可編程序控制器的組成與原理

1、可編程序控制器的組成與原理可編程序控制器的組成與原理3 6.1.1 6.1.1 可編程序控制器的歷史與發(fā)展可編程序控制器的歷史與發(fā)展 1可編程序控制器的定義 可編程序控制器（Programmable Controller）簡(jiǎn)稱為PC，但是由于個(gè)人計(jì)算機(jī)（Personal Computer）也簡(jiǎn)稱為PC，為了區(qū)別，同時(shí)由于早期的可編程序控制器只是具有邏輯控制功能，因此人們?nèi)粤?xí)慣稱可編程序控制器為PLC（Programmable Logical Controller）。 202X年國(guó)際電工委員會(huì)在頒布可編程序控制器標(biāo)準(zhǔn)草案中所作的定義為：可編程序控制器是一種專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作

2、的電子系統(tǒng)。它采用一種可編程序的存儲(chǔ)器，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)運(yùn)算等操作的指令，通過數(shù)字或模擬式的輸入/輸出來控制各種類型的機(jī)械設(shè)備或生產(chǎn)過程?？删幊绦蚩刂破骷捌溆嘘P(guān)設(shè)備應(yīng)按易于與工業(yè)系統(tǒng)連成一個(gè)整體和具有擴(kuò)充功能的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)。 6.1 可編程序控制器的基本概況可編程序控制器的基本概況4 2可編程序控制器的歷史可編程序控制器的歷史 20世紀(jì)60年代中期，美國(guó)通用汽車公司（GM）為適應(yīng)生產(chǎn)工藝不斷更新的需要，提出了一種設(shè)想：把計(jì)算機(jī)的功能完善、通用靈活等優(yōu)點(diǎn)和繼電器控制系統(tǒng)的簡(jiǎn)單易懂、操作方便、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來。并由此提出了新型電氣控制的10條招標(biāo)要求，其中

3、包括：工作特性比繼電器控制系統(tǒng)可靠；占位空間比繼電器控制系統(tǒng)小；價(jià)格上能與繼電器控制系統(tǒng)競(jìng)爭(zhēng)；必須易于編程；易于在現(xiàn)場(chǎng)變更程序；便于使用、維護(hù)、維修；能直接推動(dòng)電磁閥、電動(dòng)機(jī)起動(dòng)器及與此相當(dāng)?shù)膱?zhí)行機(jī)構(gòu)；能向中央數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)直接傳輸數(shù)據(jù)等。美國(guó)數(shù)字設(shè)備公司（DEC）根椐這一招標(biāo)要求，于1969年研制成功了第一臺(tái)可編程序控制器PDP-14，并在汽車自動(dòng)裝配線上試用成功。 5 這項(xiàng)新技術(shù)的使用，在工業(yè)界產(chǎn)生了巨大的影響。從此可編程序控制器在世界各地迅速發(fā)展起來。1971年，日本從美國(guó)引進(jìn)了這項(xiàng)新技術(shù)，并很快研制成功了日本第一臺(tái)可編程序控制器。1973年1974年，德國(guó)、法國(guó)也相繼研制成功了他們的可編

4、程序控制器。我國(guó)從1974年開始研制，1977年研制成功了以一位微處理器MC14500為核心的可編程序控制器，并開始應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)控制。 從第一臺(tái)PLC誕生至今，PLC大致經(jīng)歷了四次更新?lián)Q代。 第一代PLC，多數(shù)用1位機(jī)開發(fā)，采用磁芯存儲(chǔ)器存儲(chǔ)，僅具有邏輯控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)功能。 6 第二代PLC，使用了8位微處理器及半導(dǎo)體存儲(chǔ)器，其產(chǎn)品逐步系列化，功能也有所增強(qiáng)，已能實(shí)現(xiàn)數(shù)字運(yùn)算、傳送、比較等功能。 第三代PLC，采用了高性能微處理器及位片式CPU，工作速度大幅度提高，同時(shí)促使其向多功能和聯(lián)網(wǎng)方向發(fā)展，并具有較強(qiáng)的自診斷能力。 第四代PLC，不僅全面使用16位、32位微處理器作為CPU，內(nèi)存容

