第1章可編程序控制器概論

第1章可編程序控制器概論

1.1

PLC的發(fā)展、分類及應用1.2結構和工作原理1.3技術性能指標1.4編程語言S7-200PLC的實物圖在可編程控制器問世以前，工業(yè)控制領域中是以繼電氣控制占主導地位的。這種由繼電器構成的控制系統(tǒng)有著明顯的缺點：體積大、耗電多、可靠性差，一旦生產任務和工藝發(fā)生變化，就必須重新設計，并改變硬件結構，這造成了時間和資金的嚴重浪費。

1968年，美國通用汽車公司（GM公司）為了在每次汽車改型或改變工藝流程時不改動原有繼電器柜內的接線，以便降低生產成本，縮短新產品的開發(fā)周期，而提出了研制新型邏輯順序控制裝置，并提出了該裝置的研制指標要求，即10項招標技術指標。其主要內容如下：1.1可編程控制器的由來

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（1）在使用者的工廠里，能以最短的中斷時間，迅速方便的對控制的硬件和設備進行編程，并重新進行程序設計。（2）所有系統(tǒng)單元必須能在工廠內無特殊支持的設備、硬件及環(huán)境條件下運行。（3）系統(tǒng)的維護必須簡單易行。在系統(tǒng)中應設計有狀態(tài)指示器和插入式模塊，以便在最短的停車時間內使維修和故障診斷變得簡單易行。（4）裝置的體積小于原有繼電器控制柜的體積，它的能耗也應比較少。（5）必須能與中央數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進行通信，以便監(jiān)視系統(tǒng)的運行狀態(tài)和運行情況。（6）輸入開關量可以是已有的標準的按鈕和限位開關的交流115V電壓信號。（7）輸出的驅動信號必須能驅動以交流運行的電動機啟動器和電磁閥線圈，每個輸出量將設計為可開停和連續(xù)操縱具有115V、2A以下容量的電磁閥等負載設備。（8）具有靈活的擴展能力。在擴展時必須以系統(tǒng)最小的變動及最短的更換和停機時間，使原有裝置從系統(tǒng)的最小配置擴展到系統(tǒng)最大配置。（9）在購買和安裝費用上，應與原有繼電器控制和固態(tài)邏輯控制系統(tǒng)的競爭力，即具有較高的性能價格比。（10）用戶存儲器容量至少4KB以上（根據(jù)當時的汽車裝配過程的要求提出）。從上述10項指標可以看出，它實際上就是當今可編程控制器的基本功能。將它們歸納一下，其核心為以下四點：（1）用計算機代替繼電器控制盤。（2）用程序代替接線。（3）輸入、輸出電平可與外部裝置直接連接。（4）結構易于擴展。其后，美國MODICON公司也推出了084控制器，1971年日本推出了DSC-8控制器，1973年西歐各國的可編程序控制器也研制成功，我國在1974年開始研制可編程序控制器。1969年美國數(shù)字設備公司（DEC）根據(jù)招標的要求，研制出世界上第一臺可編程序控制器（PDP-14），并在GM公司汽車生產線上首次應用成功。1969年美國研制出世界上第一臺PLC以后，日本、德國、法國等國相繼研制了各自的PLC。70年代中期，PLC進入了實用化階段。70年代末和80年代初，PLC進入了成熟階段。國外PLC的狀況美國著名廠家有A—B（Allen－Bradley）艾倫一布拉德利公司，MODICON莫迪康公司，GE－FSNUC公司，TI（TexasInstrument）德州儀器公司，WESTHOUSEElectric西屋電氣公司，IPM（InternationalParallelMachines）國際并行機器公司等。歐洲PLC的廠家有60余家:

