可編程序控制器的基礎(chǔ)-1綜述

電氣控制及PLC技術(shù)電氣工程學(xué)院自動化系楊霞2014年1月知識結(jié)構(gòu)3可編程序控制器的基礎(chǔ)知識點(diǎn)：3.PLC可編程序控制器的基礎(chǔ)基礎(chǔ)、組成、原理

PLC的基礎(chǔ)PLC的由來、功能、特點(diǎn)與分類；PLC的應(yīng)用狀況和發(fā)展趨勢PLC的組成硬件結(jié)構(gòu)組成、軟件組成

PLC的原理PLC的工作原理與技術(shù)指標(biāo)；PLC的內(nèi)部元器件；PLC的梯形圖語言STEP7-Micro/WIN32編程軟件介紹學(xué)習(xí)重點(diǎn)：本章是學(xué)習(xí)PLC的基礎(chǔ)知識。重點(diǎn)掌握：1.PLC的產(chǎn)生、特點(diǎn)、功能、使用方法及PLC的應(yīng)用狀況。2.PLC的硬件組成、軟件組成、工作原理及主要性能技術(shù)指標(biāo)。3.PLC的內(nèi)部元器件（11個(gè)：符號、梯形圖中繪法、工作原理）。4.PLC的梯形圖：要素4個(gè)，連接原則。5.STEP7編程軟件的安裝、基本功能、編程、調(diào)試、運(yùn)行監(jiān)控方法。什么是PLC？PLC的基礎(chǔ)是一種工業(yè)控制裝置是在電器控制技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的基礎(chǔ)上開發(fā)出來的，并逐漸發(fā)展成為以微處理器為核心，將自動化技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)融為一體的新型工業(yè)控制裝置。通用叫法:中文名稱為可編程控制器；英文名稱為ProgrammableLogicController，簡稱PLC。?繼電器控制系統(tǒng)存在的缺點(diǎn)

(主要是線路復(fù)雜)：1.繼電器控制線路是接線開關(guān)電路，實(shí)現(xiàn)控制的程序就在線路接法的本身，線路一旦確定，難以調(diào)整和更改，不能適應(yīng)當(dāng)前快速的技術(shù)進(jìn)步和產(chǎn)品更新的要求。2.輸出響應(yīng)時(shí)間長，不能適應(yīng)生產(chǎn)自動化程度不斷提高的要求。3.控制要求復(fù)雜時(shí)，繼電器控制系統(tǒng)將變得十分龐大笨重，難以實(shí)現(xiàn)。因此隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們在不斷探求著實(shí)現(xiàn)開關(guān)量控制的新途徑。PLC的由來一、產(chǎn)生1968年美國通用汽車公司GM：適應(yīng)汽車型號的不斷更新；生產(chǎn)工藝不斷變化的需要；小批量、多品種生產(chǎn)。盡可能減少重新設(shè)計(jì)；盡可能減少更換繼電器控制系統(tǒng)及接線；降低成本，縮短周期。PLC產(chǎn)生的背景1968年，GM公司提出十項(xiàng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)——招標(biāo)：編程簡單，可在現(xiàn)場修改程序；維護(hù)方便，采用插件式結(jié)構(gòu)；可靠性高于繼電器控制柜；體積小于繼電器控制柜；成本可與繼電器控制柜競爭；可將數(shù)據(jù)直接送入計(jì)算機(jī)；可直接使用115V交流輸入電壓；輸出用115V交流電壓，能直接驅(qū)動電磁閥、交流接觸器等；通用性強(qiáng)，擴(kuò)展方便;能存儲程序，存儲器容量可以擴(kuò)展到4KB。這次招標(biāo)引起了工業(yè)界的密切注視，吸引了不少大公司前來投標(biāo)，最后DEC公司(美國數(shù)字設(shè)備公司)一舉中標(biāo)，并于1969年研制成功第一臺PC，當(dāng)時(shí)命名為PC(ProgrammableController)。這臺PLC投運(yùn)到汽車生產(chǎn)線后，取得了極為滿意的效果，引發(fā)了效仿的熱潮，從此PLC技術(shù)得以迅猛的發(fā)展。

