第四章可編程控制器及其任務(wù)原理第一節(jié)可編程控制器的產(chǎn)生和開展可編程控制器的產(chǎn)生在可編程控制器誕生之前，工業(yè)電氣控制主要運(yùn)用低壓電器構(gòu)成的繼電接觸器電路。它是以接線邏輯實(shí)現(xiàn)控制功能的。缺陷：這樣的控制設(shè)備一經(jīng)消費(fèi)出來，功能就固定了，假設(shè)要改動(dòng)就必需改動(dòng)控制器內(nèi)部的硬件接線在這種情況下，1968年通用汽車公司提出了要尋覓一種比繼電器更可靠，功能更齊全，呼應(yīng)速度更快的新型工業(yè)控制器。這種控制器必需具備編程方便，維修方便，可靠性高，體積小，數(shù)據(jù)可直接送入管理計(jì)算機(jī)，本錢低，方便擴(kuò)展的特點(diǎn)。其中，編程方便是接線邏輯向存儲(chǔ)邏輯提高的重要標(biāo)志。1969年第一臺(tái)可編程控制器PDP-14由美國的數(shù)字設(shè)備公司研制出來，并且勝利的用于工業(yè)消費(fèi)，可編程控制器由此誕生。早期的可編程控制器〔PC〕主要用于邏輯量控制，并且為了和個(gè)人計(jì)算機(jī)〔PC〕區(qū)別，把可編程控制器縮寫為PLC〔ProgrammableLogicController〕。1987年，國際電工委員會(huì)IEC對(duì)可編程序控制器作了如下規(guī)定：可編程序控制器是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為工業(yè)環(huán)境下運(yùn)用而設(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)操作等面向用戶的指令，并經(jīng)過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或消費(fèi)過程。它及其有關(guān)外圍設(shè)備，都按易于與工業(yè)系統(tǒng)聯(lián)成一體，易于擴(kuò)展的原那么設(shè)計(jì)?？梢姡嚎删幊炭刂破魇且环N工業(yè)用計(jì)算機(jī)。作為工業(yè)用途，決議了它必需有很強(qiáng)的抗干擾才干，廣泛的順應(yīng)才干和運(yùn)用范圍?？删幊炭刂破鞯拈_展1、消費(fèi)方面1971年日本開場(chǎng)消費(fèi)PLC1973年歐洲開場(chǎng)消費(fèi)PLC至今，世界各國的一些著名的電器廠幾乎都在消費(fèi)PLCPLC曾經(jīng)作為一個(gè)獨(dú)立的工業(yè)設(shè)備被列入消費(fèi)中，成為當(dāng)代電控安裝的主導(dǎo)。2、組成方面早期：PLC主要由分立元件和中小規(guī)模集成電路組成，采用了一些計(jì)算機(jī)技術(shù)，但簡(jiǎn)化了計(jì)算機(jī)的內(nèi)部電路。特點(diǎn)：對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境順應(yīng)性較好，指令系統(tǒng)簡(jiǎn)單，普通只具有邏輯運(yùn)算功能。20世紀(jì)70年代中：微處置器及其他大規(guī)模集成電路芯片成為其中心部件。特點(diǎn)：有自診斷功能，可靠性和性價(jià)比都大幅提高。20世紀(jì)80年代：微處置器，ROM，RAM或單片機(jī)作為中心。特點(diǎn)：處置速度大大提高，添加了多種特殊功能，體積進(jìn)一步減小。

20世紀(jì)九十年代末：幾乎完全計(jì)算機(jī)化。其速度更快功能更強(qiáng)，各種智能模塊不斷被開發(fā)出來，使其不斷地?cái)U(kuò)展著他在各類工業(yè)控制過程中的作用。3、如今PLC的開展如今，PLC不僅能進(jìn)展邏輯控制，在模擬量閉環(huán)控制、數(shù)字量智能控制、數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控、通訊聯(lián)網(wǎng)及集散控制系統(tǒng)等各方面都得到了廣泛的運(yùn)用。今后PLC將向兩大方面開展：一是大型PLC向高速，大容量和高性能方向開展；二是開展簡(jiǎn)易經(jīng)濟(jì)的超小型可編程控制器，以順應(yīng)單機(jī)控制及小型設(shè)備自動(dòng)化的需求。

