【正文】 第 1 頁 第一章 PLC 技術 概述 可編程控制器的基本概念 定義 PLC 即可編程控制器（ Programmable logic Controller，是指以計算機技術為基礎的新型工業(yè)控制裝置。在 1987 年國際電工委員會（ International Electrical Committee）頒布的 PLC標準草案中對 PLC 做了如下定義： PLC 是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計的數(shù)字運算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、計時、計 數(shù)和算術運算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。PLC 及其有關的外圍設備都應該按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴展其功能的原則而設計。 可編程控制器的特點 1． 性 能高，抗干擾能力強 高 可靠性是電氣控制設備的關鍵性能。 PLC 由于采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術，采用嚴格的生產(chǎn)工藝制造，內(nèi)部電路采取了先進的抗干擾技術，具有很高的可靠性。例如三菱公司生產(chǎn)的 F 系列 PLC 平均無故障時間高達 30 萬小時。一些使用冗余 CPU 的 PLC 的平均無故障工作時間則更長。從 PLC 的機外電路來說，使用 PLC 構成控制系統(tǒng)，和同等規(guī)模的繼電接觸器系統(tǒng)相比，電氣接線及開關接點已減少到數(shù)百甚至數(shù)千分之一，故障也就大大降低。此外， PLC 帶有硬件故障自我檢測功能，出現(xiàn)故障時可及時發(fā)出警報信息。在應用軟件中，應用者還可以編入外圍器件的故障自診斷程序，使系統(tǒng)中除 PLC 以外的電路及設備也獲得故障自診斷保護。這樣，整個系統(tǒng)具有極高的可靠性也就不奇怪了。 2． 種類齊全，功能完善 發(fā)展到今天，已經(jīng)形成了大、中、小各種規(guī)模的系列化產(chǎn)品?？梢杂糜诟鞣N規(guī)模的工業(yè)控制場合。除了邏輯處理功能以外，現(xiàn)代 PLC 大多具有 完善的數(shù)據(jù)運算能力，可用于各種數(shù)字控制領域。近年來 PLC 的功能單元大量涌現(xiàn)，使 PLC 滲透到了位置控制、溫度控制、CNC 等各種工業(yè)控制中。加上 PLC 通信能力的增強及人機界面技術的發(fā)展，使用 PLC 組成各種控制系統(tǒng)變得非常容易。 3．簡單易用 PLC 作為通用工業(yè)控制計算機，是面向工礦企業(yè)的工控設備。它接口容易，編程語言平頂山工業(yè)職業(yè)技術學院成人教育學院 畢業(yè)設計 （ 論 文 ） 說 明 書 第 2 頁 易于為工程技術人員接受。梯形圖語言的圖形符號與表達方式和繼電器電路圖相當接近，只用 PLC 的少量開關量邏輯控制指令就可以方便地實現(xiàn)繼電器電路的功能。為不熟悉電子電路、不懂計算機原理和匯編語言的人使 用計算機從事工業(yè)控制打開了方便之門。 4．系 統(tǒng)的設計、建造工作量小，維護方便，容易改造 PLC 用存儲邏輯代替接線邏輯，大大減少了控制設備外部的接線，使控制系統(tǒng)設計及建造的周期大為縮短，同時維護也變得容易起來。更重要的是使同一設備經(jīng)過改變程序改變生產(chǎn)過程成為可能。這很適合多品種、小批量的生產(chǎn)場合。 5． 體積小，重量輕，能耗低 以超小型 PLC 為例，新近出產(chǎn)的品種底部尺寸小于 100mm，重量小于 150g，功耗僅數(shù)瓦。由于體積小很容易裝入機械內(nèi)部，是實現(xiàn)機電一體化的理想控制設備。 分類 PLC 產(chǎn)品種 類繁多，其規(guī)格和性能也各不相同。對 PLC 的分類，通常根據(jù)其結構形式的不同 、 功能的差異和 I/O 點數(shù)的多少等進行大致分類。 1． 按結構形式分 根據(jù) PLC 的結構形式，可將 PLC 分為整體式和模塊式兩類。 （ 1）整體式 PLC 整體式 PLC 是將電源、 CPU、 I/O 接口等部件都集中裝在一個機箱內(nèi)， 具有結構緊湊、體積小、價格低的特點。小型 PLC 一般采用這種整體式結構。