可編程控制器的基本知識(shí)-哈爾濱理工大學(xué)

哈爾濱理工大學(xué)PLC電氣控制與組態(tài)設(shè)計(jì)第一章可編程控制器的基本知識(shí)12/27/20241

可編程序控制器問(wèn)世于1969年。是美國(guó)汽車(chē)制造工業(yè)激烈競(jìng)爭(zhēng)的結(jié)果。更新汽車(chē)型號(hào)必然要求加工生產(chǎn)線(xiàn)改變。正是從汽車(chē)制造業(yè)開(kāi)始了對(duì)傳統(tǒng)繼電器控制的挑戰(zhàn)。1968年美國(guó)GeneralMotors公司，要求制造商為其裝配線(xiàn)提供一種新型的通用程序控制器，并提出10項(xiàng)招標(biāo)指標(biāo)。這就是著名的GM10條。第一章可編程控制器的基本知識(shí)第一節(jié)可編程控制器的產(chǎn)生和發(fā)展一、可編程控制器的產(chǎn)生12/27/20242編程簡(jiǎn)單，可在現(xiàn)場(chǎng)修改程序；可靠性高于繼電器控制柜；體積小于繼電器控制柜；維護(hù)方便，最好是插件式；可將數(shù)據(jù)直接送入管理計(jì)算機(jī)；在成本上可與繼電器控制柜競(jìng)爭(zhēng)；輸入可以是交流115V；輸出為交流115V、2A以上，能直接驅(qū)動(dòng)電磁閥等；在擴(kuò)展時(shí)，原系統(tǒng)只需很小變更；用戶(hù)程序存貯器容量至少能擴(kuò)展到4K。GM10條是可編程序控制器出現(xiàn)的直接原因：12/27/20243可編程控制器的發(fā)展及定義

1969年，美國(guó)數(shù)據(jù)設(shè)備公司(DEC)研制出世界上第一臺(tái)可編程控制器，并成功地應(yīng)用在GM公司的生產(chǎn)線(xiàn)上。這一時(shí)期它主要用于順序控制，只能進(jìn)行邏輯運(yùn)算，故稱(chēng)為可編程邏輯控制器，簡(jiǎn)稱(chēng)PLC(ProgrammableLogicController)。

70年代后期，隨著微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，使PLC從開(kāi)關(guān)量的邏輯控制擴(kuò)展到數(shù)字控制及生產(chǎn)過(guò)程控制領(lǐng)域，真正成為一種電子計(jì)算機(jī)工業(yè)控制裝置，故稱(chēng)為可編程控制器，簡(jiǎn)稱(chēng)PC(ProgrammableController)。但由于PC容易和個(gè)人計(jì)算機(jī)(PersonalComputer)相混淆，故人們?nèi)粤?xí)慣地用PLC作為可編程控制器的縮寫(xiě)。12/27/20244

1985年1月國(guó)際電工委員會(huì)的定義：“可編程序控制器是一種數(shù)字運(yùn)算的電子系統(tǒng)，專(zhuān)為工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)。它采用可編程序的存儲(chǔ)器，用來(lái)在內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并通過(guò)數(shù)字式、模擬式的輸入和輸出，控制各種類(lèi)型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程?？删幊绦蚩刂破骷捌溆嘘P(guān)設(shè)備，都應(yīng)按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)聯(lián)成一個(gè)整體，易于擴(kuò)充的原則設(shè)計(jì)”。12/27/20245PLC與傳統(tǒng)的繼電器邏輯相比

可靠性高、邏輯功能強(qiáng)、體積小。在需要大量中間繼電器、時(shí)間繼電器及計(jì)數(shù)繼電器的場(chǎng)合，PLC無(wú)需增加硬設(shè)備。隨著要求的變更PLC對(duì)程序修改方便。繼電器線(xiàn)路要想改變控制功能，必須變更硬接線(xiàn)，靈活性差。

