4.1可編程控制器的產(chǎn)生與發(fā)展4.2可編程控制器的特點(diǎn)與分類4.3可編程控制器的組成4.4可編程控制器的軟件系統(tǒng)4.5可編程控制器的工作原理和工作過程4.6可編程控制器的主要技術(shù)指標(biāo)思考題與習(xí)題第4章可編程控制器的結(jié)構(gòu)與工作原理

主要內(nèi)容：

(1)熟悉可編程控制器的結(jié)構(gòu)。

(2)掌握可編程控制器的工作原理。

在工業(yè)控制中使用的控制系統(tǒng)主要有單片機(jī)系統(tǒng)、工業(yè)計(jì)算機(jī)和可編程控制器等。其中，單片機(jī)系統(tǒng)具有成本低和控制靈活等優(yōu)點(diǎn)，但是其開發(fā)難度相當(dāng)大，開發(fā)成本高；工業(yè)計(jì)算機(jī)通常和其他計(jì)算機(jī)(單片機(jī)或者PLC等)進(jìn)行通信控制，開發(fā)方便；可編程控制器是根據(jù)用戶需要來選擇相應(yīng)的模塊，用戶程序在系統(tǒng)程序上運(yùn)行和編制，它具有開發(fā)簡單、抗干擾能力強(qiáng)、語言簡單等優(yōu)點(diǎn)，使得許多電力工程師能夠快速地適應(yīng)設(shè)計(jì)工作，近年來發(fā)展迅速?？删幊炭刂破魇菓?yīng)用面廣、功能強(qiáng)大、使用方便的工業(yè)自動控制通用裝置，自研制成功以來，已經(jīng)成為當(dāng)代工業(yè)自動化的主要支柱之一。

本章主要介紹可編程控制器的產(chǎn)生與發(fā)展、一般特征、工作原理、硬件架構(gòu)、軟件系統(tǒng)等內(nèi)容。通過學(xué)習(xí)本章，讀者可對PLC技術(shù)有一個全面的了解。

4.1.1可編程控制器的產(chǎn)生

在PLC問世之前，電器自動控制的任務(wù)基本上都由繼電器接觸器控制系統(tǒng)完成。這種系統(tǒng)主要由繼電器、接觸器、控制按鈕和一些特殊電器構(gòu)成，具有結(jié)構(gòu)簡單、抗干擾能力強(qiáng)和價(jià)廉等優(yōu)點(diǎn)。但同時，它也存在著體積大、耗電多、可靠性差、壽命短、運(yùn)行速度慢等缺點(diǎn)。此外，這類系統(tǒng)對于生產(chǎn)的適應(yīng)性很差，一旦生產(chǎn)任務(wù)或工藝流程發(fā)生變化，就要改變硬件結(jié)構(gòu)，重新設(shè)計(jì)。這使得繼電器接觸器控制系統(tǒng)很難適應(yīng)現(xiàn)代工業(yè)的需求。4.1可編程控制器的產(chǎn)生與發(fā)展

1968年，美國通用汽車公司(GeneralMotorsCorp.)提出了研制一種新型工業(yè)控制器的要求，并從用戶角度出發(fā)提出新一代控制器應(yīng)具備的10項(xiàng)指標(biāo)：

(1)編程簡單，可在現(xiàn)場修改程序。

(2)維護(hù)方便，采用插入式模塊結(jié)構(gòu)。

(3)可靠性高于繼電器控制柜。

(4)體積小于繼電器控制柜。

(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柜相競爭。

(7)輸入可以是115V交流電壓(即美國電網(wǎng)電壓)。

(8)輸出為115V交流電壓，輸出電流在2A以上，能直接驅(qū)動電磁閥。

(9)在擴(kuò)展時，原有系統(tǒng)只需要很小的變更。

(10)用戶程序存儲器容量至少能擴(kuò)展到4KB。指標(biāo)提出后，立刻掀起了開發(fā)熱潮。1969年，美國數(shù)字設(shè)備公司(DEC)研制出了世界上第一臺符合要求的可編程控制器，并應(yīng)用于通用汽車公司的生產(chǎn)線上。這就是第一代可編程控制器。早期的可編程控制器只具有邏輯運(yùn)算的功能，人們將其稱為可編程邏輯控制器，簡稱PLC(ProgrammableLogicController)。國外行業(yè)界在1980年正式命名為可編程控制器，簡稱PC(ProgrammableController)，但為了與個人電腦PC(Persona1Computer)相區(qū)別，常將可編程控制器仍簡稱為PLC。國際電工委員會(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月發(fā)表了第二稿，1987年2月又頒布了第三稿。1987年頒布的可編程控制器的定義如下：

“可編程控制器是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)。它采用了可編程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲和執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作，并通過數(shù)字式和模擬式的輸入/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)的外圍設(shè)備，都應(yīng)按易于與工業(yè)系統(tǒng)聯(lián)成一個整體、易于擴(kuò)充其功能的原則設(shè)計(jì)。”4.1.2可編程控制器的發(fā)展歷程

1969～1973年是PLC的發(fā)展初期。PLC的CPU(CentralProcessUnit，中央處理單元)由中小規(guī)模集成電路組成，存儲器為磁芯存儲器，其主要功能限于邏輯運(yùn)算、計(jì)時、計(jì)數(shù)和順序控制。

1974～1977年是PLC的發(fā)展中期。在此期間，由于8位單片CPU和集成存儲器芯片的出現(xiàn)，PLC技術(shù)得以迅速發(fā)展和完善，并開始向系列化和實(shí)用化方向發(fā)展，在工業(yè)生產(chǎn)過程控制中得到普遍的應(yīng)用。此時的PLC除了具有原有功能外，還增加了數(shù)值運(yùn)算、數(shù)據(jù)的傳送和比較、模擬量的處理和控制等功能，其可靠性進(jìn)一步提高，并具備自診斷功能。隨著微型計(jì)算機(jī)行業(yè)的發(fā)展，以Intel為代表的制造商推出了一系列高性能微處理器，PLC也開始朝著大規(guī)模、高速度和高性能方向發(fā)展。在這個時期(1978～1983年)，PLC技術(shù)開始走向成熟，年增長率一直保持在30%～40%。在結(jié)構(gòu)上，PLC除了采用微處理器及EPROM、EEPROM、CMOSRAM等大規(guī)模集成電路外，還向多位微處理器發(fā)展，使PLC的功能增大和處理速度提高。在功能方面，PLC增加了浮點(diǎn)運(yùn)算、平方、三角函數(shù)、相關(guān)數(shù)、查表、列表、脈寬調(diào)制變換(PWM)等功能，分布式可編程控制器的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)初步形成，具有通信功能和遠(yuǎn)程輸入/輸出處理能力，編程語言也更加規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)化。此外，自診斷功能及容錯技術(shù)的迅速發(fā)展，使PLC系統(tǒng)的可靠性得到了進(jìn)一步提升。其后，PLC的規(guī)模日益增長，存儲器的容量不斷增大，有的PLC已采用了32位微處理器，多臺PLC可與上位系統(tǒng)一起組成分布式控制系統(tǒng)(DistributedControlSystem，DCS)。編程語言進(jìn)一步豐富，除了傳統(tǒng)的梯形圖、流程圖語句表外，還增加了接近于高級編程語言(如BASIC和PASCAL)的編程語言及其他更加直觀的編程語言，使得以往很難在PLC上實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜控制任務(wù)也能輕松完成。例如，結(jié)構(gòu)化文本(StructuredText，ST)設(shè)計(jì)語言，用結(jié)構(gòu)化的描述語句來描述程序，它是一種類似于高級語言PASCAL的程序設(shè)計(jì)語言，但為了應(yīng)用方便，在語句的表達(dá)方法及語句的種類等方面都進(jìn)行了簡化。在大中型的可編程控制器系統(tǒng)中，常采用結(jié)構(gòu)化文本設(shè)計(jì)語言來描述控制系統(tǒng)中各個變量的關(guān)系。它也被用于集散控制系統(tǒng)的編程和組態(tài)。另外，很多PLC在軟件上還留有與高級語言(例如C語言)的接口，使得系統(tǒng)的功能更為強(qiáng)大，開發(fā)更迅捷。在人機(jī)接口(HumanMachineInterface，HMI)方面，從以往最簡單的指示燈和按鈕，發(fā)展到目前普遍采用的以液晶顯示器(或觸摸屏)作為顯示設(shè)備的一體化操作員終端，PLC系統(tǒng)的交互功能越來越強(qiáng)大。而組態(tài)軟件的應(yīng)用，則使一般用戶根據(jù)自身需求開發(fā)人機(jī)界面更加簡單、方便。在實(shí)踐中，由運(yùn)行組態(tài)軟件的計(jì)算機(jī)充當(dāng)人機(jī)界面非常普及。由于采用了更直觀的現(xiàn)實(shí)信息，完全代替了原來的儀表盤，故用戶的編程和操作更加方便、靈活。在PLC的輸入/輸出(I/O)模塊上，一方面發(fā)展內(nèi)嵌微處理器的智能輸入/輸出模塊，另一方面也注意增大輸入/輸出點(diǎn)數(shù)，以適應(yīng)控制范圍的增大及在系統(tǒng)中使用模/數(shù)(A/D)、數(shù)/模(D/A)轉(zhuǎn)換與其他特殊功能模塊的需求。同時，各PLC生產(chǎn)廠家還注意提高輸入/輸出點(diǎn)的密集度，生產(chǎn)高密度的輸入/輸出模塊，以節(jié)省空間、降低系統(tǒng)成本。4.1.3可編程控制器的應(yīng)用

