PLC的發(fā)展史、基本結(jié)構(gòu)、工作原理及機型選擇方法

1、PLC的發(fā)展史、基本結(jié)構(gòu)、工作原理及機型選擇方法簡介可編程控制器（簡稱PLC）：是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計的。它采用一類可編程的存儲器，用于其內(nèi)部存儲程序，執(zhí)行邏輯運算,順序控制，定時，計數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。1.1 PLC發(fā)展歷史20世紀紀60年年代末期期，美國國汽車制制造工業(yè)業(yè)競爭激激烈，為為了適應(yīng)應(yīng)生產(chǎn)工工藝不斷斷更新的的需要，在19968年年美國通通用汽車車公司（GM）首先公公開招標標，對控控制系統(tǒng)統(tǒng)提出的的具體要要求基本本為：aa。 它它的繼電電控制系系統(tǒng)設(shè)計計周期短短，更改改容易，接線簡簡

2、單成本本低。bb。它能能把計算算機的功功能和繼繼電器控控制系統(tǒng)統(tǒng)結(jié)合起起來。但但編程要要比計算算機簡單單易學(xué)、操作方方便。cc。系統(tǒng)統(tǒng)通用性性強。119699年美國國數(shù)字設(shè)設(shè)備公司司（DEEC）根根據(jù)上述述要求，研制出出世界上上第一臺臺PLCC，并在在GM公公司汽車車生產(chǎn)線線上首次次試用成成功，實實現(xiàn)了生生產(chǎn)的自自動化。其后日日本、德德國等相相繼引入入，可編編程序控控制器迅迅速發(fā)展展起來，但是主主要應(yīng)用用于順序序控制，只能進進行邏輯輯運算，故稱為為可編程程邏輯控控制器，簡稱PPLC。其定義義：可編編程控制制器是一一種數(shù)字字運算操操作的電電子系統(tǒng)統(tǒng)，專為為在工業(yè)業(yè)環(huán)境應(yīng)應(yīng)用而設(shè)設(shè)計的。它采用用一

3、類可可編程的的存儲器器，用于于其內(nèi)部部存儲程程序，執(zhí)執(zhí)行邏輯輯運算,順序控控制，定定時，計計數(shù)與算算術(shù)操作作等面向向用戶的的指令，并通過過數(shù)字或或模擬式式輸入/輸出控控制各種種類型的的機械或或生產(chǎn)過過程?？煽删幊炭乜刂破骷凹捌溆嘘P(guān)關(guān)外部設(shè)設(shè)備，都都按易于于與工業(yè)業(yè)控制系系統(tǒng)聯(lián)成成一個整整體，易易于擴充充其功能能的原則則設(shè)計。1.2 基本結(jié)結(jié)構(gòu)PLLC可編程序序控制器器實施控控制，其其實質(zhì)就就是按一一定算法法進行輸輸入輸出出變換，并將這這個變換換與以物物理實現(xiàn)現(xiàn)。輸入入輸出變變換、物物理實現(xiàn)現(xiàn)可以說說是PLLC實施施控制的的兩個基基本點，同時物物理實現(xiàn)現(xiàn)也是PPLC與與普通微微機相區(qū)區(qū)別之處處，

4、其需需要考慮慮實際控控制的需需要，應(yīng)應(yīng)能排除除干擾信信號適應(yīng)應(yīng)于工業(yè)業(yè)現(xiàn)場，輸出應(yīng)應(yīng)放大到到工業(yè)控控制的水水平，能能為實際際控制系系統(tǒng)方便便使用，所以PPLC采采用了典典型的計計算機結(jié)結(jié)構(gòu)，主主要是由由微處理理器（CCPU）、存儲儲器（RRAM/ROMM）、輸輸入輸出出接口（I/OO）電路路、通信信接口及及電源組組成。PPLC的的基本結(jié)結(jié)構(gòu)如下下圖所示示：1.22.1中中央處理理單元(CPUU) 中央處理理單元 (CPPU)是是PLCC的控制制核心。它按照照PLCC系統(tǒng)程程序賦予予的功能能：a. 接收收并存儲儲從用戶戶程序和和數(shù)據(jù)；b.檢檢查電源源、存儲儲器、II/O以以及警戒戒定時器器的狀態(tài)

