3.1

PLC的產(chǎn)生與定義

3.2

PLC的基本結構

3.3

PLC的工作原理

3.4

PLC的功能與特點

3.5

PLC的分類和性能指標

3.6

PLC的應用和發(fā)展

3.7PLC的編程語言

3.8

PLC的軟件開發(fā)

第3章PLC概述

作為取代傳統(tǒng)“繼電器—接觸器控制系統(tǒng)”而設計的專用工業(yè)控制計算機，可編程控制器是以微處理器為基

礎，綜合了計算機技術、自動控制技術和通信技術發(fā)展起來的一種新型工業(yè)控制裝置。它將傳統(tǒng)的繼電器控制技術和現(xiàn)代計算機信息處理的優(yōu)點相結合，功能強大、控制靈活，并且編程簡單易學，成為工業(yè)自動化領域中應用最多的主流控制設備，已躍居工業(yè)生產(chǎn)三大支柱(可編程控制

器、機器人、計算機輔助設計與制造CAD/CAM)的首位，被廣泛應用于各種生產(chǎn)機械和生產(chǎn)過程的自動控制系統(tǒng)

中。

3.1

PLC的產(chǎn)生與定義3.1.1

PLC的產(chǎn)生

自18世紀30年代發(fā)明電磁繼電器以來，工業(yè)控制中順序控制大部分采用繼電器邏輯控制系統(tǒng)。這種以硬連接方式構成的控制系統(tǒng)，如果控制要求發(fā)生變化，控制柜中的元器件和接線都必須做相應的改變。對于復雜的控制來

說，不但設計制造困難，而且可靠性不高，查找和排除故障往往十分困難，缺乏靈活性。此外，老式的繼電器控制系統(tǒng)難以適應小批量、多品種、高質量的控制需要，難以適應現(xiàn)代控制要求，迫使人們去尋求一種新的控制裝置來取代老式的繼電器控制裝置。20世紀60年代初小型計算機的出現(xiàn)，國外曾試圖利用它來代替較復雜的繼電器控制系統(tǒng)，但由于小型計算機成本高、接口電路和編程技術復雜等原因，一直難以推廣使用。

1968年，美國通用汽車公司(GM)為了適應汽車型號的不斷翻新而尋求新的設計方法，希望盡可能減少重新設計控制系統(tǒng)的次數(shù)，即可達到接線簡單、更改容易、縮短設計周期的要求，設想把計算機的功能完善、靈活通用等特點與繼電器控制系統(tǒng)的簡單易懂、操作方便、價格便宜等特點結合起來開發(fā)通用的控制裝置，并把計算機的編程方法和程序輸入方式加以簡化，用面向控制過程、面向問題的“自然語言”編程，使不熟悉計算機的人也能方便地使用。這樣，使用人員不必在編程上花費大量的精力，而是集中力量去考慮如何發(fā)揮該裝置的功能和作用。

1969年，美國數(shù)字設備公司(DEC)根據(jù)上述要求，研制出了世界上第一臺可編程控制器，型號為PDP—14，用它代替?zhèn)鹘y(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)，并在美國通用汽車公司(GM)的生產(chǎn)線上首次應用成功。

此后，這項新技術就迅速發(fā)展起來。1971年，日本從美國引進了這項新技術，很快就研制成了日本第一臺可編程控制器，型號為DSC—8。1973—1974年，聯(lián)邦德國和法國也開始研制出了自己的可編程控制器。我國從1974年也開始研制，當時是仿制美國的第一臺產(chǎn)品，水平不高。直到1977年底，美國Motorola公司研制成一位微處理器MC14500芯片以后，國內以一位微處理器MC14500為核心的可編程控制器才得以發(fā)展，并開始工業(yè)應用。

3.1.2PLC的定義

早期的可編程控制器在功能上只能進行邏輯控制，因此被稱為“可編程邏輯控制器”(ProgrammableLogicController，PLC)。隨著科學技術的發(fā)展，國外一些廠家開始采用微處理器(Microprocessor，MPU)作為可編程控制器的中央處理單元(CentralProcessingUnit，CPU)，從而擴大了控制器的功能，它不僅可以進行邏輯控制，而且還可以對模擬量進行控制，因此美國電氣制造協(xié)會(簡稱NEMA)于1980年將它正式命名為可編程控制器(ProgrammableController，PC)。

美國電氣制造協(xié)會于1980年給PC做了最初的定義。國際電工協(xié)會(IEC)在1987年2月頒布的《可編程控制器標準草案》第三稿對可編程控制器下了新的定義：“可編程控制器是一種數(shù)字運算操作的電子系統(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，用來在其內部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、計時、計數(shù)和算術運算等操作的指令，并通過數(shù)字式、模擬式的輸入和輸出，控制各種機械或生產(chǎn)過程?？删幊炭刂破骷捌溆嘘P設備，都應按易于與工業(yè)控制器系統(tǒng)聯(lián)成一個整體、易于擴充其功能的原則設計?！痹摱x強調可編程控制器應直接應用于工業(yè)環(huán)境，因此PLC必須具有很強的抗干擾能力、廣泛的適應能力和應用范圍。近年來，PLC技術發(fā)展很快，其功能已超出上述定義范圍。

雖然可編程控制器簡稱為PC，但它與近年來人們熟知的個人計算機(PersonalComruter，PC)是完全不同的概念。國內外很多雜志以及在工業(yè)現(xiàn)場的工程技術人員，仍然把可編程控制器稱為PLC。為了照顧到這種習慣，在本書

中，我們稱可編程控制器為PLC。

PLC實質上是一種工業(yè)控制用的專用計算機，是以微處理器為核心的電子系統(tǒng)。PLC系統(tǒng)的實際組成與微型計算機(簡稱微機)基本相同，也是由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分組成的。

