PLC-技術(shù)培訓(xùn)班-(第1講)基本原理課件

第1講－可編程控制器的基本原理第2講－STEP7編程軟件第3講－PLC指令系統(tǒng)介紹第4講－IEC61131-3編程語言標(biāo)準(zhǔn)第5講－現(xiàn)場(chǎng)總線第6講－WinCC組態(tài)軟件培訓(xùn)計(jì)劃10/6/20231第1講－可編程控制器的基本原理培訓(xùn)計(jì)劃10/6/202PLC的發(fā)明和發(fā)展過程

PLC（可編程控制器）是上個(gè)世紀(jì)60年代發(fā)展起來的一種新型自動(dòng)化控制裝置。最早是用于替代傳統(tǒng)的繼電器控制裝置，功能上只有邏輯計(jì)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)以及順序控制等，而且只能進(jìn)行開關(guān)量控制。因此，其英文原名為“ProgrammableLogicController”，簡(jiǎn)稱PLC，中文稱“可編程邏輯控制器”。后來，隨著技術(shù)的進(jìn)步，其控制功能已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出邏輯控制的范疇，其名稱也就改為“ProgrammableController”，簡(jiǎn)稱PC。但PC又容易與個(gè)人計(jì)算機(jī)“PersonalComputer”的簡(jiǎn)稱PC產(chǎn)生混淆，所以近年來人們又傾向于使用PLC這一簡(jiǎn)稱，中文仍然稱“可編程控制器”。

10/6/20232PLC的發(fā)明和發(fā)展過程PLC（可編程控制器）是PLC的發(fā)明過程

上個(gè)世紀(jì)60年代，由于美國(guó)汽車工業(yè)需要進(jìn)行大規(guī)模的技術(shù)改造和設(shè)備更新，由傳統(tǒng)的繼電器控制裝置來進(jìn)行控制，不僅體積龐大，故障率高，柔性差，不靈活，耗能，而且調(diào)試?yán)щy，可靠性也差．１９６８年由美國(guó)通用汽車公司提出使用新一代控制器的設(shè)想．從用戶的角度考慮，該公司對(duì)新一代控制器提了１０點(diǎn)要求，為各大公司提供了明確的開發(fā)目標(biāo)．次年，就由美國(guó)DEC（數(shù)字設(shè)備公司）首先研制成功第一臺(tái)可編程邏輯控制器PDP-14．差不多同時(shí)，美國(guó)MODICON公司也研制出084控制器．它們的問世，引起了全世界的矚目，美國(guó)的其他公司和西歐，日本等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，也相繼研究開發(fā)出類似的產(chǎn)品．10/6/20233PLC的發(fā)明過程上個(gè)世紀(jì)60年代，由于美國(guó)汽車PLC的發(fā)展過程由于PLC吸取微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的最新成果，因此，發(fā)展十分迅速，從單機(jī)自動(dòng)化到整條生產(chǎn)線的自動(dòng)化，乃至整個(gè)工廠的生產(chǎn)自動(dòng)化，從柔性制造系統(tǒng)，工業(yè)機(jī)器人到大型分散型控制系統(tǒng)，PLC均擔(dān)當(dāng)著重要角色。

PLC技術(shù)代表了當(dāng)今電氣程序控制的最先進(jìn)水平。通過PLC與各種單元自動(dòng)化裝置（例如，智能儀表、數(shù)字化傳動(dòng)裝置、智能的液壓和氣動(dòng)閥組等）以及現(xiàn)場(chǎng)總線、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，構(gòu)成了車間和工廠自動(dòng)化的完整體系。10/6/20234PLC的發(fā)展過程由于PLC吸取微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技PLC的應(yīng)用范圍廣泛可編程控制器應(yīng)用非常廣泛，近年來對(duì)國(guó)內(nèi)進(jìn)行的調(diào)查，在各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用分布大致如下：鋼鐵和有色冶金＿35％汽車和機(jī)械制造＿20%輕工，食品，包裝，造紙＿16%化工，石油，工藝過程＿13%交通運(yùn)輸，礦山＿7%能源，電站，泵站，水處理＿7%科研試驗(yàn)，教學(xué)＿2%10/6/20235PLC的應(yīng)用范圍廣泛可編程控制器應(yīng)用非常廣泛，近年來對(duì)國(guó)內(nèi)進(jìn)PLC發(fā)明之前傳統(tǒng)控制裝置的缺點(diǎn)

在PLC發(fā)明之前，在工業(yè)控制的順序控制領(lǐng)域內(nèi)，常常采用諸如繼電器，鼓式開關(guān)，紙帶閱讀器等機(jī)械，電氣式器件作為控制元件，尤其是控制繼電器，在離散制造過程控制領(lǐng)域內(nèi)，成為＂開關(guān)控制系統(tǒng)＂中最廣泛使用的器件．但是，隨著工業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展，生產(chǎn)規(guī)模越來越大，勞動(dòng)生產(chǎn)率及產(chǎn)品質(zhì)量的要求在不斷提高，對(duì)于控制系統(tǒng)的可靠性也提出了更高的要求，原有＂繼電器控制系統(tǒng)＂已不適應(yīng)需要，究其原因是：動(dòng)作緩慢，壽命短，可靠性差，體積大，耗電多，設(shè)計(jì)制造周期長(zhǎng)，程序修改費(fèi)時(shí)，不能實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)對(duì)話10/6/20236PLC發(fā)明之前傳統(tǒng)控制裝置的缺點(diǎn)在PLC發(fā)明之前，在工業(yè)控在工業(yè)控制領(lǐng)域需要一種新的控制器

