可編程控制器概述-PLC基礎知識

模塊三

可編程控制器概述

PLC基礎知識3.1

可編程控制器（programmablelogiccontroller，PLC）是以微處理器為基礎，綜合了計算機技術、半導體技術、自動控制技術、數(shù)字技術和網絡通信技術發(fā)展起來的一種通用工業(yè)自動控制裝置。它采用電子編程來實現(xiàn)對工業(yè)現(xiàn)場的自動化控制。由于可編程控制器具有簡單易懂、操作方便、可靠性高、體積小、功耗低、適用于在工業(yè)化的環(huán)境下運行、使用壽命長等優(yōu)點，在工業(yè)領域得到廣泛應用，并逐步成為各行各業(yè)的通用控制產品。

20世紀70年代前，工業(yè)生產采用繼電器接觸器控制系統(tǒng)，其優(yōu)點：結構簡單、價格低廉；缺點：靈活性差、可靠性低。1968年，美國最大的汽車制造廠家——通用汽車公司（GM）為了適應汽車型號不斷更新的需要，提出了十條技術指標在社會上公開招標，制造一種新型的工業(yè)控制裝置，提出了研制可編程序控制器的基本設想，即：(1)能用于工業(yè)現(xiàn)場。(2)能改變其控制“邏輯”，而不需要改變元件和內部接線。(3)出現(xiàn)故障時易于診斷和維修。1969年，美國數(shù)字設備公司(DEC)研制出了世界上第一臺PLC，并在GM公司汽車生產線上首次應用成功。進入20世紀80年代后，PLC采用了16位（少數(shù)32位）微處理器，使得可編程邏輯控制器在概念、設計和性能上都有了新的突破，增加了數(shù)值運算、模擬量處理及聯(lián)網通信等功能，成為真正意義上的可編程控制器（programmablecontroller，PC）。但為了與個人計算機（personalcomputer，PC）相區(qū)別，仍將可編程控制器簡稱為PLC。

下圖所示為繼電器電氣控制系統(tǒng)和PLC電氣控制系統(tǒng)框圖?？梢钥闯?，它們的控制方式不同，繼電器控制屬于繼電器硬件連線控制方式，PLC控制屬于存儲程序控制方式典型的繼電器、PLC控制系統(tǒng)組成

PLC控制系統(tǒng)與繼電器控制系統(tǒng)的比較

PLC由硬件系統(tǒng)（hardwaresystem)和軟件系統(tǒng)（softwaresystem)組成，如下圖所示。其中，軟件系統(tǒng)包括系統(tǒng)程序和用戶程序，硬件系統(tǒng)主要由中央處理器、存儲器、輸入/輸出接口、接口電路和電源五大部分組成。

PLC的基本組成一、PLC的基本組成PLC的硬件基本結構圖中央處理器（centralprocessingunit，CPU）是PLC的核心。PLC中所配置的CPU隨機型不同而不同，主要有三類：通用微處理器（如Z80、8086、80286等）、單片微處理器（如8031、8096等）和位片式微處理器(如AMD29W等)。小型PLC大多采用8位通用微處理器和單片微處理器；中型PLC大多采用16位通用微處理器和單片微處理器；大型PLC大多采用高速位片式微處理器。S7-200系列PLC的CPU類型有CPU221、CPU222、CPU224、CPU224XP、CPU226和CPU226XM，其型號選擇見表1-1。中央處理器1.

CPU在系統(tǒng)監(jiān)控程序的控制下處于STOP、TERM和RUN三種工作方式，其主要功能如下。（1）編程時接受并存儲從編程器輸入的用戶程序和數(shù)據(jù)，并能進行修改或更新。（2）以掃描的方式接受現(xiàn)場輸入的用戶程序和數(shù)據(jù)，并將輸入狀態(tài)表（輸入繼電器）和數(shù)據(jù)存入輸入映像寄存器。（3）從存儲器中逐條讀出用戶程序，經解讀用戶邏輯，完成用戶程序中規(guī)定的各種任務，更新輸出映像寄存器的內容。（4）根據(jù)輸出所存電路的有關內容實現(xiàn)輸出控制。（5）執(zhí)行各種診斷程序。存儲器2.

