掌握可編程控制器的工作原理了解PLC的編程語言

主編：黃云龍副主編：郁煒吳國強(qiáng)審閱：陳國定制作：廖東進(jìn)出版：科學(xué)出版社

2007年1月《可編程控制器》教育部普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材第1章可編程控制器概論

1.1可編程控制器的產(chǎn)生、特點、現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢1.2PLC的基本結(jié)構(gòu)和工作原理1.3PLC的主要性能指標(biāo)1.4PLC的編程語言本章要點

1．理解可編程控制器的基本結(jié)構(gòu)，掌握可編程控制器的工作原理、了解PLC的編程語言。

2．了解PLC的主要技術(shù)性能指標(biāo)、掃描工作方式和PLC的響應(yīng)時間。本章難點

1．可編程控制器基本結(jié)構(gòu)的理解。

2．各種編程語言的理解。

3．掃描工作方式和響應(yīng)時間的理解。

1.1可編程控制器的產(chǎn)生、特點、現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

本節(jié)主要介紹

PLC的產(chǎn)生

PLC的特點

PLC的現(xiàn)狀

PLC的發(fā)展趨勢可編程控制器（ProgrammableController）簡稱PC(PLC)1.1.1PLC的產(chǎn)生

1968年美國通用汽車公司（GM）提出了研制新型邏輯順序控制裝置的十項招標(biāo)指標(biāo)：

①編程方便，可現(xiàn)場修改程序；②維修方便，采用模塊化結(jié)構(gòu)；③可靠性高于繼電器控制裝置；④體積小于繼電器控制裝置；⑤數(shù)據(jù)可直接送入管理計算機(jī)；⑥成本可與繼電器控制裝置競爭；⑦輸入可以是交流115V；⑧輸出為交流115V，2A以上，能直接驅(qū)動電磁閥，接觸器等；⑨在擴(kuò)展時，原系統(tǒng)只要很小變更；⑩用戶程序存儲器容量至少能擴(kuò)展到4K。這些要求實際上提出了將繼電器控制的簡單易懂、使用方便、價格低的優(yōu)點與計算機(jī)的功能完善、靈活性、通用性好的優(yōu)點結(jié)合起來，將繼電接觸控制的硬連線邏輯轉(zhuǎn)變?yōu)橛嬎銠C(jī)的軟件邏輯編程的設(shè)想。1.1.2PLC的特點

定義：可編程控制器是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為工業(yè)環(huán)境而設(shè)計。它采用了可編程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作的指令并通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。可編程控制器及其有關(guān)外圍設(shè)備，都按易于與工業(yè)系統(tǒng)聯(lián)成一個整體、易于擴(kuò)充其功能的原則設(shè)計。

PLC的主要特點是：1．可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)

PLC是專為工業(yè)環(huán)境設(shè)計的，其可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)，其平均故障間隔時間可達(dá)5年以上，主要體現(xiàn)在：①對元器件進(jìn)行嚴(yán)格篩選和老化，I/O接口電路采用光電隔離；②結(jié)構(gòu)上考慮耐熱、防潮、防塵和抗震的要求；③硬件上采用隔離、屏蔽、濾波和接地等措施；④軟件上采用數(shù)字濾波等抗干擾和故障診斷措施；⑤工作方式采用循環(huán)掃描方式。2．功能完善

PLC除基本邏輯處理功能外，配合特殊的功能模塊可用于數(shù)字控制領(lǐng)域，并可實現(xiàn)與上位機(jī)的通訊。3．易操作 ①程序輸入和更改方便； ②多種程序設(shè)計語言可供使用； ③自診斷功能使維修方便。4．靈活性和可擴(kuò)展性強(qiáng)

PLC的靈活性表現(xiàn)在下列三個方面：

①采用的編程語言有梯形圖、布爾助記符、菜單圖、功能模塊圖和語言描述編程語言，只要掌握其中一種語言就可以進(jìn)行編程；②根據(jù)應(yīng)用規(guī)模的不斷擴(kuò)展，即可進(jìn)行容量的擴(kuò)展、功能的擴(kuò)展、應(yīng)用和控制范圍的擴(kuò)展；③設(shè)計、編程和安裝的工作量減少，易實現(xiàn)過程監(jiān)視和控制。1.1.3PLC的現(xiàn)狀

PLC產(chǎn)品可按地域分成三大流派：美國產(chǎn)品：代表性廠商有A-B公司、通用電氣（GE）公司、莫迪康（MODICON）公司、德州儀器（TI）公司、西屋公司等。其中A-B公司是美國最大的PLC制造商，其產(chǎn)品約占美國PLC市場的一半。

歐洲產(chǎn)品：代表性廠商有德國的西門子（SIEMENS）公司、AEG公司、法國的TE公司是歐洲著名的PLC制造商。德國的西門子的電子產(chǎn)品以性能精良而久負(fù)盛名。在中、大型PLC產(chǎn)品領(lǐng)域與美國的A-B公司齊名。