到60年代后期，雖然小型計(jì)算機(jī)已日趨完善，應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷擴(kuò)大，但小型計(jì)算機(jī)用于開關(guān)控制系統(tǒng)，又顯然存在著＂大馬拉小車＂的狀態(tài)，這是由于小型計(jì)算機(jī)：編程復(fù)雜，要求有較高水平的編程人員和操作人員，需要配套非標(biāo)準(zhǔn)的外部接口，對(duì)環(huán)境和現(xiàn)場(chǎng)條件的要求過高，功能過剩，機(jī)器資源未能充分利用，造價(jià)高昂。10/6/20237在工業(yè)控制領(lǐng)域需要一種新的控制器到60年代后期，雖然PLC適合于新的控制要求

需要與可能，促使人們尋求新的出路，PLC即應(yīng)運(yùn)而生．它首先應(yīng)用于美國(guó)的汽車工業(yè)，這時(shí)的PLC，用了固態(tài)（集成）電路來代替繼電器邏輯電路，用存儲(chǔ)器電路中的存儲(chǔ)數(shù)位（程序）來代替繼電器系統(tǒng)的布線，以程序來規(guī)定邏輯關(guān)系；用固態(tài)I/O電路來檢測(cè)按鈕和限位開關(guān)的信號(hào)，給出輸出以控制電機(jī)和其它執(zhí)行機(jī)構(gòu)．

10/6/20238PLC適合于新的控制要求需要與可能，促使人們尋求新的PLC控制器具有一些新的特點(diǎn)

這時(shí)的PLC系統(tǒng)已開始具有如下一些特點(diǎn)：環(huán)境適應(yīng)性較強(qiáng)，可以使用于車間現(xiàn)場(chǎng),有較高的可靠性和診斷能力，維修容易,基本能適應(yīng)不同的制造過程所需，柔性度有了較大提高，只要改變系統(tǒng)中的程序即可改變控制邏輯，而無需改造或更換控制硬件等．10/6/20239PLC控制器具有一些新的特點(diǎn)這時(shí)的PLC系統(tǒng)已開始具有如微處理器開始引入PLC領(lǐng)域

自1976年以來，微處理器開始引入PLC領(lǐng)域，大大加強(qiáng)了PLC的作用，使PLC由簡(jiǎn)單地代替繼電器電路，而發(fā)展為先進(jìn)的控制裝置．當(dāng)今PLC具有采集與處理大量數(shù)據(jù)，完成數(shù)學(xué)運(yùn)算，與其它智能器件通信的能力，以及具有先進(jìn)的人－機(jī)對(duì)話手段（如鍵盤，CRT和語音對(duì)話）,近年來由于現(xiàn)場(chǎng)總線理念的出現(xiàn)和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的建立，以及產(chǎn)品的迅速發(fā)展，PLC成為現(xiàn)場(chǎng)總線的一個(gè)重要組成部分，進(jìn)一步擴(kuò)大了PLC的應(yīng)用領(lǐng)域．10/6/202310微處理器開始引入PLC領(lǐng)域自1976年以來，微處理器PLC的應(yīng)用迅速得到擴(kuò)大

由于PLC同時(shí)提高了功能和柔性度，使其應(yīng)用迅速增長(zhǎng)，并普及到許多其它離散零件制造工業(yè)領(lǐng)域．以及隨后又?jǐn)U展到批量生產(chǎn)和連續(xù)生產(chǎn)過程有關(guān)的工業(yè)領(lǐng)域．隨著CIMS（計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)）的發(fā)展，PLC當(dāng)前還被人們用于工廠通信網(wǎng)絡(luò)之中，與其它智能控制器和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)一起，成為計(jì)算機(jī)綜合控制系統(tǒng)中的重要組成部分，特別是單元級(jí)和工作站級(jí)．10/6/202311PLC的應(yīng)用迅速得到擴(kuò)大由于PLC同時(shí)提高了功能和柔PLC的發(fā)展經(jīng)歷了三個(gè)階段

第一階段：開發(fā)的PLC容量較小，I/O點(diǎn)數(shù)小于120點(diǎn)．用戶存儲(chǔ)區(qū)容量在2KB左右，掃描速率為20—50ms/KB,指令較為簡(jiǎn)單，只有邏輯運(yùn)算，計(jì)時(shí)，計(jì)數(shù)等，編程語言采用簡(jiǎn)單的語句表語言．使用上，主要用來作開關(guān)量控制．第二階段：PLC的容量有所擴(kuò)展，I/O點(diǎn)數(shù)從512點(diǎn)至1024點(diǎn)，用戶程序存儲(chǔ)區(qū)擴(kuò)展到8KB以上，速率也有提高，掃描速率達(dá)到5—6ms/KB,指令功能除了基本的邏輯運(yùn)算，計(jì)時(shí)，計(jì)數(shù)外，還增加了算術(shù)運(yùn)算指令，比較指令，以及模擬量處理指令等，輸入／輸出類型也由純開關(guān)量I/O，擴(kuò)展為帶模擬量的I/O．編程語言除了使用語句表外，還可以使用梯形圖編程語言．10/6/202312PLC的發(fā)展經(jīng)歷了三個(gè)階段第一階段：開發(fā)的PLC容量較小PLC的發(fā)展經(jīng)歷了三個(gè)階段