目前，PLC在國內(nèi)外已被廣泛應(yīng)用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機(jī)械制造、汽車、輕紡、交通運(yùn)輸、環(huán)保及文化娛樂等各個行業(yè)，隨著其性能價(jià)格比的不斷提高，應(yīng)用范圍還在不斷擴(kuò)大。其應(yīng)用情況大致可歸納為如下幾類。

1.開關(guān)邏輯和順序控制

開關(guān)邏輯和順序控制是可編程控制器應(yīng)用最廣的領(lǐng)域。由于可編程控制器具有“與”、“或”、“非”等邏輯運(yùn)算能力，其內(nèi)部還有計(jì)時器/計(jì)數(shù)器，因此可以實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算，用觸點(diǎn)和電路的串、并聯(lián)代替繼電器進(jìn)行組合邏輯控制，實(shí)現(xiàn)定時控制與順序邏輯控制。數(shù)字量邏輯控制可以用于單臺設(shè)備，也可以用于自動生產(chǎn)線，其應(yīng)用領(lǐng)域還涉及微電子和家電行業(yè)。

2.運(yùn)動控制

可編程控制器通過使用專用的運(yùn)動控制模塊或靈活運(yùn)用指令，可以使運(yùn)動控制與順序控制功能有機(jī)地結(jié)合在一起。隨著變頻器、電動機(jī)起動器的普遍使用，可編程控制器可以與變頻器結(jié)合，運(yùn)動控制功能更為強(qiáng)大。此外，PLC還廣泛地用于各種機(jī)械，如金屬切削機(jī)床、裝配機(jī)械、機(jī)器人、電梯等。

3.模擬控制

通過模擬量輸入/輸出模塊，可編程控制器可以接收溫度、壓力、流量等連續(xù)變化的模擬量，實(shí)現(xiàn)模擬量和數(shù)字量之間的模/數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)/模轉(zhuǎn)換，并對被控模擬量進(jìn)行PID

(Proportional-Integral-Derivative，比例-積分-微分)閉環(huán)控制?，F(xiàn)代的大中型可編程控制器一般都有PID閉環(huán)控制功能，此功能已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、加熱爐、鍋爐等設(shè)備，以及輕工、化工、機(jī)械、冶金、電力、建材等行業(yè)中。

4.數(shù)據(jù)處理

新型的可編程控制器多具有數(shù)據(jù)處理能力，不僅可以進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送、轉(zhuǎn)換、排序和查表、位操作等操作，還可以完成數(shù)據(jù)的采集、分析和處理。這些數(shù)據(jù)可以是運(yùn)算的中間參考值，可通過通信功能傳送到別的智能裝置上進(jìn)行保存、打印。數(shù)據(jù)處理一般用于大型控制系統(tǒng)(如無人柔性制造系統(tǒng))，也可以用于過程控制系統(tǒng)(如造紙、冶金、食品工業(yè)中的一些大型控制系統(tǒng))。

5.通信聯(lián)網(wǎng)控制

可編程控制器的通信包括主機(jī)與遠(yuǎn)程輸入/輸出單元之間的通信、多臺可編程控制器之間的通信、可編程控制器和其他智能控制設(shè)備(如計(jì)算機(jī)、變頻器)之間的通信。可編程控制器與其他智能控制設(shè)備一起，可以組成“集中管理、分散控制”的分布式控制系統(tǒng)(DistributedControlSystem，DCS)。4.1.4現(xiàn)代可編程控制器的發(fā)展趨勢

長期以來，PLC始終處于工業(yè)自動化控制領(lǐng)域的主戰(zhàn)場，為各種各樣的自動化控制設(shè)備提供了非?？煽康膽?yīng)用平臺。一方面，PLC能夠?yàn)樽詣踊刂茟?yīng)用提供安全、可靠和比較完善的解決方案，適合于當(dāng)前工業(yè)企業(yè)對自動化的需要；另一方面，PLC也面臨著其他行業(yè)工控產(chǎn)品的挑戰(zhàn)，必須依靠新技術(shù)來面對市場份額逐漸縮小所帶來的沖擊，尤其是工業(yè)PC所帶來的沖擊。PLC需要解決的問題依然是新技術(shù)的采用、系統(tǒng)開放性和價(jià)格。展望未來，PLC技術(shù)將向以下幾個方面發(fā)展：

(1)向小型化、專用化、低成本方向發(fā)展。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，新型電子元器件功能的提高，PLC的結(jié)構(gòu)更為緊湊，其大小僅相當(dāng)于一本精裝書，操作、使用十分方便。PLC的功能不斷增強(qiáng)，將原來大、中型PLC才有的功能部分地移植到小型PLC上，如模擬量處理、數(shù)據(jù)通信和復(fù)雜的功能指令等，但價(jià)格卻不斷下降，真正成為了現(xiàn)代電氣控制系統(tǒng)中不可替代的控制裝置。目前，各PLC生產(chǎn)廠家相繼推出高速、高性能、小型、特別是微型的PLC。例如三菱的FXos14點(diǎn)(8個24V(DC)輸入，6個繼電器輸出)，其尺寸僅為58mm×89mm，僅大于信用卡幾個毫米，而功能卻有所增強(qiáng)，使PLC的應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)大到遠(yuǎn)離工業(yè)控制的其他行業(yè)，如快餐廳、醫(yī)院手術(shù)室、旋轉(zhuǎn)門和車輛等，甚至引入家庭住宅、娛樂場所和商業(yè)部門。

(2)向大容量、高速度方向發(fā)展。大型可編程控制器大多采用多CPU結(jié)構(gòu)。由于當(dāng)前微處理器技術(shù)、存儲技術(shù)的發(fā)展十分迅猛，功能更強(qiáng)大，價(jià)格更便宜，研發(fā)的微處理器針對性更強(qiáng)，因此為可編程控制器的發(fā)展提供了良好的基礎(chǔ)。不斷地向高性能、高速度和大容量方向發(fā)展是今后大型PLC的一個趨向。

同時，在模擬量控制方面，除了專門用于模擬量閉環(huán)控制的PID指令和智能PID模塊外，某些大型可編程控制器還具有模糊控制、自適應(yīng)、參數(shù)自整定等功能，使系統(tǒng)的調(diào)試時間減少，控制精度提高。

(3)智能型I/O模塊的發(fā)展。智能型I/O模塊是以微處理器和存儲器為基礎(chǔ)的功能部件，它們的CPU與PLC的主CPU并行工作，占用主CPU的時間很少，有利于提高PLC的掃描速度。它們本身就是一個小的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，有很強(qiáng)的信息處理能力和控制功能，有的模塊甚至可以自成系統(tǒng)，單獨(dú)工作。

智能型I/O模塊可以完成PLC的主CPU難以兼顧的功能，簡化了某些控制系統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和編程，提高了PLC的適應(yīng)性和可靠性。智能型I/O模塊主要有模擬量I/O、高速計(jì)數(shù)輸入、中斷輸入、機(jī)械運(yùn)動輸入、熱電偶輸入、熱電阻輸入、條形碼閱讀器、多路BCD碼輸入/輸出、模糊控制器、PID回路控制和各種通信等模塊。

(4)基于PC的編程軟件取代編程器。隨著計(jì)算機(jī)的日益普及，越來越多的用戶使用基于個人計(jì)算機(jī)的編程軟件。編程軟件可以對PLC控制系統(tǒng)設(shè)置硬件結(jié)構(gòu)和參數(shù)，例如設(shè)置各框架各個插槽上模塊的型號、模塊的參數(shù)、各串行通信接口的參數(shù)等。在屏幕上可以直接生成和編輯梯形圖、語句表、功能塊圖和順序功能圖程序，并可以實(shí)現(xiàn)不同編程語言的相互轉(zhuǎn)換?？梢詫⒊绦蚓幾g后下載到PLC，也可以將用戶程序上傳到計(jì)算機(jī)。程序可以存盤或打印，還可以通過網(wǎng)絡(luò)或Modem卡實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作。編程軟件的調(diào)試和監(jiān)控功能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過手持式編程器。例如，在調(diào)試時可以設(shè)置執(zhí)行用戶程序的掃描次數(shù)，有的編程軟件可以在調(diào)試程序時設(shè)置斷點(diǎn)，有的具有跟蹤功能，用戶可以周期性地選擇保存若干編程軟件的歷史數(shù)據(jù)，并可以將數(shù)據(jù)上傳后存為文件。