嚴(yán)格地講，至今對PLC沒有最終的定義。

國際電工委員會（IEC）1985年在可編程序控制器標(biāo)準(zhǔn)草案（第二稿）中作了如下的定義：“可編程序控制器是一種數(shù)字運(yùn)算的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境條件下應(yīng)用而設(shè)計(jì)。它采用可編程序的存儲器，用來在內(nèi)部存儲執(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、模擬式的輸入輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。可編程序控制器及其有關(guān)設(shè)備都應(yīng)按易于使工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體、易于擴(kuò)充其功能的原則設(shè)計(jì)。”

美國電氣制造協(xié)會（NEMA）1987年作的定義如下：“它是一種帶有指令存儲器、數(shù)字或模擬I/O接口，以位運(yùn)算為主，能完成邏輯、順序、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算功能，用于控制機(jī)器或生產(chǎn)過程的自動控制裝置?！盜EC(國際電工委員會)在標(biāo)準(zhǔn)草案中，將這種裝置定義為可編程序控制器(ProgrammableController)，簡稱PC。為了避免同個(gè)人計(jì)算機(jī)混淆，現(xiàn)在一般將可編程序控制器簡稱PLC（ProgrammableLogicController）。二、定義①可編程控制器與微機(jī)的比較學(xué)習(xí)難易程度不同PLC繼承了繼電器系統(tǒng)的基本格式和習(xí)慣，對于有繼電器控制經(jīng)驗(yàn)的人，學(xué)習(xí)起來容易。微機(jī)需要更多的知識儲備。通用性不同PLC一般是由電氣控制器的制造廠家研制生產(chǎn)，各廠家的產(chǎn)品不通用。微機(jī)是由通用計(jì)算機(jī)推廣應(yīng)用發(fā)展起來的，標(biāo)準(zhǔn)化程序高，兼容性強(qiáng)。運(yùn)行方式不同PLC不能直接使用微機(jī)的許多軟件。PLC一般具有模塊結(jié)構(gòu)，可針對不同對象進(jìn)行組合和擴(kuò)展。微機(jī)可使用通用微機(jī)的各種編程語言，對要求快速，實(shí)時(shí)性強(qiáng)、模型復(fù)雜的工業(yè)對象的控制占有優(yōu)勢，但它要求使用者具有一定計(jì)算機(jī)專業(yè)知識。相同點(diǎn)：PLC和微機(jī)都是專為工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用環(huán)境而設(shè)計(jì)的，都具有很高的可靠性。三、關(guān)于PLC的幾個(gè)比較②可編程控制與繼電接觸器控制的比較◆控制邏輯不同PLC為“軟接線”技術(shù)，繼電為硬接線邏輯。◆控制邏輯方面PLC：同一個(gè)器件的線圈和它的各觸點(diǎn)動作不同時(shí)發(fā)生。繼電：同一繼電器的所有觸點(diǎn)與線圈通電或斷電同時(shí)發(fā)生◆控制速度PLC：速度極快；繼電：速度慢◆定時(shí)/計(jì)數(shù)PLC定時(shí)精度高，范圍大，有計(jì)數(shù)功能，繼電：定時(shí)精度不高，范圍小，無計(jì)數(shù)功能◆設(shè)計(jì)與施工

PLC：現(xiàn)場施工與程序設(shè)計(jì)同步進(jìn)行，周期短，調(diào)試和維修方便。繼電：設(shè)計(jì)、現(xiàn)場施工、調(diào)試必須依次進(jìn)行，周期長，而且修改困難◆可靠性和維護(hù)性

PLC連線少，使用方便，并具有自診斷作用等◆價(jià)格

PLC：貴（長遠(yuǎn)利益）繼電：便宜（短期利益）繼電器控制系統(tǒng)是針對一定的生產(chǎn)機(jī)械、固定的生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)的，采用硬接線方式裝配而成，只能完成既定的邏輯控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)等功能，一旦生產(chǎn)工藝過程改變，則控制柜必須重新設(shè)計(jì)，重新配線。

傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)被PLC所取代已是必然趨勢。

而PLC由于應(yīng)用了微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，各種控制功能都是通過軟件來實(shí)現(xiàn)的，只要改變程序并改動少量的接線端子，就可適應(yīng)生產(chǎn)工藝的改變。從適應(yīng)性、可靠性、安裝維護(hù)等各方面比較，PLC都有顯著的優(yōu)勢。因此，PLC控制系統(tǒng)將取代大多數(shù)傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)。繼電-接觸器控制與PLC控制原理圖的比較主電路原理圖相同PLC控制原理圖原理圖