第三階段：進(jìn)入80年代以來，隨著大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路等微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，以16位和32位微處理器構(gòu)成的PLC得到驚人的發(fā)展，其功能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了上述兩階段的產(chǎn)品．使PLC在概念，設(shè)計(jì)，性能／價(jià)格比以及應(yīng)用方面都有了新的突破．這一階段的產(chǎn)品向大型和小型兩個(gè)方向發(fā)展．大型產(chǎn)品的I/O點(diǎn)數(shù)，超出4000點(diǎn)，有些產(chǎn)品達(dá)到8000個(gè)I/O點(diǎn)，用戶存儲(chǔ)區(qū)容量超過32KB，配置有各種智能模塊（例如，溫度控制模塊，軸定位模塊，過程控制模塊等）和通信模塊，掃描速率也大大提高，達(dá)到0.47ms/KB。10/6/202313PLC的發(fā)展經(jīng)歷了三個(gè)階段第三階段：進(jìn)入80年代以來，PLC的發(fā)展經(jīng)歷了三個(gè)階段第三階段PLC的指令功能，除了基本的邏輯運(yùn)算，計(jì)時(shí)，計(jì)數(shù)，順序控制外，還有算術(shù)浮點(diǎn)運(yùn)算指令，PID調(diào)節(jié)功能指令，圖形組態(tài)功能指令，網(wǎng)絡(luò)和通信指令等．編程語言普遍采用梯形圖語言，同時(shí)也使用語句表和順序功能圖語言（典型的有GRAFCET語言）．為了提高系統(tǒng)的可靠性，設(shè)計(jì)上考慮了容錯(cuò)技術(shù)和冗余技術(shù)等．這一階段的小型產(chǎn)品向超小型化和加強(qiáng)型功能發(fā)展，有16點(diǎn)I/O，24點(diǎn)I/O的整體型小型PLC，在小型PLC上配置模擬量I/O，通信口，高速計(jì)數(shù)，指令上也設(shè)置有算術(shù)運(yùn)算，比較指令以及PID調(diào)節(jié)指令．小型PLC使用的手握式編程器使用大面積液晶顯示器，也可以用梯形圖和GRAFCET語言進(jìn)行編程．10/6/202314PLC的發(fā)展經(jīng)歷了三個(gè)階段第三階段PLC的指令功能，除了基PLC的軟件也得到進(jìn)一步的改進(jìn)

這一階段PLC的軟件設(shè)計(jì)也有很大改進(jìn)，普遍實(shí)現(xiàn)了軟件模塊化設(shè)計(jì)，在PLC產(chǎn)品上提供大量的通用和專用軟件功能模塊，用戶通過簡(jiǎn)單的功能調(diào)用就可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制任務(wù)，給使用帶來極大的方便．使用的編程器越來越完善，專用編程器實(shí)際上已經(jīng)是一臺(tái)個(gè)人計(jì)算機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)離線編程或在線編程及監(jiān)控，程序打印以及程序固化，實(shí)現(xiàn)圖形組態(tài)，可以聯(lián)網(wǎng)（即掛在PLC網(wǎng)絡(luò)上）。有些編程器還可以使用高級(jí)語言。10/6/202315PLC的軟件也得到進(jìn)一步的改進(jìn)這一階段PLC的軟件設(shè)PLC已經(jīng)成為控制領(lǐng)域的最重要手段

除了專用編程器外，很多PLC可以使用通用的筆記本電腦實(shí)現(xiàn)編程，開發(fā)一些專用軟件，充分利用個(gè)人計(jì)算機(jī)的能力，完成各種高級(jí)的編程功能，省卻了專用編程器，既便于推廣又節(jié)省投資．隨著技術(shù)的進(jìn)步，PLC的功能越來越強(qiáng)，應(yīng)用范疇越來越廣，與其它工業(yè)控制機(jī)，例如，分散型控制系統(tǒng)（DCS）的界限已經(jīng)不十分明顯，很多以往必須由分散型控制系統(tǒng)來完成的控制，現(xiàn)在用PLC都能實(shí)現(xiàn)，因此在應(yīng)用上＂交錯(cuò)＂已經(jīng)成為普遍現(xiàn)象．10/6/202316PLC已經(jīng)成為控制領(lǐng)域的最重要手段除了專用編程器外，PLC的定義和硬件、軟件的基本構(gòu)成