日本產(chǎn)品：日本的小型PLC最具特色，在小型機(jī)領(lǐng)域中頗具盛名，某些用歐美的中型機(jī)或大型機(jī)才能實現(xiàn)的控制，日本的小型機(jī)就可以解決。在開發(fā)較復(fù)雜的控制系統(tǒng)方面明顯優(yōu)于歐美的小型機(jī)，所以格外受用戶歡迎。日本有許多PLC制造商，如三菱、歐姆龍、松下、富士、日立、東芝等，在世界小型PLC市場上，日本產(chǎn)品約占有70％的份額。

我國PLC產(chǎn)品:

我國有許多廠家、科研院所從事PLC的研制與開發(fā)，如中國科學(xué)院自動化研究所的PLC-0088，北京聯(lián)想計算機(jī)集團(tuán)公司的GK-40，上海機(jī)床電器廠的CKY-40，上海起重電器廠的CF-40MR/ER，蘇州電子計算機(jī)廠的YZ-PC-001A，原機(jī)電部北京機(jī)械工業(yè)自動化研究所的MPC-00l/20、KB-20/40，杭州機(jī)床電器廠的DKK02，天津中環(huán)自動化儀表公司的DJK-S-84/86/480，上海自立電子設(shè)備廠的KKI系列，上海香島機(jī)電制造有限公司的ACMY-S80、ACMY-S256，無錫華光電子工業(yè)有限公司（合資）的SR-10、SR-20/21等。1.1.4PLC的發(fā)展趨勢

目前，PLC技術(shù)正在不斷地向綜合性的工業(yè)控制發(fā)展。隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，未來PLC將朝兩極化、多功能、智能化和網(wǎng)絡(luò)化的模式方向發(fā)展。1．向高速度、大容量方向發(fā)展2．向超大型、超小型兩個方向發(fā)展3．PLC大力開發(fā)智能模塊，加強(qiáng)聯(lián)網(wǎng)通信能力4．增強(qiáng)外部故障的檢測與處理能力5．編程語言多樣化1.2PLC的基本結(jié)構(gòu)和工作原理

1.2.1PLC的基本結(jié)構(gòu)中央處理單元（CPU）它按照PLC系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存儲從編程器鍵入的用戶程序和數(shù)據(jù)。檢查電源、存儲器、I/O以及警戒定時器的狀態(tài)，并能診斷用戶程序中的語法錯誤。存儲空間：①系統(tǒng)程序存儲區(qū):存放著相當(dāng)于計算機(jī)操作系統(tǒng)的系統(tǒng)程序②系統(tǒng)RAM存儲區(qū)（包括I/O映象區(qū)以及各類軟設(shè)備)③用戶程序存儲區(qū)：存放用戶編制的用戶程序PLC存儲空間電源部分存儲器類型：①RAM②EPROM③EEPROM1.2.2PLC的工作原理

早期的PLC與傳統(tǒng)由繼電器接觸器構(gòu)成的控制裝置的區(qū)別：（1）繼電器控制裝置采用硬邏輯并行運行的方式（2）PLC的CPU則采用順序邏輯掃描用戶程序的運行方式考慮到繼電器控制裝置各類觸點的動作時間一般在100ms以上，而PLC掃描用戶程序的時間一般均小于100ms，因此，PLC采用了一種不同于一般微型計算機(jī)的運行方式——掃描技術(shù)。（3）掃描技術(shù)工作過程一般分為三個階段，即輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新三個階段。完成上述三個階段稱作一個掃描周期。在整個運行期間，PLC的CPU以一定的掃描速度重復(fù)執(zhí)行上述三個階段。PLC的掃描工作周期

①輸入采樣階段

PLC以掃描方式依次地讀入所有輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并將它們存入I/O映象區(qū)中的相應(yīng)單元內(nèi)。輸入采樣結(jié)束后，轉(zhuǎn)入用戶程序執(zhí)行和輸出刷新階段。在這兩個階段中，即使輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)發(fā)生變化，I/O映象區(qū)中的相應(yīng)單元的狀態(tài)和數(shù)據(jù)也不會改變。因此，如果輸入是脈沖信號，則該脈沖信號的寬度必須大于一個掃描周期，才能保證在任何情況下，該輸入均能被讀入。PLC的掃描工作周期

PLC順序依次地掃描用戶程序（梯形圖），然后根據(jù)邏輯運算的結(jié)果，刷新該邏輯線圈在系統(tǒng)RAM存儲區(qū)中對應(yīng)位的狀態(tài)；或者刷新該輸出線圈在I/O映象區(qū)中對應(yīng)位的狀態(tài)；或者確定是否要執(zhí)行該梯形圖所規(guī)定的特殊功能指令。