具有網(wǎng)絡(luò)通訊功能，可附加高性能模塊對(duì)模擬量進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜控制功能。12/27/20246PLC與工業(yè)控制計(jì)算機(jī)相比PLC繼承了繼電器系統(tǒng)的基本格式和習(xí)慣，對(duì)于有繼電器系統(tǒng)方面知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)的人來(lái)說(shuō)，尤其是現(xiàn)場(chǎng)的技術(shù)人員，學(xué)習(xí)起來(lái)十分方便。PLC一般是由電氣控制器的制造廠(chǎng)家研制生產(chǎn)，各廠(chǎng)家的產(chǎn)品不通用。工業(yè)控制機(jī)是由通用計(jì)算機(jī)推廣應(yīng)用發(fā)展起來(lái)的，一般由微機(jī)廠(chǎng)、芯片及板卡制造廠(chǎng)開(kāi)發(fā)生產(chǎn)。它在硬件結(jié)構(gòu)方面的突出優(yōu)點(diǎn)是總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化程度高，產(chǎn)品兼容性強(qiáng)。PLC的運(yùn)行方式與工業(yè)控制機(jī)不同，微機(jī)的許多軟件不能直接使用。工業(yè)控制機(jī)可使用通用微機(jī)的各種編程語(yǔ)言，對(duì)要求快速、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、模型復(fù)雜的工業(yè)對(duì)象的控制占有優(yōu)勢(shì)。但它要求使用者具有一定的計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)知識(shí)。12/27/20247PLC和工業(yè)控制機(jī)都是專(zhuān)為工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用環(huán)境而設(shè)計(jì)的。都具有很高的可靠性。PLC一般具有模塊結(jié)構(gòu)，可以針對(duì)不同的對(duì)象進(jìn)行組合和擴(kuò)展。12/27/20248

第二節(jié)可編程控制器的基本結(jié)構(gòu)PLC的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)12/27/20249PLC各部分的作用

CPU診斷PLC電源、內(nèi)部電路的工作狀態(tài)及編制程序中的語(yǔ)法錯(cuò)誤。采集現(xiàn)場(chǎng)的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并送人PLC的寄存器中。逐條讀取指令，完成各種運(yùn)算和操作。將處理結(jié)果送至輸出端。響應(yīng)各種外部設(shè)備的工作請(qǐng)求。12/27/202410PLC各部分的作用存儲(chǔ)器

系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器：用以存放系統(tǒng)管理程序、監(jiān)控程序及系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)。PLC出廠(chǎng)前已將其固化在只讀存儲(chǔ)器ROM或PROM中，用戶(hù)不能更改。用戶(hù)存儲(chǔ)器：包括用戶(hù)程序存儲(chǔ)區(qū)及工作數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)。這類(lèi)存儲(chǔ)器一般由低功耗的CMOS-RAM構(gòu)成，其中的存儲(chǔ)內(nèi)容可讀出并更改。注意：

PLC產(chǎn)品手冊(cè)中給出的“存儲(chǔ)器類(lèi)型”和“程序容量”是針對(duì)用戶(hù)程序存儲(chǔ)器而言的。12/27/202411PLC各部分的作用輸入輸出接口電路輸入接口電路：采用光電耦合電路，將限位開(kāi)關(guān)、手動(dòng)開(kāi)關(guān)、編碼器等現(xiàn)場(chǎng)輸入設(shè)備的控制信號(hào)轉(zhuǎn)換成CPU所能接受和處理的數(shù)字信號(hào)。

PLC的輸入接口電路（直流輸入型）

12/27/202412PLC各部分的作用輸出接口電路：采用光電耦合電路，將CPU處理過(guò)的信號(hào)轉(zhuǎn)換成現(xiàn)場(chǎng)需要的強(qiáng)電信號(hào)輸出，以驅(qū)動(dòng)接觸器、電磁閥等外部設(shè)備的通斷電。有三種類(lèi)型：

繼電器輸出型繼電器輸出型：為有觸點(diǎn)輸出方式，用于接通或斷開(kāi)開(kāi)關(guān)頻率較低的直流負(fù)載或交流負(fù)載回路。12/27/202413（b）晶閘管輸出型（c）晶體管輸出型（NPN集電極開(kāi)路）（d）

