掌握可編程控制器的工作原理了解PLC的編程語(yǔ)言

主編：黃云龍副主編：郁煒吳國(guó)強(qiáng)審閱：陳國(guó)定制作：廖東進(jìn)出版：科學(xué)出版社

2007年1月《可編程控制器》教育部普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材第1章可編程控制器概論

1.1可編程控制器的產(chǎn)生、特點(diǎn)、現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)1.2PLC的基本結(jié)構(gòu)和工作原理1.3PLC的主要性能指標(biāo)1.4PLC的編程語(yǔ)言本章要點(diǎn)

1．理解可編程控制器的基本結(jié)構(gòu)，掌握可編程控制器的工作原理、了解PLC的編程語(yǔ)言。

2．了解PLC的主要技術(shù)性能指標(biāo)、掃描工作方式和PLC的響應(yīng)時(shí)間。本章難點(diǎn)

1．可編程控制器基本結(jié)構(gòu)的理解。

2．各種編程語(yǔ)言的理解。

3．掃描工作方式和響應(yīng)時(shí)間的理解。

1.1可編程控制器的產(chǎn)生、特點(diǎn)、現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)

本節(jié)主要介紹

PLC的產(chǎn)生

PLC的特點(diǎn)

PLC的現(xiàn)狀

PLC的發(fā)展趨勢(shì)可編程控制器（ProgrammableController）簡(jiǎn)稱PC(PLC)1.1.1PLC的產(chǎn)生

1968年美國(guó)通用汽車公司（GM）提出了研制新型邏輯順序控制裝置的十項(xiàng)招標(biāo)指標(biāo)：

①編程方便，可現(xiàn)場(chǎng)修改程序；②維修方便，采用模塊化結(jié)構(gòu)；③可靠性高于繼電器控制裝置；④體積小于繼電器控制裝置；⑤數(shù)據(jù)可直接送入管理計(jì)算機(jī)；⑥成本可與繼電器控制裝置競(jìng)爭(zhēng)；⑦輸入可以是交流115V；⑧輸出為交流115V，2A以上，能直接驅(qū)動(dòng)電磁閥，接觸器等；⑨在擴(kuò)展時(shí)，原系統(tǒng)只要很小變更；⑩用戶程序存儲(chǔ)器容量至少能擴(kuò)展到4K。這些要求實(shí)際上提出了將繼電器控制的簡(jiǎn)單易懂、使用方便、價(jià)格低的優(yōu)點(diǎn)與計(jì)算機(jī)的功能完善、靈活性、通用性好的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來，將繼電接觸控制的硬連線邏輯轉(zhuǎn)變?yōu)橛?jì)算機(jī)的軟件邏輯編程的設(shè)想。1.1.2PLC的特點(diǎn)

定義：可編程控制器是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為工業(yè)環(huán)境而設(shè)計(jì)。它采用了可編程序的存儲(chǔ)器，用來在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令并通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程?？删幊炭刂破骷捌溆嘘P(guān)外圍設(shè)備，都按易于與工業(yè)系統(tǒng)聯(lián)成一個(gè)整體、易于擴(kuò)充其功能的原則設(shè)計(jì)。

PLC的主要特點(diǎn)是：1．可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)

PLC是專為工業(yè)環(huán)境設(shè)計(jì)的，其可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)，其平均故障間隔時(shí)間可達(dá)5年以上，主要體現(xiàn)在：①對(duì)元器件進(jìn)行嚴(yán)格篩選和老化，I/O接口電路采用光電隔離；②結(jié)構(gòu)上考慮耐熱、防潮、防塵和抗震的要求；③硬件上采用隔離、屏蔽、濾波和接地等措施；④軟件上采用數(shù)字濾波等抗干擾和故障診斷措施；⑤工作方式采用循環(huán)掃描方式。2．功能完善

PLC除基本邏輯處理功能外，配合特殊的功能模塊可用于數(shù)字控制領(lǐng)域，并可實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通訊。3．易操作 ①程序輸入和更改方便； ②多種程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言可供使用； ③自診斷功能使維修方便。4．靈活性和可擴(kuò)展性強(qiáng)