PLC的存儲器包括只讀存儲器（ROM）、電可擦只讀存儲器（EEPROM）和隨機存儲器（RAM），系統(tǒng)程序存放在ROM中，中間運算數(shù)據(jù)存放在RAM中；用戶程序也可以存放在RAM或EEPROM中，掉電時，則自動保存到ROM或高能電池支持的RAM中。

輸入/輸出模塊（I/O模塊）是PLC和工業(yè)控制現(xiàn)場各類信號連接的部件。其等效電路如下圖所示。根據(jù)電路的結構形式不同，輸入/輸出模塊可分為開關量和模擬量兩大類，其中模擬量I/O模塊要經過模/數(shù)轉換器（A/D轉換器）、數(shù)/模轉換器（D/A轉換器）實現(xiàn)模擬信號與數(shù)字信號之間的轉換。輸入/輸出模塊3.PLC的等效電路

（1）輸入模塊。輸入模塊是PLC內部輸入接口電路，其作用是將PLC外部電路（如行程開關、按鈕、傳感器等）提供的、符合PLC輸入電路要求的電壓信號，通過光耦電路送到PLC內部電路。根據(jù)常用輸入接口電路電壓類型和電路形式的不同，輸入接口分為直流輸入式和交流輸入式兩類，如圖所示。圖1-5輸入接口電路圖（2）輸出模塊。輸出模塊是PLC輸出接口電路用來將CPU運算的結果傳送給輸出端的電路元件，以控制其接通或斷開，從而驅動被控負載（電磁鐵、繼電器、接觸器線圈等）。依據(jù)不同負載工作電路，PLC輸出接口電路有繼電器式輸出（見下圖）、晶閘管式輸出和晶體管式輸出三種類型。圖1-6繼電器式輸出接口電路圖在繼電器式輸出接口電路中，CPU可根據(jù)程序執(zhí)行的結果，使PLC內設繼電器線圈通電，帶動觸點閉合，通過繼電器閉合的觸點，由外部電源驅動交、直流負載。其優(yōu)點是過載能力強，交、直流負載皆宜。但它存在動作速度較慢，使用壽命有限等問題。在晶閘管式輸出接口電路中，CPU通過光耦電路的驅動，使雙向晶閘管通斷，驅動交流負載，如圖（a）所示；在晶體管式輸出接口電路中，CPU通過光耦電路的驅動，使晶體管通斷，驅動直流負載，如圖（b）所示。兩者的優(yōu)點是均為無觸點控制系統(tǒng)，不存在電弧現(xiàn)象，而且開關速度快，但缺點是半導體器件過載能力差。圖1-7無觸點輸出接口電路圖

在晶閘管式輸出接口電路中，CPU通過光耦電路的驅動，使雙向晶閘管通斷，驅動交流負載；在晶體管式輸出接口電路中，CPU通過光耦電路的驅動，使晶體管通斷，驅動直流負載。兩者的優(yōu)點是均為無觸點控制系統(tǒng)，不存在電弧現(xiàn)象，而且開關速度快，但缺點是半導體器件過載能力差。從上述三種PLC輸出電路可以看出，繼電器、晶體管和晶閘管作為輸出端的開關元件，受PLC的輸出指令控制，僅完成接通或斷開與相應輸出端相連的負載回路的任務，而不提供負載回路的工作電源。（3）公共端點。通常在PLC內部將一組輸入/輸出電路的公共端連在一起，共用一個公共端點，以減少PLC的外部接線。PLC一般以三四個輸出或輸入接點為一組，在PLC內部連成一個輸出公共端，公共端點之間是絕緣隔離的。分組后，不同的負載可以采用不同的驅動電源。PC公共端接線如下圖所示。CPU224型PLC輸入/輸出電路公共端點分組連接圖接口電路4.（1）I/O擴展接口電路（2）外設通信接口電路

I/O擴展接口電路連接I/O擴展單元，可以用來擴充開關量I/O點數(shù)和增加模擬量I/O端子。I/O擴展接口電路采用并行接口和串行接口兩種電路形式。外設通信接口電路連接手持編程器或其他圖形編輯器、文本顯示器，并能組成PLC的控制網絡，可以實現(xiàn)編程、監(jiān)控、聯(lián)網等功能。電源5.