第二節(jié)可編程控制器的用途及特點(diǎn)用途順序控制最廣泛運(yùn)用的領(lǐng)域，可取代傳統(tǒng)的繼電器的順序控制可運(yùn)用于單機(jī)控制，多機(jī)群控制，消費(fèi)自動(dòng)線控制運(yùn)動(dòng)控制目前已有拖動(dòng)步進(jìn)電機(jī)或多軸位置控制模塊多數(shù)情況，PLC把描畫目的位置的數(shù)據(jù)送給模塊，模塊挪動(dòng)一軸或數(shù)軸到目的位置閉環(huán)過程控制具有PID控制才干的PLC可用于過程控制數(shù)據(jù)處置把支持順序控制的PLC和計(jì)算機(jī)數(shù)值控制〔CNC〕設(shè)備嚴(yán)密結(jié)合用以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處置。

通訊和聯(lián)網(wǎng)PLC之間，PLC和上級(jí)計(jì)算機(jī)之間的通訊功能特點(diǎn)可靠性高，抗干擾才干強(qiáng)順應(yīng)性強(qiáng)、運(yùn)用靈敏編程方便，易于運(yùn)用功能強(qiáng)，擴(kuò)展才干強(qiáng)PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試方便維修方便，維修任務(wù)量少PLC體積小，分量輕，易于實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化

第三節(jié)PLC的硬件組成根據(jù)物理構(gòu)造方式的不同，PLC可分為整體式和組合式兩類。但是不論是哪一種類型的PLC都是由根本一樣的部分組成的，下面分別引見各組成部分及其作用。中央處置器〔CPU〕 CPU是PLC的中心，按程序賦予的功能指揮PLC任務(wù)，他的主要義務(wù)有：1、控制從編程器鍵入的用戶程序和數(shù)據(jù)的接納與存儲(chǔ)；用掃描的方式經(jīng)過I/O部件接受現(xiàn)場(chǎng)的形狀和數(shù)據(jù)并存入輸入映像存儲(chǔ)器或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中。2、診斷PLC內(nèi)部電路的任務(wù)缺點(diǎn)和編程中的語法錯(cuò)誤等。3、PLC進(jìn)入運(yùn)轉(zhuǎn)形狀后，從存儲(chǔ)器逐條讀取用戶指令，解釋并按指令規(guī)定的義務(wù)進(jìn)展數(shù)據(jù)傳送、邏輯或算術(shù)運(yùn)算等；并根據(jù)運(yùn)算結(jié)果，更新有關(guān)標(biāo)志位的形狀和輸出映像存儲(chǔ)器的內(nèi)容，再經(jīng)過輸出部件實(shí)現(xiàn)輸出控制，制表打印或數(shù)據(jù)通訊等功能。

CPU芯片的性能關(guān)系到PLC處置控制信號(hào)的才干與速度，CPU位數(shù)越高，系統(tǒng)處置的信息量越大，運(yùn)算速度也越快。存儲(chǔ)器PLC的存儲(chǔ)器包括系統(tǒng)存儲(chǔ)器和用戶存儲(chǔ)器兩部分。1、系統(tǒng)存儲(chǔ)器用來存放由PLC消費(fèi)廠家編寫的系統(tǒng)程序，并固化在ROM內(nèi)，用戶不能直接更改。它使PLC具有根本的智能，可以完成PLC設(shè)計(jì)者規(guī)定的各項(xiàng)任務(wù)。2、用戶存儲(chǔ)器包括用戶程序存儲(chǔ)器〔程序區(qū)〕和功能存儲(chǔ)器〔數(shù)據(jù)區(qū)〕兩部分。用戶程序存儲(chǔ)器用來存放用戶針對(duì)詳細(xì)控制義務(wù)，用規(guī)定的PLC編程言語編寫的各種用戶程序。用戶程序存儲(chǔ)器根據(jù)所選用的存儲(chǔ)單元的不同，可以是RAM〔有掉電維護(hù)〕、EPROM或EEPROM存儲(chǔ)器，其內(nèi)容可以由用戶恣意修正或增刪。用戶功能存儲(chǔ)器是用來存放用戶程序中運(yùn)用的ON/OFF形狀，數(shù)值數(shù)據(jù)等，它構(gòu)成PLC的各種內(nèi)部器件，也稱“軟元件〞。用戶存儲(chǔ)器容量的大小關(guān)系到用戶程序容量的大小和內(nèi)部器件的多少，是反映PLC性能的重要目的之一。輸入、輸出接口輸入、輸出接口是PLC與外界銜接的接口。1、輸入接口用來接納和采集兩種類型的輸入信號(hào)：開關(guān)量輸入信號(hào)和模擬量輸入信號(hào)。2、輸出接口用來銜接被控對(duì)象中各種執(zhí)行元件，如接觸器、調(diào)理閥等。電源小型整體式可編程控制器內(nèi)部有一個(gè)開關(guān)穩(wěn)壓電源。