3.2.1硬件系統(tǒng)

PLC的硬件系統(tǒng)是指構成PLC的物理實際體或稱物理裝置，也就是它的各個結構部件。圖3-1是PLC的硬件系統(tǒng)結構圖。

3.2

PLC的基本結構圖3-1PLC硬件系統(tǒng)結構圖

由圖3-1可以看出，PLC是采用了典型的計算機結構。它的硬件系統(tǒng)由主機、I/O擴展機及外部設備組成。主機和擴展機采用微機的結構形式，其內部由運算器、控制器、存儲器、輸入單元、輸出單元以及接口等部分組成。運算器和控制器集成在一起，構成了微處理器(或稱微處理機、中央處理機)，簡稱CPU。主機內各部分之間均通過總線連接，總線分電源總線、控制總線、地址總線和數(shù)據(jù)總線。

PLC的結構可以分為五個部分：中央處理器(CPU)、存儲器(Memory)、輸入部件(Input)、輸出部件(Output)和電源部件(Supply)。其中，CPU是PLC的核心，存儲器是存放程序與數(shù)據(jù)的地方，I/O部件是連接現(xiàn)場設備與CPU之間的接口電路，而電源部件是為PLC內部電路提供電力的。

3.2.2常用的I/O接口

PLC的外部功能主要是通過各種具有驅動能力的I/O接口模塊來實現(xiàn)的。PLCI/O的接口主要類型有開關量(數(shù)字量)輸入、開關量(數(shù)字量)輸出、模擬量輸入和模擬量輸

出。除此之外，為適應快速、復雜、大型系統(tǒng)的控制和管理要求，各大廠家都相繼推出了各自專用的高級智能I/O接口模塊，如RTD(溫度控制)、熱電偶、高速計數(shù)、定位控

制、中斷、示教模塊及各種LINK模塊。

PLC以開關量順序控制為特長，任何一個輸出設備或過程的控制與管理，幾乎都是按步驟順序進行的，在工業(yè)控制中絕大部分的工作均可由PLC按開關量來控制完成。實現(xiàn)對開關量的控制是PLC的基本功能，因此，開關量I/O接口模塊是PLC的通用模塊。

1.開關量輸入接口

開關量輸入接口用于接收現(xiàn)場的開關信號，并將輸入的高電平信號轉換成PLC內部的低電平信號。每一個輸入點的輸入電路可以等效成一個輸入繼電器。

按照使用的電源不同，輸入接口可分為三種類型：直流輸入接口、交流輸入接口和交/直流輸入接口，其基本原理電路圖如圖3-2所示。

圖3-2輸入接口的基本原理電路圖

2.開關量輸出接口

開關量輸出接口是將PLC的輸出信號傳給外部負載(即用戶輸出設備)，并將PLC內部的低電平信號轉換為外部所需電平的輸出信號。每個輸出點的輸出電路可以等效成一個輸出繼電器。

按照負載使用的電源(即用戶電源)不同，輸出接口可分為直流輸出接口、交流輸出接口和交、直流輸出接口；按照輸出開關器件的種類不同，輸出接口可分為晶體管輸出方式、可控硅輸出方式和繼電器輸出方式，其工作原理電路圖如圖3-3所示。

圖3-3輸出接口的基本原理電路圖

圖3-3輸出接口的基本原理電路圖

圖3-3輸出接口的基本原理電路圖

晶體管輸出接口只能驅動直流負載屬于直流輸出模

塊；可控硅輸出方式的模塊只能帶交流負載，屬于交流輸出模塊。它們都是無觸點輸出方式，開關動作快、壽命長，可用于接通或斷開開關頻率較高的負載回路。而繼電器輸出接口可驅動交流或直流負載，屬于交、直流輸出模塊，是有觸點輸出方式，響應時間長，用于接通或斷開開關頻率較低的負載。

3.2.3軟件系統(tǒng)

PLC的軟件系統(tǒng)指PLC所使用程序的集合，包括系統(tǒng)程序(又稱系統(tǒng)軟件)和用戶程序(又稱應用程序或應用軟

件)。

1.系統(tǒng)程序

系統(tǒng)程序包括監(jiān)控程序、編譯程序及診斷程序等。系統(tǒng)程序由PLC廠家提供，并固化在EPROM中，不能由用戶直接存取，即不需要用戶干預。

2.用戶程序

用戶程序是用戶根據(jù)現(xiàn)場控制的需要，用PLC的程序語言編寫的應用程序，可以實現(xiàn)各種控制要求。用戶程序按模塊結構編寫，由各自獨立的程序段組成，每個分段用來解決一個確定的技術功能。這種程序分段的設計，還使得程序的調試、修改和查錯都變得較容易。

3.2.4用戶環(huán)境

用戶環(huán)境是由監(jiān)控程序生成的，包括用戶數(shù)據(jù)結構、用戶元件區(qū)分配、用戶程序存儲區(qū)、用戶參數(shù)、文件存儲區(qū)等。

1.用戶數(shù)據(jù)結構

用戶數(shù)據(jù)結構主要分為以下三類：

1)位數(shù)據(jù)

位數(shù)據(jù)是一類邏輯量，其值為“1”或“0”，表示觸點的通、斷或線圈的通、斷，以及標志的ON、OFF狀態(tài)等。

2)字數(shù)據(jù)

字數(shù)據(jù)的數(shù)制、位長等都有很多形式。在三菱FX系列PLC中，一般單字節(jié)為4位二進制碼，雙字節(jié)為8位二進制碼，也可以是十進制、十六進制，甚至還可以選擇八進