通過與PLC通信，可以在梯形圖中顯示觸點(diǎn)的通斷和線圈的狀態(tài)，非常方便地查找到復(fù)雜電路的故障。

(5)

PLC編程語言的標(biāo)準(zhǔn)化。與個人計(jì)算機(jī)相比，PLC的硬件、軟件的體系結(jié)構(gòu)都是封閉的而不是開放的。在硬件方面，各廠家的CPU模塊和I/O模塊互不通用。PLC的編程語言與指令系統(tǒng)的功能和表達(dá)方式也不一致，因此各廠家的可編程控制器互不兼容。為了解決這一問題，IEC(國際電工委員會)制定了可編程控制器標(biāo)準(zhǔn)(IEC1131)，其中的第3部分(IEC1131-3)是PLC的編程語言標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)中共有五種編程語言，其中的順序功能圖(SFC)是一種結(jié)構(gòu)塊控制程序流程圖，梯形圖和功能塊圖是兩種圖形語言，還有兩種文字語言——語句表和結(jié)構(gòu)文本。除了提供幾種編程語言供用戶選擇外，標(biāo)準(zhǔn)還允許編程者在同一程序中使用多種編程語言，這使編程者能夠選擇不同的語言來適應(yīng)特殊的工作。目前已有越來越多的工控產(chǎn)品廠商推出了符合IEC1131-3標(biāo)準(zhǔn)的PLC指令系統(tǒng)或在PC(個人計(jì)算機(jī))上運(yùn)行的軟件包(軟件PLC)。如西門子公司的STEP7-Micro/WIN32編程軟件給用戶提供了兩套指令集，一套符合IEC1131-3標(biāo)準(zhǔn)，另一套指令集(SIMATIC指令集)中的大多數(shù)指令也符合IEC1131-3標(biāo)準(zhǔn)。

(6)

PLC通信的易用化和網(wǎng)絡(luò)化。PLC的通信聯(lián)網(wǎng)功能使它能與個人計(jì)算機(jī)和其他智能控制設(shè)備交換數(shù)字信息，使系統(tǒng)形成一個統(tǒng)一的整體，實(shí)現(xiàn)分散控制和集中管理。通過雙絞線、同軸電纜或光纖聯(lián)網(wǎng)，信息可以傳送到幾十千米遠(yuǎn)的地方，通過Modem和互聯(lián)網(wǎng)可以與世界上其他地方的計(jì)算機(jī)裝置通信。為了盡量減少用戶在通信編程方面的負(fù)擔(dān)，PLC廠商做了大量的工作，使設(shè)備之間的通信自動地周期性地進(jìn)行，不需要用戶為通信編程，用戶的工作只是在組成系統(tǒng)時做一些硬件或軟件上的初始化設(shè)置。PLC網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)已經(jīng)不再是自成體系的封閉系統(tǒng)，而是迅速向開放式系統(tǒng)發(fā)展。PLC除了能形成自己的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，完成設(shè)備控制任務(wù)之外，還可以與上位計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)信息交流。它已成為整個信息管理系統(tǒng)的一部分。同時，隨著現(xiàn)場總線技術(shù)的廣泛應(yīng)用，PLC與其他安裝在現(xiàn)場的智能化設(shè)備，比如智能化儀表、智能傳感器、智能型電磁閥、智能型驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)等，通過總線連接起來，并按照同一通信規(guī)約互相傳輸信息，由此構(gòu)成一個現(xiàn)場工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)，這種網(wǎng)絡(luò)與單純的PLC遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)相比，配置更靈活，擴(kuò)容更方便，造價(jià)更低，性能價(jià)格比更好，也更具開放意義。這方面，西門子的產(chǎn)品具有代表性，它具有自己的PROFIBUS協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)已被世界上絕大多數(shù)國家所接受，已經(jīng)成為國際標(biāo)準(zhǔn)之一，獲得了廣泛的應(yīng)用。此外，在當(dāng)前的過程控制領(lǐng)域，最大的發(fā)展趨勢之一就是Ethernet技術(shù)的擴(kuò)展。PLC也不例外，現(xiàn)在，越來越多的PLC供應(yīng)商開始提供Ethernet接口部件。例如Schneider公司推出的一種運(yùn)行于PremiumPLC平臺的Ethernet(100Mb/s)模件。該模件為PLC連接到TCP/IP的Ethernet提供了全雙工自適應(yīng)10/100Mb/s的連接速度，現(xiàn)場過程控制器之間可以共享實(shí)時數(shù)據(jù)信息，自動掃描MomentumI/O模件和其他任何基于Modbus通信協(xié)議的現(xiàn)場控制設(shè)備，采用一個嵌入式Web服務(wù)器提供HTML通信服務(wù)，同時提供了SNMP用于標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)通信管理。未來技術(shù)的發(fā)展將使PLC連接到Ethernet和Web變得更加方便。

(7)組態(tài)軟件與PLC的軟件化。個人計(jì)算機(jī)(PC)的價(jià)格便宜，有很強(qiáng)的數(shù)學(xué)運(yùn)算、數(shù)據(jù)處理、通信和人機(jī)交互的功能。過去個人計(jì)算機(jī)主要用作PLC、操作站或人機(jī)接口終端，工業(yè)控制現(xiàn)場一般使用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)(IPC)，這樣相應(yīng)地出現(xiàn)了應(yīng)用于工業(yè)控制系統(tǒng)的組態(tài)軟件，利用這些軟件可以方便地進(jìn)行工業(yè)控制流程的實(shí)時和動態(tài)監(jiān)控，完成報(bào)警、歷史趨勢和各種復(fù)雜的控制功能，同時節(jié)約控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時間，提高系統(tǒng)的可靠性。既然使用了PC，為何不把PLC的功能也用軟件在PC上來實(shí)現(xiàn)呢?這也就是軟PLC產(chǎn)生的動機(jī)，再加上現(xiàn)在智能I/O終端的發(fā)展，更使得軟PLC的開發(fā)出現(xiàn)了上升的勢頭。目前已有很多家廠商推出了在PC上運(yùn)行的可實(shí)現(xiàn)PLC功能的軟件包。

(8)

PLC與現(xiàn)場總線相結(jié)合。IEC對現(xiàn)場總線(Fieldbus)的定義是：“安裝在制造和過程區(qū)域的現(xiàn)場裝置與控制室內(nèi)的自動控制裝置之間的數(shù)字式、串行、多點(diǎn)通信的數(shù)據(jù)總線稱為現(xiàn)場總線”。它是當(dāng)前工業(yè)自動化的熱點(diǎn)之一?，F(xiàn)場總線以開放的、獨(dú)立的、全數(shù)字化的雙向多變量通信代替0～10mA或4～20mA的現(xiàn)場電動儀表信號?，F(xiàn)場總線I/O集檢測、數(shù)據(jù)處理、通信為一體，可以代替變送器(限于信號調(diào)理)、調(diào)節(jié)器、記錄儀等模擬儀表。它不需要框架、機(jī)柜，可以直接安裝在現(xiàn)場導(dǎo)軌槽上?，F(xiàn)場總線I/O的接線極為簡單，只需一根電纜，從主機(jī)開始，沿?cái)?shù)據(jù)鏈從一個現(xiàn)場總線I/O連接到下一個現(xiàn)場總線I/O。使用現(xiàn)場總線后，自控系統(tǒng)的配線、安裝、調(diào)試和維護(hù)等方面的費(fèi)用可以節(jié)約2/3左右?，F(xiàn)場總線I/O與PLC可以組成功能強(qiáng)大的、廉價(jià)的DCS系統(tǒng)?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)將DCS的控制站功能分散給現(xiàn)場控制設(shè)備，僅靠現(xiàn)場總線設(shè)備就可以實(shí)現(xiàn)自動控制的基本功能。例如，將電動調(diào)節(jié)閥及其驅(qū)動電路、輸出特性補(bǔ)償、PID控制和運(yùn)算、閥門自校驗(yàn)和自診斷功能集成在一起，再配上溫度變送器就可以組成一個閉環(huán)溫度控制系統(tǒng)，有的傳感器中也植入了PID控制功能?，F(xiàn)在功能強(qiáng)大的PLC也配有和現(xiàn)場總線聯(lián)網(wǎng)的模塊，使之可以就近掛接到現(xiàn)場總線上。

使用現(xiàn)場總線后，操作員可以在中央控制室實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，還可以通過現(xiàn)場設(shè)備的自診斷功能預(yù)測故障和尋找故障點(diǎn)。

(9)控制與管理功能一體化。隨著VLSI技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，在一臺控制器上可同時實(shí)現(xiàn)控制功能和信息處理功能及網(wǎng)絡(luò)通信功能。采用分布式控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)廣泛意義上的控制管理一體化。