5、量也更大?？梢灾苯佑糜谝恍┮?guī)模較大的復(fù)雜控制系統(tǒng)；編程語言除了可使用傳統(tǒng)的梯形圖、流程圖等外，還可使用高級(jí)語言；外設(shè)也更多樣化。 現(xiàn)在，PLC已廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制的各個(gè)領(lǐng)域，PLC技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)、CAD/CAM技術(shù)共同構(gòu)成了工業(yè)自動(dòng)化的三大支柱。在本書中，將以應(yīng)用較廣泛的日本OMRON公司的C系列P型和H型PLC為背景機(jī)，介紹PLC的原理和應(yīng)用。 7 3可編程序控制器的發(fā)展趨勢(shì)可編程序控制器的發(fā)展趨勢(shì) 由于工業(yè)生產(chǎn)對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)需求的多樣性，PLC的發(fā)展方向有兩個(gè)： 一是朝著小型、簡(jiǎn)易、價(jià)格低廉方向發(fā)展。單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展，促進(jìn)了PLC向緊湊型發(fā)展，體積減小，價(jià)格降低，可靠性不斷提高。這種小型

6、的PLC可以廣泛取代繼電器控制系統(tǒng)，應(yīng)用于單機(jī)控制和小型生產(chǎn)線的控制，如OMRON公司的C20、C20P、C28P、C40P、C60P、C20H、C40H等。 二是朝著大型、高速、多功能方向發(fā)展。大型的PLC一般為多微處理器系統(tǒng)，有較大的存儲(chǔ)能力和功能強(qiáng)勁的輸入/輸出接口。通過豐富的智能外設(shè)接口，可以實(shí)現(xiàn)流量、溫度、壓力、位置等閉環(huán)控制；通過網(wǎng)絡(luò)接口，可級(jí)連不同類型的PLC和計(jì)算機(jī)，從而組成控制范圍很大的局域網(wǎng)絡(luò)，適用于大型的自動(dòng)化控制系統(tǒng)。 8 6.1.2 可編程序控制器的分類與特點(diǎn)可編程序控制器的分類與特點(diǎn) 1可編程序控制器的分類可編程序控制器的分類 PLC的種類很多，其功能、內(nèi)存容量、控

7、制規(guī)模、外形等方面差異較大，因此PLC的分類標(biāo)準(zhǔn)也不統(tǒng)一，但仍可按其I/O點(diǎn)數(shù)、結(jié)構(gòu)形式、實(shí)現(xiàn)功能進(jìn)行大致的分類。 （1） 按I/O點(diǎn)數(shù)分類。PLC按I/O的總點(diǎn)數(shù)分類可分為：小于256點(diǎn)的為小型機(jī)，2572 048點(diǎn)的為中型機(jī)，超過2 048點(diǎn)的為大型機(jī)。 （2）按結(jié)構(gòu)形式分類。PLC按硬件的結(jié)構(gòu)形式可分為整體式PLC和組合式PLC。整體式PLC的CPU、存儲(chǔ)器、I/O接口安裝在同一機(jī)體內(nèi)，其結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、價(jià)格低，但靈活性較差。組合式PLC在硬件上具有較高的靈活性，其模塊可以像拼積木一樣進(jìn)行組合，構(gòu)成不同控制規(guī)模和功能的PLC，因此又被稱為積木式PLC。 9 （3）按實(shí)現(xiàn)的功能分類。按照

8、PLC所能實(shí)現(xiàn)的功能的不同，可將PLC分為低檔、中檔和高檔三類。低檔機(jī)具有邏輯運(yùn)算、定時(shí)、計(jì)數(shù)、移位、自診斷、監(jiān)控等基本功能和一定的算術(shù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送、比較、通信和模擬量處理功能。中檔機(jī)除具有低檔機(jī)的功能以外，還具有較強(qiáng)的算術(shù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送、比較、通信、子程序、中斷處理和回路控制功能。高檔機(jī)則在中檔機(jī)的基礎(chǔ)之上加強(qiáng)了帶符號(hào)數(shù)的運(yùn)算、矩陣運(yùn)算以及函數(shù)、表格、CRT顯示、打印等功能。 一般來說，低檔機(jī)多為小型PLC，采用整體結(jié)構(gòu)；中檔機(jī)可為大、中、小型PLC，且中、小型PLC多為整體結(jié)構(gòu)，大、中型PLC為組合式結(jié)構(gòu)。高檔機(jī)多為大型PLC，采用組合式結(jié)構(gòu)。目前，得到廣泛應(yīng)用的多是中、低檔機(jī)。 10