PLC外接供電電源分為交流電源和直流電源兩種，交流電源幅值為85~264V，直流電源幅值為24V。同時，PLC內部配有一個專用開關式穩(wěn)壓電源，將交流或直流供電電源轉化為其內部電路所需要的工作電源（5V直流），也可為外部輸入元件提供24V直流電源（僅供輸入端子使用）。軟件系統(tǒng)6.（1）系統(tǒng)程序。系統(tǒng)程序與PLC的硬件組成有關，由PLC制造廠商設計編寫，一般包括系統(tǒng)診斷程序、輸入處理程序、編譯程序、信息傳送程序、監(jiān)控程序等，完成系統(tǒng)診斷、命令解釋、功能子程序調用管理、邏輯運算、通信及各種參數(shù)設定等功能，提供PLC運行的平臺。系統(tǒng)程序關系到PLC的性能，而且在PLC使用過程中不會變動，由制造廠商直接固化在ROM、PROM或EPROM中。（2）用戶程序。用戶程序是隨PLC的控制對象而定的，它是由用戶根據(jù)對象生產工藝的控制要求，利用PLC編程語言而編制的應用程序。為了便于讀出、檢查和修改，用戶程序一般存于靜態(tài)RAM中，用鋰電池作為后備電源，以保證掉電時不會丟失信息。為了防止干擾對RAM中程序的破壞，當用戶程序運行正常不需要改變時，可將其固化在EPROM中?，F(xiàn)在有許多PLC直接采用EEPROM作為用戶存儲器。

PLC的CPU采取循環(huán)掃描工作方式執(zhí)行用戶任務，用戶程序運行一次所經歷的時間稱為PLC的一個機器掃描周期，簡稱掃描周期，分為CPU自診斷、處理通信請求、讀輸入、執(zhí)行程序（CPU處于RUN狀態(tài)）和寫輸出（輸出刷新）5個階段，如圖所示。PLC的CPU掃描周期（1）執(zhí)行CPU自診斷。每次掃描開始，先執(zhí)行一次自診斷程序，對各輸入/輸出點、存儲器和CPU等進行診斷。診斷的方法通常是測試出各部分的當前狀態(tài)，并與正常的標準狀態(tài)進行比較，若兩者一致，說明各部分工作正常；若不一致，則認為有故障。此時，PLC立即啟動關機程序，保留現(xiàn)行工作狀態(tài)，并關斷所有輸出點，然后停機。（2）處理通信請求。診斷結束后，如果沒有發(fā)現(xiàn)故障，PLC將繼續(xù)往下掃描，檢查是否有編程器等的通信請求。如果有故障就進行相應的處理，如接受編程器的命令，把要顯示的狀態(tài)數(shù)據(jù)、出錯信息送給編程器顯示等。（3）讀輸入。在讀輸入階段，CPU對數(shù)字量和模擬量的輸入信息進行處理。①數(shù)字量輸入信息的處理。每次掃描周期開始，先讀數(shù)字輸入點的當前值，然后寫到輸入映像寄存器區(qū)域。在之后的用戶程序執(zhí)行過程中，CPU訪問輸入映像寄存器區(qū)域，而不是讀取輸入端口狀態(tài)，輸入信號的變化不會影響輸入映像寄存器的狀態(tài)；通常要求輸入信號有足夠的脈沖寬度才能被響應。②模擬量輸入信息的處理。在處理模擬量輸入信息時，用戶可以對每個模擬通道選擇數(shù)字濾波器，即對模擬通道設置濾波功能。變化緩慢的輸入信號可以選擇數(shù)字濾波，高速變化信號不能選擇數(shù)字濾波。如果選擇了數(shù)字濾波器，CPU在每個掃描周期自動刷新模擬輸入，執(zhí)行濾波功能并存儲濾波值（平均值）。當選用模擬輸入時，讀取該濾波值。（4）執(zhí)行程序。PLC按照梯形圖的順序，自左而右，自上而下地逐行掃描，CPU從用戶程序的第一條指令開始執(zhí)行，直到最后一條指令結束，程序運行的結果存放在輸出映像寄存器區(qū)域。在此階段，允許對數(shù)字量I/O指令和不設置數(shù)字濾波的模擬量I/O指令進行處理。掃描周期的各部分，均可對中斷事件進行響應。（5）寫輸出。在每個掃描周期的結尾，CPU把存放在輸出映像寄存器中的數(shù)據(jù)輸出給數(shù)字量輸出端點（寫入輸出鎖存器中，保證輸出狀態(tài)不會發(fā)生突變），更新輸出狀態(tài)。當CPU操作模式從RUN狀態(tài)切換到STOP狀態(tài)時，數(shù)字量輸出可設置為輸出表中定義的值或當前值；模擬量輸出保持最后寫的值；默認設置是關閉數(shù)字量輸出。