5、態(tài)，并能能診斷用用戶程序序中的語語法錯誤誤。當(dāng)PPLC投投入運行行時，首首先它以以掃描的的方式采采集現(xiàn)場場各輸入入裝置的的狀態(tài)和和數(shù)據(jù)，并分別別存入II/O映映象寄存存區(qū)，然然后從用用戶程序序存儲器器中逐條條讀取用用戶程序序，經(jīng)過過命令解解釋后按按指令的的規(guī)定執(zhí)執(zhí)行邏輯輯或算數(shù)數(shù)運算并并將結(jié)果果送入II/O映映象寄存存區(qū)或數(shù)數(shù)據(jù)寄存存器內(nèi)。等所有有的用戶戶程序執(zhí)執(zhí)行完畢畢之后，最后將將I/OO映象寄寄存區(qū)的的各輸出出狀態(tài)或或輸出寄寄存器內(nèi)內(nèi)的數(shù)據(jù)據(jù)傳送到到相應(yīng)的的輸出裝裝置，如如此循環(huán)環(huán)直到停停止運行行。 為為了進一一步提高高PLCC的可靠靠性，近近年來對對大型PPLC還還采用雙雙CPUU構(gòu)成

6、冗冗余系統(tǒng)統(tǒng)，或采采用三CCPU的的表決式式系統(tǒng)。這樣，即使某某個CPPU出現(xiàn)現(xiàn)故障，整個系系統(tǒng)仍能能正常運運行。 1.2.2存儲儲器可編程序序控制器器的存儲儲器分為為系統(tǒng)程程序存儲儲器和用用戶程序序存儲器器。存放放系統(tǒng)軟軟件（包包括監(jiān)控控程序、模塊化化應(yīng)用功功能子程程序、命命令解釋釋程序、故障診診斷程序序及其各各種管理理程序）的存儲儲器稱為為系統(tǒng)程程序存儲儲器；存存放用戶戶程序（用戶程程序存和和數(shù)據(jù)）的存儲儲器稱為為用戶程程序存儲儲器，所所以又分分為用戶戶存儲器器和數(shù)據(jù)據(jù)存儲器器兩部分分。 PLC常常用的存存儲器類類型 ：（1）RRAM （Raandoom AAsseess Memmoryy

7、） 這這是一種種讀/寫寫存儲器器(隨機機存儲器器)，其其存取速速度最快快，由鋰鋰電池支支持。（2）EEPROOM（EErassablle PProggrammmabble Reaad OOnlyy Meemorry）這這是一種種可擦除除的只讀讀存儲器器。在斷斷電情況況下，存存儲器內(nèi)內(nèi)的所有有內(nèi)容保保持不變變。(在在紫外線線連續(xù)照照射下可可擦除存存儲器內(nèi)內(nèi)容)。（3）EEEPRROM(Eleectrricaal EErassablle PProggrammmabble Reaad OOnlyy Meemorry)這這是一種種電可擦擦除的只只讀存儲儲器。使使用編程程器就能能很容易易地對其其所存儲儲

8、的內(nèi)容容進行修修改。 PLC存存儲空間間的分配配 ：雖然各各種 PPLC的的CPUU的最大大尋址空空間各不不相同，但是根根據(jù)PLLC的工工作原理理，其存存儲空間間一般包包括以下下三個區(qū)區(qū)域： （1）系系統(tǒng)程序序存儲區(qū)區(qū)（2）系系統(tǒng)RAAM存儲儲區(qū)（包包括I/O映象象寄存區(qū)區(qū)和系統(tǒng)統(tǒng)軟設(shè)備備等）。（3）用用戶程序序存儲區(qū)區(qū) 系統(tǒng)程序序存儲區(qū)區(qū)：在系系統(tǒng)程序序存儲區(qū)區(qū)中存放放著相當(dāng)當(dāng)于計算算機操作作系統(tǒng)的的系統(tǒng)程程序。包包括監(jiān)控控程序、管理程程序、命命令解釋釋程序、功能子子程序、系統(tǒng)診診斷子程程序等。由制造造廠商將將其固化化在 EEPROOM中，用戶不不能直接接存取。它和硬硬件一起起決定了了該PL