9、2可編程序控制器的特點(diǎn)可編程序控制器的特點(diǎn) PLC作為一種新型的控制裝置與傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)相比具有時(shí)間響應(yīng)快、控制精度高、可靠性好、控制程序可隨工藝改變、易與計(jì)算機(jī)連接、維修方便、體積小、重量輕和功耗低等諸多高品質(zhì)與功能。 PLC是在按鈕開關(guān)、限位開關(guān)和其他傳感器等發(fā)出的監(jiān)控輸入信號(hào)作用下進(jìn)行工作的。輸入信號(hào)作用于用戶程序便產(chǎn)生輸出信號(hào)，而這些輸出信號(hào)可直接控制外部的控制系統(tǒng)，如電動(dòng)機(jī)、接觸器、電磁閥、指示燈等。 PLC和計(jì)算機(jī)雖都具有中央處理單元、存儲(chǔ)器、輸入/輸出接口，都可以接CRT、打印機(jī)，都使用軟件，但在許多方面仍存在著較大差異，其差異見表。 11比較項(xiàng)目PLC計(jì) 算 機(jī)工作目的用

10、于機(jī)械及過程自動(dòng)化科學(xué)計(jì)算、數(shù)據(jù)管理、工業(yè)控制工作環(huán)境工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)計(jì)算機(jī)房、辦公室、實(shí)驗(yàn)室工作方式順序掃描方式中斷處理方式表現(xiàn)形態(tài)編程器和執(zhí)行主機(jī)共兩套計(jì)算機(jī)沒有專門的編程器輸入設(shè)備控制開關(guān)、傳感器、編程器、通信接口、其他計(jì)算機(jī)等鍵盤、磁帶機(jī)、磁盤機(jī)、卡片機(jī)、通信接口輸出設(shè)備電磁開關(guān)、電動(dòng)機(jī)、電磁閥、電磁繼電器、報(bào)警顯示器、燈、加熱器等，也可接CRT、打字機(jī)CRT、打字機(jī)、穿孔機(jī)、磁帶機(jī)、磁盤機(jī)特殊措施抗干擾措施、各種動(dòng)態(tài)檢測(cè)、停電保護(hù)、監(jiān)控功能、更換I/O模塊不會(huì)影響主機(jī)工作、易維護(hù)的結(jié)構(gòu)等掉電保護(hù)等一般措施使用的軟件一般多用梯形圖符號(hào)語言、操作系統(tǒng)等匯編語言、BASIC語言、FORTRAN語言

11、、Pascal語言、C語言等通用語言對(duì)操作人員的要求一般不用學(xué)習(xí)專門語言、操作系統(tǒng)等軟件工作者、計(jì)算機(jī)工作者或有一定計(jì)算機(jī)專業(yè)基礎(chǔ)的工程技術(shù)人員其他機(jī)種多，I/O模塊種類多，各種配件齊全，很容易構(gòu)成系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員不用再去考慮軟件問題，因此工程上的應(yīng)用快、收益高系統(tǒng)穩(wěn)定可靠 表表6.1 PLC與計(jì)算機(jī)的比較與計(jì)算機(jī)的比較12 6.2 6.2 可編程序控制器的基本結(jié)構(gòu)可編程序控制器的基本結(jié)構(gòu) PLC采用典型的計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)，由中央處理單元、存儲(chǔ)器、輸入/輸出接口電路和其他一些電路組成。圖為結(jié)構(gòu)示意圖，圖為邏輯結(jié)構(gòu)示意圖。 6.2.1 中央處理單元中央處理單元 中央處理單元（CPU）是PLC的核心部件，從

