可編程控制器的基本知識-哈爾濱理工大學

哈爾濱理工大學PLC電氣控制與組態(tài)設計第一章可編程控制器的基本知識12/27/20241

可編程序控制器問世于1969年。是美國汽車制造工業(yè)激烈競爭的結(jié)果。更新汽車型號必然要求加工生產(chǎn)線改變。正是從汽車制造業(yè)開始了對傳統(tǒng)繼電器控制的挑戰(zhàn)。1968年美國GeneralMotors公司，要求制造商為其裝配線提供一種新型的通用程序控制器，并提出10項招標指標。這就是著名的GM10條。第一章可編程控制器的基本知識第一節(jié)可編程控制器的產(chǎn)生和發(fā)展一、可編程控制器的產(chǎn)生12/27/20242編程簡單，可在現(xiàn)場修改程序；可靠性高于繼電器控制柜；體積小于繼電器控制柜；維護方便，最好是插件式；可將數(shù)據(jù)直接送入管理計算機；在成本上可與繼電器控制柜競爭；輸入可以是交流115V；輸出為交流115V、2A以上，能直接驅(qū)動電磁閥等；在擴展時，原系統(tǒng)只需很小變更；用戶程序存貯器容量至少能擴展到4K。GM10條是可編程序控制器出現(xiàn)的直接原因：12/27/20243可編程控制器的發(fā)展及定義

1969年，美國數(shù)據(jù)設備公司(DEC)研制出世界上第一臺可編程控制器，并成功地應用在GM公司的生產(chǎn)線上。這一時期它主要用于順序控制，只能進行邏輯運算，故稱為可編程邏輯控制器，簡稱PLC(ProgrammableLogicController)。

70年代后期，隨著微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展，使PLC從開關(guān)量的邏輯控制擴展到數(shù)字控制及生產(chǎn)過程控制領(lǐng)域，真正成為一種電子計算機工業(yè)控制裝置，故稱為可編程控制器，簡稱PC(ProgrammableController)。但由于PC容易和個人計算機(PersonalComputer)相混淆，故人們?nèi)粤晳T地用PLC作為可編程控制器的縮寫。12/27/20244

1985年1月國際電工委員會的定義：“可編程序控制器是一種數(shù)字運算的電子系統(tǒng)，專為工業(yè)環(huán)境下應用而設計。它采用可編程序的存儲器，用來在內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作的指令，并通過數(shù)字式、模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程?？删幊绦蚩刂破骷捌溆嘘P(guān)設備，都應按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)聯(lián)成一個整體，易于擴充的原則設計”。12/27/20245PLC與傳統(tǒng)的繼電器邏輯相比

可靠性高、邏輯功能強、體積小。在需要大量中間繼電器、時間繼電器及計數(shù)繼電器的場合，PLC無需增加硬設備。隨著要求的變更PLC對程序修改方便。繼電器線路要想改變控制功能，必須變更硬接線，靈活性差。

具有網(wǎng)絡通訊功能，可附加高性能模塊對模擬量進行處理，實現(xiàn)各種復雜控制功能。12/27/20246PLC與工業(yè)控制計算機相比PLC繼承了繼電器系統(tǒng)的基本格式和習慣，對于有繼電器系統(tǒng)方面知識和經(jīng)驗的人來說，尤其是現(xiàn)場的技術(shù)人員，學習起來十分方便。PLC一般是由電氣控制器的制造廠家研制生產(chǎn)，各廠家的產(chǎn)品不通用。工業(yè)控制機是由通用計算機推廣應用發(fā)展起來的，一般由微機廠、芯片及板卡制造廠開發(fā)生產(chǎn)。它在硬件結(jié)構(gòu)方面的突出優(yōu)點是總線標準化程度高，產(chǎn)品兼容性強。PLC的運行方式與工業(yè)控制機不同，微機的許多軟件不能直接使用。工業(yè)控制機可使用通用微機的各種編程語言，對要求快速、實時性強、模型復雜的工業(yè)對象的控制占有優(yōu)勢。但它要求使用者具有一定的計算機專業(yè)知識。12/27/20247PLC和工業(yè)控制機都是專為工業(yè)現(xiàn)場應用環(huán)境而設計的。都具有很高的可靠性。PLC一般具有模塊結(jié)構(gòu)，可以針對不同的對象進行組合和擴展。12/27/20248