(10)

PLC、IPC與PC-BasedPLC的發(fā)展。隨著PC技術(shù)的飛速發(fā)展，使得IPC(工業(yè)控制計(jì)算機(jī))以及基于IPC的應(yīng)用技術(shù)也得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。同時，隨著Internet技術(shù)的應(yīng)用和所有生產(chǎn)信息過程和控制信息過程的集成與發(fā)展，通過Internet/Intranet瀏覽生產(chǎn)過程信息流中的制造過程、操作和監(jiān)控現(xiàn)場智能設(shè)備等，IPC越來越多地承擔(dān)著SCADA(數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制)的人機(jī)交互控制任務(wù)和協(xié)同下級小型控制器或智能現(xiàn)場設(shè)備的控制任務(wù)。總體而言，IPC是最適合應(yīng)用于自動化控制平臺的。但作為傳統(tǒng)主流控制器的PLC，它擁有穩(wěn)定性好、可靠性高、邏輯順序控制能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在自動化控制領(lǐng)域具有不可替代的優(yōu)勢。但有一大遺憾：PLC的封閉式構(gòu)架、封閉式系統(tǒng)(研發(fā)必須具備自己或OEM的CPU、芯片組、BIOS、操作系統(tǒng)、梯形圖編程軟件)、較差的開放性勢必會造成其應(yīng)用上的壁壘，也增加了用戶維修的難度和集成的成本。有人斷言，在不久的將來，基于PC的控制器將會逐步取代PLC而成為主流控制設(shè)備。為改善這種局面，傳統(tǒng)PLC生產(chǎn)廠家正在逐步將PLC的功能PC化(如Siemens的WinAC)，而IPC廠家也逐步將IPC的邏輯功能PLC化，使PLC和IPC在功能和規(guī)格方面越來越接近，由此就出現(xiàn)了基于PLC和IPC技術(shù)的中間控制器：PC-BasedPLC。

PC-BasedPLC也稱嵌入式控制器，它不再像IPC那樣以機(jī)箱加主板為主體結(jié)構(gòu)，再搭配諸如A/D、D/A、DI/DO等功能I/O板卡的組合產(chǎn)品，而是一個獨(dú)立的基于嵌入式PC技術(shù)的專用系統(tǒng)，適用于小型的SCADA系統(tǒng)。如泓格的I-8000系列，其主機(jī)內(nèi)部是40

MHz主頻的80188CPU，操作系統(tǒng)為兼容DOS的MiniOS7，其編程環(huán)境是基于PC的標(biāo)準(zhǔn)C語言程序，程序開發(fā)過程與PLC極其相似：首先在PC上編寫常駐任務(wù)程序，并將其編譯好后傳送到主機(jī)內(nèi)的Flash上，再讓其脫機(jī)運(yùn)行。另外，為了使其具備PLC的優(yōu)勢特性，PC-BasedPLC也可以用梯形圖編程，如泓格的ISaGRAF(配合I-8417/8817主機(jī))。相對于PLC而言，PC-BasedPLC的優(yōu)勢在于擁有IPC強(qiáng)大的運(yùn)算、數(shù)據(jù)處理和通信功能。在軟件方面，PC-BasedPLC支持IEC-61131-3(LD、SFC、FBD、IL、ST)的五種國際標(biāo)準(zhǔn)語言和軟件邏輯。由于以上特點(diǎn)，PC-BasedPLC將會更加開放和標(biāo)準(zhǔn)化，能適應(yīng)更加復(fù)雜的控制和管控一體化信息的需求?？偟膩碚f，IPC是開放式架構(gòu)、開放式系統(tǒng)，PLC則是封閉式架構(gòu)、封閉式系統(tǒng)，而PC-BasedPLC介于二者之間，是開放式架構(gòu)、封閉式系統(tǒng)。嚴(yán)格地說，IPC一般承擔(dān)著管理控制任務(wù)和協(xié)同下級小型控制器或智能現(xiàn)場設(shè)備的控制任務(wù)，而PLC一般用作現(xiàn)場控制器。

可編程控制器的特點(diǎn)我們在1.3.1節(jié)中已經(jīng)詳細(xì)敘述過，下面簡述其分類。PLC產(chǎn)品種類繁多，為便于不同應(yīng)用場合選擇合適的PLC，人們一般將其按如下方法分類。

1.按輸入/輸出點(diǎn)數(shù)分類

可編程控制器用于對外部設(shè)備的控制，外部信號的輸入、PLC的運(yùn)算結(jié)果的輸出都要通過PLC輸入/輸出端子來進(jìn)行接線，輸入/輸出端子的數(shù)目之和被稱做PLC的輸入/輸出點(diǎn)數(shù)，簡稱I/O點(diǎn)數(shù)。由I/O點(diǎn)數(shù)的多少可將PLC分成小型、中型和大型，以適應(yīng)不同控制規(guī)模的應(yīng)用。4.2可編程控制器的特點(diǎn)與分類小型PLC的I/O點(diǎn)數(shù)小于256。小型PLC以開關(guān)量控制為主，具有體積小、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)。它可用于開關(guān)量的控制、定時/計(jì)數(shù)的控制、順序控制及少量模擬量的控制場合，代替繼電器接觸器控制在單機(jī)或小規(guī)模生產(chǎn)過程中使用。

中型PLC的I/O點(diǎn)數(shù)在256～1024之間。中型PLC的功能比較豐富，兼有開關(guān)量和模擬量的控制能力，適用于較復(fù)雜系統(tǒng)的邏輯控制和閉環(huán)過程的控制。

大型PLC的I/O點(diǎn)數(shù)在1024以上。大型PLC用于大規(guī)模過程控制、集散式控制和工廠自動化網(wǎng)絡(luò)。

2.按結(jié)構(gòu)形式分類

考慮到工業(yè)現(xiàn)場的特殊性及便于PLC的安裝、擴(kuò)展和接線，通常從結(jié)構(gòu)形式上將PLC分為整體式、模塊式和混合式三大類。

1)整體式結(jié)構(gòu)

早期的PLC一般采用整體式結(jié)構(gòu)。整體式結(jié)構(gòu)的PLC將CPU模塊、輸入/輸出模塊、電源模塊及通信模塊等基本模塊緊湊地封裝在一個機(jī)殼內(nèi)，從而構(gòu)成一個整體。一般地，微型、小型PLC采用整體式結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)適用于控制比較集中的工業(yè)現(xiàn)場。

2)模塊式結(jié)構(gòu)

模塊式結(jié)構(gòu)的PLC按其各個組成部分劃分為不同的模塊，并將這些模塊分別進(jìn)行獨(dú)立的封裝。安裝時，將這些模塊插在框架上或基板上，它們由系統(tǒng)自動進(jìn)行尋址連接，插入什么模塊可根據(jù)需要進(jìn)行配置。大、中型PLC多采用模塊式結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)適用于各種工業(yè)現(xiàn)場的分布式控制中。

3)混合式結(jié)構(gòu)

混合式PLC實(shí)際上是對整體式結(jié)構(gòu)和模塊式結(jié)構(gòu)的整合。它由PLC主機(jī)和擴(kuò)展模塊組成。PLC主機(jī)由CPU、存儲器、通信接口電路、基本輸入/輸出電路及電源這些基本模塊組成，相當(dāng)于一個整體式PLC，可以獨(dú)立完成控制功能。擴(kuò)展模塊可以是輸入/輸出模塊、模擬量模塊、位置控制模塊、PID模塊及聯(lián)網(wǎng)控制模塊等智能模塊。這種結(jié)構(gòu)適用于各種復(fù)雜、惡劣的分布式或集中控制中。

雖然PLC的品種繁多，但其基本結(jié)構(gòu)和工作原理基本相同。廣義上，和工業(yè)PC一樣，PLC也是一種計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，只不過它更加適應(yīng)工業(yè)環(huán)境，具有更強(qiáng)的抗干擾能力。

可編程控制器主要由CPU、存儲器、基本I/O接口電路、外設(shè)接口、編程裝置、電源等組成，如圖4-1所示。編程裝置將用戶程序送入可編程控制器，在可編程控制器運(yùn)行狀態(tài)下，輸入單元接收到外部元件發(fā)出的輸入信號，可編程控制器執(zhí)行程序，并根據(jù)程序運(yùn)行后的結(jié)果，由輸出單元驅(qū)動外部設(shè)備。4.3可編程控制器的組成

1.?CPU

CPU(CentralProcessingUnit，中央處理單元)是可編程控制器的核心部分，相當(dāng)于人的大腦。CPU一般由控制器、運(yùn)算器和寄存器組成，這些電路通常都被封裝在一個集成的芯片上。CPU通過地址總線、數(shù)據(jù)總線、控制總線與存儲單元、輸入/輸出接口電路連接。CPU在系統(tǒng)監(jiān)控程序的控制下工作，通過掃描方式，將外部輸入信號的狀態(tài)寫入輸入映像寄存器區(qū)域，PLC進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)后，從存儲器逐條讀取用戶指令，按指令規(guī)定的任務(wù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳送、邏輯運(yùn)算、算術(shù)運(yùn)算等，然后將結(jié)果送到輸出映像寄存器區(qū)域。