12、圖可以看出，它控制著所有部件的操作。CPU通過地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線與存儲(chǔ)單元、輸入輸出（I/O）接口電路連接。CPU按掃描方式工作，掃描從0000地址存放的第一條用戶程序開始，經(jīng)過存儲(chǔ)器中各功能程序，到用戶程序的最后一個(gè)地址，不停地周期性掃描，每掃描一次，用戶程序就執(zhí)行一次。CPU的主要功能包括從存儲(chǔ)器中讀取指令，執(zhí)行指令，準(zhǔn)備下一條指令，處理中斷。 13圖6.1 可編程序控制器結(jié)構(gòu)示意圖14圖6.2 可編程序控制器邏輯結(jié)構(gòu)示意圖156.2.2 存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器 存儲(chǔ)器用來存放系統(tǒng)程序、用戶程序、邏輯變量和一些其他信息。系統(tǒng)程序是指控制和完成PLC各種功能的程序。這些程序由PLC制造廠家用

13、微機(jī)指令編寫并固化在ROM中。用戶程序是指使用者根據(jù)工程現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)過程和工藝要求編寫的控制程序。用戶程序由使用者輸入到PLC的RAM中，允許修改，由用戶啟動(dòng)運(yùn)行。16 6.2.3 輸入輸入/輸出模塊輸出模塊 輸入/輸出（I/O）模塊是PLC與現(xiàn)場(chǎng)I/O設(shè)備或其他外部設(shè)備之間的連接部件。PLC通過輸入模塊把工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的狀態(tài)信息讀入，通過用戶程序的運(yùn)算與操作，把結(jié)果通過輸出模塊輸出給執(zhí)行機(jī)構(gòu)。 輸出模塊用于把用戶程序的邏輯運(yùn)算結(jié)果輸出到PLC外部，輸出模塊具有隔離PLC內(nèi)部電路與外部執(zhí)行元件的作用，同時(shí)兼有功率放大作用。輸出模塊常用的形式有晶體管輸出（T型）、雙向晶閘管輸出（S型）和繼電器輸出（R型

14、）。使用時(shí)要注意：晶體管輸出型模塊只能帶直流負(fù)載，雙向晶閘管輸出型模塊只能帶交流負(fù)載，繼電器輸出型模塊可帶交/直流負(fù)載。17 6.2.4 電源模塊電源模塊 一般PLC采用AC 220V電源，也可用直流電源。交流電源經(jīng)整流和穩(wěn)壓向PLC各模塊供電。歐姆龍C系列P型PLC使用DC 24V工作電源。 6.2.5 其他接口及外設(shè)其他接口及外設(shè) 其他接口包括外存儲(chǔ)器接口、A/D轉(zhuǎn)換接口、D/A轉(zhuǎn)換接口、遠(yuǎn)程通信接口、與計(jì)算機(jī)相連的接口、與CRT相連的接口等。 其他外設(shè)包括編程器、鍵盤、CRT等。 186.3.1 可編程序控制器應(yīng)用舉例可編程序控制器應(yīng)用舉例 6.3 6.3 可編程序控制器的基本工作過程可

15、編程序控制器的基本工作過程 圖所示為三相異步電動(dòng)機(jī)的起停電路。若改用歐姆龍C系列P型機(jī)實(shí)現(xiàn)控制，按控制要求可設(shè)計(jì)出圖所示的I/O連線圖和圖所示的梯形圖以及相應(yīng)的指令程序（見指令表）。圖6.3 三相異步電動(dòng)機(jī)的起停電路19 不難看出，圖所示的梯形圖與圖6.3(b)所示的繼電器控制電路很相似。梯形圖是PLC的編程語言。對(duì)于使用者來說，在編制應(yīng)用程序時(shí)，可不考慮PLC內(nèi)部的復(fù)雜構(gòu)成和使用的計(jì)算機(jī)語言，而把PLC看成是內(nèi)部具有許多“軟繼電器”組成的控制器，用提供給使用者的近似于繼電器控制線路圖的梯形圖進(jìn)行編程。這些“軟繼電器”的線圈、動(dòng)合觸點(diǎn)、動(dòng)斷觸點(diǎn)分別用“”、“ ”、“ ” 來表示。梯形圖中觸點(diǎn)在