根據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn)，給PLC下的定義：

它是在工業(yè)環(huán)境中使用的數(shù)字操作的電子系統(tǒng)，它使用可編程存儲(chǔ)器內(nèi)部?jī)?chǔ)存用戶設(shè)計(jì)的指令，這些指令用來實(shí)現(xiàn)特殊的功能，諸如邏輯運(yùn)算，順序操作，定時(shí)，計(jì)數(shù)以及算術(shù)運(yùn)算和通過數(shù)字或模擬輸入／輸出來控制各種類型的機(jī)械或過程。10/6/202317PLC的定義和硬件、軟件的基本構(gòu)成根據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn)，給PLC控制器的特點(diǎn)1.控制程序可變，具有很好的柔性，在生產(chǎn)工藝流程改變或生產(chǎn)設(shè)備更新的情況下，不必改變PLC的硬設(shè)備，只需改變程序就可滿足要求．因此，除單機(jī)控制外，PLC在柔性制造單元（FMC）,柔性制造系統(tǒng)（FMS），以致工廠自動(dòng)化（FA）中也被大量采用．2.具有高度可靠性，適用于工業(yè)環(huán)境，PLC產(chǎn)品的平均故障間隔時(shí)間（MTBF）一般可達(dá)到5年以上，因此是一種高度可靠的工業(yè)產(chǎn)品，大大提高了生產(chǎn)設(shè)備的運(yùn)行效率．PLC不要求專用設(shè)備的機(jī)房，這為工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的大量直接使用提供了方便．10/6/202318PLC控制器的特點(diǎn)1.控制程序可變，具有很好的柔性PLC控制器的特點(diǎn)

3.功能完善現(xiàn)代PLC具有數(shù)字和模擬量輸入／輸出，邏輯和算術(shù)運(yùn)算，定時(shí)，計(jì)數(shù)，順序控制，PID調(diào)節(jié)，各種智能模塊，遠(yuǎn)程I/O模塊，通信，人－機(jī)對(duì)話，自診斷，記錄和圖形顯示，組態(tài)等功能．除了適用于離散型開關(guān)量控制系統(tǒng)外，現(xiàn)在也能應(yīng)用于連續(xù)的流程控制系統(tǒng)，從而使設(shè)備的控制水平大大提高。10/6/202319PLC控制器的特點(diǎn)3.功能完善現(xiàn)代PLC具有數(shù)字和PLC控制器的特點(diǎn)4.易于掌握，便于維修，由于PLC使用編程器進(jìn)行編程和監(jiān)控，使用人員只需掌握工程上通用的梯形圖語言（或語句表，流程圖）就可進(jìn)行用戶程序的編制和測(cè)試．因此，即使不太懂得計(jì)算機(jī)的操作人員，也能掌握和使用PLC．也由于PLC有完善的自診斷功能，輸入／輸出均有明顯的指示，在線監(jiān)控軟件的功能很強(qiáng)，因此，很容易進(jìn)行維修，能很快查找出故障的原因．PLC本身高可靠性也保證了故障的幾率是很低的．體積小，省電，與傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)相比，PLC的體積很小，一臺(tái)收錄機(jī)一樣大小的PLC具有相當(dāng)于三個(gè)1.8m高繼電器控制柜的功能．PLC消耗的電能只是傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的1/3至1/2。10/6/202320PLC控制器的特點(diǎn)4.易于掌握，便于維修，由于PLPLC控制器的特點(diǎn)5.價(jià)格低廉隨著集成電路芯片功能的提高，價(jià)格的降低，可編程控制器硬件的價(jià)格也一直不斷地在下降．根據(jù)最近市場(chǎng)統(tǒng)計(jì)，國(guó)外小型PLC平均每一個(gè)I/O點(diǎn)為14-20美元，中型PLC折算每個(gè)I/O點(diǎn)為20-35美元，大型PLC折算每個(gè)I/O點(diǎn)為40-80美元．雖然PLC的軟件價(jià)格在系統(tǒng)中所占的比重在不斷提高，但由于縮短了整個(gè)工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)，編程和投運(yùn)費(fèi)用以及縮短了整個(gè)投運(yùn)周期，因此，使用PLC的總造價(jià)是低廉的，而且還呈不斷下降的趨勢(shì)．10/6/202321PLC控制器的特點(diǎn)5.價(jià)格低廉隨著集成電路芯片功PLC的硬件體系10/6/202322PLC的硬件體系10/6/202322PLC的工作原理

PLC控制的對(duì)象是“過程”或“機(jī)械”，由傳感器采集“過程”或“機(jī)械”的信息，送入PLC的輸入單元，經(jīng)PLC的中央處理單元處理，結(jié)果通過PLC的輸出單元驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，由執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制“過程”或“機(jī)械”達(dá)到預(yù)期的目的．圖2.1還表示了PLC的外部設(shè)備接口與外部設(shè)備之間的聯(lián)系．主要的外部設(shè)備有編程器（編程器上配置有顯示單元），HMI人－機(jī)接口，并行打印機(jī)，其它PLC或上位計(jì)算機(jī)．從原理上講，PLC是計(jì)算機(jī)的一種，因此，它也由中央處理器，中央存儲(chǔ)器和接口三部分組成．10/6/202323PLC的工作原理PLC控制的對(duì)象是“過程”或“機(jī)械”，由傳PLC的中央處理單元（CPU）的結(jié)構(gòu)

10/6/202324PLC的中央處理單元（CPU）的結(jié)構(gòu)10/6/202324PLC的中央處理單元（CPU）的結(jié)構(gòu)中央處理單元的核心是中央處理器．中央處理器包含指令計(jì)數(shù)器，指令存儲(chǔ)器和地址寄存器，變址和基址寄存器，累加器和通用寄存器．除了中央處理器外，還有中央存儲(chǔ)器，中央存儲(chǔ)器劃分成數(shù)據(jù)，程序和監(jiān)控三部分．?dāng)?shù)據(jù)部分包含有輸入變量，中間變量和輸出變量的映像區(qū)．監(jiān)控部分存放PLC的監(jiān)控程序，用戶程序區(qū)存放若干個(gè)用戶的應(yīng)用程序塊．10/6/202325PLC的中央處理單元（CPU）的結(jié)構(gòu)中央處理單元的核心是中央CPU和中央存儲(chǔ)器