制、十六進制、ASCII碼等形式。

注：三菱系列PLC內部的常數(shù)都是以原碼二進制形式存儲的，所有四則運算(+、-、×、÷)和加1/減1指令等在PLC中全部按二進制運算。

3)字與位的混合

字與位的混合是指同一個元件既有位元件又有字元

件。例如T(定時器)和C(計數(shù)器)，它們的觸點為位，而設定值寄存器和當前值寄存器又為字。

2.元件

用戶使用的每一個輸入/輸出端子及內部的每一個存儲單元都稱為元件。各種元件有其不同的功能和固定的地

址。元件的數(shù)量是由監(jiān)控程序規(guī)定的，其多少決定了可編程控制器整個系統(tǒng)的規(guī)模及數(shù)據(jù)處理能力。每種可編程控制器的元件數(shù)是有限的。

3.3.1

PLC的等效電路

對使用者來說，在編寫程序時可以不考慮微處理器及存儲器內部的復雜結構，也不必使用各種計算機語言，而只要把PLC看作是內部由許多“軟繼電器”組成的控制器即可，以便于使用者按設計繼電器控制線路的形式進行編程。而從功能上來講，又可以把PLC的控制部分看成是由許多“軟繼電器”組成的等效電路，如圖3-4所示。這些繼電器線圈一般用表示，繼電器常開觸點一般用

表

示，繼電器常閉觸點一般用

表示。

3.3

PLC的工作原理圖3-4

PLC等效電路

3.3.2

PLC的工作方式

PLC雖然以微處理器為核心，具有微機的許多特點，但其工作方式卻與微機有很大的區(qū)別，PLC是采用“順序掃描，不斷循環(huán)”的方式進行工作的。

1.掃描

當PLC運行時，用戶程序中有眾多的操作需要去執(zhí)

行，但CPU是不能同時去執(zhí)行多個操作的，它只能按分時操作原理每一時刻執(zhí)行一個操作。由于CPU的運算處理速度很高，使得外部出現(xiàn)的結果從宏觀上來看幾乎是同時完成的，這種分時操作的過程稱為CPU對程序的掃描。

這種掃描的方式是按照“順序掃描”的規(guī)則進行的，它是以“塊(邏輯網(wǎng)絡)”為單位，按從上到下、從左往右的順序進行的，如圖3-5所示。

圖3-5

PLC按順序掃描示意圖

2.程序執(zhí)行過程

PLC的工作過程大體可以分為輸入采樣(或輸入處理)、程序執(zhí)行(或程序處理)和輸出刷新(或輸出處理)三個階段，并進行周期性循環(huán)，如圖3-6所示。

1)輸入采樣階段

在輸入采樣階段，PLC以掃描方式按順序將所有輸入端的輸入信號狀態(tài)讀入到輸入映像寄存器集中存儲起來，稱為對輸入信號的采樣。隨后關閉輸入端口，轉入程序執(zhí)行階段。在程序執(zhí)行期間，即使輸入狀態(tài)發(fā)生變化，輸入映像寄存器的內容也不會改變。輸入狀態(tài)只能在下一個工作周期的輸入采樣階段才會被重新讀入。

圖3-6PLC的工作過程2)程序執(zhí)行階段

在程序執(zhí)行階段，PLC對程序按順序進行掃描。每掃描到一條指令時，所需要的輸入狀態(tài)或其他元件的狀態(tài)分別由輸入映像寄存器和元件映像寄存器讀出，再將執(zhí)行結果寫入到元件映像寄存器中。這就是說，對于每一個元件來說，元件映像寄存器中寄存的內容，會隨程序執(zhí)行的進程而變化。

3)輸出刷新階段

當程序執(zhí)行完后進入輸出刷新階段。此時，元件映像寄存器中所有輸出繼電器的狀態(tài)轉存到輸出鎖存電路驅動用戶輸出設備(負載)中，這就是PLC的實際輸出。

PLC重復執(zhí)行上述三個階段，每重復一次的時間就是一個工作周期(或掃描周期)。工作周期的長短與程序的長短(即組成程序的語句多少)有關。

3.4.1

PLC的功能

PLC既可用于單臺機電設備的控制，也可以用于生產(chǎn)流水線的控制。使用者可以根據(jù)生產(chǎn)過程和工藝要求設計控制程序，然后將程序通過編程器送入PLC。程序投入運行后，PLC在現(xiàn)場輸入信號(按鈕、行程開關、光電開關或其他傳感器)的作用下，按照預先送入的程序控制現(xiàn)場的執(zhí)行機構(電機、電磁閥等)按一定規(guī)律動作。

3.4

PLC的功能與特點PLC把自動化技術、計算機技術和通信技術融為一體，可以完成以下功能：

1.條件控制功能(邏輯控制)

條件控制(或稱邏輯控制或開關控制)功能是指采用PLC的與、或、非等邏輯指令取代繼電器觸點串聯(lián)、并聯(lián)及其他各種邏輯連接，進行開關控制。

2.定時/計數(shù)控制功能

定時/計數(shù)控制功能是采用PLC提供的定時器、計數(shù)器指令實現(xiàn)對某種操作的定時或計數(shù)控制，以取代時間繼電器和計數(shù)繼電器。