西門子（Siemens）于1973年研制出第一臺PLC。1971年，日本從美國引進PLC技術，由日立公司研制成功日本第一臺PLC。

日本生產PLC的廠家有40余家：三菱電機(MITSUBISHI),歐姆龍(OMRON),富士電機（FujiElectric）,東芝（TOSHIBA）

1982年，國際電工委員會（InternationalElectricalCommittee,IEC）頒布了PLC標準草案，1985年提交了第2版，并在1987年的第3版中對PLC作了作了如下的定義：PLC是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計的進行數(shù)字運算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、定時、計數(shù)和算術運算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入輸出，控制各種類型的機械或生產過程。PLC及其有關的外圍設備都應按照易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體和易于擴展其功能的原則而設計。

1.2.3可編程序控制器的特點

PLC能如此迅速發(fā)展的原因，除了工業(yè)自動化的客觀要求外，還有許多獨特的優(yōu)點。它較好地解決了工業(yè)控制領域中普遍關心的可靠、安全、靈活、方便、經濟等問題。其主要特點如下：

1.編程方法簡單易學梯形圖是可編程序控制器使用最多的編程語言，其電路符號和表達式與機電電路原理圖相似。梯形圖語言形象直觀，易學易懂，熟悉電器電路的電氣技術人員只需花幾天時間就可以熟悉梯形圖語言，并用來編制用戶程序。梯形圖語言實際上是一種面向用戶的高級語言，可編程序控制器在執(zhí)行梯形圖程序時，應先用解釋程序將它“翻譯”成匯編語言后再去執(zhí)行。

2.功能強，性能價格比高一臺小型可編程序控制器內有成百上千個可供用戶使用的編程原件，可以實現(xiàn)非常復雜的控制功能。與相同功能的繼電器系統(tǒng)相比，它具有很高的性能價格比。可編程序控制器可以通過通信聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)分散控制與集中管理。

3.硬件配套齊全，用戶使用方便，適應性強

可編程序控制器產品已經標準化、系列化、模塊化，配備有品種齊全的各種硬件裝置供用戶使用，用戶能靈活方便地進行系統(tǒng)配置，組成不同功能、不同規(guī)模的系統(tǒng)?？删幊绦蚩刂破鞯陌惭b接線也很方便，一般用接線端子連接外部接線?？删幊绦蚩刂破饔休^強的帶負載能力，可以直接驅動一般的電磁閥和交流接觸器。硬件配置確定后，可以通過修改用戶程序，方便快速地適應工藝條件的變化。

4.可靠性高，抗干擾能力強

傳統(tǒng)的繼電氣控制系統(tǒng)中使用了大量的中間繼電器、時間繼電器。由于觸電接觸不良，容易出故障?？删幊绦蚩刂破饔密浖娲罅康闹虚g繼電器和時間繼電器，僅剩下與輸入和輸出有關的少量硬件，接線可減少到繼電氣控制系統(tǒng)的1/10~1/100，因觸電接觸不良造成的故障大為減少?？删幊绦蚩刂破鞑扇×艘幌盗杏布蛙浖垢蓴_措施，即有很強的抗干擾能力，平均無故障時間達到數(shù)萬小時以上，可以直接用于有強烈干擾的工業(yè)生產現(xiàn)場?？删幊绦蚩刂破饕驯粡V大用戶認為是最可靠的工業(yè)控制設備之一。

5.系統(tǒng)的設計、安裝、調試工作量少

可編程序控制器用軟件功能取代了繼電器控制系統(tǒng)中大量的中間繼電器、時間繼電器、計數(shù)器等器件，使控制柜的設計、安裝、接線工作量大大減少?？删幊绦蚩刂破鞯奶菪螆D程序一般采用順序控制設計法。這種編程方法很有規(guī)律，容易掌握。對于復雜的控制系統(tǒng)，梯形圖的設計時間比繼電器系統(tǒng)電路圖的設計時間要少得多?？删幊绦蚩刂破鞯挠脩舫绦蚩梢栽趯嶒炇夷M調試，輸入信號用小開關量模擬，通過可編程序控制器上的發(fā)光二極管可觀察輸出信號的狀態(tài)。完成了系統(tǒng)的安裝和接線后，在現(xiàn)場的統(tǒng)調過程中發(fā)現(xiàn)的問題一般通過修改程序就可以解決，系統(tǒng)的調試時間比繼電器系統(tǒng)要少得多。