繼電-接觸器控制原理圖

繼電-接觸器控制線路PLC控制（梯形圖）繼電-接觸器控制與PLC控制控制圖的比較繼電-接觸器控制與PLC控制實(shí)際控制的比較

A繼電-接觸器控制連續(xù)控制（起保停）繼電-接觸器控制與PLC控制實(shí)際控制的比較

BPLC控制連續(xù)控制（起保停）繼電-接觸器控制與PLC控制實(shí)際控制的比較A繼電-接觸器控制正反轉(zhuǎn)控制電路繼電-接觸器控制與PLC控制實(shí)際控制的比較BPLC控制正反轉(zhuǎn)控制電路

第一階段：初級階段（1969至70年代中期）主要是邏輯運(yùn)算、定時(shí)和計(jì)數(shù)功能，沒有形成系列。與繼電器控制相比，可靠性有一定提高。CPU由中小規(guī)模集成電路組成，存儲器為磁芯存儲器。

第二階段：擴(kuò)展階段（70年代中期至末期）PLC產(chǎn)品的控制功能得到很大擴(kuò)展，包括數(shù)據(jù)的傳送、數(shù)據(jù)的比較和運(yùn)算、模擬量的運(yùn)算等功能。增加了數(shù)字運(yùn)算功能，能完成模擬量的控制。開始具備自診斷功能，存儲器采用EPROM。四、PLC的發(fā)展過程

第三階段：通信階段（70年代中末期至80年代中期）PLC隨著計(jì)算機(jī)通信的發(fā)展，形成了分布式通信網(wǎng)絡(luò)。PLC就已經(jīng)從汽車行業(yè)迅速擴(kuò)展到其它行業(yè)，作為繼電器的替代品進(jìn)入了食品、飲料、金屬加工、制造和造紙等多個(gè)行業(yè)。代表產(chǎn)品有西門子公司的SIMATICS5系列（見圖），富士的MICRO等，這類PLC部分仍在使用。圖SIMATICS5PLC

第四階段：開放階段（80年代中期至今）通信系統(tǒng)開放，使各制造廠商的產(chǎn)品可以通信，通信協(xié)議開始標(biāo)準(zhǔn)化，使用戶得益。PLC開始采用標(biāo)準(zhǔn)化軟件系統(tǒng)，并完成了編程語言標(biāo)準(zhǔn)化工作。代表產(chǎn)品有西門子公司的S7，AB公司的SLC500等。圖S7-200系列、AB-SLC500系列PLCPLC的功能、特點(diǎn)與分類

一、主要功能(7個(gè))1.開關(guān)邏輯和順序控制這是PLC應(yīng)用最廣泛、最基本的場合。它的主要功能是完成開關(guān)邏輯運(yùn)算和進(jìn)行順序邏輯控制，從而可以實(shí)現(xiàn)各種控制要求。2.模擬控制（A/D和D/A控制）

在工業(yè)生產(chǎn)過程中，許多連續(xù)變化的需要進(jìn)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。過去，PLC長于邏輯運(yùn)算控制，對于模擬量的控制主要靠儀表或分布式控制系統(tǒng)，目前大部分PLC產(chǎn)品都具備處理這類模擬量的功能，而且編程和使用方便。3.定時(shí)/計(jì)數(shù)控制

PLC具有很強(qiáng)的定時(shí)、計(jì)數(shù)功能，它可以為用戶提供數(shù)十甚至上百個(gè)定時(shí)器與計(jì)數(shù)器。對于定時(shí)器，定時(shí)間隔可以由用戶加以設(shè)定；對于計(jì)數(shù)器，如果需要對頻率較高的信號進(jìn)行計(jì)數(shù)，則可以選擇高速計(jì)數(shù)器。4.步進(jìn)控制PLC為用戶提供了一定數(shù)量的移位寄存器，用移位寄存器可方便地完成步進(jìn)控制功能。5.運(yùn)動控制

在機(jī)械加工行業(yè)，可編程序控制器與計(jì)算機(jī)數(shù)控（CNC）集成在一起，用以完成機(jī)床的運(yùn)動控制。6.數(shù)據(jù)處理大部分PLC都具有不同程度的數(shù)據(jù)處理能力，它不僅能進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送，而且還能進(jìn)行數(shù)據(jù)比較、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)顯示打印等操作，有些PLC還可以進(jìn)行浮點(diǎn)運(yùn)算和函數(shù)運(yùn)算。7.通信聯(lián)網(wǎng)