②用戶程序執(zhí)行階段PLC的掃描工作周期當(dāng)掃描用戶程序結(jié)束后，PLC就進(jìn)入輸出刷新階段。CPU按照I/O映象區(qū)內(nèi)對應(yīng)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)刷新所有的輸出鎖存電路，再經(jīng)輸出電路驅(qū)動相應(yīng)的外設(shè)。這時，才是PLC的真正輸出。一般來說，PLC的掃描周期還包括自診斷、通訊等，即一個掃描周期等于自診斷、通訊、輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新等所有時間的總和。。③輸出刷新階段（4）PLC的I/O響應(yīng)時間光電隔離等技術(shù)掃描技術(shù)

PLC的I/O響應(yīng)比一般微型計算機(jī)構(gòu)成的工業(yè)控制系統(tǒng)慢的多，其響應(yīng)時間至少等于一個掃描周期，一般均大于一個掃描周期甚至更長。1.3PLC的主要性能指標(biāo)

1．輸入／輸出點數(shù):2．掃描速度:3．存儲器容量：4．編程語言：

PLC采用梯形圖、布爾助記符、菜單圖、功能模塊圖和語言描述等編程語言。不同的PLC產(chǎn)品可能擁有其中一種、兩種或全部的編程方式。5．指令功能

指令種類越多，則其軟件的功能就越強(qiáng)，使用這些指令完成一定的控制目的就越容易。此外，PLC的可擴(kuò)展性、使用條件、可靠性、易操作性及經(jīng)濟(jì)性等性能指標(biāo)也是用戶在選擇PLC時須注意的指標(biāo)。表示PLC組成控制系統(tǒng)時可能的最大規(guī)模。掃描速度是指PLC執(zhí)行用戶程序的速度。包括系統(tǒng)程序存儲器、用戶程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器。程序指令是按“步”存放的，一“步”占用一個地址單元，一個地址單元一般占用兩個字節(jié)。1.4PLC的編程語言

PLC中有多種程序設(shè)計語言，它們是梯形圖語言、布爾助記符語言、菜單圖語言、功能模塊圖語言及結(jié)構(gòu)化語句描述語言等。梯形圖語言和布爾助記符語言是基本程序設(shè)計語言，它們通常由一系列指令組成，用這些指令可以完成大多數(shù)簡單的控制功能。菜單圖語言和語句描述語言是高級的程序設(shè)計語言，它可根據(jù)需要去執(zhí)行更有效的操作。功能模塊圖語言采用功能模塊圖的形式，通過軟連接的方式完成所要求的控制功能，它不僅在PLC中得到了廣泛的應(yīng)用，在集散控制系統(tǒng)的編程和組態(tài)時也常常被采用，由于它具有連接方便、操作簡單和易于掌握等特點，為廣大工程設(shè)計和應(yīng)用人員所喜愛。1.4.1梯形圖語言

梯形圖語言是用梯形圖的圖形符號來描述程序的一種程序設(shè)計語言。這種程序設(shè)計語言采用因果關(guān)系來描述事件發(fā)生的條件和結(jié)果。每個梯級是一個因果關(guān)系，在梯級中，描述事件發(fā)生的條件表示在左面，事件發(fā)生的結(jié)果表示在右面。梯形圖程序設(shè)計語言的特點是：（1）與電氣操作原理圖相對應(yīng)，具有直觀性和對應(yīng)性。（2）與原有繼電器邏輯控制技術(shù)相一致，對電氣技術(shù)人員來說，易于掌握和學(xué)習(xí)（3）與原有的繼電器邏輯控制技術(shù)的不同點是，梯形圖中的能流（PowerFlow）不是實際意義的電流，內(nèi)部的繼電器也不是實際存在的繼電器。因此，應(yīng)用時需與原有繼電器邏輯控制技術(shù)的有關(guān)概念區(qū)別對待。（4）與布爾助記符程序設(shè)計語言有一一對應(yīng)關(guān)系，便于相互的轉(zhuǎn)換和程序的檢查。

1.4.2布爾助記符語言

布爾助記符語言是用布爾助記符來描述程序的一種程序設(shè)計語言，它與計算機(jī)中的匯編語言非常相似，采用布爾助記符來表示操作功能。布爾助記符程序設(shè)計語言具有下列特點：（1）采用助記符來表示操作功能，具有容易記憶，便于掌握的特點。（2）在編程器的鍵盤上采用助記符表示，具有便于操作的特點，可在無計算機(jī)的場合進(jìn)行編程設(shè)計。（3）與梯形圖有一一對應(yīng)關(guān)系，其特點與梯形圖語言基本類同。

PLC是一種標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)設(shè)備，經(jīng)過近40年的發(fā)展，制造廠商眾多，產(chǎn)品不斷更新，功能不斷強(qiáng)大。就其工作原理而言，有許多共同之處。1．PLC是專為工業(yè)環(huán)境設(shè)計的，其可靠性高，功能強(qiáng)大，簡便易學(xué)，適用面廣。特別適合工程技術(shù)人員使用。2．PLC的不斷發(fā)展和其所具有的一系列優(yōu)點，使其從簡單的開關(guān)量控制發(fā)展到模擬量、數(shù)字量控制，并不斷向多功能、大容量、大規(guī)模及網(wǎng)絡(luò)