可編程控制器可編程控制器教材：可編程控制器原理及應(yīng)用(第2版)宮淑貞

徐世許人民郵電出版社2009.4參考書：PLC電氣控制----CPM1A系列和S7-200夏田陳嬋娟等化學(xué)工業(yè)出版社2008.2可編程控制器原理及應(yīng)用實(shí)例張進(jìn)秋等機(jī)械工業(yè)出版社2003

1.1PLC的產(chǎn)生、命名與發(fā)展第一章可編程序控制器的基礎(chǔ)知識

1.2PLC的特點(diǎn)與應(yīng)用1.3PLC的基本組成與各部分的作用1.4PLC的工作原理1.5PLC的編程語言

1.6PLC的性能指標(biāo)與分類第一節(jié)可編程序控制器(PLC)的出現(xiàn)、命名與發(fā)展

1、可編程序控制器(PLC)的出現(xiàn)在PLC出現(xiàn)以前，繼電器控制得以廣泛應(yīng)用，曾在工業(yè)界占主導(dǎo)地位。其明顯缺點(diǎn)是：體積大、可靠性低、查找故障困難，特別是它接線復(fù)雜對工藝變化適應(yīng)性差。這樣汽車的每次改型都必須對繼電器控制重新設(shè)計(jì)和安裝。隨著生產(chǎn)的發(fā)展汽車更新的周期越來越短，使得繼電器控制裝置要經(jīng)常的重新設(shè)計(jì)。十分費(fèi)時(shí)、費(fèi)力、費(fèi)工、費(fèi)料，延長了開發(fā)周期。

1968年，美國最大的汽車制造商通用汽車公司(GM)為了用新的控制裝置取代繼電器控制裝置通用汽車公司在公開招標(biāo)中提出了十項(xiàng)招標(biāo)指標(biāo)．

(1)編程方便，現(xiàn)場可修改程序；(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)可直接送入計(jì)算機(jī)；(6)成本可與繼電器控制裝置競爭；(7)可直接用115V交流輸入；(8)輸出為115v，2A以上，能直接驅(qū)動(dòng)電磁閥、接觸器等(9)通用性強(qiáng)，要能擴(kuò)展；(10)用戶程序存儲(chǔ)器容量可擴(kuò)展到4KB。這實(shí)際上是為未來可編程控制器勾畫出了一個(gè)基本輪廓。1969年美國數(shù)字設(shè)備公司（DEC）根據(jù)招標(biāo)要求，設(shè)計(jì)出世界上第一臺(tái)可編程控制器（當(dāng)時(shí)簡稱PLC：可編程邏輯控制器），僅具有邏輯控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)等功能。20世紀(jì)70年代，微控制技術(shù)應(yīng)用到PLC中，使其又具有了運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳輸和處理功能。后來經(jīng)過不斷發(fā)展功能日趨成熟。

2、可編程序控制器(PLC)的命名和定義可編程控制器是以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的新型工業(yè)控制裝飾，被國際電工委員會(huì)（IEC）命名為：programmablecontroller,因而許多廠商和論文都稱其為PC。1980年，美國電氣制造協(xié)會(huì)（NEMC）正式將其命名為可編程控制器（programmablecontroller--PC）。后來，由于與個(gè)人計(jì)算機(jī)（personalcomputer--PC）名字相同，產(chǎn)生混淆，大家又沿用“PLC”這個(gè)名稱。習(xí)慣而已，從功能上講早已不是原來意義上的PLC。在PLC發(fā)展過程中，曾出現(xiàn)以下不同的名稱：可編程矩陣控制器（programmablematrixcontroller,PMC)

可編程順序控制器（programmablesequencecontroller,PSC)

可編程邏輯控制器（programmablelogiccontroller,PLC)國際電工委員會(huì)(IEC)曾于1982年11月頒布了可編程控制器標(biāo)準(zhǔn)草案第一稿，1985年1月又發(fā)表了第二稿，1987年2月頒布了第三稿．該草案中對可編程控制器的定義是：

可編程控制器是一種進(jìn)行數(shù)字運(yùn)算的電子系統(tǒng)，是專為在工業(yè)環(huán)境下的應(yīng)用而設(shè)計(jì)的工業(yè)控制器．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，控制各種類型機(jī)械的生產(chǎn)過程．可編程控制器及其有關(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)．3、可編程序控制器(PLC)的發(fā)展及趨勢3.1可編程序控制器(PLC)的發(fā)展?fàn)顩r1969年美國制造出第一臺(tái)PLC，其后，日、德、法相繼研制出。20世紀(jì)70年代PLC進(jìn)入實(shí)用化階段，功能并不斷完善；80年代為成熟階段，向大規(guī)模、高速度、高性能方向發(fā)展，產(chǎn)品系列化。

美國發(fā)展最快，著名的制造商有：艾倫--布拉德利公司、莫迪康公司、GE公司、德州儀器公司、西屋電氣公司。歐洲有：西門子、AEG、BBC（德）；TE、LSTOM（法）；Selectron公司（瑞士）。日本有：歐姆龍、三菱電機(jī)、富士電機(jī)、東芝、日立、松下電工。