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)（集散控制系統(tǒng)等）以及其他智能設(shè)備之間能夠交換信息，形成一個(gè)統(tǒng)一的整體，實(shí)現(xiàn)分散集中控制。二、可編程控制器的特點(diǎn)編程方法簡單易學(xué)。（有規(guī)律性）功能強(qiáng)，性能價(jià)格比高。（性價(jià)比高）通用性強(qiáng)，控制程序可變。（通用性）硬件配套齊全，用戶使用方便。（適應(yīng)性強(qiáng)）可靠性高。（抗干擾能力強(qiáng)：硬件、軟件）系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試工作量少維護(hù)工作量小，維修方便體積小，能耗低成本低，水平高兼容性差按I/O點(diǎn)數(shù)分小型PLC

I/O點(diǎn)數(shù)為256點(diǎn)以下的為小型PLC

（其中I/O點(diǎn)數(shù)小于64點(diǎn)的為超小型或微型PLC）中型PLC

I/O點(diǎn)數(shù)為256點(diǎn)以上、2048點(diǎn)以下的為中型PLC大型PLC

I/O點(diǎn)數(shù)為2048以上的為大型PLC

（其中I/O點(diǎn)數(shù)超過8192點(diǎn)的為超大型PLC）三、可編程控制器的類型目前PLC的種類非常多，型號和規(guī)格也不統(tǒng)一，了解PLC的分類有助于PLC的選型和應(yīng)用。按結(jié)構(gòu)形式分整體式PLC

將電源、CPU、I/O接口等部件都集中裝在一個(gè)機(jī)箱內(nèi)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、價(jià)格低等特點(diǎn)。模塊式PLC

將PLC各組成部分分別作成若干個(gè)單獨(dú)的模塊，如CPU模塊、I/O模塊、電源模塊（有的含在CPU模塊中）以及各種功能模塊。緊湊式PLC

還有一些PLC將整體式和模塊式的特點(diǎn)結(jié)合起來。模塊式PLC

將PLC各組成部分分別作成若干個(gè)單獨(dú)的模塊，如CPU模塊、I/O模塊、電源模塊（有的含在CPU模塊中）以及各種功能模塊。緊湊式PLC

還有一些PLC將整體式和模塊式的特點(diǎn)結(jié)合起來。整體式PLC

將電源、CPU、I/O接口等部件都集中裝在一個(gè)機(jī)箱內(nèi)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、價(jià)格低等特點(diǎn)。按功能分低檔PLC

具有邏輯運(yùn)算、定時(shí)、計(jì)數(shù)、移位以及自診斷、監(jiān)控等基本功能，還可有少量模擬量輸入／輸出、算術(shù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送和比較、通信等功能。中檔PLC

具有低檔PLC功能外，增加模擬量輸入/輸出、算術(shù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送和比較、數(shù)制轉(zhuǎn)換、遠(yuǎn)程I/O、子程序、通信聯(lián)網(wǎng)等功能。有些還增設(shè)中斷、PID控制等功能。

高檔PLC

具有中檔機(jī)功能外，增加帶符號算術(shù)運(yùn)算、矩陣運(yùn)算、位邏輯運(yùn)算、平方根運(yùn)算及其它特殊功能函數(shù)運(yùn)算、制表及表格傳送等。高檔PLC機(jī)具有更強(qiáng)的通信聯(lián)網(wǎng)功能。

PLC的應(yīng)用狀況和發(fā)展趨勢

一、應(yīng)用狀況

PLC自問世以來，經(jīng)30多年的發(fā)展，在工業(yè)發(fā)達(dá)國家(如美、日、德等)已成為重要的產(chǎn)業(yè)之一，生產(chǎn)廠家不斷涌現(xiàn)，PLC的品種多達(dá)幾百種。國內(nèi)應(yīng)用始于80年代。一些大中型工程項(xiàng)目引進(jìn)的生產(chǎn)流水線上采用了PLC控制系統(tǒng)，使用后取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益，從而促進(jìn)了國內(nèi)PLC的發(fā)展和應(yīng)用。

目前國內(nèi)PLC的應(yīng)用已取得了許多成功的經(jīng)驗(yàn)和成果，證明了PLC是大有發(fā)展前途的工業(yè)控制裝置，它與DCS、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)相互集成、互相補(bǔ)充而形成的綜合系統(tǒng)將得到更加廣泛的應(yīng)用。

