FSNUC公司，TI（TexasInstrument）德州儀器公司，WESTHOUSEElectric西屋電氣公司，IPM（InternationalParallelMachines）國際并行機(jī)器公司等。歐洲PLC的廠家有60余家:

西門子（Siemens）于1973年研制出第一臺(tái)PLC。1971年，日本從美國引進(jìn)PLC技術(shù)，由日立公司研制成功日本第一臺(tái)PLC。

日本生產(chǎn)PLC的廠家有40余家：三菱電機(jī)(MITSUBISHI),歐姆龍(OMRON),富士電機(jī)（FujiElectric）,東芝（TOSHIBA）

1982年，國際電工委員會(huì)（InternationalElectricalCommittee,IEC）頒布了PLC標(biāo)準(zhǔn)草案，1985年提交了第2版，并在1987年的第3版中對(duì)PLC作了作了如下的定義：PLC是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的進(jìn)行數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲(chǔ)器，用來在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。PLC及其有關(guān)的外圍設(shè)備都應(yīng)按照易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體和易于擴(kuò)展其功能的原則而設(shè)計(jì)。

1.2.3可編程序控制器的特點(diǎn)

PLC能如此迅速發(fā)展的原因，除了工業(yè)自動(dòng)化的客觀要求外，還有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。它較好地解決了工業(yè)控制領(lǐng)域中普遍關(guān)心的可靠、安全、靈活、方便、經(jīng)濟(jì)等問題。其主要特點(diǎn)如下：

1.編程方法簡(jiǎn)單易學(xué)梯形圖是可編程序控制器使用最多的編程語言，其電路符號(hào)和表達(dá)式與機(jī)電電路原理圖相似。梯形圖語言形象直觀，易學(xué)易懂，熟悉電器電路的電氣技術(shù)人員只需花幾天時(shí)間就可以熟悉梯形圖語言，并用來編制用戶程序。梯形圖語言實(shí)際上是一種面向用戶的高級(jí)語言，可編程序控制器在執(zhí)行梯形圖程序時(shí)，應(yīng)先用解釋程序?qū)⑺胺g”成匯編語言后再去執(zhí)行。

2.功能強(qiáng)，性能價(jià)格比高一臺(tái)小型可編程序控制器內(nèi)有成百上千個(gè)可供用戶使用的編程原件，可以實(shí)現(xiàn)非常復(fù)雜的控制功能。與相同功能的繼電器系統(tǒng)相比，它具有很高的性能價(jià)格比?？删幊绦蚩刂破骺梢酝ㄟ^通信聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)分散控制與集中管理。

3.硬件配套齊全，用戶使用方便，適應(yīng)性強(qiáng)

可編程序控制器產(chǎn)品已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、模塊化，配備有品種齊全的各種硬件裝置供用戶使用，用戶能靈活方便地進(jìn)行系統(tǒng)配置，組成不同功能、不同規(guī)模的系統(tǒng)?？删幊绦蚩刂破鞯陌惭b接線也很方便，一般用接線端子連接外部接線?？删幊绦蚩刂破饔休^強(qiáng)的帶負(fù)載能力，可以直接驅(qū)動(dòng)一般的電磁閥和交流接觸器。硬件配置確定后，可以通過修改用戶程序，方便快速地適應(yīng)工藝條件的變化。

4.可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)

傳統(tǒng)的繼電氣控制系統(tǒng)中使用了大量的中間繼電器、時(shí)間繼電器。由于觸電接觸不良，容易出故障?？删幊绦蚩刂破饔密浖娲罅康闹虚g繼電器和時(shí)間繼電器，僅剩下與輸入和輸出有關(guān)的少量硬件，接線可減少到繼電氣控制系統(tǒng)的1/10~1/100，因觸電接觸不良造成的故障大為減少?？删幊绦蚩刂破鞑扇×艘幌盗杏布蛙浖垢蓴_措施，即有很強(qiáng)的抗干擾能力，平均無故障時(shí)間達(dá)到數(shù)萬小時(shí)以上，可以直接用于有強(qiáng)烈干擾的工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)?？删幊绦蚩刂破饕驯粡V大用戶認(rèn)為是最可靠的工業(yè)控制設(shè)備之一。

5.系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試工作量少

可編程序控制器用軟件功能取代了繼電器控制系統(tǒng)中大量的中間繼電器、時(shí)間繼電器、計(jì)數(shù)器等器件，使控制柜的設(shè)計(jì)、安裝、接線工作量大大減少?？删幊绦蚩刂破鞯奶菪螆D程序一般采用順序控制設(shè)計(jì)法。這種編程方法很有規(guī)律，容易掌握。對(duì)于復(fù)雜的控制系統(tǒng)，梯形圖的設(shè)計(jì)時(shí)間比繼電器系統(tǒng)電路圖的設(shè)計(jì)時(shí)間要少得多?？删幊绦蚩刂破鞯挠脩舫绦蚩梢栽趯?shí)驗(yàn)室模擬調(diào)試，輸入信號(hào)用小開關(guān)量模擬，通過可編程序控制器上的發(fā)光二極管可觀察輸出信號(hào)的狀態(tài)。完成了系統(tǒng)的安裝和接線后，在現(xiàn)場(chǎng)的統(tǒng)調(diào)過程中發(fā)現(xiàn)的問題一般通過修改程序就可以解決，系統(tǒng)的調(diào)試時(shí)間比繼電器系統(tǒng)要少得多。