9、LC的性性能。 系統(tǒng)RAAM存儲儲區(qū)：系系統(tǒng)RAAM存儲儲區(qū)包括括I/OO映象寄寄存區(qū)以以及各類類軟元件件，如：邏輯線線圈、數(shù)數(shù)據(jù)寄存存器、計計時器、計數(shù)器器、變址址寄存器器、累加加器等存存儲器。 （1）II/O映映象寄存存區(qū)：由由于PLLC投入入運行后后，只是是在輸入入采樣階階段才依依次讀入入各輸入入狀態(tài)和和數(shù)據(jù)，在輸出出刷新階階段才將將輸出的的狀態(tài)和和數(shù)據(jù)送送至相應(yīng)應(yīng)的外設(shè)設(shè)。因此此，它需需要一定定數(shù)量的的存儲單單元(RRAM)以存放放I/OO的狀態(tài)態(tài)和數(shù)據(jù)據(jù)，這些些單元稱稱作I/O映象象寄存區(qū)區(qū)。一個個開關(guān)量量I/OO占用存存儲單元元中的一一個位，一個模模擬量II/O占占用存儲儲單元中中

10、的一個個字。因因此整個個I/OO映象寄寄存區(qū)可可看作兩兩個部分分組成：開關(guān)量量I/OO映象寄寄存區(qū)；模擬量量I/OO映象寄寄存區(qū)。 （2）系系統(tǒng)軟元元件存儲儲區(qū) ：除了II/O映映象寄存存區(qū)區(qū)以以外，系系統(tǒng)RAAM存儲儲區(qū)還包包括PLLC內(nèi)部部各類軟軟元件（邏輯線線圈、計計時器、計數(shù)器器、數(shù)據(jù)據(jù)寄存器器和累加加器等）的存儲儲區(qū)。該該存儲區(qū)區(qū)又分為為具有失失電保持持的存儲儲區(qū)域和和失電不不保持的的存儲區(qū)區(qū)域，前前者在PPLC斷斷電時，由內(nèi)部部的鋰電電池供電電，數(shù)據(jù)據(jù)不會丟丟失；后后者當(dāng)PPLC斷斷電時，數(shù)據(jù)被被清零。 （3）用用戶程序序存儲區(qū)區(qū) ： 用戶程程序存儲儲區(qū)存放放用戶編編制的用用戶程序

11、序。不同同類型的的 PLLC，其其存儲容容量各不不相同。 1.2.3輸入入接口電電路 輸入輸出出信號有有開關(guān)量量、模擬擬量、數(shù)數(shù)字量三三種，在在我們實實習(xí)室涉涉及到的的信號當(dāng)當(dāng)中，開開關(guān)量最最普遍，也是實實驗條件件所限，在次我我們主要要介紹開開關(guān)量接接口電路路?？删幊绦蛐蚩刂破髌鲀?yōu)點之之一是抗抗干擾能能力強。這也是是其I/O設(shè)計計的優(yōu)點點之處，經(jīng)過了了電氣隔隔離后，信號才才送入CCPU執(zhí)執(zhí)行的,防止現(xiàn)現(xiàn)場的強強電干擾擾進入。如下圖圖就是采采用光電電耦合器器(一般般采用反反光二極極管和光光電三極極管組成成)的開開關(guān)量輸輸入接口口電路：1.2.4 輸輸出接口口電路可編程序序控制器器的輸出出有：繼繼