我國PLC的生產(chǎn)廠家主要是80年代涌現(xiàn)出來的，靠技術(shù)引進(jìn)、轉(zhuǎn)讓、合資等方式進(jìn)行生產(chǎn)，目前約有十幾家表4-1我國PLC的生產(chǎn)廠家及生產(chǎn)的PLC型號（不全）生產(chǎn)廠家PLC型號生產(chǎn)廠家PLC型號天津中環(huán)自動化儀表公司DJK-84無錫華光電子工業(yè)有限公司KCK系列上海東屋電器有限公司CF系列蘇州機(jī)床電器廠CYK系列杭州機(jī)床電器廠DKK、D系列上海電力電子設(shè)備廠KKI-IC大連組合機(jī)床研究所S系列機(jī)械部北京自動化所MPC、KB系列上海國際程控公司E、EM、H系列上海工業(yè)自動化研究所TCMS-300/D杭州通靈控制電腦公司HZK系列蘇州電子計(jì)算機(jī)廠YZ系列日本：立石(OMRON)、三菱、日立、夏普、松下、東芝、富士、安川、橫河、光洋(Koyo)等公司。國內(nèi)流行的PLC多是國外產(chǎn)品，主要有：美國：AB(AllenBradley)、GM(GouldModicon)、GE(GE-Fanuc)、SquareD、西屋(WestingHouse)、TI儀器(Texas,Instruments德洲儀器)等公司。德國：西門子（Siemens）、BBC、AEG等公司。法國：TE(Telemecanique)公司等。目前國內(nèi)市場還有韓國、臺灣等PLC產(chǎn)品其中美國的A-B、GE-Fanuc、Modicon，德國的西門子，法國的TE，日本的三菱、立石(OMRON)等7家公司，在所有PLC制造廠中占有主導(dǎo)地位。這7家公司占有著全世界PLC市場80%以上的份額。小型PLC日本各廠家占領(lǐng)的市場份額最大，其結(jié)構(gòu)型式的優(yōu)點(diǎn)也較為突出，故其他國家小型PLC的結(jié)構(gòu)形式也都向日本看齊。大、中型PLC市場份額的90%一直被美、日、歐三家占領(lǐng)，具有三足鼎立之勢，近年來日本稍有頹勢。市場占領(lǐng)整體式緊湊式模塊式圖例：西門子S7系列整體式整體式整體式模塊式圖例：三菱PLC圖例：歐姆龍PLC圖例：ABSLC500二、PLC的應(yīng)用領(lǐng)域：

目前，PLC在國內(nèi)外已廣泛應(yīng)用冶金、石油、化工、建材、機(jī)械制造、電力、汽車、輕工、環(huán)保及文化娛樂等各行各業(yè)，隨著PLC性能價(jià)格比的不斷提高，其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。從PLC應(yīng)用類型看，大致可歸納為以下幾個(gè)方面：開關(guān)量邏輯控制、運(yùn)動控制、過程控制（PID閉環(huán)控制）、數(shù)據(jù)處理、通信聯(lián)網(wǎng)（構(gòu)成DCS、FCS系統(tǒng)）。

PLC的應(yīng)用范圍已從傳統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)設(shè)備和機(jī)械的自動控制，擴(kuò)展到以下應(yīng)用領(lǐng)域：中小型過程控制系統(tǒng)、遠(yuǎn)程維護(hù)服務(wù)系統(tǒng)、節(jié)能監(jiān)視控制系統(tǒng)，以及與生活相關(guān)的機(jī)器、與環(huán)境相關(guān)的機(jī)器，而且有急速的上升趨勢。注：DCS：集散控制系統(tǒng)；FCS：現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)傳送帶生產(chǎn)線控制灌裝及包裝機(jī)械木材加工電梯控制空調(diào)控制紡織機(jī)械印刷機(jī)械小結(jié)：通過本章的學(xué)習(xí)，了解PLC的產(chǎn)生、定義、發(fā)展過程、特點(diǎn)、功能、使用方法及PLC的應(yīng)用狀況和發(fā)展趨勢。

重點(diǎn)掌握PLC硬件組成、軟件組成、工作原理及主要性能技術(shù)指標(biāo)。重點(diǎn)掌握PLC的內(nèi)部元器件的符號、梯形圖中繪法、工作原理，及PLC的梯形圖要素，連接原則及編程軟件的安裝、軟件的基本功能、編程、調(diào)試、運(yùn)行監(jiān)控方法。作業(yè):1.舉例分析PLC周期掃描工作制的過程。2.PLC有哪些編程資源？3.STEP7-Micro/