PLC中的CPU是用來完成對(duì)某些不同類型的信息進(jìn)行操作的單元．這些操作包括信息的轉(zhuǎn)移，信息的轉(zhuǎn)換（碼的轉(zhuǎn)換，數(shù)字的轉(zhuǎn)換），計(jì)算，同步，譯碼等．中央處理器（Processor）是CPU中的智能機(jī)構(gòu)（電腦）．它是用來控制程序指令的操作的，處理器本身由若干種寄存器組成．寄存器是由邏輯電路組成的高速半導(dǎo)體存儲(chǔ)器（暫存器），它用來暫時(shí)存放數(shù)據(jù)，外部信息或中間運(yùn)算結(jié)果和對(duì)它們進(jìn)行操作。10/6/202326CPU和中央存儲(chǔ)器PLC中的CPU是用來完成對(duì)某些不PLCCPU內(nèi)部的主要的寄存器1.內(nèi)部寄存器只能在計(jì)算機(jī)內(nèi)部進(jìn)行存取，允許內(nèi)部的管理和控制操作．程序計(jì)數(shù)器有時(shí)也稱做“程序指針”，它始終包含有當(dāng)前正在執(zhí)行指令的地址，在每一條指令執(zhí)行結(jié)束時(shí)，指針的值將被修改，自動(dòng)地加1．只有在執(zhí)行跳轉(zhuǎn)指令時(shí)是例外．指針將被放置新的下一條執(zhí)行指令的地址．2.指令存儲(chǔ)器由“程序指針”所指向的中央存儲(chǔ)器中的當(dāng)前指令的操作碼（Operationcode），被送至指令寄存器．經(jīng)過譯碼，在時(shí)鐘脈沖控制下，指令寄存器將執(zhí)行指令：從中央存儲(chǔ)器轉(zhuǎn)移信息到通用寄存器或取相反過程．對(duì)于執(zhí)行的是跳轉(zhuǎn)指令，如果命令是正向跳動(dòng)＋n，則執(zhí)行指令的結(jié)果是強(qiáng)迫程序計(jì)數(shù)器增量加n．10/6/202327PLCCPU內(nèi)部的主要的寄存器1.內(nèi)部寄存器只能在計(jì)PLCCPU內(nèi)部的主要的寄存器3.地址寄存器在指令寄存器取得操作碼（OC）的同時(shí)，地址寄存器取得同一指令的操作數(shù)地址（Operandaddress）．在一般情況下，地址寄存器涉及的就是操作數(shù)的地址，但在轉(zhuǎn)移指令的情況下，由它決定信息轉(zhuǎn)移的途徑．例如，在執(zhí)行向前跳動(dòng)＋n的指令時(shí)，地址寄存器就包含數(shù)據(jù)值＋n，執(zhí)行指令是將程序計(jì)數(shù)器的內(nèi)容與地址寄存器的內(nèi)容相加，再送回程序計(jì)數(shù)器．10/6/202328PLCCPU內(nèi)部的主要的寄存器3.地址寄存器在指令寄PLCCPU內(nèi)部的主要的寄存器4.狀態(tài)寄存器狀態(tài)寄存器是用來設(shè)置狀態(tài)位的．某個(gè)狀態(tài)位決定于處理器對(duì)某一事件將予以考慮或不予考慮，例如，對(duì)中斷優(yōu)先權(quán)的禁止或屏蔽．5.通用寄存器通用寄存器是用戶在編制應(yīng)用程序時(shí)可以使用的一組寄存器，它們中的某些是非常特殊的，另一些則是一般的寄存器，它的數(shù)量和組織取決于PLC設(shè)計(jì)者的選擇．10/6/202329PLCCPU內(nèi)部的主要的寄存器4.狀態(tài)寄存器狀態(tài)寄存PLCCPU內(nèi)部的主要的寄存器6.變址寄存器變址寄存器包含一潛在的基地址，當(dāng)采用變址尋址方式時(shí)，是將預(yù)先存放在變址寄存器中的絕對(duì)基地址，與地址寄存器中存放的操作數(shù)地址（OA）部分相加，得到指令中所要存取信息的地址．這樣一種技術(shù)可以擴(kuò)展尋址的范圍．與地址寄存器有限的地址長(zhǎng)度相比可擴(kuò)展至更大的范圍，但執(zhí)行指令時(shí)間較長(zhǎng)．7.累加器寄存器它是用來執(zhí)行CPU的指令的，對(duì)PLC來說，這些指令典型的有按＂位＂執(zhí)行和按＂字＂執(zhí)行．對(duì)某些PLC類型，只有單一的累加器，＂位＂是作為＂字＂的一個(gè)位來處理的，對(duì)另一些PLC系統(tǒng)，邏輯運(yùn)算和數(shù)字運(yùn)算是分開在不同的累加器進(jìn)行的．10/6/202330PLCCPU內(nèi)部的主要的寄存器6.變址寄存器變址寄存PLC的存儲(chǔ)器系統(tǒng)處理PLC系統(tǒng)信息的存儲(chǔ)器通常分為兩大部分：中央存儲(chǔ)器和大容量存儲(chǔ)器（硬盤，軟磁盤，磁帶，F(xiàn)lashmemory等）．大容量存儲(chǔ)器一般作為PLC的外部設(shè)備．中央存儲(chǔ)器有很高的存取速度，但由于價(jià)格較昂貴，限制了它的使用容量；大容量存儲(chǔ)器雖然存取速度較慢，但由于價(jià)格相對(duì)便宜，適于儲(chǔ)存大容量數(shù)據(jù)．中央存儲(chǔ)器在PLC的內(nèi)部，一般由三部分組成．由于對(duì)存取速度有要求，所以都采用半導(dǎo)體存儲(chǔ)器，常用的半導(dǎo)體存儲(chǔ)器有靜態(tài)RAM，EPROM和E2PROM．10/6/202331PLC的存儲(chǔ)器系統(tǒng)處理PLC系統(tǒng)信息的存儲(chǔ)器通常分為兩大部分PLC的存儲(chǔ)器系統(tǒng)1.中央存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)部分主要用作輸入變量，輸出變量，中間變量的映像區(qū)，因?yàn)樵赑LC的運(yùn)行過程中，這部分變量是不斷變化的，所以都是采用隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（一般為靜態(tài)RAM）構(gòu)成的．2.監(jiān)控程序或操作系統(tǒng)，是PLC設(shè)計(jì)者為了給用戶使用PLC提供方便，其功能是對(duì)PLC及其外設(shè)進(jìn)行資源管理，同時(shí)使PLC的用戶編制應(yīng)用程序時(shí)，可以使用級(jí)別較高的語言（例如，語句表，梯形圖或SFC控制圖形語言等）．一般監(jiān)控程序或操作系統(tǒng)都是駐留在中央存儲(chǔ)器中的，例如，固化在中央存儲(chǔ)器的EPROM上，有一些PLC使用較大的操作系統(tǒng)，則除了駐留在中央存儲(chǔ)器上的軟件外，還有一部分軟件放在外設(shè)的大容量存儲(chǔ)器中．10/6/202332PLC的存儲(chǔ)器系統(tǒng)1.中央存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)部分主要用作輸入變量PLC的存儲(chǔ)器系統(tǒng)3.中央存儲(chǔ)器中的用戶應(yīng)用軟件是用戶針對(duì)不同的控制任務(wù)，用PLC編程語言編制的應(yīng)用程序，放置在中央存儲(chǔ)器的用戶存儲(chǔ)器區(qū)．有些用戶存儲(chǔ)區(qū)可以放置若干個(gè)應(yīng)用程序塊．由于應(yīng)用程序在調(diào)試過程中要不斷修改，又希望在掉電或正常關(guān)機(jī)時(shí)，這部分程序不會(huì)丟失，因此，在中央存儲(chǔ)器中常用帶后備電池的CMOSRAM作用戶存儲(chǔ)器區(qū)．也可以用E2PROM存放應(yīng)用程序．如果應(yīng)用程序經(jīng)調(diào)試后，不再需要改變，這部分程序可以固化在EPROM中10/6/202333PLC的存儲(chǔ)器系統(tǒng)3.中央存儲(chǔ)器中的用戶應(yīng)用軟件是用戶針對(duì)PLC的尋址方式