第二節(jié)可編程控制器的基本結(jié)構(gòu)PLC的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)12/27/20249PLC各部分的作用

CPU診斷PLC電源、內(nèi)部電路的工作狀態(tài)及編制程序中的語法錯誤。采集現(xiàn)場的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并送人PLC的寄存器中。逐條讀取指令，完成各種運算和操作。將處理結(jié)果送至輸出端。響應各種外部設備的工作請求。12/27/202410PLC各部分的作用存儲器

系統(tǒng)程序存儲器：用以存放系統(tǒng)管理程序、監(jiān)控程序及系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)。PLC出廠前已將其固化在只讀存儲器ROM或PROM中，用戶不能更改。用戶存儲器：包括用戶程序存儲區(qū)及工作數(shù)據(jù)存儲區(qū)。這類存儲器一般由低功耗的CMOS-RAM構(gòu)成，其中的存儲內(nèi)容可讀出并更改。注意：

PLC產(chǎn)品手冊中給出的“存儲器類型”和“程序容量”是針對用戶程序存儲器而言的。12/27/202411PLC各部分的作用輸入輸出接口電路輸入接口電路：采用光電耦合電路，將限位開關(guān)、手動開關(guān)、編碼器等現(xiàn)場輸入設備的控制信號轉(zhuǎn)換成CPU所能接受和處理的數(shù)字信號。

PLC的輸入接口電路（直流輸入型）

12/27/202412PLC各部分的作用輸出接口電路：采用光電耦合電路，將CPU處理過的信號轉(zhuǎn)換成現(xiàn)場需要的強電信號輸出，以驅(qū)動接觸器、電磁閥等外部設備的通斷電。有三種類型：

繼電器輸出型繼電器輸出型：為有觸點輸出方式，用于接通或斷開開關(guān)頻率較低的直流負載或交流負載回路。12/27/202413（b）晶閘管輸出型（c）晶體管輸出型（NPN集電極開路）（d）

晶體管輸出型（PNP集電極開路）晶體管輸出型：為無觸點輸出方式，用于接通或斷開開關(guān)頻率較高的直流電源負載。晶閘管輸出型：為無觸點輸出方式，用于接通或斷開開關(guān)頻率較高的交流電源負載。12/27/202414電源

PLC的電源是指將外部輸入的交流電處理后轉(zhuǎn)換成滿足PLC的CPU、存儲器、輸人輸出接口等內(nèi)部電路工作需要的直流電源電路或電源模塊。許多PLC的直流電源采用直流開關(guān)穩(wěn)壓電源，不僅可提供多路獨立的電壓供內(nèi)部電路使用，而且還可為輸入設備提供標準電源。

12/27/202415手持編程器

手持編程器采用助記符語言編程，具有編輯、檢索、修改程序、進行系統(tǒng)設置、內(nèi)存監(jiān)控等功能?？梢粰C多用，具有使用方便、價格低廉的特點。缺點：不夠直觀可通過PLC的RS232外設通訊口(或RS422口配以適配器)與計算機聯(lián)機，利用專用工具軟件（NPST－GR、FPSOFT、FPWIN－GR）對PLC進行編程和監(jiān)控。利用計算機進行編程和監(jiān)控比手持編程工具更加直觀和方便。12/27/202416輸入輸出I／0擴展接口

若主機單元的I／O點數(shù)不能滿足需要時，可通過此接口用扁平電纜線將I／O擴展單元與主機相連，以增加I／O點數(shù)。PLC的最大擴展能力主要受CPU尋址能力和主機驅(qū)動能力的限制。