圖4-1可編程控制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

PLC常用的微處理器主要有通用型微處理器、單片機(jī)或雙極型位片式微處理器。通用型微處理器按其處理數(shù)據(jù)的位數(shù)可分為4位、8位、16位和32位等。PLC大多采用8位和16位微處理器。常見的通用型微處理器有Intel公司的8086、80186等系列和Pentium系列芯片，單片機(jī)型微處理器有Intel公司的MCS-96系列單片機(jī)，位片式微處理器有AMD2900系列的微處理器。小型PLC的CPU多采用單片機(jī)或?qū)Ｓ肅PU，中型PLC的CPU大多采用16位微處理器或單片機(jī)，大型PLC的CPU多采用高速位片式處理器，具有高速處理能力。

2.存儲器

存儲器是PLC存放系統(tǒng)程序、用戶程序和工作數(shù)據(jù)的單元。PLC的存儲器由只讀存儲器(ReadOnlyMemory，ROM)和隨機(jī)存儲器(RandomAccessMemory，RAM)組成。只讀存儲器在使用時，只能對其進(jìn)行讀取而無法執(zhí)行寫入操作。隨機(jī)存儲器在使用過程中能夠隨時讀取和寫入數(shù)據(jù)。只讀存儲器按其編程方式的不同又分為ROM、PROM、EPROM和EEPROM等。ROM又稱掩模只讀存儲器，其存儲的內(nèi)容寫入后無法改變。PROM(ProgrammableRead-OnlyMemory)是可編程只讀存儲器，它只能被使用者修改一次，使用者可以通過PROM編程器等硬件將數(shù)據(jù)寫入設(shè)備中。在PROM被編程后，它就只能專用那些數(shù)據(jù)，并且不能被再編程。EPROM(ErasableProgrammableRead-OnlyMemory，可擦除可編程只讀存儲器)是一種特殊的PROM，其內(nèi)部的信息可以用紫外線來擦除，一旦擦除后，就可以再次被寫入信息。EEPROM(ElectricallyErasableProgrammableRead-OnlyMemory，電擦除可編程只讀存儲器)和EPROM一樣，其內(nèi)容也可以被擦除，只要在一定電壓下就可以進(jìn)行擦除操作，而不用紫外線，且掉電后信息不會消失。隨著技術(shù)的進(jìn)步，近年來一種新型的只讀存儲器Flash

ROM發(fā)展起來，它擁有比EPROM和EEPROM更多的優(yōu)勢，它在使用上類似于EPROM，因此，有些書籍上便把FlashROM作為EPROM的一種。事實(shí)上，二者還是有差別的。FlashROM在擦除時，也要執(zhí)行專用的刷新程序，但是在刪除資料時，并非以Byte為基本單位，而是以Sector(又稱Block)為最小單位，F(xiàn)lashROM芯片的讀和寫操作都是在單電壓下進(jìn)行的，只要利用專用的程序即可方便地修改其內(nèi)容。FlashROM能夠?yàn)閰?shù)數(shù)據(jù)提供非易失性存儲，例如定制產(chǎn)品設(shè)置和配置信息。在讀操作的時候，它像一般的只讀存儲器。一個FlashROM通常被分為很多塊或扇區(qū)(例如64KB塊)，每個塊可以被單獨(dú)地擦除和寫入。由于只讀存儲器在斷電狀態(tài)下還可以保持所存儲的數(shù)據(jù)，因此它被用作PLC的系統(tǒng)存儲器，可編程控制器在生產(chǎn)過程中將系統(tǒng)程序固化在ROM中，用戶是不可改變的。用戶邏輯解釋程序和標(biāo)準(zhǔn)程序模塊也不能被用戶改變，制造商一般會把這些內(nèi)容存放在PROM或EPROM內(nèi)提供給用戶。隨機(jī)存儲器有兩種類型：靜態(tài)隨機(jī)存儲器(SRAM)和動態(tài)隨機(jī)存儲器(DRAM)。SRAM(StaticRandomAccessMemory)是一種半導(dǎo)體存儲器。“靜態(tài)”是指只要不掉電，存儲在SRAM中的數(shù)據(jù)就不會丟失。SRAM的速度非?？?，在快速讀取和刷新時能夠保持?jǐn)?shù)據(jù)完整性。SRAM的電路結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，往往要采用大量的晶體管來構(gòu)造寄存器以保留數(shù)據(jù)。但采用大量的晶體管需要大量的硅，這在無形之中就增加了制造成本。制造相同容量的SRAM比DRAM的成本貴許多。DRAM(DynamicRandom-AccessMemory)只能將數(shù)據(jù)保持很短的時間。為了保持?jǐn)?shù)據(jù)，DRAM必須隔一段時間刷新(Refresh)一次。如果存儲單元沒有被刷新，數(shù)據(jù)就會丟失。隨機(jī)存儲器由于是易失性的，當(dāng)斷電后，存放其中的數(shù)據(jù)會丟失，因此在實(shí)際使用中會為其配置掉電保護(hù)電路。當(dāng)正常電源關(guān)閉后，由備用電池為它供電，以保護(hù)其中的數(shù)據(jù)。隨機(jī)存儲器在PLC中用于存儲用戶程序和數(shù)據(jù)。為了調(diào)試和修改的方便，總是先把用戶程序存放在隨機(jī)存儲器中，經(jīng)過運(yùn)行、修改、完善，達(dá)到設(shè)計(jì)要求后，再把它固化到EEPROM中，替代RAM使用。

3.輸入/輸出單元和輸入/輸出擴(kuò)展單元

PLC的控制對象是工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備或工業(yè)生產(chǎn)過程，工作環(huán)境是工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場。PLC與工業(yè)生產(chǎn)過程的聯(lián)系是通過輸入/輸出(I/O)單元來實(shí)現(xiàn)的。

通過I/O單元可以檢測被控生產(chǎn)過程的各種參數(shù)，并以這些現(xiàn)場數(shù)據(jù)作為控制信息對被控對象進(jìn)行控制。同時通過I/O單元將控制器的處理結(jié)果送給被控設(shè)備或工業(yè)生產(chǎn)過程，從而驅(qū)動各種執(zhí)行機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)控制。PLC從現(xiàn)場收集的信息及輸出給外部設(shè)備的控制信號都需經(jīng)過一定距離，為了確保這些信息的正確無誤，PLC的I/O單元都具有較好的抗干擾能力。根據(jù)實(shí)際需要，一般情況下，PLC都有許多I/O單元，包括開關(guān)量輸入單元、開關(guān)量輸出單元、模擬量輸入單元、模擬量輸出單元以及其他一些特殊模塊。

1)開關(guān)量輸入單元

開關(guān)量輸入/輸出單元通過標(biāo)準(zhǔn)的輸入/輸出接口從傳感器和開關(guān)(如按鈕、限位開關(guān)等)及控制設(shè)備(如指示燈、報(bào)警器、電動機(jī)起動器等)接收信號。直流開關(guān)量輸入電路如圖4-2所示，交流開關(guān)量輸入電路如圖4-3所示。

在圖4-2中，電阻R1和R2構(gòu)成一個分壓器，而R2和電容C組成阻容濾波。雙向耦合器T用于隔離輸入電路和PLC內(nèi)部電路，并使外部信號變成內(nèi)部電路接收的標(biāo)準(zhǔn)信號?？梢钥吹?，圖4-3中的交流輸入電路是與此類似的。圖4-2直流開關(guān)量輸入電路圖4-3交流開關(guān)量輸入電路上述電路中使用雙向耦合器是為了提高接口電路的抗干擾能力。生產(chǎn)過程中使用的各種開關(guān)、按鈕、傳感器等輸入器件是直接接到PLC輸入接口電路上的，觸點(diǎn)抖動或干擾脈沖會引起錯誤的輸入信號，干擾PLC的正常工作，因此大部分PLC的I/O接口電路利用光電耦合器和濾波電路來抑制干擾。光電耦合器的工作原理是：發(fā)光二極管有驅(qū)動電流流過時，導(dǎo)通發(fā)光，光敏三極管接收到光線，由截止變?yōu)閷?dǎo)通，將輸入信號送入PLC內(nèi)部。光電耦合器中的發(fā)光二極管是電流驅(qū)動元件，要有足夠的能量才能驅(qū)動。干擾信號雖然有的電壓值很高，但能量較小，不能使發(fā)光二極管導(dǎo)通發(fā)光，所以不能進(jìn)入PLC內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了電隔離。濾波電路最常用的是電阻電容濾波。有些PLC還在接口電路中設(shè)置了消除較大瞬態(tài)過電壓的浪涌保護(hù)電路。