整體式 PLC由不同 I/O 點數(shù)的基本單元（又稱主機）和擴展單元組成?；締卧獌?nèi)有 CPU、 I/O 接口、與 I/O 擴展單元相連的擴展口，以及與編程器或 EPROM 寫入器 相連的接口等。擴展單元內(nèi)只有 I/O 和電源等，沒有 CPU?；締卧蛿U展單元之間一般用扁平電纜連接。整體式 PLC一般還可配備特殊功能單元，如模擬量單元、位置控制單元等，使其功能得以擴展。 （ 2） 模塊式 PLC 模塊式 PLC 是將 PLC 各組成部分，分別作成若干個單獨的模塊，如CPU 模塊、 I/O 模塊、電源模塊（有的含在 CPU 模塊中）以及各種功能模塊。模塊式 PLC由框架或基板和各種模塊組成。模塊裝在框架或基板的插座上。這種模塊式 PLC 的特點是配置靈活，可根據(jù)需要選配不同規(guī)模的系統(tǒng)，而且裝配方便，便于擴展和維 修。大、中型PLC 一般采用模塊式結構。 還有一些 PLC 將整體式和模塊式的特點結合起來，構成所謂疊裝式 PLC。疊裝式 PLC其 CPU、電源、 I/O 接口等也是各自獨立的模塊，但它們之間是靠電纜進行聯(lián)接，并且各模塊可以一層層地疊裝。這樣，不但系統(tǒng)可以靈活配置，還可做得體積小巧。 2．按功能分類 根據(jù) PLC 所具有的功能不同，可將 PLC 分為低檔、中檔、高檔三類。 平頂山工業(yè)職業(yè)技術學院成人教育學院 畢業(yè)設計 （ 論 文 ） 說 明 書 第 3 頁 （ 1）低檔 PLC 具有邏輯運算、定時、計數(shù)、移位以及自診斷、監(jiān)控等基本功能，還可有少量模擬量輸入／輸出、算術運算、數(shù)據(jù)傳送和比較、通信等功能。 主要用于邏輯控制、順序控制或少量模擬量控制的單機控制系統(tǒng)。 （ 2）中檔 PLC 除具有低檔 PLC 的功能外，還具有較強的模擬量輸入／輸出、算術運算、數(shù)據(jù)傳送和比較、數(shù)制轉換、遠程 I/O、子程序、通信聯(lián)網(wǎng)等功能。有些還可增設中斷控制、 PID 控制等功能，適用于復雜控制系統(tǒng)。 （ 3）高檔 PLC 除具有中檔機的功能外，還增加了帶符號算術運算、矩陣運算、位邏輯運算、平方根運算及其它特殊功能函數(shù)的運算、制表及表格傳送功能等。高檔 PLC 機具有更強的通信聯(lián)網(wǎng)功能，可用于大規(guī)模過程控制或構成分布式網(wǎng)絡控制 系統(tǒng)，實現(xiàn)工廠自動化。 3．按 I/O 點數(shù)分類 根據(jù) PLC 的 I/O 點數(shù)的多少，可將 PLC 分為小型、中型和大型三類 （ 1） 小型 PLC—— I/O 點數(shù) 256 點；單 CPU、 8 位或 16 位處理器、用戶存儲器容量 4K字以下。 如： GEI 型 美國通用電氣（ GE）公司 S7200 德國西門子公司 （ 2） 中型 PLC—— I/O 點數(shù) 256～ 2048 點；雙 CPU，用戶存儲器容量 2～ 8K 如： S7300 德國西門子公司 U SU6 德國西門子公司 （ 3） 大型 PLC—— I/O 點數(shù) 2048 點；多 CPU， 16 位、 32 位處理器，用戶存儲器容量 8～ 16K 如： S7400 德國西門子公司 GEⅣ GE 公司 C2021 立石公司 平頂山工業(yè)職業(yè)技術學院成人教育學院 畢業(yè)設計 （ 論 文 ） 說 明 書 第 4 頁 可編程控制器的基本結構 可編程控制器的硬件 圖 11 PLC 結構簡化框圖 PLC 由中央處理單元，存儲器，輸入單元，輸出單元，電源五部分組成。其結構框圖如圖 11。 1. 中央處理單元（簡稱 CPU） 中央處理單元是 PLC 的控制中樞 ，核心部件，其性能決定了 PLC 的性能。 組成：由控制器，運算器和寄存器組成，這些電路都集中在一塊芯片上，通過地址總線， 數(shù)據(jù)總線，控制總線，與存儲器的輸入，輸出接口電路相連。 常用芯片：通用微處理器，單片機，位片式微處理器。 作用：處理和運行用戶程序，進行邏輯和數(shù)學運算，控制整個系統(tǒng)，使之協(xié)調(diào)的工作。具體有： 接收并存儲從編程器鍵入的用戶程序和數(shù)據(jù)，用掃描方式接收現(xiàn)場輸入設備的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并將輸入狀態(tài)或數(shù)據(jù)存入輸入印象區(qū)或數(shù)據(jù)寄存器。 