5.維修工作量小，維修方便

可編程序控制器用的故障率很低，而且有完善的自診斷和顯示功能?？删幊绦蚩刂破骰蛲獠康妮斎胙b置和執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)生故障時(shí)，可以根據(jù)可編程序控制器上的發(fā)光二極管提供的信息迅速的查明產(chǎn)生故障的原因，用更換模塊的方法迅速地排除故障。

1.3可編程序控制器的功能和應(yīng)用

1.開關(guān)邏輯和順序控制這是PLC應(yīng)用最廣泛、最基本的場(chǎng)合。它的主要功能是完成開關(guān)邏輯運(yùn)算和進(jìn)行順序邏輯控制，從而實(shí)現(xiàn)各種簡(jiǎn)單或十分復(fù)雜的控制要求。

2.模擬控制在工業(yè)生產(chǎn)過程中，許多連續(xù)變化的需要進(jìn)行控制的物理量，如溫度、壓力、流量、液位、等，這些都屬于模擬量。為了實(shí)現(xiàn)工業(yè)領(lǐng)域?qū)δM量控制的廣泛要求，目前大部分PLC產(chǎn)品都具備處理這類模擬量的功能。特別是當(dāng)系統(tǒng)中模擬量控制點(diǎn)數(shù)不多，同時(shí)混有較多的開關(guān)量時(shí)，PLC具有其他控制裝置所無法比擬的優(yōu)勢(shì)。另外，某些PLC產(chǎn)品還提供了典型控制策略模塊，如PID模塊，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的PID等反饋或其他模擬量的控制運(yùn)算。

3.定時(shí)控制PLC具有很強(qiáng)的定時(shí)、計(jì)數(shù)功能，它可以為用戶提供數(shù)十甚至上百個(gè)定時(shí)器與計(jì)數(shù)器。對(duì)于定時(shí)器，其時(shí)間間隔可以由用戶加以設(shè)定。對(duì)于計(jì)數(shù)器，如果需要對(duì)頻率較高的信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，則可以選擇高速計(jì)數(shù)器。

4.數(shù)據(jù)處理新型PLC都具有數(shù)據(jù)處理的能力，它不僅能進(jìn)行算數(shù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送，而且還能進(jìn)行數(shù)據(jù)比較、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)顯示打印等功能。有些PLC還可以進(jìn)行浮點(diǎn)運(yùn)算和函數(shù)運(yùn)算。

5.信號(hào)聯(lián)鎖系統(tǒng)信號(hào)聯(lián)鎖是安全生產(chǎn)所必須的。在信號(hào)聯(lián)鎖系統(tǒng)中，采用高可靠的PLC是安全生產(chǎn)的需要。對(duì)安全要求高的的系統(tǒng)還可采用多重的檢出元件和連鎖系統(tǒng)，而對(duì)其中的邏輯運(yùn)算等，可采用冗余的PLC實(shí)現(xiàn)。

6.通信聯(lián)網(wǎng)把PLC作為下位機(jī)，與上位機(jī)或同級(jí)的可編程序控制器進(jìn)行通信，可完成數(shù)據(jù)的處理和信息的交換，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)生產(chǎn)過程的信息控制和管理，因此PLC是實(shí)現(xiàn)工廠自動(dòng)化的思想工業(yè)控制器。1.1.4分類

1.從結(jié)構(gòu)上可編程序控制器從結(jié)構(gòu)上可分為整體式和模塊式。2.從規(guī)模上按PLC的輸入輸出點(diǎn)數(shù)可分為小型、中型和大型。

返回本節(jié)為了適應(yīng)不同工業(yè)生產(chǎn)過程的應(yīng)用要求，可編程序控制器能夠處理的輸入/輸出信號(hào)數(shù)是不一樣的。一般將一路信號(hào)叫做一個(gè)點(diǎn)，將輸入點(diǎn)數(shù)和輸出點(diǎn)數(shù)的總和稱為機(jī)器的點(diǎn)。按照點(diǎn)數(shù)的多少，可將PLC分為超?。ㄎⅲ?、小、中、大、超大、等五種類型。（1）超小型PLC：I/O點(diǎn)數(shù)小于64點(diǎn)，內(nèi)存容量為256B~1KB.