第一代：從第一臺(tái)可編程序控制器誕生到70年代初期。

第二代：70年代初期到70年代末期

第三代：70年代末期到80年代中期

第四代：80年代中期到90年代中期

第五代：90年代中期至今

我國70年代末、80年代初引進(jìn)PLC，80年代中期于各行業(yè)廣泛應(yīng)用，后來也有PLC生產(chǎn)廠商，規(guī)模不大，多為合資或技術(shù)引進(jìn)。發(fā)展歷程：3.2可編程序控制器(PLC)的發(fā)展趨勢小型PLC向體積縮小、功能增強(qiáng)、速度加快、價(jià)格低廉的方向發(fā)展，使之能更加廣泛地取代繼電器控制。

大中型PLC向大容量、高可靠性、高速度、多功能、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的方向發(fā)展，使之能對大規(guī)模、復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行綜合性的自動(dòng)控制

四大發(fā)展趨勢：高速度、大容量方向發(fā)展。多品種方向發(fā)展和提高可靠性。特別是向超大型和超小型方向發(fā)展。產(chǎn)品更加規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化。現(xiàn)有PLC嚴(yán)重缺點(diǎn)是軟硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的封閉性，用戶將促進(jìn)PLC生產(chǎn)廠商做成兼容的PLC產(chǎn)品。發(fā)展分散型、智能型I/O系統(tǒng)，發(fā)展與現(xiàn)場總線兼容的I/O系統(tǒng)。第二節(jié)可編程序控制器(PLC)的特點(diǎn)與應(yīng)用1、PLC的特點(diǎn)

1、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)

2、編程簡單、使用方便

3、設(shè)計(jì)、安裝容易，維護(hù)工作量少

4、功能完善、通用性強(qiáng)

5、體積小、能耗低

6、性能價(jià)格比高PLC系統(tǒng)的基本特點(diǎn)是：可靠、方便、通用、價(jià)廉．可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)

PLC的平均故障間隔時(shí)間可達(dá)幾十萬小時(shí)。

PLC的循環(huán)掃描工作方式能在很大程度上減少軟故障的發(fā)生

PLC采用了一系列的硬件和軟件的抗干擾措施

除了其良好的綜合設(shè)計(jì)（綜合考慮整體的可靠性）、選用優(yōu)質(zhì)器件和先進(jìn)電源以及先進(jìn)的制造工藝外還具體：硬件方面：

光電隔離措施——有效地抑制了外部干擾源對PLC的影響，同時(shí)還可以防止外部高電壓進(jìn)入CPU模塊．

濾波——對供電系統(tǒng)及輸入線路采用多種形式的濾波，可消除或抑制高頻干擾．屏蔽———可減弱空間電磁干擾。聯(lián)鎖保護(hù)、自診斷電路等．

軟件方面：①設(shè)置故障檢測與診斷程序．

②當(dāng)軟故障條件出現(xiàn)時(shí)，立即把現(xiàn)狀態(tài)重要信息存入指定存儲(chǔ)器，軟硬件配合封閉存儲(chǔ)器，禁止對存儲(chǔ)器進(jìn)行任何不穩(wěn)定的讀寫操作，以防存儲(chǔ)信息被沖掉．這樣，一旦外界環(huán)境正常后，便可恢復(fù)到故障發(fā)生前的狀態(tài)，繼續(xù)原來的程序工作．提高可靠性的措施：

編程簡單、使用方便PLC采用繼電器控制形式的梯形圖編程方式，這是一種面向生產(chǎn)、面向用戶的編程方式，與常用的微機(jī)語言相比形象直觀、容易被操作人員所接受并掌握，不需要專門的計(jì)算機(jī)知識。還可現(xiàn)場操作改變程序，使用方便、靈活。2、PLC的應(yīng)用

(1)開關(guān)量的邏輯控制

(2)位置控制

(3)過程控制

(4)數(shù)據(jù)處理(5)通信聯(lián)網(wǎng)

(6)在計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS)

中的應(yīng)用

第三節(jié)可編程序控制器(PLC)的基本組成及各部分的作用1、PLC的基本組成

PLC實(shí)質(zhì)是一種專用于工業(yè)控制的計(jì)算機(jī)，其硬件結(jié)構(gòu)基本上與微型計(jì)算機(jī)相同.PLC種類繁多,但結(jié)構(gòu)和工作原理大同小異,一般由中央處理單元(CPU)、存儲(chǔ)器、輸入/輸出單元、編程器、電源等部分組成，入圖所示：中央處理單元(CPU)是PLC的控制中樞，類似于人的大腦。根據(jù)PLC的預(yù)定指令完成各種任務(wù)。CPU可以完成以下任務(wù)：