PLC的靈活性表現(xiàn)在下列三個(gè)方面：

①采用的編程語(yǔ)言有梯形圖、布爾助記符、菜單圖、功能模塊圖和語(yǔ)言描述編程語(yǔ)言，只要掌握其中一種語(yǔ)言就可以進(jìn)行編程；②根據(jù)應(yīng)用規(guī)模的不斷擴(kuò)展，即可進(jìn)行容量的擴(kuò)展、功能的擴(kuò)展、應(yīng)用和控制范圍的擴(kuò)展；③設(shè)計(jì)、編程和安裝的工作量減少，易實(shí)現(xiàn)過程監(jiān)視和控制。1.1.3PLC的現(xiàn)狀

PLC產(chǎn)品可按地域分成三大流派：美國(guó)產(chǎn)品：代表性廠商有A-B公司、通用電氣（GE）公司、莫迪康（MODICON）公司、德州儀器（TI）公司、西屋公司等。其中A-B公司是美國(guó)最大的PLC制造商，其產(chǎn)品約占美國(guó)PLC市場(chǎng)的一半。

歐洲產(chǎn)品：代表性廠商有德國(guó)的西門子（SIEMENS）公司、AEG公司、法國(guó)的TE公司是歐洲著名的PLC制造商。德國(guó)的西門子的電子產(chǎn)品以性能精良而久負(fù)盛名。在中、大型PLC產(chǎn)品領(lǐng)域與美國(guó)的A-B公司齊名。

日本產(chǎn)品：日本的小型PLC最具特色，在小型機(jī)領(lǐng)域中頗具盛名，某些用歐美的中型機(jī)或大型機(jī)才能實(shí)現(xiàn)的控制，日本的小型機(jī)就可以解決。在開發(fā)較復(fù)雜的控制系統(tǒng)方面明顯優(yōu)于歐美的小型機(jī)，所以格外受用戶歡迎。日本有許多PLC制造商，如三菱、歐姆龍、松下、富士、日立、東芝等，在世界小型PLC市場(chǎng)上，日本產(chǎn)品約占有70％的份額。

我國(guó)PLC產(chǎn)品:

我國(guó)有許多廠家、科研院所從事PLC的研制與開發(fā)，如中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所的PLC-0088，北京聯(lián)想計(jì)算機(jī)集團(tuán)公司的GK-40，上海機(jī)床電器廠的CKY-40，上海起重電器廠的CF-40MR/ER，蘇州電子計(jì)算機(jī)廠的YZ-PC-001A，原機(jī)電部北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化研究所的MPC-00l/20、KB-20/40，杭州機(jī)床電器廠的DKK02，天津中環(huán)自動(dòng)化儀表公司的DJK-S-84/86/480，上海自立電子設(shè)備廠的KKI系列，上海香島機(jī)電制造有限公司的ACMY-S80、ACMY-S256，無(wú)錫華光電子工業(yè)有限公司（合資）的SR-10、SR-20/21等。1.1.4PLC的發(fā)展趨勢(shì)

目前，PLC技術(shù)正在不斷地向綜合性的工業(yè)控制發(fā)展。隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，未來PLC將朝兩極化、多功能、智能化和網(wǎng)絡(luò)化的模式方向發(fā)展。1．向高速度、大容量方向發(fā)展2．向超大型、超小型兩個(gè)方向發(fā)展3．PLC大力開發(fā)智能模塊，加強(qiáng)聯(lián)網(wǎng)通信能力4．增強(qiáng)外部故障的檢測(cè)與處理能力5．編程語(yǔ)言多樣化1.2PLC的基本結(jié)構(gòu)和工作原理

1.2.1PLC的基本結(jié)構(gòu)中央處理單元（CPU）它按照PLC系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存儲(chǔ)從編程器鍵入的用戶程序和數(shù)據(jù)。檢查電源、存儲(chǔ)器、I/O以及警戒定時(shí)器的狀態(tài)，并能診斷用戶程序中的語(yǔ)法錯(cuò)誤。存儲(chǔ)空間：①系統(tǒng)程序存儲(chǔ)區(qū):存放著相當(dāng)于計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)的系統(tǒng)程序②系統(tǒng)RAM存儲(chǔ)區(qū)（包括I/O映象區(qū)以及各類軟設(shè)備)③用戶程序存儲(chǔ)區(qū)：存放用戶編制的用戶程序PLC存儲(chǔ)空間電源部分存儲(chǔ)器類型：①RAM②EPROM③EEPROM1.2.2PLC的工作原理

