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6.1.1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（ProgrammableController）簡稱為PC，但是由于個人計算機(jī)（PersonalComputer）也簡稱為PC，為了區(qū)別，同時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（ProgrammableLogicalController）。1982年國際電工委員會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)計的數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)。它采用一種可編程序的存儲器，在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時、計數(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?？删幊绦蚩刂破髋c其有關(guān)設(shè)備應(yīng)按易于與工業(yè)系統(tǒng)連成一個整體和具有擴(kuò)充功能的原則進(jìn)行設(shè)計。6.1可編程序控制器的基本概況2”通過閱讀科技書籍，我們能豐富知識，培養(yǎng)邏輯思維能力；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可編程序

6.1.1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（ProgrammableController）簡稱為PC，但是由于個人計算機(jī)（PersonalComputer）也簡稱為PC，為了區(qū)別，同時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（ProgrammableLogicalController）。1982年國際電工委員會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)計的數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)。它采用一種可編程序的存儲器，在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時、計數(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?？删幊绦蚩刂破髋c其有關(guān)設(shè)備應(yīng)按易于與工業(yè)系統(tǒng)連成一個整體和具有擴(kuò)充功能的原則進(jìn)行設(shè)計。

6.1可編程序控制器的基本概況26.1.1可編程序控制器的歷史與發(fā)展1．可編

2．可編程序控制器的歷史20世紀(jì)60年代中期，美國通用汽車公司（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)的簡單易懂、操作方便、價格低廉等優(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)??；價格上能與繼電器控制系統(tǒng)競爭；必須易于編程；易于在現(xiàn)場變更程序；便于使用、維護(hù)、維修；能直接推動電磁閥、電動機(jī)起動器與與此相當(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可編程序控制器PDP-14，并在汽車自動裝配線上試用成功。32．可編程序控制器的歷史3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，日本從美國引進(jìn)了這項(xiàng)新技術(shù)，并很快研制成功了日本第一臺可編程序控制器。1973年～1974年，德國、法國也相繼研制成功了他們的可編程序控制器。我國從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)，采用磁芯存儲器存儲，僅具有邏輯控制、定時、計數(shù)功能。4這項(xiàng)新技術(shù)的使用，在工業(yè)界產(chǎn)生了巨大的影響。第二代PLC，使用了8位微處理器與半導(dǎo)體存儲器，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與位片式CPU，工作速度大幅度提高，同時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)存容量也更大。可以直接用于一些規(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，還可使用高級語言；外設(shè)也更多樣化?，F(xiàn)在，PLC已廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制的各個領(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。5第二代PLC，使用了8位微處理器與半導(dǎo)體存儲3．可編程序控制器的發(fā)展趨勢由于工業(yè)生產(chǎn)對自動控制系統(tǒng)需求的多樣性，PLC的發(fā)展方向有兩個：一是朝著小型、簡易、價格低廉方向發(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，價格降低，可靠性不斷提高。這種小型的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，可級連不同類型的PLC和計算機(jī)，從而組成控制范圍很大的局域網(wǎng)絡(luò)，適用于大型的自動化控制系統(tǒng)。63．可編程序控制器的發(fā)展趨勢6

6.1.2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PLC的種類很多，其功能、內(nèi)存容量、控制規(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)，257~2048點(diǎn)的為中型機(jī)，超過2048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。76.1.2可編程序控制器的分類與特點(diǎn)（3）按實(shí)現(xiàn)的功能分類。按照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、計數(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)了帶符號數(shù)的運(yùn)算、矩陣運(yùn)算以與函數(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)。8（3）按實(shí)現(xiàn)的功能分類。按照PLC所能實(shí)現(xiàn)2．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)控輸入信號作用下進(jìn)行工作的。輸入信號作用于用戶程序便產(chǎn)生輸出信號，而這些輸出信號可直接控制外部的控制系統(tǒng)，如電動機(jī)、接觸器、電磁閥、指示燈等。PLC和計算機(jī)雖都具有中央處理單元、存儲器、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6.1。92．可編程序控制器的特點(diǎn)9比較項(xiàng)目PLC計算機(jī)工作目的用于機(jī)械及過程自動化科學(xué)計算、數(shù)據(jù)管理、工業(yè)控制工作環(huán)境工業(yè)現(xiàn)場計算機(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)、電動機(jī)、電磁閥、電磁繼電器、報警顯示器、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、各種動態(tài)檢測、停電保護(hù)、監(jiān)控功能、更換I/O模塊不會影響主機(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語言、操作系統(tǒng)等匯編語言、BASIC語言、FORTRAN語言、Pascal語言、C語言等通用語言對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、計算機(jī)工作者或有一定計算機(jī)專業(yè)基礎(chǔ)的工程技術(shù)人員其他①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)②設(shè)計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③系統(tǒng)穩(wěn)定可靠

表6.1PLC與計算機(jī)的比較10比較項(xiàng)目PLC計算機(jī)工作目的用于機(jī)械及過程自動化科學(xué)