5.維修工作量小，維修方便

可編程序控制器用的故障率很低，而且有完善的自診斷和顯示功能。可編程序控制器或外部的輸入裝置和執(zhí)行機構發(fā)生故障時，可以根據(jù)可編程序控制器上的發(fā)光二極管提供的信息迅速的查明產生故障的原因，用更換模塊的方法迅速地排除故障。

1.3可編程序控制器的功能和應用

1.開關邏輯和順序控制這是PLC應用最廣泛、最基本的場合。它的主要功能是完成開關邏輯運算和進行順序邏輯控制，從而實現(xiàn)各種簡單或十分復雜的控制要求。

2.模擬控制在工業(yè)生產過程中，許多連續(xù)變化的需要進行控制的物理量，如溫度、壓力、流量、液位、等，這些都屬于模擬量。為了實現(xiàn)工業(yè)領域對模擬量控制的廣泛要求，目前大部分PLC產品都具備處理這類模擬量的功能。特別是當系統(tǒng)中模擬量控制點數(shù)不多，同時混有較多的開關量時，PLC具有其他控制裝置所無法比擬的優(yōu)勢。另外，某些PLC產品還提供了典型控制策略模塊，如PID模塊，從而實現(xiàn)對系統(tǒng)的PID等反饋或其他模擬量的控制運算。

3.定時控制PLC具有很強的定時、計數(shù)功能，它可以為用戶提供數(shù)十甚至上百個定時器與計數(shù)器。對于定時器，其時間間隔可以由用戶加以設定。對于計數(shù)器，如果需要對頻率較高的信號進行計數(shù)，則可以選擇高速計數(shù)器。

4.數(shù)據(jù)處理新型PLC都具有數(shù)據(jù)處理的能力，它不僅能進行算數(shù)運算、數(shù)據(jù)傳送，而且還能進行數(shù)據(jù)比較、數(shù)據(jù)轉換、數(shù)據(jù)顯示打印等功能。有些PLC還可以進行浮點運算和函數(shù)運算。

5.信號聯(lián)鎖系統(tǒng)信號聯(lián)鎖是安全生產所必須的。在信號聯(lián)鎖系統(tǒng)中，采用高可靠的PLC是安全生產的需要。對安全要求高的的系統(tǒng)還可采用多重的檢出元件和連鎖系統(tǒng)，而對其中的邏輯運算等，可采用冗余的PLC實現(xiàn)。

6.通信聯(lián)網(wǎng)把PLC作為下位機，與上位機或同級的可編程序控制器進行通信，可完成數(shù)據(jù)的處理和信息的交換，實現(xiàn)對整個生產過程的信息控制和管理，因此PLC是實現(xiàn)工廠自動化的思想工業(yè)控制器。1.1.4分類

1.從結構上可編程序控制器從結構上可分為整體式和模塊式。2.從規(guī)模上按PLC的輸入輸出點數(shù)可分為小型、中型和大型。

返回本節(jié)為了適應不同工業(yè)生產過程的應用要求，可編程序控制器能夠處理的輸入/輸出信號數(shù)是不一樣的。一般將一路信號叫做一個點，將輸入點數(shù)和輸出點數(shù)的總和稱為機器的點。按照點數(shù)的多少，可將PLC分為超?。ㄎⅲ⑿?、中、大、超大、等五種類型。（1）超小型PLC：I/O點數(shù)小于64點，內存容量為256B~1KB.