3.步進控制功能

步進控制功能是采用步進指令來實現(xiàn)在有多道加工工序的控制中，只有前一道工序完成后，才能進行下一道工序操作的控制，以取代有硬件構成的步進控制器。

4.數(shù)據(jù)處理控制功能

數(shù)據(jù)處理功能是指PLC能進行數(shù)據(jù)傳送、比較、移位、數(shù)制轉換、算術運算與邏輯運算以及編碼和譯碼等操作。

5.?A/D與D/A轉換功能

A/D與D/A轉換功能是通過A/D、D/A模塊完成對模擬量和數(shù)字量之間的轉換和調節(jié)。

6.運動控制功能

運動控制功能是通過高速計數(shù)模塊和位置控制模塊等進行單軸轉動或多軸聯(lián)動控制。

7.過程控制功能

過程控制功能是指通過PLC的PID控制模塊實現(xiàn)對溫

度、壓力、速度、流量等物理參數(shù)進行閉環(huán)控制。

8.擴展功能

擴展功能是指通過連接輸入/輸出擴展單元(即I/O擴展單元)模塊來增加輸入/輸出點數(shù)，也可以通過附加各種智能單元及特殊功能單元來提高PLC的控制能力。

9.遠程I/O功能

遠程I/O功能是指通過遠程I/O單元將分散在遠距離的各種輸入、輸出設備與PLC主機相連接，進行遠程控制，接收輸入信號、傳出輸出信號。

10.通信聯(lián)網(wǎng)功能

通信聯(lián)網(wǎng)功能是指通過PLC之間的聯(lián)網(wǎng)、PLC與上位計算機的連接等，構成分層式控制系統(tǒng)，實現(xiàn)遠程I/O控制或數(shù)據(jù)交換，以完成系統(tǒng)規(guī)模較大的復雜控制。

PLC在通信系統(tǒng)中，一般采用RS—232接口，也可以采用RS—422接口和光通信。PLC的通信和聯(lián)網(wǎng)技術還在發(fā)展之中。

11.監(jiān)控功能

監(jiān)控功能是指PLC能監(jiān)視系統(tǒng)各部分運行狀態(tài)和進

程，對系統(tǒng)中出現(xiàn)的異常情況進行報警和記錄，甚至自動終止運行；也可在線調整、修改控制程序中定時器、計數(shù)器等設定值和強制I/O狀態(tài)；PLC還可以連接顯示器或打印機等外部設備，對程序和數(shù)據(jù)進行硬拷貝等操作。

3.4.2

PLC的特點

1.可靠性高、抗干擾能力強

為了保證PLC能在工業(yè)環(huán)境下可靠工作，設計和生產(chǎn)過程中采取了一系列硬件和軟件的抗干擾措施，主要有以下幾個方面：

(1)隔離，這是抗干擾的主要措施之一。PLC的輸入、輸出接口電路一般采用光電耦合來傳遞信號，這種光電隔離措施，使外部電路與內部電路之間避免了電的聯(lián)系，可有效地抑制外部干擾源對PLC的影響，同時防止外部高電壓串入，減少故障和誤動作。

(2)濾波，這是抗干擾的另一種主要措施。在PLC的電源電路和輸入、輸出電路中設置了多種濾波電路，用以對高頻干擾信號進行有效抑制。

(3)對PLC的內部電源采取了屏蔽、穩(wěn)壓、保護等措施，以減少外界干擾，保證供電質量。另外，可使輸入/輸出接口電路的電源獨立，以避免電源之間的干擾。

(4)內部設置聯(lián)鎖、環(huán)境檢測與診斷、Watchdog(看門狗)電路，一旦發(fā)現(xiàn)故障和程序循環(huán)執(zhí)行時間超出了警戒時鐘WDT規(guī)定時間(預示程序進入了死循環(huán))，即會立即報警，以保證CPU的可靠工作。

(5)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，并采取信息保護和恢復措施。

(6)對用戶程序及動態(tài)工作數(shù)據(jù)進行電池后備措施，以保障停電后有關狀態(tài)或信息不會丟失。

(7)采用密封、防塵、抗震的外殼封裝結構，以適應工作現(xiàn)場的惡劣環(huán)境。

另外，PLC是以集成電路為基本元件的電子設備，內部處理過程不依賴于機械觸點，也是保障工作可靠性高的重要原因，而采用循環(huán)掃描的工作方式，也提高了抗干擾能力。通過以上措施，保證了PLC能在惡劣環(huán)境中可靠地工作，使平均故障間隔時間(MTBF)提高，故障修復時間縮短。

2.功能完善、擴充方便、組合靈活、實用性強

現(xiàn)代PLC所具有的功能及其各種擴展單元、智能單元和特殊功能模塊，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)，以適應各種工業(yè)控制的需要。

(1)功能完善。PLC產(chǎn)品已系列化、模塊化，不僅具有邏輯運算、定時計數(shù)、順序控制等功能，還具有A/D與D/A轉

換、數(shù)學運算和數(shù)據(jù)處理等功能。PLC能根據(jù)對象需要，方便靈活地組成大小相異、功能不一的控制系統(tǒng)。它既可控制一臺單機、一條生產(chǎn)線，又可以利用通信功能組成一個復雜系統(tǒng)來實現(xiàn)群控；既可實行現(xiàn)場控制，又可實行遠程控制。

(2)擴充方便、組合靈活、實用性強。PLC的核心是微處理器，所有控制要求是通過軟件來實現(xiàn)的。同一臺PLC可用于不同的控制對象，當控制要求發(fā)生變化時，只要修改軟件即可。另外，PLC產(chǎn)品的接口模塊功能強、品種多，可適應各種不同要求的工業(yè)控制，并可以靈活組合成各種不同大小、不同功能實用的、緊湊的應用控制系統(tǒng)。

3.編程簡單、使用方便、控制程序可變、具有很好的柔性

PLC繼承傳統(tǒng)繼電器控制電路清晰直觀的特點，采用面向控制過程和操作者的“自然語言”——梯形圖為編程語言，易于編寫和調試，而且還可進行在線編寫、修改。當生產(chǎn)工藝流程改變或生產(chǎn)線設備更新時，不必改變PLC硬設備，只需改變程序即可，靈活方便，有很好的柔性。