CPU的工作方式主要有STOP（停止）和RUN（運行）兩種，可以通過指令、編程軟件和撥動開關來設定。CPU在STOP工作方式下，不執(zhí)行程序，此時，可以向CPU裝載程序或進行系統(tǒng)設置；CPU在RUN工作方式下，運行用戶程序。CPU的工作過程2.CPU工作過程示意圖（1）輸入I/O刷新階段。①CPU對輸入狀態(tài)進行掃描，由輸入電路采樣輸入端子送入PLC允許信息（數(shù)字或模擬信號）并轉換成數(shù)字信號，存入輸入映像寄存器中，實現(xiàn)輸入映像寄存器刷新，即內容更新。②對輸入狀態(tài)的掃描只在輸入采樣階段進行，只有此時才能實現(xiàn)輸入映像寄存器刷新，即在用戶程序執(zhí)行階段或輸出階段，即使輸入端狀態(tài)發(fā)生變化，輸入映像寄存器的內容也不會改變，只有到下一個掃描周期的輸入處理階段才能被讀入（輸入響應滯后）。（2）用戶程序執(zhí)行階段。CPU對用戶程序進行“自左而右，自上而下”的逐行掃描，同時對輸入（輸出）映像寄存器進行讀操作，完成每條指令執(zhí)行，結果存入輸出映像寄存器中，刷新輸出映像寄存器。（3）輸出I/O刷新階段。①CPU將輸出映像寄存器中的內容轉存到輸出鎖存器，實現(xiàn)輸出鎖存器刷新。②在一個掃描周期內，只有在輸出處理階段才將輸出映像寄存器中的狀態(tài)輸出，在其他階段，輸出值一直保存在輸出映像寄存器中（輸出響應滯后）。③輸出鎖存器主要解決CPU與執(zhí)行部件之間的速度匹配問題。④輸出電路將程序執(zhí)行結果的數(shù)字信號轉換成數(shù)字或模擬信號輸出，驅動外部負載。