12、電器輸輸出(MM)、晶晶體管輸輸出(TT)、晶晶閘管輸輸出(SSSR)三種輸輸出形式式。輸出接口口電路的的隔離方方式 輸出接口口電路的的主要技技術(shù)參數(shù)數(shù)a.響應(yīng)應(yīng)時間 響響應(yīng)時間間是指PPLC從從ON狀狀態(tài)轉(zhuǎn)變變成OFFF狀態(tài)態(tài)或從OOFF狀狀態(tài)轉(zhuǎn)變變成ONN狀態(tài)所所需要的的時間。繼電器器輸出型型響應(yīng)時時間平均均約為110mss；晶閘閘管輸出出型響應(yīng)應(yīng)時間為為1mss以下；晶體管管輸出型型在0.2mss以下為為最快。b.輸出出電流 繼電器器輸出型型具有較較大的輸輸出電流流，ACC2500V以下下的電路路電壓可可驅(qū)動純純電阻負負載2AA/1點點、感性性負載880VAA以下（AC1100VV或AC

13、C2000V）及及燈負載載1000W以下下（ACC1000V 或或2000V）的的負載；Y0、Y1以以外每輸輸出1點點的輸出出電流是是0.55A，但但是由于于溫度上上升的原原因，每每輸出44合計為為0.88A的電電流，輸輸出晶體體管的OON電壓壓約為11.5VV，因此此驅(qū)動半半導(dǎo)體元元件時，請注意意元件的的輸入電電壓特性性。Y00、Y11每輸出出1點的的輸出電電流是00.3AA，但是是對Y00、Y11使用定定位指令令時需要要高速響響應(yīng)，因因此使用用101000mA的的輸出電電流；晶晶閘管輸輸出電流流也比較較小，F(xiàn)FX1SS無晶閘閘管輸出出型。c.開路路漏電流流 開路漏漏電流是是指輸出出處于OO

14、FF狀狀態(tài)時，輸出回回路中的的電流。繼電器器輸出型型輸出接接點OFFF是無無漏電流流；晶體體管輸出出型漏電電流在00.1mmA以下下；晶閘閘管較大大漏電流流，主要要由內(nèi)部部RC電電路引起起，需在在設(shè)計系系統(tǒng)時注注意。輸出公共共端（CCOM） 公公共端與與輸出各各組之間間形成回回路，從從而驅(qū)動動負載。FX11S有11點或44點一個個公共端端輸出型型，因此此各公共共端單元元可以驅(qū)驅(qū)動不同同電源電電壓系統(tǒng)統(tǒng)的負載載。1.2.5電源源 PLC的的電源在在整個系系統(tǒng)中起起著十分分重要得得作用。如果沒沒有一個個良好的的、可靠靠得電源源系統(tǒng)是是無法正正常工作作的，因因此PLLC的制制造商對對電源的的設(shè)計和和

15、制造也也十分重重視。一一般交流流電壓波波動在+10%(+115%)范圍內(nèi)內(nèi)，可以以不采取取其它措措施而將將PLCC直接連連接到交交流電網(wǎng)網(wǎng)上去。如FXX1S額額定電壓壓AC1100VV2400V，而而電壓允允許范圍圍在ACC85VV2644V之間間。允許許瞬時停停電在110mss以下，能繼續(xù)續(xù)工作。一般小型型PLCC的電源源輸出分分為兩部部分：一一部分供供PLCC內(nèi)部電電路工作作；一部部分向外外提供給給現(xiàn)場傳傳感器等等的工作作電源。因此PPLC對對電源的的基本要要求：能有效效地控制制、消除除電網(wǎng)電電源帶來來的各種種干擾；電源發(fā)發(fā)生故障障不會導(dǎo)導(dǎo)致其它它部分產(chǎn)產(chǎn)生故障障；允許較較寬的電電壓范圍圍

16、；電源本本身的功功耗低，發(fā)熱量量??；內(nèi)部電電源與外外部電源源完全隔隔離；有較強強的自保保護功能能。 1.3 PLLC的工工作原理理由于PLLC以微微處理器器為核心心，故具具有微機機的許多多特點，但它的的工作方方式卻與與微機有有很大不不同。微微機一般般采用等等待命令令的工作作方式，如常見見的鍵盤盤掃描方方式或II/O掃掃描方，若有鍵鍵按下或或有I/O變化化，則轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)入相應(yīng)應(yīng)的子程程序，若若無則繼繼續(xù)掃描描等待。PLC則則是采用用循環(huán)掃掃描的工工作方式式。對每每個程序序，CPPU從第第一條指指令開始始執(zhí)行，按指令令步序號號做周期期性的程程序循環(huán)環(huán)掃描，如果無無跳轉(zhuǎn)指指令，則則從第一一條指令令開始逐逐