早期的PLC與傳統(tǒng)由繼電器接觸器構(gòu)成的控制裝置的區(qū)別：（1）繼電器控制裝置采用硬邏輯并行運(yùn)行的方式（2）PLC的CPU則采用順序邏輯掃描用戶程序的運(yùn)行方式考慮到繼電器控制裝置各類觸點(diǎn)的動(dòng)作時(shí)間一般在100ms以上，而PLC掃描用戶程序的時(shí)間一般均小于100ms，因此，PLC采用了一種不同于一般微型計(jì)算機(jī)的運(yùn)行方式——掃描技術(shù)。（3）掃描技術(shù)工作過程一般分為三個(gè)階段，即輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新三個(gè)階段。完成上述三個(gè)階段稱作一個(gè)掃描周期。在整個(gè)運(yùn)行期間，PLC的CPU以一定的掃描速度重復(fù)執(zhí)行上述三個(gè)階段。PLC的掃描工作周期

①輸入采樣階段

PLC以掃描方式依次地讀入所有輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并將它們存入I/O映象區(qū)中的相應(yīng)單元內(nèi)。輸入采樣結(jié)束后，轉(zhuǎn)入用戶程序執(zhí)行和輸出刷新階段。在這兩個(gè)階段中，即使輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)發(fā)生變化，I/O映象區(qū)中的相應(yīng)單元的狀態(tài)和數(shù)據(jù)也不會(huì)改變。因此，如果輸入是脈沖信號(hào)，則該脈沖信號(hào)的寬度必須大于一個(gè)掃描周期，才能保證在任何情況下，該輸入均能被讀入。PLC的掃描工作周期

PLC順序依次地掃描用戶程序（梯形圖），然后根據(jù)邏輯運(yùn)算的結(jié)果，刷新該邏輯線圈在系統(tǒng)RAM存儲(chǔ)區(qū)中對(duì)應(yīng)位的狀態(tài)；或者刷新該輸出線圈在I/O映象區(qū)中對(duì)應(yīng)位的狀態(tài)；或者確定是否要執(zhí)行該梯形圖所規(guī)定的特殊功能指令。

②用戶程序執(zhí)行階段PLC的掃描工作周期當(dāng)掃描用戶程序結(jié)束后，PLC就進(jìn)入輸出刷新階段。CPU按照I/O映象區(qū)內(nèi)對(duì)應(yīng)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)刷新所有的輸出鎖存電路，再經(jīng)輸出電路驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的外設(shè)。這時(shí)，才是PLC的真正輸出。一般來說，PLC的掃描周期還包括自診斷、通訊等，即一個(gè)掃描周期等于自診斷、通訊、輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新等所有時(shí)間的總和。。③輸出刷新階段（4）PLC的I/O響應(yīng)時(shí)間光電隔離等技術(shù)掃描技術(shù)

PLC的I/O響應(yīng)比一般微型計(jì)算機(jī)構(gòu)成的工業(yè)控制系統(tǒng)慢的多，其響應(yīng)時(shí)間至少等于一個(gè)掃描周期，一般均大于一個(gè)掃描周期甚至更長(zhǎng)。1.3PLC的主要性能指標(biāo)

1．輸入／輸出點(diǎn)數(shù):2．掃描速度:3．存儲(chǔ)器容量：4．編程語(yǔ)言：

PLC采用梯形圖、布爾助記符、菜單圖、功能模塊圖和語(yǔ)言描述等編程語(yǔ)言。不同的PLC產(chǎn)品可能擁有其中一種、兩種或全部的編程方式。5．指令功能