16、左邊，與左側(cè)垂直公共母線（左母線）相連，線圈在最右邊，接右側(cè)垂直公共母線，右母線可以省略。 20圖6.4 I/O連線圖21 圖6.5 梯形圖 圖6.6 修改后的梯形圖22表表6.2 起停控制指令表起?？刂浦噶畋淼?址指 令數(shù) 據(jù)0000LD00000001OR05000002AND-NOT00010003AND-NOT00020004OUT05000005END(01)23 但要注意，PLC內(nèi)部的繼電器并不是物理繼電器（硬件繼電器），其實(shí)質(zhì)是存儲(chǔ)器中的某些觸發(fā)器。該觸發(fā)器為“1”狀態(tài)時(shí)，相當(dāng)于繼電器得電；該觸發(fā)器為“0”狀態(tài)時(shí)，相當(dāng)于繼電器失電。 前面提到，PLC的特點(diǎn)之一是控制程序可隨工藝改

17、變，當(dāng)被控制對(duì)象、控制方案和工藝流程改變時(shí)，不需改變PLC硬件，只需改變程序就可實(shí)現(xiàn)不同的控制。假設(shè)根據(jù)生產(chǎn)工藝需要，按下起動(dòng)按鈕SB2后電動(dòng)機(jī)只需運(yùn)行1 min就應(yīng)自行停止，若遇緊急情況，可隨時(shí)停止電動(dòng)機(jī)運(yùn)行。顯然，若采用繼電器控制，需要改變圖6.3(b)才能實(shí)現(xiàn)。但若采用PLC控制，則根本不需改變?nèi)魏芜B線和增加任何器件，只需修改梯形圖和指令程序即可。修改后的梯形圖和指令程序分別見圖和表。 24表表6.3 定時(shí)控制指令表定時(shí)控制指令表地 址指 令數(shù) 據(jù)0000LD00000001OR05000002AND-NOT00010003AND-NOT00020004AND-NOTTIM000005O

18、UT05000006LD05000007TIM00 #06000008END（01）25 6.3.2 可編程序控制器的工作過程可編程序控制器的工作過程 可編程序控制器實(shí)現(xiàn)某一用戶程序的工作過程如圖所示，可分為三個(gè)階段：輸入采樣階段、程序執(zhí)行階段和輸出處理階段。 1輸入采樣階段輸入采樣階段CPU將全部現(xiàn)場(chǎng)輸入信號(hào)如按鈕、限位開關(guān)、速度繼電器等的狀態(tài)（通/斷）經(jīng)PLC的輸入端子，讀入映像寄存器，這一過程稱為輸入采樣或掃描階段。進(jìn)入下一階段即程序執(zhí)行階段時(shí)，輸入信號(hào)若發(fā)生變化，輸入映像寄存器也不予理睬，只有等到下一掃描周期輸入采樣階段時(shí)才被更新。這種輸入工作方式稱為集中輸入方式。 26圖6.7 工作

19、過程27 2程序執(zhí)行階段程序執(zhí)行階段 CPU從0000地址的第一條指令開始，依次逐條執(zhí)行各指令，直到執(zhí)行到最后一條指令。PLC執(zhí)行指令程序時(shí)，要讀入輸入映像寄存器的狀態(tài)（ON或OFF，即1或0）和其他編程元件的狀態(tài)，除輸入繼電器外，一些編程元件的狀態(tài)隨著指令的執(zhí)行不斷更新。CPU按程序給定的要求進(jìn)行邏輯運(yùn)算和算術(shù)運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果存入相應(yīng)的元件映像寄存器，把將要向外輸出的信號(hào)存入輸出映像寄存器，并由輸出鎖存器保存。程序執(zhí)行階段的特點(diǎn)是依次順序執(zhí)行指令。 3輸出處理階段輸出處理階段 CPU將輸出映像寄存器的狀態(tài)經(jīng)輸出鎖存器和PLC的輸出端子，傳送到外部去驅(qū)動(dòng)接觸器、電磁閥和指示燈等負(fù)載。這時(shí)輸出鎖存器的內(nèi)容要等到下一個(gè)掃描周期的輸出階段到來才會(huì)被刷新。這種輸出工作方式稱為集中輸出方式。28 下面以圖和圖中所示的電動(dòng)機(jī)起停控制為例，說明PLC的工作過程。 （1）輸入采樣階段。CPU將外設(shè)SB1, SB2和FR的狀態(tài)經(jīng)輸入端子0000, 0001, 0002讀入對(duì)應(yīng)的輸入映像寄