2)開關(guān)量輸出單元

開關(guān)量輸出單元的作用是把PLC內(nèi)部信號轉(zhuǎn)換成現(xiàn)場執(zhí)行機(jī)構(gòu)的各種開關(guān)信號。按現(xiàn)場執(zhí)行機(jī)構(gòu)使用的電源類型的不同，開關(guān)量輸出單元一般可分為直流輸出單元(晶體管輸出方式或繼電器輸出方式)和交流輸出單元(晶閘管輸出方式或繼電器輸出方式)。

如圖4-4所示為繼電器輸出電路，其中繼電器是作為開關(guān)器件，同時又是隔離器件。當(dāng)PLC輸出一個信號時，內(nèi)部電路使繼電器線圈通電，同時點(diǎn)亮LED，通電線圈使繼電器觸點(diǎn)閉合，從而使負(fù)載回路接通得電。圖4-4繼電器輸出電路

3)模擬量輸入單元

模擬量輸入/輸出接口一般用來感知傳感器產(chǎn)生的信號。這些接口可用于測量流量、溫度和壓力，并可用于控制電壓或電流輸出設(shè)備。這些接口的典型量程為-10～+10V、

0～+10V、4～20mA或10～50mA。

如圖4-5所示是模擬量輸入單元框圖，輸入信號首先進(jìn)行濾波，然后進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換器，模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后，再經(jīng)光電耦合隔離器進(jìn)入PLC內(nèi)部回路。根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換器的量化精度不同，一般把模擬輸入單元分為8位、10位、12位和14位。

圖4-5模擬量輸入單元框圖

4)模擬量輸出單元

模擬量輸出單元的作用是將PLC中的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬量信號輸出，一般是

4～20mA(或0～10mA)的電流信號或0～10V的電壓信號，如圖4-6所示。其處理過程與模擬量輸入單元相反，PLC輸出的數(shù)字量信號由內(nèi)部回路送至光電耦合隔離器，光電耦合隔離器的輸出端會將相應(yīng)的信號輸出至D/A轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換后的模擬信號經(jīng)由放大器等元件處理，輸出驅(qū)動執(zhí)行部件。和模擬量輸入單元一樣，模擬量輸出單元也可根據(jù)D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率區(qū)分為8位、10位、12位和14位。

圖4-6模擬量輸出單元框圖

5)輸入/輸出擴(kuò)展單元

可編程控制器利用I/O擴(kuò)展單元可實(shí)現(xiàn)I/O擴(kuò)展單元與PLC的基本單元的連接，當(dāng)基本I/O單元的輸入或輸出點(diǎn)數(shù)不夠使用時，可以用I/O擴(kuò)展單元來擴(kuò)充開關(guān)量的I/O點(diǎn)數(shù)和增加模擬量的I/O端子。

4.外設(shè)接口

外設(shè)接口電路用于連接手持式編程器或其他圖形編程器、文本顯示器，并能通過外設(shè)接口組成PLC的控制網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)編程、監(jiān)控、聯(lián)網(wǎng)等功能。

為滿足更加復(fù)雜控制功能的需要，PLC還配有多種智能I/O接口，例如滿足位置控制需要的位置閉環(huán)控制模塊、可進(jìn)行高速脈沖計(jì)數(shù)的高速計(jì)數(shù)模塊等。這些智能模塊一般自身都帶有處理器系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)在自動化系統(tǒng)集成工程中的重要性越來越顯著，多數(shù)PLC具有通信聯(lián)網(wǎng)的功能，它使PLC與PLC之間、PLC與上位計(jì)算機(jī)以及其他智能設(shè)備之間能夠交換信息，形成一個統(tǒng)一的整體，實(shí)現(xiàn)分散集中控制。以往很多PLC支持RS-232協(xié)議下的通信，還有一些內(nèi)置有支持各自通信協(xié)議的接口，現(xiàn)在，PLC的通信主要采用現(xiàn)場總線、光纖或工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)。

5.電源

電源單元的作用是把外部電源(通常是220V的交流電源)轉(zhuǎn)換成內(nèi)部工作電壓。外部連接的電源，通過PLC內(nèi)部配有的一個專用開關(guān)式穩(wěn)壓電源，將交流/直流供電電源轉(zhuǎn)化為PLC內(nèi)部電路需要的工作電源(直流5V、±12V、24V)，并為外部輸入元件(如接近開關(guān))提供24V直流電源(僅供輸入端點(diǎn)使用)。驅(qū)動PLC負(fù)載的電源由用戶提供。

電源部件的位置有多種，對于整體式PLC，電源通常封裝在機(jī)箱內(nèi)部；對于模塊式PLC，有的采用單獨(dú)的電源模塊，有的將電源與CPU封裝到一個模塊中。

6.編程器

編程器是PLC開發(fā)應(yīng)用、監(jiān)測運(yùn)行、檢查維護(hù)的重要器件，用于編程、對系統(tǒng)作一些設(shè)定、監(jiān)控PLC及PLC所控制的系統(tǒng)的工作狀況，但它不直接參與現(xiàn)場控制運(yùn)行。編程器分為簡易型和智能型兩大類。簡易型的編程器只能聯(lián)機(jī)編程，而且往往需要將梯形圖語言編制的程序轉(zhuǎn)化為指令表語言后，才能輸入。它一般由簡易鍵盤和發(fā)光二極管或其他顯示器件組成。智能型的編程器又稱為圖形編程器，它可以聯(lián)機(jī)編程，也可以脫機(jī)編程，一般用LCD(液晶顯示器)或CRT(陰極射線管)顯示器作為顯示器件，適用于大中型PLC，除可用于編制和輸入程序外，還可編輯和打印程序文本。除專用編程器外，目前很多PLC廠商還提供編程軟件，使得用戶可以在PC上進(jìn)行編程，并通過專用電纜將編譯好的程序下載到PLC上。在PLC上電運(yùn)行時，用戶可以在PC上實(shí)時監(jiān)控PLC上的各種變量、參數(shù)，還可以在線修改數(shù)據(jù)和變量值。這使編程和調(diào)試工作的效率大大提高。例如西門子(SIEMENS)的STEP7，就是針對其S7-300/400系列PLC推出的編程軟件，通過在PC上配置MPI通信卡或PC/MPI通信適配器，可以將PC連接到MPI或PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)來下載和上傳PLC的用戶程序與組態(tài)數(shù)據(jù)。STEP

7具有以下功能：硬件配置和參數(shù)設(shè)置、通信組態(tài)、編程、測試、啟動和維護(hù)、文件建檔、運(yùn)行和診斷等。

7.底板和機(jī)架

大多數(shù)模塊式PLC使用底板或機(jī)架，其作用是：電氣上，實(shí)現(xiàn)各模塊間的聯(lián)系，使CPU能訪問底板上的所有模塊；機(jī)械上，實(shí)現(xiàn)各模塊間的連接，使各模塊構(gòu)成一個整體。

可編程控制器除了硬件系統(tǒng)外，還需要軟件系統(tǒng)的支持，二者缺一不可?？删幊炭刂破鞯能浖到y(tǒng)由系統(tǒng)程序和用戶程序兩部分組成。

4.4.1系統(tǒng)程序

系統(tǒng)程序由PLC制造商編制，固化在EPROM或PROM中。它包括系統(tǒng)管理程序、用戶指令解釋程序和供系統(tǒng)調(diào)用的標(biāo)準(zhǔn)程序模塊三大部分。4.4可編程控制器的軟件系統(tǒng)

1.系統(tǒng)管理程序

系統(tǒng)管理程序是PLC中最主要的部分，它可完成如下功能：

(1)運(yùn)行管理。控制PLC何時輸入、輸出、計(jì)算、自檢、通信等時間上的分配管理。

(2)存儲空間管理。生成用戶環(huán)境，規(guī)定各種參數(shù)、程序的存放地址，將用戶使用的數(shù)據(jù)參數(shù)存儲地址轉(zhuǎn)換為實(shí)際的數(shù)據(jù)格式及物理存儲地址。

(3)系統(tǒng)的自檢管理。進(jìn)行系統(tǒng)出錯檢驗(yàn)、用戶程序語法檢驗(yàn)、句法檢驗(yàn)、警戒時鐘運(yùn)行等。在系統(tǒng)管理程序的控制下，整個PLC能正確、有效地工作。

2.用戶指令解釋程序

用戶指令解釋程序?qū)⒂脩舫绦蛑杏玫降母鞣N編程語言(梯形圖、語句表、功能塊語言等)翻譯成CPU能執(zhí)行的機(jī)器指令，是連接高級語言和機(jī)器碼的橋梁。

3.供系統(tǒng)調(diào)用的標(biāo)準(zhǔn)程序模塊

供系統(tǒng)調(diào)用的標(biāo)準(zhǔn)程序模塊由許多獨(dú)立的程序塊組成，各程序塊有不同的功能，有的完成輸入、輸出處理，有的完成特殊運(yùn)算等。PLC的各項(xiàng)具體工作都是由這部分程序來完成的，它的多少決定了可編程控制器性能的強(qiáng)弱。