晶體管輸出型（PNP集電極開(kāi)路）晶體管輸出型：為無(wú)觸點(diǎn)輸出方式，用于接通或斷開(kāi)開(kāi)關(guān)頻率較高的直流電源負(fù)載。晶閘管輸出型：為無(wú)觸點(diǎn)輸出方式，用于接通或斷開(kāi)開(kāi)關(guān)頻率較高的交流電源負(fù)載。12/27/202414電源

PLC的電源是指將外部輸入的交流電處理后轉(zhuǎn)換成滿(mǎn)足PLC的CPU、存儲(chǔ)器、輸人輸出接口等內(nèi)部電路工作需要的直流電源電路或電源模塊。許多PLC的直流電源采用直流開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源，不僅可提供多路獨(dú)立的電壓供內(nèi)部電路使用，而且還可為輸入設(shè)備提供標(biāo)準(zhǔn)電源。

12/27/202415手持編程器

手持編程器采用助記符語(yǔ)言編程，具有編輯、檢索、修改程序、進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)置、內(nèi)存監(jiān)控等功能?？梢粰C(jī)多用，具有使用方便、價(jià)格低廉的特點(diǎn)。缺點(diǎn)：不夠直觀可通過(guò)PLC的RS232外設(shè)通訊口(或RS422口配以適配器)與計(jì)算機(jī)聯(lián)機(jī)，利用專(zhuān)用工具軟件（NPST－GR、FPSOFT、FPWIN－GR）對(duì)PLC進(jìn)行編程和監(jiān)控。利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行編程和監(jiān)控比手持編程工具更加直觀和方便。12/27/202416輸入輸出I／0擴(kuò)展接口

若主機(jī)單元的I／O點(diǎn)數(shù)不能滿(mǎn)足需要時(shí)，可通過(guò)此接口用扁平電纜線(xiàn)將I／O擴(kuò)展單元與主機(jī)相連，以增加I／O點(diǎn)數(shù)。PLC的最大擴(kuò)展能力主要受CPU尋址能力和主機(jī)驅(qū)動(dòng)能力的限制。

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第三節(jié)可編程控制器的原理及技術(shù)性能PLC的基本工作原理

微機(jī)：等待命令的工作方式

PLC：循環(huán)掃描的工作方式

CPU從第一條指令開(kāi)始按指令步序號(hào)作周期性的循環(huán)掃描，如果無(wú)跳轉(zhuǎn)指令,則從第一條指令開(kāi)始逐條順序執(zhí)行用戶(hù)程序，直至遇到結(jié)束符后又返回第一條指令，周而復(fù)始不斷循環(huán)，每一個(gè)循環(huán)稱(chēng)為一個(gè)掃描周期。12/27/202418

一個(gè)掃描周期主要分為三個(gè)階段：

輸入刷新階段程序執(zhí)行階段輸出刷新階段輸入刷新程序執(zhí)行輸出刷新一個(gè)掃描周期輸入刷新PLC的掃描工作過(guò)程用戶(hù)輸出設(shè)備輸入端子輸入鎖存器輸入映象寄存器輸出映象寄存器輸出鎖存器輸出端子程序執(zhí)行用戶(hù)輸入設(shè)備寫(xiě)讀讀12/27/202419PLC的基本工作原理由于輸入刷新階段是緊接輸出刷新階段后馬上進(jìn)行的，所以亦將這兩個(gè)階段統(tǒng)稱(chēng)為I／O刷新階段。實(shí)際上，除了執(zhí)行程序和I／O刷新外，PLC還要進(jìn)行各種錯(cuò)誤檢測(cè)(自診斷功能)并與編程工具通訊，這些操作統(tǒng)稱(chēng)為“監(jiān)視服務(wù)”。