此電源一方面可為CPU板，I/O板及擴(kuò)展單元提供任務(wù)電源〔5VDC〕，另一方面可為外部輸入元件提供24VDC電源。擴(kuò)展接口擴(kuò)展接口用于將擴(kuò)展單元與根本單元相連，使PLC的配置更加靈敏。通訊接口使PLC可以與監(jiān)視器，打印機(jī)以及其他計(jì)算機(jī)相連。智能I/O接口有本身的處置器系統(tǒng)，滿足復(fù)雜控制功能的需求。編程工具編程器，也可采用微機(jī)輔助編程〔需求通訊電纜和PLC之間通訊〕例如step7智能單元智能單元配有本人的CPU，具有本人的軟件，能獨(dú)立完成一項(xiàng)專門的任務(wù)。經(jīng)過總線與主機(jī)聯(lián)機(jī)，經(jīng)過通訊方式接受主機(jī)管理。PLC還可配有盒式磁帶機(jī)，EPROM寫入器，存儲(chǔ)器卡等其他外部設(shè)備。第四節(jié)PLC的軟件及運(yùn)用程序編程言語PLC的軟件含系統(tǒng)軟件和用戶程序。系統(tǒng)軟件由PLC制造商固化在機(jī)內(nèi)，用以控制可編程控制器本身的運(yùn)作；用戶程序由可編程控制器的運(yùn)用者編制并輸入，用于控制外部對(duì)象的運(yùn)轉(zhuǎn)。系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件主要包括三部分。下面我們分別討論這三個(gè)部分的作用。系統(tǒng)管理程序是系統(tǒng)軟件中最重要的部分，主管控制可編程控制器的運(yùn)作。它的作用有：運(yùn)轉(zhuǎn)管理〔時(shí)間上的分配管理〕；存儲(chǔ)空間管理；系統(tǒng)自檢程序。用戶指令解釋程序它的義務(wù)是把運(yùn)用者直觀易懂的梯形圖變成機(jī)器易懂的機(jī)器言語。然后再由CPU去執(zhí)行這些指令。規(guī)范程序模塊及系統(tǒng)調(diào)用他是有許多獨(dú)立的程序塊組成，各程序塊有不同的功能，有些完成輸入、輸出處置，有些完成特殊運(yùn)算等。PLC的詳細(xì)任務(wù)就是由這部分程序完成的，它的多少?zèng)Q議了PLC性能的強(qiáng)弱。

整個(gè)系統(tǒng)軟件是一個(gè)整體，其質(zhì)量的好壞在很大程度上影響PLC的性能。很多情況下，經(jīng)過改良系統(tǒng)軟件就可以在不添加任何設(shè)備的條件下改善PLC的性能。用戶程序PLC提供的編程言語通常有三種：梯形圖〔LAD〕、指令表〔STL〕和順序功能流程圖〔SFC〕。我們以西門子公司的PLC為例來引見這三種編程言語。梯形圖編程〔LAD〕PLC梯形圖是在繼電器控制系統(tǒng)中常用的繼電器電路圖的根底上演化而來的，它的許多符號(hào)與繼電器控制系統(tǒng)中的電路圖有對(duì)應(yīng)的關(guān)系。只是PLC在編程中的運(yùn)用的元件他們的功能都是經(jīng)過軟件來實(shí)現(xiàn)的。能流的概念：PLC梯形圖中一個(gè)關(guān)鍵的概念，是一種假想的“能量流〞。只能從左向右流，任何時(shí)候都不會(huì)從右向左流。