在CPU與中央存儲(chǔ)器交換信息的過程中，很重要的一點(diǎn)是存儲(chǔ)器的尋址，發(fā)展尋址技術(shù)的目的是在鍵入數(shù)據(jù)時(shí)增加靈活性，使更為安全和得到更大地址范圍．PLC系統(tǒng)中使用的尋址方式有以下幾種：1.立即數(shù)尋址：這種尋址方式的操作數(shù)直接放置在指令的地址場(chǎng)中．這種尋址方法，對(duì)簡(jiǎn)單的計(jì)算，例如，計(jì)算用戶程序的地址是很方便的．2.相對(duì)尋址：在指令的地址場(chǎng)中包含的是正的或負(fù)的整數(shù)，用它與現(xiàn)行地址（例如，程序計(jì)數(shù)器的值）代數(shù)相加，得到指令的操作數(shù)的有效地址．這種尋址方式在執(zhí)行轉(zhuǎn)移指令，條件轉(zhuǎn)移指令或循環(huán)指令（LOOP）時(shí)是非常有用的．10/6/202334PLC的尋址方式在CPU與中央存儲(chǔ)器交換信息的過程中，很PLC的尋址方式3.間接尋址：這種尋址方式的指令的地址場(chǎng)包含的是操作數(shù)所在單元的地址（即指令的操作數(shù)有效地址的地址），用這種尋址方式，可以擴(kuò)展可尋址存儲(chǔ)器的范圍．4.變址或基址尋址：在變址寄存器或通用寄存器中，預(yù)先放置一基地址，將此與指令操作數(shù)地址場(chǎng)的內(nèi)容（偏移量）代數(shù)相加得到指令操作數(shù)的有效地址．5.組合尋址：上面所提到的某些尋址方式可組合起來形成新的尋址方式，例如，相對(duì)變址尋址等．10/6/202335PLC的尋址方式3.間接尋址：這種尋址方式的指令的地址場(chǎng)與尋址方法有關(guān)的指令的結(jié)構(gòu)