4.接線簡單

PLC控制系統(tǒng)采用軟件編程來實現(xiàn)控制功能，其外圍只需將信號輸入設備(按鈕、開關等)和接收輸出信號、執(zhí)行控制任務的輸出設備(如接觸器、電磁閥等執(zhí)行元件)與PLC的輸入、輸出端子相連接即可，安裝簡單，工作量少。

5.體積小、重量輕、功耗低

PLC是專為工業(yè)制造而設計的，它采用集成電路，其結構緊湊、堅固、體積小巧，易于裝入機械設備內部，是實現(xiàn)機電一體化的理想控制設備。

3.5.1

PLC的分類

PLC的品種、型號、規(guī)格與功能各不相同，這里介紹一些較為通用的分類方法。

1.按I/O點數(shù)分類

按I/O點數(shù)多少可將PLC分為超小型機、小型機、中型機、大型機、超大型機等五類。

(1)超小型機：I/O點數(shù)為64點以內，內存容量為256～1000B。

3.5

PLC的分類和性能指標(2)小型機：I/O點數(shù)為64點以上，256點以下(包括256點)，內存容量為1～3.6KB。

(3)中型機：I/O點數(shù)為256點以上，2048點以下，內存容量為3.6～13KB。

(4)大型機：I/O點數(shù)為2048點以上，內存容量在13KB以

上。

(5)超大型機：I/O點數(shù)超過8192點。

2.按功能強弱分類

按功能強弱可將PLC分為低檔機、中檔機和高檔機三

類，見表3-1。

表3-1PLC按功能分類

分

類主要功能應用場合低檔機具有邏輯運算、定時、計數(shù)、移位及自診斷、監(jiān)控等基本功能。有些還有少量模擬量I/O(即A/D、D/A轉換)、算術運算、數(shù)據(jù)傳輸、遠程I/O和通信等功能常用于開關量控制、定時/計數(shù)控制、順序控制及少量模擬量控制等場合中檔機除具有低檔機的功能外，還有較強的模擬量I/O、算術運算、數(shù)據(jù)傳輸與比較、數(shù)制轉換、子程序、遠程I/O以及通信聯(lián)網(wǎng)等功能，有些還具有中斷控制、PID回路控制等功能適用于既有開關量又有模擬量的較為復雜的控制系統(tǒng)，如過程控制、位置控制等高檔機除具有一般中檔機的功能外，還具有較強的數(shù)據(jù)處理、模擬調節(jié)、特殊功能函數(shù)運算、監(jiān)視、記錄、打印等功能，以及更強的通信聯(lián)網(wǎng)、中斷控制、智能控制、過程控制等功能可用于更大規(guī)模的過程控制，構成分布式控制系統(tǒng)，形成整個工廠的自動化網(wǎng)絡3.按結構形式分類

按結構形式可將PLC分為整體式、模塊式和疊裝式三類。

1)整體式(單元式)

整體式是把PLC的各組成部分(如CPU、存儲器及I/O等基本單元)安裝在一塊或少數(shù)幾塊印刷電路板上，并連同電源一起裝在機殼內形成一個單一的整體，稱之為主機或基本單元。

2)模塊式

模塊式又稱為積木式PLC，它是把PLC的各基本組成部分做成獨立的模塊，然后以搭積木的方式將它們組裝在一個具有標準尺寸并帶有若干個插槽的機架內。

3)疊裝式

疊裝式結構是整體式和模塊式相結合的產(chǎn)物。把某系列PLC工作單元的外形都做成外觀尺寸一致，CPU、I/O接口及電源也做成獨立的，采用電纜連接各個單元，在控制設備中安裝時可以一層層地疊裝，這就是疊裝式PLC。

總的來說，整體式PLC一般規(guī)模較小，輸入/輸出點數(shù)固定，較少用于有擴展的場合；模塊式PLC一般用于規(guī)模較大，輸入/輸出點數(shù)較多，輸入/輸出點數(shù)的比例可以靈活調整的場合；疊裝式PLC兼具以上兩者的優(yōu)點，且整體式和模塊式有結合為疊裝式的趨勢。

3.5.2

PLC的性能指標

各廠家的PLC產(chǎn)品技術指標基本相同，但各有特色，這里只列舉一些基本的、用戶比較關心的技術指標。

1.輸入/輸出點數(shù)

輸入/輸出點數(shù)是指PLC向外輸入/輸出的最大端子路

數(shù)，表示PLC組成系統(tǒng)時可能的最大規(guī)模。這是一項最重要的技術指標。

2.掃描速度

掃描速度一般以執(zhí)行1000步基本指令所需時間(掃描1K字用戶程序所需的時間)作為一個單位，記為ms/Kstep(毫秒/千步)，有時也以執(zhí)行一步的時間來計算，記為μs/step(微妙/步)。

3.內存容量(用戶程序存儲容量)

內存容量是PLC能存放多少用戶程序的一項指標，通常以字(或步)或K字為單位。約定16位二進制數(shù)為1個字(即兩個8位的字節(jié))，每1024個字為1K字。

4.編程語言

常用的編程語言有梯形圖、指令表和順序功能圖三種編程語言。不同的PLC采用不同的編程語言。如果一臺PLC能同時使用的編程方法很多，則容易為更多的人使用。

5.內部寄存器配置及容量

PLC的內部有大量一般的和特殊的寄存器，分別用于存放變量狀態(tài)、中間結果、定時計數(shù)、鏈接、索引等數(shù)據(jù)，這些關系到編程是否方便靈活。