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第三節(jié)可編程控制器的原理及技術(shù)性能PLC的基本工作原理

微機：等待命令的工作方式

PLC：循環(huán)掃描的工作方式

CPU從第一條指令開始按指令步序號作周期性的循環(huán)掃描，如果無跳轉(zhuǎn)指令,則從第一條指令開始逐條順序執(zhí)行用戶程序，直至遇到結(jié)束符后又返回第一條指令，周而復始不斷循環(huán)，每一個循環(huán)稱為一個掃描周期。12/27/202418

一個掃描周期主要分為三個階段：

輸入刷新階段程序執(zhí)行階段輸出刷新階段輸入刷新程序執(zhí)行輸出刷新一個掃描周期輸入刷新PLC的掃描工作過程用戶輸出設備輸入端子輸入鎖存器輸入映象寄存器輸出映象寄存器輸出鎖存器輸出端子程序執(zhí)行用戶輸入設備寫讀讀12/27/202419PLC的基本工作原理由于輸入刷新階段是緊接輸出刷新階段后馬上進行的，所以亦將這兩個階段統(tǒng)稱為I／O刷新階段。實際上，除了執(zhí)行程序和I／O刷新外，PLC還要進行各種錯誤檢測(自診斷功能)并與編程工具通訊，這些操作統(tǒng)稱為“監(jiān)視服務”。

掃描周期的長短主要取決于程序的長短。由于每一個掃描周期只進行一次I／0刷新，故使系統(tǒng)存在輸入、輸出滯后現(xiàn)象。這對于一般的開關(guān)量控制系統(tǒng)不但不會造成影響，反而可以增強系統(tǒng)的抗干擾能力。但對于控制時間要求較嚴格、響應速度要求較快的系統(tǒng)，就需要精心編制程序，必要時采用一些特殊功能，以減少因掃描周期造成的響應滯后。12/27/202420PLC的主要技術(shù)指標輸入／輸出點數(shù)（I/O點數(shù)）內(nèi)存容量注意：

“內(nèi)存容量”實際是指用戶程序容量，不包括系統(tǒng)程序存儲器的容量。

掃描速度(單位：ms／k或μs/步。)指令條數(shù)內(nèi)部繼電器和寄存器數(shù)目編程語言及編程手段高級模塊主控模塊可實現(xiàn)基本控制功能，高級模塊可實現(xiàn)一些特殊的專門功能。如A／D和D／A轉(zhuǎn)換模塊等。

12/27/202421PLC的內(nèi)存分配及I／O點數(shù)I／0繼電器區(qū)：

I／0區(qū)的寄存器可直接與PLC外部的輸入、輸出端子傳遞信息，具有“繼電器”的功能，有自己的“線圈”和“觸點”。故常稱為“I／0繼電器區(qū)”。內(nèi)部通用繼電器區(qū)：只能在PLC內(nèi)部使用，其作用與中間繼電器相似，在程序控制中可存放中間變量。數(shù)據(jù)寄存器區(qū)：只能按字使用，不能按位使用。一般只用來存放各種數(shù)據(jù)。

特殊繼電器、寄存器區(qū)：被系統(tǒng)內(nèi)部占用，專門用于某些特殊目的，一般不能由用戶任意占用。

系統(tǒng)寄存器區(qū)：用來存放各種重要信息和參數(shù)。通過用戶程序，不能讀取和修改系統(tǒng)寄存器的內(nèi)容。

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第四節(jié)PLC的分類及功能PLC的分類按結(jié)構(gòu)形式分類整體式模塊式按功能分類低檔機中檔機高檔機分類I／0點數(shù)程序容量超小型機64點以內(nèi)256～1000字節(jié)小型機64～2561～3.6K字節(jié)中型機256～20483.6～13K字節(jié)大型機2048以上13K字節(jié)以上3.