10/6/202336與尋址方法有關(guān)的指令的結(jié)構(gòu)10/6/202336PLC中的堆棧

在中央存儲(chǔ)器中，還有一種特殊的應(yīng)用區(qū)，稱為“堆?！保岸褩！笔侵醒氪鎯?chǔ)器中的一個(gè)特殊區(qū)域，用來存放程序執(zhí)行過程中的結(jié)果或者在子程序調(diào)用過程中用來保護(hù)“現(xiàn)場(chǎng)”信息，以便子程序結(jié)束時(shí)能正確地返回．在PLC中使用的“堆?！敝饕袃煞N形式：一種稱后進(jìn)先出堆棧（LIFO＿lastinfirstout）,另一種稱先進(jìn)先出堆棧（FIFO－Firstinfirstout）．圖2.4表示了這兩種“堆?！痹谶M(jìn)行棧操作時(shí)的數(shù)據(jù)位置．10/6/202337PLC中的堆棧在中央存儲(chǔ)器中，還有一種特殊的應(yīng)用區(qū)，稱為1PLC中的堆棧結(jié)構(gòu)10/6/202338PLC中的堆棧結(jié)構(gòu)10/6/202338PLC中的堆棧結(jié)構(gòu)10/6/202339PLC中的堆棧結(jié)構(gòu)10/6/202339PLCI/O擴(kuò)展結(jié)構(gòu)

1.整體形非總線結(jié)構(gòu):80年代，PLC的結(jié)構(gòu)多為組件式，由CPU，I/O及備用模塊等組合而成．現(xiàn)在的小型，微型PLC結(jié)構(gòu)則趨向于將CPU，存儲(chǔ)器與I/O做成一體形結(jié)構(gòu)，整體做成平板薄形，以追求低價(jià)格和便于安裝．這種結(jié)構(gòu)的PLC往往采用非總線結(jié)構(gòu)，追求低價(jià)格和小型化，其安裝方法也與過去不同，大多安裝到配電盤或機(jī)械之中，有的不用外殼，作成插件，以降低售價(jià)．10/6/202340PLCI/O擴(kuò)展結(jié)構(gòu)1.整體形非總線結(jié)構(gòu):80年代，PLCI/O擴(kuò)展結(jié)構(gòu)

2.總線形結(jié)構(gòu)大，中型以及一部分小型PLC通常采用總線形方式，可視用戶要求進(jìn)行組合以滿足不同要求，見圖2.5這種總線結(jié)構(gòu)有多種形式，有采用微機(jī)總線，例如VME總線，PC總線，或開發(fā)商的專用總線，例如Siemens公司的S5總線等，PLC的I/O總線擴(kuò)展可以有多種結(jié)構(gòu)方式，主要采用：．并行本地總線．串行遠(yuǎn)程通信連接10/6/202341PLCI/O擴(kuò)展結(jié)構(gòu)2.總線形結(jié)構(gòu)大，中型以及一部分

并行本地總線的PLC結(jié)構(gòu)10/6/202342并行本地總線的PLC結(jié)構(gòu)10/6/202342

串型遠(yuǎn)程通信結(jié)構(gòu)的PLC10/6/202343串型遠(yuǎn)程通信結(jié)構(gòu)的PLC10/6/202343PLC的I/O模板中央處理器和中央存儲(chǔ)器通過總線與輸入／輸出（I/O）交換信息．PLC以輸入／輸出接口從被控過程采集信息和用來控制被控過程．因此I/O在PLC中起重要作用．工業(yè)控制機(jī)通常使用在比較惡劣，苛刻的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，這就對(duì)I/O提出比較高的要求．盡管I/O摸板的電路并不十分復(fù)雜，但PLC用的I/O，工藝都十分考究，對(duì)于抑制工業(yè)環(huán)境帶來的干擾都采取了許多有效措施(要符合EMC電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn))．此外，為了用戶接線和檢查的方便，所有I/O摸板都帶有端子或方便可靠的接插座，以及標(biāo)志狀態(tài)的指示燈．

10/6/202344PLC的I/O模板中央處理器和中央存儲(chǔ)器通過總線與輸入／PLC的工作原理本節(jié)用一個(gè)最簡(jiǎn)單的PLC來說明其工作原理．設(shè)有一臺(tái)PLC（型號(hào)為L(zhǎng)EM）,它有6種基本指令，指令見表2.4。表2.4LEMPLC的6種指令：10/6/202345PLC的工作原理本節(jié)用一個(gè)最簡(jiǎn)單的PLC來說明其工作原理．設(shè)PLC的工作原理10/6/202346PLC的工作原理10/6/202346PLC的工作原理從指令格式中可以看出指令的地址場(chǎng)包含9位2進(jìn)制數(shù)，允許尋址29=512位．在LEM－PLC中設(shè)置128位輸入變量Ui和128位輸出變量Yj，剩下256位保留作為中間變量Xk．因此LEM的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（便箋式存儲(chǔ)器）具有512位，以8進(jìn)制表示時(shí)，地址為0(O)至777(O)．圖2.12表示了LEM的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器組態(tài)．