（2）小型PLC:I/O點(diǎn)數(shù)為65~128點(diǎn)，內(nèi)存容量為1~3.6KB。小型及超小型PLC在結(jié)構(gòu)上一般是一體化整體式的，主要用于中等容量的開關(guān)量控制，具有邏輯運(yùn)算、定時(shí)、計(jì)數(shù)、順序等功能。（3）中型PLC：I/O點(diǎn)數(shù)范圍為129~512點(diǎn)，內(nèi)存容量為3.6~13KB。中型PLC除具有小型、超小型PLC的功能外，還添加了數(shù)據(jù)處理能力，適用于小規(guī)模的綜合控制系統(tǒng)。（4）大型PLC：I/O點(diǎn)數(shù)范圍為513~896點(diǎn)，內(nèi)存容量為13KB以上。（5）超大型PLC：I/O點(diǎn)數(shù)為896點(diǎn)以上，內(nèi)存容量為13KB以上。上述劃分方式方式并不嚴(yán)格，也不是一成不變的。隨著PLC的不斷發(fā)展，劃分標(biāo)準(zhǔn)已有過多次的修改。1.2結(jié)構(gòu)和工作原理

1.2.1結(jié)構(gòu)

1.2.2工作原理

返回本章首頁1.2.1結(jié)構(gòu)

PLC專為工業(yè)場(chǎng)合設(shè)計(jì)，采用了典型的計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)，主要是由CPU、電源、存儲(chǔ)器和專門設(shè)計(jì)的輸入輸出接口電路等組成。圖1.1為一典型PLC結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。圖1.1結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖1.中央處理單元

中央處理單元（CPU）一般由控制器、運(yùn)算器和寄存器組成，這些電路都集成在一個(gè)芯片上。

CPU的主要功能：1）從存儲(chǔ)器中讀取指令

2）執(zhí)行指令3）順序取指令4）處理中斷2.存儲(chǔ)器

1）只讀存儲(chǔ)器

2）隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM

3.輸入輸出單元

（1）輸入接口電路

（2）輸出接口電路

通常PLC的輸入類型可以是直流、交流。輸入電路的電源可由外部供給，有的也可由PLC內(nèi)部提供。圖1.2和圖1.3分別為一種型號(hào)PLC的直流和交流輸入接口電路的電路圖，采用的是外接電源。圖1.2描述了一個(gè)輸入點(diǎn)的接口電路。其輸入電路的一次電路與二次電路用光耦合器相連，當(dāng)行程開關(guān)閉合時(shí)，輸入電路和一次電路接通，上面的發(fā)光管用于對(duì)外顯示，同時(shí)光耦合器中的發(fā)光管使三極管導(dǎo)通，信號(hào)進(jìn)入內(nèi)部電路，此輸入點(diǎn)對(duì)應(yīng)的位由0變?yōu)?。即輸入映像寄存器的對(duì)應(yīng)位由0變?yōu)?。圖1.2直流輸入電路圖圖1.3交流輸入電路圖返回本節(jié)模擬量輸入單元：模擬量輸入在過程控制中的應(yīng)用很廣，如常用的溫度、壓力、速度、流量、酸堿度、位移的各種工業(yè)檢測(cè)都是對(duì)應(yīng)于壓力、電流的模擬量值，在通過一定的運(yùn)算（PID）后，控制生產(chǎn)過程達(dá)到一定的目的。模擬量輸入電平大多是從傳感器通過變換后得到的，模擬量的輸入信號(hào)為4~20mA的電流信號(hào)或1~5V、-10~10V、0~10V的直流電壓信號(hào)。輸入模塊接收這種模擬信號(hào)之后，把它轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)，送給中央處理器進(jìn)行處理，因此模擬量輸入模塊又叫A/D轉(zhuǎn)換輸入模塊?？傊?，模擬量輸入單元的作用是把現(xiàn)場(chǎng)連續(xù)變化的模擬量標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)轉(zhuǎn)換成PLC內(nèi)部處理的、由若干位表示的數(shù)字信號(hào)。模擬量輸入單元一般由濾波、A/D轉(zhuǎn)換器、光耦合器隔離等部分組成。其原理框圖如圖2.5所示。模擬量輸入單元沒有電壓信號(hào)和電流信號(hào)輸入端。輸入信號(hào)通過濾波、運(yùn)算放大和量程變換，轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成A/D轉(zhuǎn)換器能夠接受的電壓范圍，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器后的數(shù)字信號(hào)，再經(jīng)光耦合器隔離后進(jìn)入PLC的內(nèi)部電路。根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換的分辨率不同，模擬量輸入單元能提供8位、10位、12位、或16位等精度的各種位數(shù)的數(shù)字量信號(hào)并傳送給PLC進(jìn)行處理。模擬量輸出單元：它的作用是把CPU運(yùn)算處理后的若干位數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量信號(hào)后輸出，以滿足生產(chǎn)過程連續(xù)信號(hào)的控制要求。模擬量輸出單元一般由光耦合器隔離、D/A轉(zhuǎn)換器和信號(hào)轉(zhuǎn)換等部分組成，其原理框圖如圖2.6所示。模擬量輸出模塊是將中央處理器的二進(jìn)制信號(hào)轉(zhuǎn)換成4~20mA的電流輸出信號(hào)或0~10V、1~5V的電壓輸出信號(hào)，以供