6.指令種類及數(shù)量

指令種類及數(shù)量是衡量PLC軟件功能強弱的主要指標。PLC具有的指令種類及數(shù)量越多，則其軟件功能越強，具體編程就越靈活、越方便。

7.智能模塊

各種智能模塊的多少、功能的強弱也是說明PLC技術水平高低的一個重要標志。智能模塊越多、功能越強，則系統(tǒng)配置越高，軟件開發(fā)就越靈活、越方便。

3.6.1

PLC的應用

隨著微電子技術的快速發(fā)展，PLC的制造成本不斷下降，而其功能卻在不斷增強。目前在先進工業(yè)國家中PLC已成為工業(yè)控制的標準設備，應用面覆蓋了所有的工業(yè)企業(yè)，諸如鋼鐵、冶金、采礦、水泥、石油、化工、輕工、電力、機械制造、汽車、裝卸、造紙、紡織、環(huán)保、交

通、建筑、食品、娛樂等各行各業(yè)，躍居現(xiàn)代工業(yè)自動化三大支柱之首。

根據(jù)PLC的應用性質，大致可將其應用分為如下幾個方面：

3.6

PLC的應用和發(fā)展1.開關量的邏輯控制

開關量的邏輯控制是PLC最基本、最廣泛的應用?？梢杂肞LC來代替?zhèn)鹘y(tǒng)繼電器控制系統(tǒng)和順序控制系統(tǒng)，實現(xiàn)單機控制、多機控制及生產(chǎn)自動線控制。PLC在工業(yè)生產(chǎn)控制中主要就是完成這種直接數(shù)字控制的功能，因此PLC是現(xiàn)代工業(yè)控制中進行直接數(shù)字控制最理想的控制裝置。

2.過程的閉環(huán)控制

過程的閉環(huán)控制方面的應用是指包括了模擬量輸入/輸出的控制，它是對溫度、壓力、液位、流量、速度等連續(xù)變化的模擬量進行單回路或多回路閉環(huán)控制，使這些物理參數(shù)保持在設定值上。在各種加熱爐、鍋爐等的控制以及化工、輕工、食品、制藥、建材等許多領域的生產(chǎn)過程中有著廣泛的應用。3.運動控制

通過配用PLC生產(chǎn)廠家提供的單軸或多軸位置控制模塊、高速計數(shù)模塊等來控制步進電機或伺服電機，從而使運動部件能以適當?shù)乃俣然蚣铀俣葘崿F(xiàn)平滑的直線運動或圓周運動。PLC的運動控制功能廣泛用于各種運動機械設備，如精密金屬切削機床、成型機械、裝配機械、機械

手、機器人、電梯等設備的控制。

4.數(shù)據(jù)的分析處理

PLC具有數(shù)學運算、數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)轉換、數(shù)據(jù)排序和查表等功能，可以完成數(shù)據(jù)的采集、分析和處理并建

庫，也可以將通信傳送到其他智能裝置，或將它們制表打印。通常一般用于大、中型控制系統(tǒng)，如數(shù)控機床、柔性制造系統(tǒng)、過程控制系統(tǒng)、機器人控制系統(tǒng)等。

5.多級控制(通信聯(lián)網(wǎng))

PLC的通信聯(lián)網(wǎng)包括PLC之間的通信以及PLC與上位機和其他智能裝置之間的通信(連接)，以達到上位計算機與PLC之間及PLC與PLC之間的指令下達、數(shù)據(jù)交換和數(shù)據(jù)共享，實現(xiàn)不同系統(tǒng)之間的信息交換，構成“集中管理，分散控制”的集散型、分層式控制系統(tǒng)。

并非所有廠家各系列的PLC都具有上述所有應用功能，有些小型、簡易的PLC只有部分應用功能，當然價格相對也較低。

3.6.2

PLC的發(fā)展

伴隨著微電子技術、控制技術和信息技術的不斷發(fā)

展，PLC也得到了迅猛的發(fā)展，總的發(fā)展趨勢是系列化、通用化和高性能化，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

1.在系統(tǒng)構成規(guī)模上向大、小兩個方向發(fā)展

一方面發(fā)展小型(超小型)化、專用化、模塊化、低成本化的PLC，用以真正替代最小的繼電器系統(tǒng)；而另一方面發(fā)展大容量、高速度、多功能、高性能價格比的PLC，以滿足現(xiàn)代化企業(yè)中那些大規(guī)模、復雜系統(tǒng)自動化的需

要。

2.速度更快、功能不斷增強

隨著微電子技術、控制技術和信息技術的不斷發(fā)展，電子電路的集成程度越來越高，PLC的外形尺寸卻在不斷縮小。在PLC體積縮小的同時，芯片的運算速度越來越

高，并通過循環(huán)掃描的方式工作，大大增強了PLC控制的實時性。

3.各種應用模塊不斷推出

多種功能模塊的開發(fā)，使各種規(guī)模的自動化系統(tǒng)功能更強、更可靠，PLC的組成和維護更加靈活方便，應用范圍更加擴大。

4.產(chǎn)品更加規(guī)范化、標準化

PLC廠家在使硬件及編程工具換代頻繁、豐富多樣、功能提高的同時，日益向MAP(制造自動化協(xié)會)靠攏，采用工業(yè)標準總線，并使PLC基本部件，如輸入/輸出模塊、接線端子、通信協(xié)議、編程語言和工具等方面的技術規(guī)格規(guī)范化、標準化，使不同產(chǎn)品間能相互兼容、易于組網(wǎng)，以方便用戶真正利用PLC來實現(xiàn)工廠生產(chǎn)的自動化及資源共享的目標。

5.工業(yè)控制技術的集成

現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展要求為其生產(chǎn)控制與生產(chǎn)管理提供一種統(tǒng)一的解決方案，因此各大PLC廠家均努力提高全面解決問題的能力，提出了“全集成自動化”(TotallyIntegratedAutomation)的概念。為此，必須以PLC為核心，向下延伸到遠程I/O、現(xiàn)場設備、步進/伺服系統(tǒng)等方面，向上擴展到人機界面、上位機、圖形監(jiān)控軟件、通信等方面，同級、向上、向下的聯(lián)系則通過網(wǎng)絡來解決。