PLC的特點與性能指標三、PLC的特點1.（1）整體式結構，通用性好。整體式結構是將PLC的中央處理器單元、輸入/輸出部件安裝在一塊印刷電路板上，并連同電源一起裝在一個標準機殼內，形成一個箱體。這種結構簡單，體積小，重量輕，通過輸入/輸出端子與外部設備連接。一般小型PLC常采用這種結構，它適用于單機自動控制。（2）模塊品種豐富，擴展性好，功能強大。PLC通過預留I/O擴展口來連接擴展模塊，如輸入模塊、輸出模塊、網絡模塊、PID模塊、位控模塊、伺服與步進驅動模塊等。這種結構形式配置靈活，裝配方便，便于擴展，用戶根據(jù)控制要求靈活地組合各種模塊，可以構成規(guī)模不同的控制系統(tǒng)。（3）可靠性高，抗干擾能力強?？煽啃灾傅氖荘LC平均無故障時間（meantimebetweenfailure，MTBF）,即指相鄰兩次故障之間的平均工作時間。目前，各生產廠家的PLC平均無故障時間都遠大于國際電工委員會（InternationalElectrotechnicalCommission，IEC）規(guī)定的10萬小時的標準，工業(yè)界稱為無故障設備，故現(xiàn)在的PLC性能指標不再列出MTBF。由于工業(yè)生產過程經常晝夜連續(xù)，工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境惡劣，各種電磁干擾特別嚴重，PLC在設計、制作和元器件的選取上，采用了精選、高度集成化和冗余量大等一系列措施，對所有輸入/輸出接口電路均采取光電隔離措施，對各組成模塊均采取屏蔽措施，系統(tǒng)程序具有自診斷功能，硬件采用冗余結構等，有效地抑制了外部干擾源對PLC的影響，使其能安全、可靠地在惡劣的工業(yè)環(huán)境中工作。其主要方法如下。①各輸入端均采用RC濾波器，其濾波時間常數(shù)一般為10～20ms，對于一些高速輸入端，則采用數(shù)字濾波，其濾波時間常數(shù)可用指令設定。②各模塊均采用屏蔽措施，防止輻射干擾。③采用優(yōu)良的開關電源。④對器件進行嚴格的篩選。⑤具有自診斷功能，一旦電源或軟件、硬件發(fā)生異常情況，CPU立即采取措施防止故障擴大。⑥大型PLC還采取雙CPU構成冗余結構或由三個CPU構成表決系統(tǒng)，使可靠性進一步提高。（4）設計、安裝容易，調試周期短，維護簡單。PLC已實現(xiàn)了產品的系列化、標準化和通用化，設計者可在規(guī)格繁多、品種齊全的PLC產品中選用高性價比的產品。PLC用軟件功能代替了繼電器控制系統(tǒng)中大量的中間繼電器、時間繼電器、計數(shù)器等器件，減少了控制柜的設計、安裝接線工作量；用戶程序的大部分可以在實驗室模擬進行，調試好后再將PLC控制系統(tǒng)放到生產現(xiàn)場聯(lián)機調試，既快速、又安全方便，大大縮短了設計與調試周期；由于PLC本身的故障率極低，維修的工作量很小，而且各種模塊上均有運行狀態(tài)和故障狀態(tài)指示燈，便于用戶了解運行情況和查找故障。同時，許多PLC采用模塊式結構，一旦某個模塊出現(xiàn)故障，用戶可以更換模塊，使系統(tǒng)迅速恢復運行。此外，PLC外部控制電路雖然仍為硬連線系統(tǒng)，但當受控對象的控制要求改變時，可以在線使用編程器修改用戶程序以滿足新的控制要求，大大縮短了工藝更新所需要的時間。（5）編程簡單易學。PLC編程軟件大多具有漢化界面，并提供了多種面向用戶的編程語言，如常用的梯形圖（ladderdiagram，LAD）、指令語句表（statementlist，STL）和功能塊圖（functionblockdiagram，F(xiàn)BD）。PLC編程主要采用PC或手持式編程器，其中手持式編程器有鍵盤、顯示功能，通過電纜線與PLC相連，具有體積小、重量輕、便于攜帶、易于現(xiàn)場調試等優(yōu)點；而PC更有利于PLC程序的輸入、修改、調試、打印、存儲及運行的動態(tài)監(jiān)視，適用于較復雜的PLC控制系統(tǒng)的開發(fā)、設計與維護。（6）應用廣泛，發(fā)展迅猛。隨著計算機控制技術的快速發(fā)展，PLC具有更國際化，更高性能等級，安裝空間更小，更良好的Windows操作系統(tǒng)等優(yōu)勢，成為當代各種控制工程的理想控制器，廣泛應用于數(shù)字量邏輯控制、運動控制、閉環(huán)過程控制、數(shù)據(jù)處理與通信聯(lián)網等領域。

（1）I/O點數(shù)。PLC的I/O點數(shù)是指外部輸入/輸出端子的總和，又稱主機的開關量I/O點數(shù)。它是描述PLC大小的一個重要參數(shù)。（2）存儲容量。PLC的存儲器由系統(tǒng)程序存儲器、用戶程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器三部分組成。PLC的存儲容量通常指用戶程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器容量之和，它表征系統(tǒng)提供給用戶的可用資源，是系統(tǒng)性能的一項重要的技術指標。PLC的性能指標2.

（3）掃描速度。PLC采用循環(huán)掃描工作方式。完成一次掃描所需的時間稱為掃描周期，掃描速度與周期成反比。影響掃描速度的主要因素有用戶程序的長度和PLC產品的類型。PLC中CPU的類型、機器字長等直接影響PLC的運算精度和運行速度。

（4）指令系統(tǒng)。指令系統(tǒng)是指PLC所有指令的總和，數(shù)量越多，軟件功能就越強，但掌握和應用起來也相對復雜。用戶應根據(jù)實際控制要求選擇合適指令功能的可編程控制器。

（5）可擴展性。小型PLC的基本單元（主機）多為開關量I/O接口，各廠家在PLC基本單元的基礎上大力發(fā)展模擬量處理、高速處理、溫度控制、通信等智能擴展模塊。智能擴展模塊的多少及性能也已成為衡量PLC產品水平的標志。

（6）通信功能。通信包括PLC之間的通信和PLC與計算機或其他設備之間的通信。通信主要涉及通