掃描周期的長(zhǎng)短主要取決于程序的長(zhǎng)短。由于每一個(gè)掃描周期只進(jìn)行一次I／0刷新，故使系統(tǒng)存在輸入、輸出滯后現(xiàn)象。這對(duì)于一般的開(kāi)關(guān)量控制系統(tǒng)不但不會(huì)造成影響，反而可以增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力。但對(duì)于控制時(shí)間要求較嚴(yán)格、響應(yīng)速度要求較快的系統(tǒng)，就需要精心編制程序，必要時(shí)采用一些特殊功能，以減少因掃描周期造成的響應(yīng)滯后。12/27/202420PLC的主要技術(shù)指標(biāo)輸入／輸出點(diǎn)數(shù)（I/O點(diǎn)數(shù)）內(nèi)存容量注意：

“內(nèi)存容量”實(shí)際是指用戶(hù)程序容量，不包括系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器的容量。

掃描速度(單位：ms／k或μs/步。)指令條數(shù)內(nèi)部繼電器和寄存器數(shù)目編程語(yǔ)言及編程手段高級(jí)模塊主控模塊可實(shí)現(xiàn)基本控制功能，高級(jí)模塊可實(shí)現(xiàn)一些特殊的專(zhuān)門(mén)功能。如A／D和D／A轉(zhuǎn)換模塊等。

12/27/202421PLC的內(nèi)存分配及I／O點(diǎn)數(shù)I／0繼電器區(qū)：

I／0區(qū)的寄存器可直接與PLC外部的輸入、輸出端子傳遞信息，具有“繼電器”的功能，有自己的“線(xiàn)圈”和“觸點(diǎn)”。故常稱(chēng)為“I／0繼電器區(qū)”。內(nèi)部通用繼電器區(qū)：只能在PLC內(nèi)部使用，其作用與中間繼電器相似，在程序控制中可存放中間變量。數(shù)據(jù)寄存器區(qū)：只能按字使用，不能按位使用。一般只用來(lái)存放各種數(shù)據(jù)。

特殊繼電器、寄存器區(qū)：被系統(tǒng)內(nèi)部占用，專(zhuān)門(mén)用于某些特殊目的，一般不能由用戶(hù)任意占用。

系統(tǒng)寄存器區(qū)：用來(lái)存放各種重要信息和參數(shù)。通過(guò)用戶(hù)程序，不能讀取和修改系統(tǒng)寄存器的內(nèi)容。

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第四節(jié)PLC的分類(lèi)及功能PLC的分類(lèi)按結(jié)構(gòu)形式分類(lèi)整體式模塊式按功能分類(lèi)低檔機(jī)中檔機(jī)高檔機(jī)分類(lèi)I／0點(diǎn)數(shù)程序容量超小型機(jī)64點(diǎn)以?xún)?nèi)256～1000字節(jié)小型機(jī)64～2561～3.6K字節(jié)中型機(jī)256～20483.6～13K字節(jié)大型機(jī)2048以上13K字節(jié)以上3.

按I／O點(diǎn)數(shù)和程序容量分類(lèi)12/27/202423PLC的主要功能條件控制功能定時(shí)／計(jì)數(shù)控制功能

數(shù)據(jù)處理功能步進(jìn)控制功能A／D與D／A轉(zhuǎn)換功能

運(yùn)動(dòng)控制功能過(guò)程控制功能擴(kuò)展功能遠(yuǎn)程I／0功能通信聯(lián)網(wǎng)功能監(jiān)控功能12/27/202424

第五節(jié)PLC的特點(diǎn)、應(yīng)用場(chǎng)合和發(fā)展趨勢(shì)PLC的主要特點(diǎn)可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)。主要有以下幾個(gè)方面：隔離(采用光電耦合器