6.開發(fā)功能更強的組態(tài)軟件

為實現(xiàn)無硬件設備調試，進一步改善開發(fā)環(huán)境，縮短安裝調試工期，各大廠家均推出了自己的模擬/虛擬PLC軟件，以替代實際PLC運行軟件，程序運行情況的監(jiān)控方式與真實硬件PLC的監(jiān)控方式完全相同。

7.實現(xiàn)遠程服務

以Intranet/Internet為平臺，可通過電話線或無線網(wǎng)絡實現(xiàn)全球化的遠程服務。

由于PLC的編程語言面向用戶、面向對象，因此必須要簡單易學、操作方便，最常用的是梯形圖語言LAD(LadderDiagram)、指令助記符語言(或指令表)STL(Statement

List)，此外，還有順序功能圖語言SFC(SequentialFunctionChart)、控制系統(tǒng)流程圖語言CSF(ControlSystem

Flowchart)、布爾代數(shù)語言(或邏輯方程式)等。為增強數(shù)據(jù)運算和通信聯(lián)網(wǎng)功能，滿足熟悉計算機知識、使用過高級編程語言的用戶的需要，一些高檔PLC還可以用各種高級語言進行編程。應該指出，由于PLC的設計和生產(chǎn)尚無統(tǒng)一的國際標準，因而各廠家產(chǎn)品使用的編程語言及編程語言中采用的符號也不盡相同。目前，各廠家所開發(fā)的編程語言形式有所差別，各具特色，一般是不能相互兼容的。

3.7PLC的編程語言3.7.1梯形圖語言

梯形圖語言是在繼電器控制原理圖的基礎上演變而來的一種圖形語言，形式上類似于繼電器控制線路。它將PLC內部的各種編程元件和命令用特定的圖形符號和標注加以描述，并賦以一定的意義。它融邏輯操作、控制于一體，是一種面向對象的、實時的、圖形化的編程語言，具有清晰直觀、可讀性強的特點，很適合電氣工程技術人員使用，是目前使用最多的一種編程方式。這種語言可以完成PLC的全部控制功能。

1.梯形圖中的符號

梯形圖符號

和

分別表示PLC各種編程元件(或稱軟元件)的常開和常閉觸點，(或)則表示其線圈。梯形圖中的線圈是廣義的，除了表示輸出繼電器線圈和輔助繼電器線圈外，還包括定時器、計數(shù)器以及各種算術運算結果。

2.梯形圖編程的格式和特點

梯形圖的結構表示了信號的流向，與繼電器控制線路在電路結構形式、元件符號以及邏輯控制功能等方面是相同的，但它們又有許多不同之處。

(1)在編程時，首先應對所使用的編程元件進行編號。PLC是按編號來區(qū)別操作元件的，編號的使用一定要明確。不同機型的PLC編號方法是不一樣的。

(2)每個梯形圖按自上而下、從左到右的順序排列。每個繼電器線圈為一個邏輯行，每個邏輯行起始于左母線，經(jīng)過觸點的各種連接，最后通過一個繼電器線圈終止于右母

線，線圈右邊不允許再有接觸點。

(3)梯形圖中同一繼電器的線圈(輸出點)和其觸點要使用同一編號。觸點可以任意串聯(lián)或并聯(lián)，而輸出可以并聯(lián)但不能串聯(lián)。串、并聯(lián)觸點的數(shù)量從原則上說是沒有限制的。

(4)輸入繼電器僅受外部輸入信號控制，不能通過各種內部觸點驅動，因此，在梯形圖中只能出現(xiàn)輸入繼電器的觸

點，而不能出現(xiàn)輸入繼電器的線圈。

(5)輸出繼電器供PLC作輸出控制用，通過開關量輸出模塊(繼電器、晶閘管、晶體管)對應的輸出開關去驅動外部負

載。

(6)?PLC的內部輔助繼電器、定時器、計數(shù)器等的線圈不能用于輸出控制，其觸點只能供PLC內部使用。

3.7.2指令助記符語言

指令助記符語言也稱指令語句表，是一種類似于計算機匯編語言的編程方式，它以簡潔易記的文字符號“指令助記符”為基本結構，來表達PLC的各種控制命令。各種操作都由相應的指令來管理，能完成全部的控制、運算功能。不同的PLC，指令表使用的助記符不相同。這種編程語言形式適合于具有計算機專業(yè)知識的技術人員使用。

1.格式

PLC的指令表達形式與微機的指令表達形式類似，是由操作碼和操作數(shù)兩部分組成的，如圖3-7所示。其格式如下：

操作碼

操作數(shù)[，操作數(shù)]

(指令)(數(shù)據(jù))

2.操作碼

操作碼用助記符來表示，它表明CPU要完成的某種操作功能(如：邏輯運算的“與”、“或”、“非”，算術運算的“+”、“-”、“×”、“÷”等功能)，又稱編程指令或編程命令。PLC全部編程指令的集合稱為指令系統(tǒng)。

圖3-7指令表格式

3.操作數(shù)

操作數(shù)包括為執(zhí)行某種操作所必需的信息，它告訴CPU用什么東西來執(zhí)行此種操作。操作數(shù)一般由標識符和參數(shù)組成，但也可能空著。標識符表示操作數(shù)的類別，參數(shù)用來指明操作數(shù)的地址或表示某一個常數(shù)。