10/6/202347PLC的工作原理從指令格式中可以看出指令的地址場(chǎng)包含9位2PLC的工作原理LEM的中央處理器包含一個(gè)程序計(jì)數(shù)器（P）或稱指令指針（10位寄存器），一個(gè)13位指令寄存器（I）和一個(gè)邏輯累加器(A),最后還有一個(gè)4位后進(jìn)先出的堆棧LIFD．圖2.13表示執(zhí)行指令的過程．指令指針執(zhí)行完當(dāng)前指令后把指針數(shù)加1，指向下一條將執(zhí)行的指令．現(xiàn)在指令指針中的內(nèi)容為1000(O)（2進(jìn)制碼為001000000000）,在程序存儲(chǔ)器（用戶存儲(chǔ)區(qū)）中．地址為1000(O)單元處放置有指令I(lǐng)FU3，中央處理器將這條指令取入指令寄存器（I）,這時(shí)(I)寄存器的內(nèi)容為：

10/6/202348PLC的工作原理LEM的中央處理器包含一個(gè)程序計(jì)數(shù)器（PPLC的工作原理10/6/202349PLC的工作原理10/6/202349PLC的工作原理其地址場(chǎng)的內(nèi)容為000000011轉(zhuǎn)入地址寄存器（S），并取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器第3單元（輸入變量U3）的內(nèi)容送至累加器（A）．這一過程是中央處理器根據(jù)指令中的操作碼0001，經(jīng)譯碼器譯碼后在時(shí)鐘的控制下進(jìn)行的．以上僅僅是執(zhí)行一條指令的過程．下面說明PLC怎樣使用LIFO堆棧來完成一個(gè)梯形圖的梯節(jié)或一個(gè)布爾代數(shù)方程的表達(dá)式：10/6/202350PLC的工作原理其地址場(chǎng)的內(nèi)容為000000011PLC的工作原理

將上述邏輯方程或梯節(jié)寫成LEMPLC能執(zhí)行的程序，其程序表見表2.5。

10/6/202351PLC的工作原理將上述邏輯方程或梯節(jié)寫成LEMPLC能PLC的工作原理10/6/202352PLC的工作原理10/6/202352PLC的工作原理10/6/202353PLC的工作原理10/6/202353PLC的工作原理輸入變量，中間變量和輸出變量在數(shù)據(jù)儲(chǔ)器中的位置如表2.8所示。上面說明了PLC執(zhí)行一條指令或一個(gè)邏輯方程（用梯形圖表示時(shí)是一個(gè)梯節(jié)）的過程．

10/6/202354PLC的工作原理輸入變量，中間變量和輸出變量在數(shù)據(jù)儲(chǔ)器中的位PLC的工作原理PLC與普通辦公用計(jì)算機(jī)有一個(gè)很大的不同點(diǎn)，就是PLC的程序是自動(dòng)循環(huán)執(zhí)行的，而普通計(jì)算機(jī)是按照命令執(zhí)行程序，程序結(jié)束后等待新的命令．后一種工作方式稱異步工作方式．因此，對(duì)PLC說來循環(huán)是一個(gè)十分重要的概念．大部分PLC采用這樣的循環(huán)方式，程序一開始，掃描和采集輸入摸板上各輸入變量的數(shù)據(jù)，然后轉(zhuǎn)移到中央存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)區(qū)（有時(shí)稱為便箋式存儲(chǔ)器或輸入映像區(qū)），接著執(zhí)行用戶的應(yīng)用程序，把邏輯運(yùn)算的結(jié)果送到便箋式存儲(chǔ)器的輸出映像區(qū)，最后將輸出映像區(qū)的值送到輸出摸板去控制具體的物理過程．在處理完輸出轉(zhuǎn)移后，要進(jìn)行通信程序處理，來完成編程命令或監(jiān)視命令．然后又回到循環(huán)的起始點(diǎn)，掃描和采集輸入摸板．

10/6/202355PLC的工作原理PLC與普通辦公用計(jì)算機(jī)有一個(gè)很大的不同點(diǎn)，PLC的工作原理下面以一個(gè)邏輯控制器為例，進(jìn)一步說明循環(huán)的概念，該控制器的配置如下：．16塊輸入摸板，每塊摸板16個(gè)輸入點(diǎn)，總共256個(gè)輸入點(diǎn)．．16塊輸出摸板，每塊摸板16個(gè)輸出點(diǎn)，總共256個(gè)輸出點(diǎn)．．程序存儲(chǔ)器4KB一塊輸入板或輸出板的存取時(shí)間為29

s，執(zhí)行1K字程序指令的時(shí)間為1.85ms．這樣，整個(gè)的循環(huán)時(shí)間是8.3ms．它是由兩個(gè)部分組成的：一部分的輸入／輸出循環(huán)時(shí)間為32X29＝928

s=0.928ms；另一部分的執(zhí)行程序存儲(chǔ)器用戶程序的時(shí)間，最長(zhǎng)為4X1.85=7.4ms．圖2.15為PLC循環(huán)舉例．圖2.16表示了摸板之間信息交換的過程。圖2.17表示了循環(huán)的控制信號(hào)定時(shí)圖。10/6/202356PLC的工作原理下面以一個(gè)邏輯控制器為例，進(jìn)一步說明循環(huán)的概PLC的工作原理10/6/202357PLC的工作原理10/6/202357PLC的工作原理10/6/202358PLC的工作原理10/6/202358PLC的工作原理10/6/202359PLC的工作原理10/6/202359PLC的工作原理