由于通過改進(jìn)系統(tǒng)程序可以在不改變PLC硬件系統(tǒng)的情況下改善其性能，因此各大廠商對PLC系統(tǒng)程序的編制極為重視，其產(chǎn)品的系統(tǒng)程序也在不斷升級和完善。例如，西門子公司在推出S7-200系列PLC后，不斷對其系統(tǒng)程序進(jìn)行完善，使該產(chǎn)品的功能越來越強(qiáng)。4.4.2用戶程序

用戶程序即應(yīng)用程序，是可編程控制器用戶針對具體的控制對象編制的程序。PLC中有大量的編程“軟元件”，這些“軟元件”按其功能可以分為輸入繼電器、輸出繼電器、定時器、計(jì)數(shù)器等。用戶根據(jù)不同的控制任務(wù)編制程序，相當(dāng)于對“軟元件”的硬件接線進(jìn)行重新設(shè)計(jì)和接線，這就是所謂的“可編程”。由于“軟繼電器”實(shí)質(zhì)上是PLC中的存儲單元，取用它們的常開、常閉觸點(diǎn)實(shí)際上是讀取存儲單元的狀態(tài)，因此可以認(rèn)為一個繼電器帶有無數(shù)多個常開、常閉觸點(diǎn)。由于PLC的主要使用對象是工廠電氣技術(shù)人員，為了適合他們的習(xí)慣和快速掌握PLC的編程方法，一般PLC會支持多種編程語言，常見的有梯形圖(LAD)、指令表(STL)和功能塊圖(FBD)。下面以S7-300系列PLC為例來介紹這幾種設(shè)計(jì)語言。

1.梯形圖

梯形圖(LAD)表達(dá)式是在原電氣控制系統(tǒng)中常用的接觸器、繼電器控制圖基礎(chǔ)上演變而來的，它與電氣操作原理圖相對應(yīng)，形象、直觀和實(shí)用，為電氣技術(shù)人員所熟悉，是PLC的主要編程語言。

圖4-7是繼電器接觸器控制系統(tǒng)中典型的啟動、停止控制電路。圖4-7(b)是將圖(a)的繼電器接觸器控制圖轉(zhuǎn)化為PLC的梯形圖。

圖4-7繼電器接觸器控制圖和梯形圖的比較

(a)控制圖；(b)梯形圖由圖4-7可以看出二者的基本設(shè)計(jì)思想是一致的，只是在具體表達(dá)方式上有一定區(qū)別。PLC的梯形圖使用的是內(nèi)部繼電器、定時/計(jì)數(shù)器等，其控制功能是由軟件實(shí)現(xiàn)的；而繼電器接觸器控制系統(tǒng)的繼電器梯形圖是用電線將控制元件連接起來，是硬連接，其控制功能是由硬件實(shí)現(xiàn)的。梯形圖由多個梯級組成，每個輸出元素可構(gòu)成一個梯級，每個梯級可由多個支路組成，最右邊的元素必須是輸出元素。簡單的編程元素只占用1條支路(例如常開/常閉觸點(diǎn)、繼電器線圈等)，有些編程元素要占用多條支路(例如矩陣功能)。在用梯形圖編程時，只有在一個梯級編制完整后才能繼續(xù)后面的程序編制。PLC的梯形圖從上至下按行繪制，兩側(cè)的豎線類似電氣控制圖的電源線，稱作母線，每一行從左至右，左側(cè)總是安排輸入接點(diǎn)，并且把并聯(lián)接點(diǎn)多的支路靠近最左端。輸入接點(diǎn)不論是外部的按鈕、行程開關(guān)，還是繼電器觸點(diǎn)，在圖形符號上都只用常開“-||-”和常閉“-|/|-”表示，而不計(jì)其物理屬性。常見梯形圖符號與繼電器接觸器控制系統(tǒng)電路圖的對應(yīng)關(guān)系如表4-1所示。

表4-1符

號

對

照

表由于梯形圖編程方法是從繼電器接觸器控制系統(tǒng)繼承而來的，因而它最大限度地保持了繼電器接觸器控制系統(tǒng)的特征。PLC梯形圖的一個關(guān)鍵概念是“能流”，即假想的能量流，在圖4-7(b)中，把左邊的母線假想為電源“相線”，而把右邊的母線假想為電源“零線”。若有能流從左至右流向線圈，則線圈被激勵。能流不能反向流動，只要線圈之前的串聯(lián)接點(diǎn)有一個不接通，線圈就不會被激勵。梯形圖的一般使用規(guī)則如下：

(1)梯形圖中的繼電器不是物理繼電器，每個繼電器和輸入觸點(diǎn)均為存儲器中的一位，相應(yīng)位為“1”表示繼電器得電，或在觸點(diǎn)上表示常開觸點(diǎn)閉合或常閉觸點(diǎn)斷開。

(2)梯形圖中的繼電器觸點(diǎn)可在編制用戶程序時無限次地引用，既可常開又可常閉。

(3)在輸出線圈右側(cè)不能再連觸點(diǎn)，觸點(diǎn)必須在輸出線圈的左側(cè)。

(4)兩個或兩個以上線圈可以并聯(lián)，但不能串聯(lián)。

(5)梯形圖左端母線不能和輸出線圈直接相連，必須通過繼電器觸點(diǎn)相連。

梯形圖簡單明了，是最常用的PLC編程語言。

2.指令表

指令表(STL)編程語言又稱為語句表或布爾助記符，它是一種類似匯編語言的低級語言，屬于傳統(tǒng)的編程語言，用布爾助記符表示的指令來描述程序。

指令表編程語言具有以下特點(diǎn)：

(1)用布爾助記符表示操作功能，容易記憶，便于掌握。

(2)適合于有經(jīng)驗(yàn)的程序員。

(3)有時能夠解決利用梯形圖等其他編程語言不容易解決的問題。

(4)在編程器的鍵盤上直接采用助記符表示，便于操作。

(5)與梯形圖語言一一對應(yīng)。

指令表編程語言是一種通用的編程語言，所有的PLC都支持，并且其他的編程語言都可以轉(zhuǎn)換為指令表形式。需要注意的是，盡管各PLC的指令表均有助記的特點(diǎn)，但它們并不完全一致。

圖4-8是一個簡單的PLC程序。

圖4-8梯形圖和指令表的比較

(a)梯形圖；(b)指令表

3.功能塊圖

功能塊圖(FBD)編程語言采用功能模塊表示所具有的功能。FBD在外觀上類似邏輯門圖形，但它沒有梯形圖中的觸點(diǎn)和線圈，而擁有與之等價(jià)的指令。功能模塊用矩形來表示，每一個功能模塊的左側(cè)有不少于一個的輸入端，右側(cè)有不少于一個的輸出端。功能模塊的類型名稱通常寫在塊內(nèi)，其輸入/輸出名稱寫在塊內(nèi)的輸入/輸出點(diǎn)對應(yīng)的地方。

功能模塊基本上分為兩類：基本功能模塊和特殊功能模塊。基本功能模塊有AND、OR、XOR等，特殊功能模塊有ON延時、脈沖輸出、計(jì)數(shù)器等。功能塊編程語言具有以下特點(diǎn)：

(1)以功能模塊為單位，從控制功能入手，使控制方案的分析和理解變得容易。

(2)功能模塊用圖形化的方式描述功能，較直觀、易掌握、方便組態(tài)、易操作，是有發(fā)展前途的一種編程語言。

(3)對于較復(fù)雜的控制系統(tǒng)，用功能塊圖可較清晰地描述其控制功能的關(guān)系，縮短了編程和調(diào)試時間。

(4)因?yàn)槊恳粋€功能模塊要占用一定程序的存儲空間，對功能模塊的執(zhí)行需要一定的執(zhí)行時間，所以，這種語言在大中型可編程控制器和分散控制系統(tǒng)中應(yīng)用較廣泛。

圖4-9是圖4-8中梯形圖程序所對應(yīng)的功能塊圖。

圖4-9功能塊圖簡單實(shí)例

4.5.1可編程控制器的工作原理

由于PLC主要用于代替?zhèn)鹘y(tǒng)的由繼電器接觸器構(gòu)成的控制裝置，考慮到繼電器接觸器控制系統(tǒng)是一種“硬邏輯系統(tǒng)”，它采用的是并行工作方式，因此要求可編程控制器也要以并行方式工作。但PLC是一種工業(yè)計(jì)算機(jī)，其工作原理是建立在計(jì)算機(jī)工作原理基礎(chǔ)上的，CPU只能以分時操作方式來處理各項(xiàng)任務(wù)，也就是說在每一時刻只能處理一件事情，程序的執(zhí)行是按順序依次執(zhí)行的。4.5可編程控制器的工作原理和工作過程為了消除二者之間由于運(yùn)行方式不同而造成的差異，考慮到繼電器接觸器控制裝置各類觸點(diǎn)的動作時間一般在100ms以上，而PLC掃描用戶程序的時間一般均小于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)。這樣，在對于I/O響應(yīng)要求不高的場合，PLC與繼電器接觸器控制裝置的處理結(jié)果沒有什么區(qū)別。