17、條執(zhí)行行用戶程程序，直直至遇到到結(jié)束符符后又返返回第一一條指令令，如此此周而復(fù)復(fù)始不斷斷循環(huán)，每一個個循環(huán)稱稱為一個個掃描周周期。掃掃描周期期的長短短主要取取決于以以下幾個個因素：一是CCPU執(zhí)執(zhí)行指令令的速度度；二是是執(zhí)行每每條指令令占用的的時間；三是程程序中指指令條數(shù)數(shù)的多少少。一個個掃描周周期主要要可分為為3個階階段。1.3.1輸入入刷新階階段在輸入刷刷新階段段，CPPU掃描描全部輸輸入端口口，讀取取其狀態(tài)態(tài)并寫入入輸入狀狀態(tài)寄存存器。完完成輸入入端刷新新工作后后，將關(guān)關(guān)閉輸入入端口，轉(zhuǎn)入程程序執(zhí)行行階段。在程序序執(zhí)行期期間即使使輸入端端狀態(tài)發(fā)發(fā)生變化化，輸入入狀態(tài)寄寄存器的的內(nèi)容也也不

18、會改改變，而而這些變變化必須須等到下下一工作作周期的的輸入刷刷新階段段才能被被讀入。1.3.2程序序執(zhí)行階階段在程序執(zhí)執(zhí)行階段段，根據(jù)據(jù)用戶輸輸入的控控制程序序，從第第一條開開始逐步步執(zhí)行，并將相相應(yīng)的邏邏輯運算算結(jié)果存存入對應(yīng)應(yīng)的內(nèi)部部輔助寄寄存器和和輸出狀狀態(tài)寄存存器。當(dāng)當(dāng)最后一一條控制制程序執(zhí)執(zhí)行完畢畢后，即即轉(zhuǎn)入輸輸入刷新新階段。1.3.3輸出出刷新階階段當(dāng)所有指指令執(zhí)行行完畢后后，將輸輸出狀態(tài)態(tài)寄存器器中的內(nèi)內(nèi)容，依依次送到到輸出鎖鎖存電路路（輸出出映像寄寄存器），并通通過一定定輸出方方式輸出出，驅(qū)動動外部相相應(yīng)執(zhí)行行元件工工作，這這才形成成PLCC的實際際輸出。由此可見見，輸入入刷

19、新、程序執(zhí)執(zhí)行和輸輸出刷新新三個階階段構(gòu)成成PLCC一個工工作周期期，由此此循環(huán)往往復(fù)，因因此稱為為循環(huán)掃掃描工作作方式。由于輸輸入刷新新階段是是緊接輸輸出刷新新階段后后馬上進進行的，所以亦亦將這兩兩個階段段統(tǒng)稱為為I/OO刷新階階段。實實際上，除了執(zhí)執(zhí)行程序序和I/O刷新新外，PPLC還還要進行行各種錯錯誤檢測測（自診診斷功能能）并與與編程工工具通訊訊，這些些操作統(tǒng)統(tǒng)稱為“監(jiān)視服服務(wù)”，一般般在程序序執(zhí)行之之后進行行。綜上上述，PPLC的的掃描工工作過程程如圖114所示示。顯然掃描描周期的的長短主主要取決決于程序序的長短短。掃描描周期越越長，響響應(yīng)速度度越慢。由于每每個掃描描周期只只進行一一