（2）小型PLC:I/O點數(shù)為65~128點，內存容量為1~3.6KB。小型及超小型PLC在結構上一般是一體化整體式的，主要用于中等容量的開關量控制，具有邏輯運算、定時、計數(shù)、順序等功能。（3）中型PLC：I/O點數(shù)范圍為129~512點，內存容量為3.6~13KB。中型PLC除具有小型、超小型PLC的功能外，還添加了數(shù)據(jù)處理能力，適用于小規(guī)模的綜合控制系統(tǒng)。（4）大型PLC：I/O點數(shù)范圍為513~896點，內存容量為13KB以上。（5）超大型PLC：I/O點數(shù)為896點以上，內存容量為13KB以上。上述劃分方式方式并不嚴格，也不是一成不變的。隨著PLC的不斷發(fā)展，劃分標準已有過多次的修改。1.2結構和工作原理

1.2.1結構

1.2.2工作原理

返回本章首頁1.2.1結構

PLC專為工業(yè)場合設計，采用了典型的計算機結構，主要是由CPU、電源、存儲器和專門設計的輸入輸出接口電路等組成。圖1.1為一典型PLC結構簡圖。圖1.1結構簡圖1.中央處理單元

中央處理單元（CPU）一般由控制器、運算器和寄存器組成，這些電路都集成在一個芯片上。

CPU的主要功能：1）從存儲器中讀取指令

2）執(zhí)行指令3）順序取指令4）處理中斷2.存儲器

1）只讀存儲器

2）隨機存儲器RAM

3.輸入輸出單元

（1）輸入接口電路

（2）輸出接口電路

通常PLC的輸入類型可以是直流、交流。輸入電路的電源可由外部供給，有的也可由PLC內部提供。圖1.2和圖1.3分別為一種型號PLC的直流和交流輸入接口電路的電路圖，采用的是外接電源。圖1.2描述了一個輸入點的接口電路。其輸入電路的一次電路與二次電路用光耦合器相連，當行程開關閉合時，輸入電路和一次電路接通，上面的發(fā)光管用于對外顯示，同時光耦合器中的發(fā)光管使三極管導通，信號進入內部電路，此輸入點對應的位由0變?yōu)?。即輸入映像寄存器的對應位由0變?yōu)?。圖1.2直流輸入電路圖圖1.3交流輸入電路圖返回本節(jié)模擬量輸入單元：模擬量輸入在過程控制中的應用很廣，如常用的溫度、壓力、速度、流量、酸堿度、位移的各種工業(yè)檢測都是對應于壓力、電流的模擬量值，在通過一定的運算（PID）后，控制生產過程達到一定的目的。模擬量輸入電平大多是從傳感器通過變換后得到的，模擬量的輸入信號為4~20mA的電流信號或1~5V、-10~10V、0~10V的直流電壓信號。輸入模塊接收這種模擬信號之后，把它轉換成二進制數(shù)字信號，送給中央處理器進行處理，因此模擬量輸入模塊又叫A/D轉換輸入模塊。總之，模擬量輸入單元的作用是把現(xiàn)場連續(xù)變化的模擬量標準信號轉換成PLC內部處理的、由若干位表示的數(shù)字信號。模擬量輸入單元一般由濾波、A/D轉換器、光耦合器隔離等部分組成。其原理框圖如圖2.5所示。模擬量輸入單元沒有電壓信號和電流信號輸入端。輸入信號通過濾波、運算放大和量程變換，轉換，轉換成A/D轉換器能夠接受的電壓范圍，經過A/D轉換器后的數(shù)字信號，再經光耦合器隔離后進入PLC的內部電路。根據(jù)A/D轉換的分辨率不同，模擬量輸入單元能提供8位、10位、12位、或16位等精度的各種位數(shù)的數(shù)字量信號并傳送給PLC進行處理。模擬量輸出單元：它的作用是把CPU運算處理后的若干位數(shù)字信號轉換成相應的模擬量信號后輸出，以滿足生產過程連續(xù)信號的控制要求。模擬量輸出單元一般由光耦合器隔離、D/A轉換器和信號轉換等部分組成，其原理框圖如圖2.6所示。模擬量輸出模塊是將中央處理器的二進制信號轉換成4~20mA的電流輸出信號或0~10V、1~5V的電壓輸出信號，以供