PLC的掃描工作過程大致可以分為三個階段，即輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新，如圖4-10所示。完成上述三個階段稱作一個掃描周期。在整個運(yùn)行期間，PLC的CPU以一定的掃描速度重復(fù)執(zhí)行上述三個階段。

圖4-10可編程控制器的工作過程

1.輸入采樣階段

在輸入采樣階段，PLC首先掃描所有輸入端子，依次地讀入所有輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并將它們存入輸入映像寄存器中。此時，輸入映像區(qū)被刷新。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。在這兩個階段中，即使輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)發(fā)生變化，輸入映像區(qū)中相應(yīng)單元的狀態(tài)和數(shù)據(jù)也不會改變，也就是說，它已經(jīng)與外界隔離。因此，如果輸入是脈沖信號，則該脈沖信號的寬度必須大于一個掃描周期，才能保證在任何情況下，該輸入均能被讀入。

2.用戶程序執(zhí)行階段

在用戶程序執(zhí)行階段，PLC總是按由上而下的順序依次地掃描用戶程序(梯形圖)。在掃描每一條梯形圖時，又總是先掃描梯形圖左邊的由各觸點(diǎn)構(gòu)成的控制電路，并按先左后右、先上后下的順序?qū)τ捎|點(diǎn)構(gòu)成的控制電路進(jìn)行邏輯運(yùn)算，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存儲區(qū)中對應(yīng)位的狀態(tài)；或者刷新該輸出線圈在輸出映像寄存器中對應(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。即在用戶程序執(zhí)行過程中，只有輸入點(diǎn)在輸入/輸出映像區(qū)內(nèi)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)不會發(fā)生變化，而其他輸出點(diǎn)和軟設(shè)備在輸入/輸出映像區(qū)或系統(tǒng)RAM存儲區(qū)內(nèi)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)都有可能發(fā)生變化，而且排在上面的梯形圖，其程序執(zhí)行結(jié)果會對排在下面的凡是用到這些線圈或數(shù)據(jù)的梯形圖起作用；相反，排在下面的梯形圖，其被刷新的邏輯線圈的狀態(tài)或數(shù)據(jù)只能到下一個掃描周期才能對排在其上面的程序起作用。

3.輸出刷新階段

當(dāng)用戶程序執(zhí)行完畢后，PLC就進(jìn)入輸出刷新階段。在此期間，CPU按照輸入/輸出映像區(qū)內(nèi)對應(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)動相應(yīng)的外設(shè)。

從以上三個階段的分析可以看出，雖然PLC與繼電器接觸器控制裝置的處理結(jié)果是一樣的，但二者在運(yùn)行方式上仍然有區(qū)別：

(1)繼電器接觸器控制裝置采用“硬邏輯并行運(yùn)行”的方式。如果一個繼電器的線圈通電或斷電，則該繼電器所有的觸點(diǎn)(包括其常開或常閉觸點(diǎn))都會立即同時動作。

(2)

PLC采用順序邏輯掃描用戶程序的運(yùn)行方式。如果一個輸出線圈或邏輯線圈被接通或斷開，則該線圈的所有觸點(diǎn)(包括其常開或常閉觸點(diǎn))不會立即動作，必須等掃描到該觸點(diǎn)時才會動作。我們可以通過以下的例子來分析這一點(diǎn)，比較一下兩個程序的異同。

如圖4-11所示的兩段程序執(zhí)行的結(jié)果完全一樣，但在PLC中執(zhí)行的過程卻不一樣。程序1只用一次掃描周期就可完成對Q0.3的刷新，程序2要用四次掃描周期才能完成對Q0.3的刷新。這說明：同樣的梯形圖，其排列順序不同，執(zhí)行的結(jié)果也會不同。采用掃描用戶程序的運(yùn)行結(jié)果與繼電器接觸器控制裝置的硬邏輯并行運(yùn)行的結(jié)果是有所區(qū)別的。當(dāng)然，如果PLC掃描速度足夠快，則二者之間的區(qū)別就可以忽略了。

圖4-11程序刷新時間對比

(a)程序1；(b)程序24.5.2可編程控制器的工作過程

PLC工作的全過程可以用圖4-12所示的PLC工作過程運(yùn)行框圖來表示。整個過程可以分為三個階段。

第一個階段是上電處理。PLC上電后對系統(tǒng)進(jìn)行一次初始化，包括硬件初始化、輸入/輸出模塊配置檢查及其他初始化處理。

第二個階段是掃描過程。PLC在上電處理完成后進(jìn)入掃描工作過程。這個階段與前述的掃描工作過程大致一樣，只是添加了一些具體的處理步驟，如通信處理、時鐘更新等。當(dāng)CPU處于STOP狀態(tài)時，轉(zhuǎn)而執(zhí)行自診斷程序；當(dāng)其處于RUN狀態(tài)時，完成用戶程序的執(zhí)行和輸出處理后，再去執(zhí)行自診斷程序。

PLC可被看成是在系統(tǒng)軟件支持下的一種掃描設(shè)備。它一直周而復(fù)始地循環(huán)掃描并執(zhí)行由系統(tǒng)軟件規(guī)定好的任務(wù)。用戶程序只是掃描周期的一個組成部分，用戶程序不運(yùn)行時，PLC也在掃描，只不過在一個周期中去除了用戶程序和讀輸入、寫輸出這幾部分的內(nèi)容。

圖4-12可編程控制器的工作流程

1.?PLC在一個周期中的掃描過程

(1)自診斷測試掃描過程。該掃描過程將在本節(jié)后面予以介紹。

(2)與網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信的掃描過程。配有網(wǎng)絡(luò)的PLC系統(tǒng)才有通信掃描過程(小型系統(tǒng)沒有這一掃描過程)，這一過程用于PLC與PLC之間及PLC與上位計(jì)算機(jī)或終端設(shè)備之間的通信。

(3)用戶程序掃描過程。機(jī)器處于正常運(yùn)行狀態(tài)下，每一個掃描周期內(nèi)都包含該掃描過程。該過程在機(jī)器運(yùn)行中是否執(zhí)行是可控的，即用戶可以通過軟件進(jìn)行設(shè)定。用戶程序的長短，會影響掃描過程所用的時間。

(4)寫輸出掃描過程。機(jī)器在正常運(yùn)行狀態(tài)下，每一個掃描周期內(nèi)都包含這個掃描過程。該過程在機(jī)器運(yùn)行中是否被執(zhí)行是可控的。CPU在處理用戶程序時，使用的輸入值不是直接從輸入點(diǎn)讀取的，運(yùn)算的結(jié)果也不直接送到實(shí)際輸出點(diǎn)，而是在內(nèi)存中設(shè)置了兩個映像寄存器：一個為輸入映像寄存器，另一個為輸出映像寄存器。用戶程序中所用的輸入值是輸入映像寄存器的值，運(yùn)算結(jié)果也放在輸出映像寄存器中。在輸入掃描討校CPU把實(shí)際輸入點(diǎn)的狀態(tài)鎖入到輸入映像寄存器中；在輸出掃描過程中，CPU把輸出映像寄存器的值鎖定到實(shí)際輸出點(diǎn)。PLC具有I/O控制功能，用戶可以通過編程器封鎖或開放I/O。封鎖I/O就是關(guān)閉I/O掃描過程。

(5)讀輸入掃描過程。在讀輸入階段，CPU對各個輸入端子進(jìn)行掃描，通過輸入電路將各輸入點(diǎn)的狀態(tài)鎖入到輸入映像寄存器中；緊接著轉(zhuǎn)入用戶程序執(zhí)行階段，CPU按照先左后右、先上后下的順序?qū)γ織l指令進(jìn)行掃描，根據(jù)輸入映像寄存器和輸出映像寄存器的狀態(tài)執(zhí)行用戶程序，同時將執(zhí)行結(jié)果寫入輸出映像寄存器中。在程序執(zhí)行期間，即使輸入端子狀態(tài)發(fā)生變化，輸入狀態(tài)寄存器的內(nèi)容也不會立即改變。輸入端子狀態(tài)變化只能在下一個工作周期的輸入階段才被集中讀入。在寫輸出階段，將輸出映像寄存器的狀態(tài)集中鎖定到輸出鎖存器，再經(jīng)輸出電路傳遞到輸出端子。圖4-13描述了PLC信號從輸入端子到輸出端子的傳遞過程。

圖4-13PLC信號的傳遞過程

2．中斷程序處理

如果在程序中使用了中斷，則中斷事件發(fā)生時，CPU停止正常的掃描工作模式，立即執(zhí)行中斷程序。中斷功能可以提高PLC對