指令表編程〔STL〕類似于計(jì)算機(jī)中的助記符言語，它是可編程控制器最根底的編程言語。所謂指令表編程，是用一系列的指令來表達(dá)程序的控制要求。一條指令有兩部分組成：助記符操作數(shù)〔或稱操作數(shù)的地址〕指令和梯形圖有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。形狀流程圖〔功能圖〕編程〔SFC〕SFC是一種比較新的編程方法，它的作用是用“功能圖〞表達(dá)一個(gè)順序控制過程。例優(yōu)點(diǎn)：SFC作為一種步進(jìn)順控言語，為順序控制類程序的編制提供了很大的方便。用它可以對(duì)一個(gè)控制過程進(jìn)展分解，用多個(gè)相對(duì)獨(dú)立的程序段替代一個(gè)長(zhǎng)的梯形圖程序，還能運(yùn)用戶看到在給定時(shí)間機(jī)器處于什么形狀。功能塊圖〔FBD〕編輯器也是一種圖形編程言語。與LAD相比它沒有母線、觸點(diǎn)和線圈，只需表示指令功能的方框，方框間用線段表示方框內(nèi)的聯(lián)絡(luò)，整個(gè)圖形那么用來表示一定的控制功能。例。第五節(jié)可編程控制器的運(yùn)轉(zhuǎn)方式PLC的任務(wù)方式與運(yùn)轉(zhuǎn)框圖我們先來看一個(gè)繼電控制系統(tǒng)簡(jiǎn)圖。可以知道繼電器控制系統(tǒng)采用的是并行任務(wù)方式?？删幊炭刂破魇且环N工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，它的任務(wù)原理是建立在計(jì)算機(jī)任務(wù)原理根底上的，是經(jīng)過執(zhí)行反映控制要求的用戶程序來實(shí)現(xiàn)的。CPU以分時(shí)操作方式來處置各項(xiàng)義務(wù)，計(jì)算機(jī)在每一瞬間只能做一件事情，所以程序的執(zhí)行是按程序順序依次完成相應(yīng)各電器的動(dòng)作，便成為時(shí)間上的串行。由于運(yùn)算速度極高，各電器的動(dòng)作幾乎是同時(shí)完成的，但是實(shí)踐上輸入-輸出的呼應(yīng)是有滯后的。例概括而言，PLC的任務(wù)方式是一個(gè)不斷循環(huán)的順序掃描任務(wù)方式。每一次掃描所用的時(shí)間稱為掃描周期或任務(wù)周期。執(zhí)行用戶程序時(shí)，需求各種現(xiàn)場(chǎng)信息，這些現(xiàn)場(chǎng)信息已接到PLC的輸入端。PLC采集現(xiàn)場(chǎng)信息即采集輸入信號(hào)有兩種方式。1、集中采樣輸入方式2、立刻輸入方式同樣，PLC對(duì)外部的輸出控制也有集中和立刻輸出兩種方式。PLC對(duì)輸入輸出信號(hào)的傳送還有其他方式，如有的PLC采用輸入、輸出刷新指令。在需求的地方設(shè)置這類指令，可以對(duì)此時(shí)的全部或部分輸入點(diǎn)信號(hào)讀入一次，以刷新輸入映像存放器內(nèi)容；或?qū)⒋藭r(shí)的輸出結(jié)果立刻向輸出端或輸出模塊輸出。如PLC上有輸入、輸出的制止功能，這時(shí)輸入、輸出信號(hào)不讀入也不輸出。PLC的任務(wù)過程先來看PLC的任務(wù)過程是怎樣的。PLC運(yùn)轉(zhuǎn)正常時(shí)，掃描周期的長(zhǎng)短與CPU的運(yùn)算速度、I/O點(diǎn)的情況、用戶運(yùn)用程序的長(zhǎng)短及編程情況等均有關(guān)。通常用PLC執(zhí)行1K指令所需時(shí)間來闡明其掃描速度〔普通為1~10ms/K〕。值得留意的是，不同指令其執(zhí)行時(shí)間是不同的。假設(shè)用于高速系統(tǒng)要縮短掃描周期，可以軟硬件兩方面兼顧思索。PLC掃描任務(wù)過程當(dāng)PLC正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，它將不斷反復(fù)掃描過程，不斷循環(huán)掃描地任務(wù)下去。假設(shè)不思索遠(yuǎn)程I/O特殊模塊和其他通訊效力，這樣掃描過程就只剩下“輸入采樣〞、“程序執(zhí)行〞、“輸出刷新〞三個(gè)階段了。第六節(jié)PLC主要性能目的幾個(gè)常用術(shù)語位--------二進(jìn)制的一位僅有0、1兩種取值數(shù)字----四位二進(jìn)制數(shù)構(gòu)成一個(gè)數(shù)字字節(jié)----2個(gè)數(shù)字或8位二進(jìn)制數(shù)構(gòu)成一個(gè)字節(jié)字-------2個(gè)字節(jié)構(gòu)成一個(gè)字在PLC屬于中，字稱為通