20、次I/O刷新新，即每每一個掃掃描周期期PLCC只對輸輸入、輸輸出狀態(tài)態(tài)寄存器器更新一一次，所所以系統(tǒng)統(tǒng)存在輸輸入輸出出滯后現(xiàn)現(xiàn)象，這這在一定定程度上上降低了了系統(tǒng)的的響應(yīng)速速度。但但是由于于其對II/O的的變化每每個周期期只輸出出刷新一一次，并并且只對對有變化化的進行行刷新，這對一一般的開開關(guān)量控控制系統(tǒng)統(tǒng)來說是是完全允允許的，不但不不會造成成影響，還會提提高抗干干擾能力力。這是是因為輸輸入采樣樣階段僅僅在輸入入刷新階階段進行行，PLLC在一一個工作作周期的的大部分分時間是是與外設(shè)設(shè)隔離的的，而工工業(yè)現(xiàn)場場的干擾擾常常是是脈沖、短時間間的，誤誤動作將將大大減減小。但但是在快快速響應(yīng)應(yīng)系統(tǒng)中中就

21、會造造成響應(yīng)應(yīng)滯后現(xiàn)現(xiàn)象，這這個一般般PLCC都會采采取高速速模塊?？傊?，PPLC采采用掃描描的工作作方式，是區(qū)別別于其他他設(shè)備的的最大特特點之一一，我們們在學(xué)習(xí)習(xí)和使用用PLCC當(dāng)中都都應(yīng)加強強注意。1.4 PLCC機型的的選擇方方法1PLLC的類類型PLLC按結(jié)結(jié)構(gòu)分為為整體型型和模塊塊型兩類類，按應(yīng)應(yīng)用環(huán)境境分為現(xiàn)現(xiàn)場安裝裝和控制制室安裝裝兩類；按CPPU字長長分為11位、44位、88位、116位、32位位、644位等。從應(yīng)用用角度出出發(fā)，通通?？砂窗纯刂乒δ芑蜉斴斎胼敵龀鳇c數(shù)選選型。整整體型PPLC的的I/OO點數(shù)固固定，因因此用戶戶選擇的的余地較較小，用用于小型型控制系系統(tǒng)；模模塊

22、型PPLC提提供多種種I/OO卡件或或插卡，因此用用戶可較較合理地地選擇和和配置控控制系統(tǒng)統(tǒng)的I/O點數(shù)數(shù)，功能能擴展方方便靈活活，一般般用于大大中型控控制系統(tǒng)統(tǒng)。2輸入入輸出模模塊的選選擇輸入輸出出模塊的的選擇應(yīng)應(yīng)考慮與與應(yīng)用要要求的統(tǒng)統(tǒng)一。例例如對輸輸入模塊塊，應(yīng)考考慮信號號電平、信號傳傳輸距離離、信號號隔離、信號供供電方式式等應(yīng)用用要求。對輸出出模塊，應(yīng)考慮慮選用的的輸出模模塊類型型，通常常繼電器器輸出模模塊具有有價格低低、使用用電壓范范圍廣、壽命短短、響應(yīng)應(yīng)時間較較長等特特點；可可控硅輸輸出模塊塊適用于于開關(guān)頻頻繁，電電感性低低功率因因數(shù)負荷荷場合，但價格格較貴，過載能能力較差差。輸出出模塊還還有直流流輸出、交流輸輸出和模模擬量輸輸出等，與應(yīng)用用要求應(yīng)應(yīng)一致?？筛鶕?jù)據(jù)應(yīng)用要要求，合合理選用用智能型型輸入輸輸出模塊塊，以便便提高控控制水平平和降低低應(yīng)用成成本?？伎紤]是否否需要擴擴展機架架或遠程程I/OO機架等等。3.電源源的選擇擇PLC的的供電電電源，除除了引進進設(shè)備時時同時引引進PLLC應(yīng)根根據(jù)產(chǎn)品品說明書書要求設(shè)設(shè)計和選選用外，一般PPLC的的供電電電源應(yīng)設(shè)設(shè)計選用用2200VACC電源，與國內(nèi)內(nèi)電網(wǎng)電電壓一致致。重要要的應(yīng)用用場合，應(yīng)采用用不間斷斷電源或或穩(wěn)壓電電源供電電。如果果PLCC本身帶帶有可使使用電源源時，應(yīng)應(yīng)