應用指令助記符語言設計出的應用程序，其邏輯關系并不明顯，比較難于閱讀，對于較大的控制系統(tǒng)，控制關系較為復雜，則更難以理解。

需要說明的是，由于各種PLC功能不同，其編程指令的數(shù)目、操作碼的助記符和操作數(shù)的表示方法也不同，甚至會出現(xiàn)同種功能指令的含義不相同的情形。

3.7.3順序功能圖

順序功能圖常用來編寫順序控制類程序，它包括步、動作和轉換三個要素。順序控制設計方法可將一個復雜的控制過程分解為一些小的工作狀態(tài)，對這些小的工作狀態(tài)分別處理后再將這些小狀態(tài)依一定的順序控制要求連接組合成整體的控制程序。具體使用方法將在第6章詳細介紹。

3.7.4

PLC編程示例

這里以最常用的“三相異步電動機直接啟?！崩^電器控制線路(如圖3-8(a)所示)為例，用PLC編程實現(xiàn)該控制要求。

圖3-8PLC編程示例

1.確定輸入量、輸出量

首先應確定原繼電器控制線路中，哪些量是輸入量，哪些量是輸出量，以便分配PLC的輸入、輸出端子與之對應(即進行I/O分配)。從圖3-8(a)中可以看到，SB1、SB2分別是啟動按鈕和停止按鈕，用于施加控制命令使接觸器KM接通或斷開，從而驅動或停止電動機的運行。因此，SB1、SB2為輸入量，KM為輸出量。

2.?PLC控制的外圍接線

圖3-8(b)是用PLC實現(xiàn)直接啟動控制的外圍接線示意

圖。啟動按鈕SB1和停止按鈕SB2作為輸入設備分別與PLC的輸入端X0、X1連接，接觸器KM的線圈作為輸出設備與PLC的輸出端Y0相連。

3.?PLC編程語言控制

圖3-8(c)和圖3-8(d)為采用不同形式的PLC編程語言來表達上述直接啟動控制邏輯的程序。其中，圖3-8(c)為梯形圖程序，圖3-8(d)為指令助記符程序。

正如前面所述，PLC適用于工業(yè)自動化生產(chǎn)領域，但是是否能夠發(fā)揮出PLC的優(yōu)勢，還取決于是否能編寫好控制程序。編寫PLC程序就得使用PLC開發(fā)軟件，目前市場上存在著不同公司開發(fā)的不同系列的眾多PLC產(chǎn)品，不同公司針對自己的產(chǎn)品系列開發(fā)了不同的軟件，這些軟件往往是不可替換使用的。因為本書主要是利用三菱FX2N系列PLC進行控制，所以編程采用三菱公司自己的PLC開發(fā)軟件，即GXDeveloper，版本號是8.103H，軟件可以在三菱公司的官網(wǎng)上免費申請下載。該軟件具有程序編寫、調試、下載等功能。3.8

PLC的軟件開發(fā)下面對該軟件進行簡要介紹，包括建立工程、程序界面設置、仿真測試方法等。

3.8.1工程建立

1.界面的組成

用鼠標雙擊桌面上的GXDeveloper程序的快捷方式圖標，如圖3-9所示，即可打開應用程序。

GXDeveloper應用程序是典型的Windows應用程序，它由標題欄、菜單欄、工具欄、注釋顯示欄、工程數(shù)據(jù)列表、狀態(tài)欄及功能鍵欄和程序顯示區(qū)所組成，如圖3-10所示。

圖3-9GXDeveloper軟件圖標

圖3-10GXDeveloper軟件界面

·標題欄：顯示當前正在編輯的編輯文件。

·菜單欄：集中了該軟件的全部命令。

·工具欄：收集了文件操作及編譯、查找等常用的命令。

·梯形圖編程窗口：用梯形圖來編寫程序。用梯形圖來編寫程序極為方便。

·指令表編程窗口：可用基本指令來編寫程序，也可用功能鍵來編程。

·狀態(tài)欄：顯示當前所使用功能的編程方式、程序步、編輯狀態(tài)、使用的PLC類型等。

2.新建工程

在工具欄中點擊新建工程按鈕，或者在菜單欄中的命令菜單“工程”中選擇“創(chuàng)建新工程”，彈出“創(chuàng)建新工程”對話框，如圖3-11所示。在“PLC系列”的下拉列表中選擇“FXCPU”；在“PLC類型”的下拉列表中選擇“FX2N(C)”；PLC可以以不同的方式進行編程，即有不同的“程序類型”，如“梯形圖”、“SFC”等，此處選擇“梯形圖”。如果勾選了“設置工程名”選項，則需要設置工程的“驅動器/路徑”與“工程名”。然后點擊“確定”按鈕進入編程界面，如圖3-12所示。此時，即可在程序編輯區(qū)內進行編程。

圖3-11“創(chuàng)建新工程”對話框

圖3-12“梯形圖”編程界面

3.程序變換

應該注意的是，因為程序最終是以指令表形式執(zhí)行

的，所以當程序更改之后，要使之生效，則需要進行程序變換，即將軟件界面上的修改反映到指令語句上，才能進行存盤、查找、替換、監(jiān)控等操作。操作方法是按下快捷鍵“F4”，或者在“變換”菜單中單擊“變換”選項，如圖3-13所示。

3.8.2程序編輯

1.工具條的設置

為了便于編程，可以設置工具欄顯示的狀態(tài)。設置方法是在“顯示”菜單中單擊“工具條”選項，如圖3-14所示。在彈出的對話框中選擇要顯示的工具條，如圖3-15所示。顯示的工具條前面是實心圓，而沒顯示的工具條前面則是空心圓。若要改變工具條的顯示狀態(tài)，則只需單擊圓圈即可。

圖3-14設置工具欄圖3-15設置在工具欄內顯示的工具條

2.編輯區(qū)的設置

為了方便，也可以對程序