(1)接收并存儲(chǔ)從編程器輸入的用戶程序和數(shù)據(jù)：(2)診斷電源、PLC內(nèi)部電路的工作狀態(tài)和編程的語法錯(cuò)誤：(3)用掃描的方式接收輸入信號，送入PLC的數(shù)據(jù)寄存器保存起來；(4)PLC進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)后，根據(jù)存放的先后順序逐條讀取用戶程序，進(jìn)行解釋和執(zhí)行，完成用戶程序中規(guī)定的各種操作；(5)將用戶程序的執(zhí)行結(jié)果送至輸出端。2、中央處理單元（CPU）3、存儲(chǔ)器PLC存儲(chǔ)器分為三部分：系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器

在系統(tǒng)程序存儲(chǔ)區(qū)中存放著相當(dāng)于計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)的系統(tǒng)程序。包括監(jiān)控程序、管理程序、命令解釋程序、功能子程序、系統(tǒng)診斷子程序等。由制造廠商將其固化在EPROM中，用戶不能直接存取。它和硬件一起決定了該P(yáng)LC的性能。用戶程序存儲(chǔ)器主要用來存儲(chǔ)用戶編寫的程序，輸入輸出狀態(tài)、計(jì)數(shù)、計(jì)時(shí)值以及系統(tǒng)運(yùn)行必要的初始值。一般用戶程序經(jīng)常變動(dòng)，所以程序必須可讀寫，一般還要后備電池進(jìn)行掉電保護(hù)。也有更先進(jìn)的PLC采用隨時(shí)可讀寫的快閃存儲(chǔ)器作為用戶程序存儲(chǔ)器，它一般不需要后備電源。工作數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器用來存儲(chǔ)工作數(shù)據(jù)的，因?yàn)楣ぷ鲾?shù)據(jù)也要經(jīng)常變動(dòng)，故它也要求可讀寫。工作數(shù)據(jù)開辟有元件映象存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)表。元件映象寄存器用來存儲(chǔ)開關(guān)量輸入/輸出狀態(tài)，以及定時(shí)器、計(jì)數(shù)器、輔助繼電器等內(nèi)部器件的狀態(tài)。數(shù)據(jù)表用來存儲(chǔ)各種數(shù)據(jù)，如用戶程序執(zhí)行時(shí)的某些變參數(shù)值、A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果、運(yùn)算結(jié)果。4、輸入/輸出單元

4.1開關(guān)量輸入單元

輸入單元接收操作指令和現(xiàn)場的狀態(tài)信息，如控制按鈕、操作開關(guān)和限位開關(guān)、光電管、繼電器觸點(diǎn)、行程開關(guān)、接近開關(guān)等信號，并通過輸入電路的濾波、光電隔離和電平轉(zhuǎn)換等將這些信號轉(zhuǎn)換成CPU能夠接收和處理的信號。

直流輸入交流輸入?yún)R點(diǎn)式分組式分隔式4.1.1直流輸入單元工作原理：S閉合時(shí)……S斷開時(shí)……S閉合，LED亮表示接通。光耦合器T導(dǎo)通，A點(diǎn)高電平，經(jīng)濾波電路送入內(nèi)部電路。當(dāng)CPU程序訪問該路信號時(shí)，該點(diǎn)對應(yīng)的輸入映射寄存器的狀態(tài)為1；相反為0。4.1.2交流輸入單元工作原理與直流輸入電路基本相同。(匯點(diǎn)式)(分組式)(分隔式)

4.2開關(guān)量輸出單元

輸出單元將CPU送出的弱電控制信號通過輸出電路的光電隔離和功率放大等轉(zhuǎn)換成現(xiàn)場需要的強(qiáng)電信號輸出，以驅(qū)動(dòng)接觸器、電磁閥、電磁鐵等執(zhí)行元件。匯點(diǎn)式分組式分隔式4.2.1晶體管輸出單元晶體管無觸點(diǎn)開關(guān)，其使用壽命長，響應(yīng)速度快。4.2.2雙向晶閘管輸出單元負(fù)載電源可根據(jù)需要選擇直流或交流。4.2.3繼電器輸出單元負(fù)載可直流或交流。但是由于繼電器使用壽命為10—30萬次，因此頻繁通斷場合（高頻脈沖）應(yīng)該選用晶體管或晶閘管。PLC內(nèi)部輸出電路5、電源*開關(guān)式穩(wěn)壓電源輸入電壓范圍寬、體積小、重量輕、效率高、抗干擾性能好。PLC一般配有開關(guān)式穩(wěn)壓電源6、編程器專用編程器

圖形編程器簡易編程器計(jì)算機(jī)輔助編程

不能輸入梯形圖程序，只能輸入語句表程序可直接輸入梯形圖程序。利用計(jì)算機(jī)，通過硬件接口和專用軟件包，使用戶直接在計(jì)算機(jī)上編程。既可以用梯形圖也可以用助記符編程，具有很強(qiáng)的監(jiān)控能力。是近幾年的發(fā)展新趨勢，大大提高了程序編寫和調(diào)試的效率第四節(jié)可編程序控制器(PLC)的工作原理

PLC控制程序控制

在可編程序控制器構(gòu)成的控制系統(tǒng)中，支配控制系統(tǒng)工作的程序存放在存儲(chǔ)器中，利用程序來實(shí)現(xiàn)控制邏輯，完成控制