指令種類越多，則其軟件的功能就越強(qiáng)，使用這些指令完成一定的控制目的就越容易。此外，PLC的可擴(kuò)展性、使用條件、可靠性、易操作性及經(jīng)濟(jì)性等性能指標(biāo)也是用戶在選擇PLC時(shí)須注意的指標(biāo)。表示PLC組成控制系統(tǒng)時(shí)可能的最大規(guī)模。掃描速度是指PLC執(zhí)行用戶程序的速度。包括系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器、用戶程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。程序指令是按“步”存放的，一“步”占用一個(gè)地址單元，一個(gè)地址單元一般占用兩個(gè)字節(jié)。1.4PLC的編程語(yǔ)言

PLC中有多種程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，它們是梯形圖語(yǔ)言、布爾助記符語(yǔ)言、菜單圖語(yǔ)言、功能模塊圖語(yǔ)言及結(jié)構(gòu)化語(yǔ)句描述語(yǔ)言等。梯形圖語(yǔ)言和布爾助記符語(yǔ)言是基本程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，它們通常由一系列指令組成，用這些指令可以完成大多數(shù)簡(jiǎn)單的控制功能。菜單圖語(yǔ)言和語(yǔ)句描述語(yǔ)言是高級(jí)的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，它可根據(jù)需要去執(zhí)行更有效的操作。功能模塊圖語(yǔ)言采用功能模塊圖的形式，通過軟連接的方式完成所要求的控制功能，它不僅在PLC中得到了廣泛的應(yīng)用，在集散控制系統(tǒng)的編程和組態(tài)時(shí)也常常被采用，由于它具有連接方便、操作簡(jiǎn)單和易于掌握等特點(diǎn)，為廣大工程設(shè)計(jì)和應(yīng)用人員所喜愛。1.4.1梯形圖語(yǔ)言

梯形圖語(yǔ)言是用梯形圖的圖形符號(hào)來描述程序的一種程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言。這種程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言采用因果關(guān)系來描述事件發(fā)生的條件和結(jié)果。每個(gè)梯級(jí)是一個(gè)因果關(guān)系，在梯級(jí)中，描述事件發(fā)生的條件表示在左面，事件發(fā)生的結(jié)果表示在右面。梯形圖程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言的特點(diǎn)是：（1）與電氣操作原理圖相對(duì)應(yīng)，具有直觀性和對(duì)應(yīng)性。（2）與原有繼電器邏輯控制技術(shù)相一致，對(duì)電氣技術(shù)人員來說，易于掌握和學(xué)習(xí)（3）與原有的繼電器邏輯控制技術(shù)的不同點(diǎn)是，梯形圖中的能流（PowerFlow）不是實(shí)際意義的電流，內(nèi)部的繼電器也不是實(shí)際存在的繼電器。因此，應(yīng)用時(shí)需與原有繼電器邏輯控制技術(shù)的有關(guān)概念區(qū)別對(duì)待。（4）與布爾助記符程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，便于相互的轉(zhuǎn)換和程序的檢查。

1.4.2布爾助記符語(yǔ)言

布爾助記符語(yǔ)言是用布爾助記符來描述程序的一種程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，它與計(jì)算機(jī)中的匯編語(yǔ)言非常相似，采用布爾助記符來表示操作功能。布爾助記符程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言具有下列特點(diǎn)：（1）采用助記符來表示操作功能，具有容易記憶，便于掌握的特點(diǎn)。（2）在編程器的鍵盤上采用助記符表示，具有便于操作的特點(diǎn)，可在無(wú)計(jì)算機(jī)的場(chǎng)合進(jìn)行編程設(shè)計(jì)。（3）與梯形圖有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，其特點(diǎn)與梯形圖語(yǔ)言基本類同。

PLC是一種標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)設(shè)備，經(jīng)過近40年的發(fā)展，制造廠商眾多，產(chǎn)品不斷更新，功能不斷強(qiáng)大。就其工作原理而言，有許多共同之處。1．PLC是專為工業(yè)環(huán)境設(shè)計(jì)的，其可靠性高，功能強(qiáng)大，簡(jiǎn)便易學(xué)，適用面廣。特別適合工程技術(shù)人員使用。2．PLC的不斷發(fā)展和其所具有的一系列優(yōu)點(diǎn)，使其從簡(jiǎn)單的開關(guān)量控制發(fā)展到模擬量、數(shù)字量控制，并不斷向多功能、大容量、大規(guī)模及網(wǎng)絡(luò)