按I／O點數(shù)和程序容量分類12/27/202423PLC的主要功能條件控制功能定時／計數(shù)控制功能

數(shù)據(jù)處理功能步進控制功能A／D與D／A轉(zhuǎn)換功能

運動控制功能過程控制功能擴展功能遠程I／0功能通信聯(lián)網(wǎng)功能監(jiān)控功能12/27/202424

第五節(jié)PLC的特點、應用場合和發(fā)展趨勢PLC的主要特點可靠性高、抗干擾能力強。主要有以下幾個方面：隔離(采用光電耦合器

)濾波對PLC的內(nèi)部電源采取了屏蔽、穩(wěn)壓、保護等措施。設置了連鎖、環(huán)境檢測與診斷、Watchdog等電路。利用系統(tǒng)軟件定期進行系統(tǒng)狀態(tài)、用戶程序、工作環(huán)境和故障檢測。對用戶程序及動態(tài)工作數(shù)據(jù)進行電池備份。采用密封、防塵、抗振的外殼封裝結(jié)構(gòu)。以集成電路為基本元件，內(nèi)部處理過程不依賴于機械觸點。采用循環(huán)掃描的工作方式，也提高了抗干擾能力。

12/27/202425可實現(xiàn)三電一體化將電控(邏輯控制)、電儀(過程控制)和電結(jié)(運動控制)集于一體，可以方便、靈活地組合成各種不同規(guī)模和要求的控制系統(tǒng)。編程簡單、使用方便、柔性好體積小、重量輕、功耗低12/27/202426PLC的應用場合邏輯控制

：可取代傳統(tǒng)繼電器系統(tǒng)和順序控制器。如各種機床、自動電梯、裝配生產(chǎn)線、電鍍流水線、運輸和檢測等的控制。運動控制：可用于精密金屬切削機床、機械手、機器人等設備的控制。過程控制

：通過配用A／D、D／A轉(zhuǎn)換模塊及智能PID模塊實現(xiàn)對生產(chǎn)過程中的溫度、壓力、流量、速度等連續(xù)變化的模擬量進行閉環(huán)調(diào)節(jié)控制。數(shù)據(jù)處理

多級控制：利用PLC的網(wǎng)絡通信功能模塊及遠程I／O控制模塊實現(xiàn)多臺PLC之間、PLC與上位計算機的鏈接，以完成較大規(guī)模的復雜控制。

12/27/202427可編程控制器的發(fā)展趨勢在系統(tǒng)構(gòu)成規(guī)模上向大、小兩個方向發(fā)展；功能不斷增強，各種應用模塊不斷推出；產(chǎn)品更加規(guī)范化、標準化。12/27/202428

第六節(jié)PLC的幾種編程語言

不采用微機的編程語言，采用梯形圖語言、指令助記符語言、控制系統(tǒng)流程圖語言、布爾代數(shù)語言等。其中梯形圖、指令助記符語言最為常用。PLC的設計和生產(chǎn)至今尚無國際統(tǒng)一標準，不同廠家所用語言和符號也不盡相同。但它們的梯形圖語言的基本結(jié)構(gòu)和功能是大同小異的。

12/27/202429梯形圖語言

梯形圖是在原繼電器—接觸器控制系統(tǒng)的繼電器梯形圖基礎上演變而來的一種圖形語言。它是目前用得最多的PLC編程語言。

注意：梯形圖表示的并不是一個實際電路而只是一個控制程序，其間的連線表示的是它們之間的邏輯關(guān)系，即所謂“軟接線”。常開觸點：常閉觸點：線圈：

注意：它們并非是物理實體，而是“軟繼電器”。每個“軟繼電器”僅對應PLC存儲單元中的一位。該位狀態(tài)為“1”時，對應的繼電器線圈接通，其常開觸點閉合、常閉觸點斷開；狀態(tài)為“0”時，對應的繼電器線圈不通，其常開、常閉觸點保持原態(tài)。12/27/2024