)濾波對(duì)PLC的內(nèi)部電源采取了屏蔽、穩(wěn)壓、保護(hù)等措施。設(shè)置了連鎖、環(huán)境檢測(cè)與診斷、Watchdog等電路。利用系統(tǒng)軟件定期進(jìn)行系統(tǒng)狀態(tài)、用戶(hù)程序、工作環(huán)境和故障檢測(cè)。對(duì)用戶(hù)程序及動(dòng)態(tài)工作數(shù)據(jù)進(jìn)行電池備份。采用密封、防塵、抗振的外殼封裝結(jié)構(gòu)。以集成電路為基本元件，內(nèi)部處理過(guò)程不依賴(lài)于機(jī)械觸點(diǎn)。采用循環(huán)掃描的工作方式，也提高了抗干擾能力。

12/27/202425可實(shí)現(xiàn)三電一體化將電控(邏輯控制)、電儀(過(guò)程控制)和電結(jié)(運(yùn)動(dòng)控制)集于一體，可以方便、靈活地組合成各種不同規(guī)模和要求的控制系統(tǒng)。編程簡(jiǎn)單、使用方便、柔性好體積小、重量輕、功耗低12/27/202426PLC的應(yīng)用場(chǎng)合邏輯控制

：可取代傳統(tǒng)繼電器系統(tǒng)和順序控制器。如各種機(jī)床、自動(dòng)電梯、裝配生產(chǎn)線(xiàn)、電鍍流水線(xiàn)、運(yùn)輸和檢測(cè)等的控制。運(yùn)動(dòng)控制：可用于精密金屬切削機(jī)床、機(jī)械手、機(jī)器人等設(shè)備的控制。過(guò)程控制

：通過(guò)配用A／D、D／A轉(zhuǎn)換模塊及智能PID模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中的溫度、壓力、流量、速度等連續(xù)變化的模擬量進(jìn)行閉環(huán)調(diào)節(jié)控制。數(shù)據(jù)處理

多級(jí)控制：利用PLC的網(wǎng)絡(luò)通信功能模塊及遠(yuǎn)程I／O控制模塊實(shí)現(xiàn)多臺(tái)PLC之間、PLC與上位計(jì)算機(jī)的鏈接，以完成較大規(guī)模的復(fù)雜控制。

12/27/202427可編程控制器的發(fā)展趨勢(shì)在系統(tǒng)構(gòu)成規(guī)模上向大、小兩個(gè)方向發(fā)展；功能不斷增強(qiáng)，各種應(yīng)用模塊不斷推出；產(chǎn)品更加規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化。12/27/202428

第六節(jié)PLC的幾種編程語(yǔ)言

不采用微機(jī)的編程語(yǔ)言，采用梯形圖語(yǔ)言、指令助記符語(yǔ)言、控制系統(tǒng)流程圖語(yǔ)言、布爾代數(shù)語(yǔ)言等。其中梯形圖、指令助記符語(yǔ)言最為常用。PLC的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)至今尚無(wú)國(guó)際統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，不同廠(chǎng)家所用語(yǔ)言和符號(hào)也不盡相同。但它們的梯形圖語(yǔ)言的基本結(jié)構(gòu)和功能是大同小異的。

12/27/202429梯形圖語(yǔ)言

梯形圖是在原繼電器—接觸器控制系統(tǒng)的繼電器梯形圖基礎(chǔ)上演變而來(lái)的一種圖形語(yǔ)言。它是目前用得最多的PLC編程語(yǔ)言。

注意：梯形圖表示的并不是一個(gè)實(shí)際電路而只是一個(gè)控制程序，其間的連線(xiàn)表示的是它們之間的邏輯關(guān)系，即所謂“軟接線(xiàn)”。常開(kāi)觸點(diǎn)：常閉觸點(diǎn)：線(xiàn)圈：

注意：它們并非是物理實(shí)體，而是“軟繼電器”。每個(gè)“軟繼電器”僅對(duì)應(yīng)PLC存儲(chǔ)單元中的一位。該位狀態(tài)為“1”時(shí)，對(duì)應(yīng)的繼電器線(xiàn)圈接通，其常開(kāi)觸點(diǎn)閉合、常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)；狀態(tài)為“0”時(shí)，對(duì)應(yīng)的繼電器線(xiàn)圈不通，其常開(kāi)、常閉觸點(diǎn)保持原態(tài)。12/27/2024