6.2可編程序控制器的基本結(jié)構(gòu)PLC采用典型的計算機(jī)結(jié)構(gòu)，由中央處理單元、存儲器、輸入/輸出接口電路和其他一些電路組成。圖6.1為結(jié)構(gòu)示意圖，圖6.2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（CPU）是PLC的核心部件，從圖6.2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)過存儲器中各功能程序，到用戶程序的最后一個地址，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器中讀取指令，執(zhí)行指令，準(zhǔn)備下一條指令，處理中斷。116.2可編程序控制器的基本結(jié)構(gòu)圖6.1可編程序控制器結(jié)構(gòu)示意圖12圖6.1可編程序控制器結(jié)構(gòu)示意圖12圖6.2可編程序控制器邏輯結(jié)構(gòu)示意圖13圖6.2可編程序控制器邏輯結(jié)構(gòu)示意圖13

6.2.2存儲器存儲器用來存放系統(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，由用戶啟動運(yùn)行。146.2.2存儲器14

6.2.3輸入/輸出模塊輸入/輸出（I/O）模塊是PLC與現(xiàn)場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）。使用時要注意：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。156.2.3輸入/輸出模塊15

6.2.4電源模塊一般PLC采用AC220V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DC24V工作電源。

6.2.5其他接口與外設(shè)其他接口包括外存儲器接口、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。166.2.4電源模塊166.3.1可編程序控制器應(yīng)用舉例

6.3可編程序控制器的基本工作過程圖6.3所示為三相異步電動機(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)計出圖6.4所示的I/O連線圖和圖6.5所示的梯形圖以與相應(yīng)的指令程序（見指令表6.2）。圖6.3三相異步電動機(jī)的起停電路176.3.1可編程序控制器應(yīng)用舉例6.3可編不難看出，圖6.5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。對于使用者來說，在編制應(yīng)用程序時，可不考慮PLC內(nèi)部的復(fù)雜構(gòu)成和使用的計算機(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、動合觸點(diǎn)、動斷觸點(diǎn)分別用“─〇”、“”、“”來表示。梯形圖中觸點(diǎn)在左邊，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。18不難看出，圖6.5所示的梯形圖與圖6.3(b圖6.4I/O連線圖19圖6.4I/O連線圖19

圖6.5梯形圖圖6.6修改后的梯形圖20

20表6.2起停控制指令表地址指令數(shù)據(jù)0000LD00000001OR05000002AND-NOT00010003AND-NOT00020004OUT05000005END(01)—21表6.2起?？刂浦噶畋淼刂分噶顢?shù)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)是存儲器中的某些觸發(fā)器。該觸發(fā)器為“1”狀態(tài)時，相當(dāng)于繼電器得電；該觸發(fā)器為“0”狀態(tài)時，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變，當(dāng)被控制對象、控制方案和工藝流程改變時，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，按下起動按鈕SB2后電動機(jī)只需運(yùn)行1min就應(yīng)自行停止，若遇緊急情況，可隨時停止電動機(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6.6和表6.3。22但要注意，PLC內(nèi)部的繼電器并不是物理繼表6.3定時控制指令表地址指令數(shù)據(jù)0000LD00000001OR05000002AND-NOT00010003AND-NOT00020004AND-NOTTIM000005OUT05000006LD05000007TIM00

#06000008END（01）—23表6.3定時控制指令表地址指令數(shù)

6.3.2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6.7所示，可分為三個階段：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CPU將全部現(xiàn)場輸入信號如按鈕、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，輸入信號若發(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才被更新。這種輸入工作方式稱為集中輸入方式。246.3.2可編程序控制器的工作過程圖6.7工作過程25圖6.7工作過程25

2．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，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)動接觸器、電磁閥和指示燈等負(fù)載。這時輸出鎖存器的內(nèi)容要等到下一個掃描周期的輸出階段到來才會被刷新。這種輸出工作方式稱為集中輸出方式。262．程序執(zhí)行階段26下面以圖6.4和圖6.5中所示的電動機(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讀入對應(yīng)的輸入映像寄存器。（2）程序執(zhí)行階段。CPU按表6.2所示的指令表，逐條執(zhí)行指令。執(zhí)行0000地址指令時，將輸入映像繼電器0000的數(shù)（1或0）取出，存入結(jié)果寄存器R。執(zhí)行0001地址的第二條指令時，將輸出映像繼電器0500的內(nèi)容與運(yùn)算結(jié)果寄存器中的內(nèi)容相“或”，運(yùn)算結(jié)果存入R。執(zhí)行0002地址指令時，將輸入映像寄存器0001的內(nèi)容取出與結(jié)果寄存器R的內(nèi)容相“與”，結(jié)果存入R。執(zhí)行0003地址指令時，將輸入映像寄存器0002的內(nèi)容取出與結(jié)果寄存器R的內(nèi)容相“與”，結(jié)果存入R。執(zhí)行0004地址指令時，將結(jié)果寄存器的內(nèi)容傳送給輸出映像寄存器。27下面以圖6.4和圖6.5中所示的電動機(jī)起?？刂疲?）輸出處理階段。將