診斷電源、 PLC 內(nèi)部電路的工作狀態(tài)和編程過程中的語法錯誤。 PLC 進入運行狀態(tài)后，從存儲器中逐條讀取用戶程序，經(jīng)指令解釋后按指令規(guī)定的任務產(chǎn)生相應的控制信號，去啟閉有關的控制電路，分時、分渠道 地去執(zhí)行數(shù)據(jù)的存取，傳送，組合，比較和變換等操作，完成用戶程序中規(guī)定的邏輯或算術運算等任務。 根據(jù)運算結果，更換有關影象區(qū)的狀態(tài)和輸出狀態(tài)寄存器的內(nèi)容，根據(jù)輸出狀態(tài)寄存器或數(shù)據(jù)寄存器的內(nèi)容實現(xiàn)對輸出的控制。 2. 存儲器 存儲器是具有記憶功能的半導體電路。 平頂山工業(yè)職業(yè)技術學院成人教育學院 畢業(yè)設計 （ 論 文 ） 說 明 書 第 5 頁 作用：存放系統(tǒng)程序，用戶程序，邏輯變量和其它一些信息。 系統(tǒng)程序：控制 PLC 完成各種功能的程序，由 PLC 生產(chǎn)廠家編寫，并固化到只讀式存儲器 ROM 中，用戶不能訪問。 用戶程序：用戶根據(jù)工程現(xiàn)場的生產(chǎn)過程和工藝要求編寫的程序。通過編程器輸入到PLC 的隨機存儲 器 RAM 中，允許修改，由用戶啟動運行。 （ 1）結 構：由存儲體、地址譯碼電路、讀寫控制電路、數(shù)據(jù)寄存器組成。 存儲體由存儲單元構成，作用：存放二進制數(shù)據(jù)。 地址譯碼電路的作用：根據(jù)地址總線上的地址編碼選取相應的存儲單元。 讀寫控制電路的作用：將選中的存儲單元的內(nèi)容讀到數(shù)據(jù)寄存器中或將數(shù)據(jù)寄存器的內(nèi)容寫到選中的存儲單元中。 數(shù)據(jù)寄存器的作用：存放從存儲單元讀出的數(shù)據(jù)，或者存放從數(shù)據(jù)總線送來并準備寫到存儲單元去的數(shù)據(jù)。 （ 2） 存儲器的工作過程： 數(shù)據(jù)的寫入過程 數(shù)據(jù)的讀出過程 （ 3） PLC 中使用的存儲器 只讀存儲器 ROM 隨機存儲器 RAM ROM 為只讀存儲器，存放 PLC 制造廠家寫入的系統(tǒng)程序，并永遠駐留在 ROM 中， PLC去電后再上電， ROM 內(nèi)容不變。 RAM 為可讀寫的存儲器，讀出時其內(nèi)容不被破壞，寫入時，新寫入的內(nèi)容覆蓋原有的內(nèi)容。為防止掉電后信息丟失，配有后備鋰電池。除此而外，PLC 還有 EPROM、 EEPROM 存儲器。 PLC 產(chǎn)品樣本或使用說明書中給出的存儲器形式或容量等均指用戶存儲器。存儲器容量是 PLC 的一個重要性能指標。 3. 輸入單元： 輸入單元是 PLC 與工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場被控設備相連的輸入接口，是現(xiàn)場信號進入 PLC 的橋梁。 作 用：接收主令元件，檢測元件傳來的信號。 輸入類型：直流輸入，交流輸入，交直流輸入。 輸入接口采用光電耦合電路，目的是把 PLC 與現(xiàn)場電路隔離，提高 PLC 的抗干擾能力。接口電路內(nèi)部有濾波，電平轉移，信號鎖存電路。各 PLC 生產(chǎn)廠家都提供了多種形式的 I/O部件或模塊供用戶選用。 平頂山工業(yè)職業(yè)技術學院成人教育學院 畢業(yè)設計 （ 論 文 ） 說 明 書 第 6 頁 4．輸出單元 輸出單元也是 PLC 與現(xiàn)場設備之間的連接部件，把輸出信號送給控制對象的輸出接口。 作 用：將中央處理器送出的弱電信號轉換成現(xiàn)場需要的電平信號，驅動 被控設備的執(zhí)行元件。 輸出類型：繼電器輸出，晶體管輸出，晶閘管輸出 輸出接口電路也采用光電耦合，每一點輸出都有一個內(nèi)部電路，由指示電路，隔離電路，繼電器組成。輸出接口電路也有輸出狀態(tài)鎖存、顯示、電平轉移和輸出接線端子排，輸出部件或模塊也有多種類型供選用。 5．電源 作 用：將交流電轉換成 PLC 內(nèi)部所需的直流電源。 類 型：目前大部分 PLC 采用開關式穩(wěn)壓電源供電。 PLC 除上述五部分外，隨機型的不同還有多種外部設備，其作用是幫助編程，實現(xiàn)監(jiān)控以及網(wǎng)絡通訊，常用的外部設備有編程器，打印機，盒式磁帶錄音機 ，計算機等。 可編程控制器的軟件 PLC 的軟件由系統(tǒng)程序和用戶程序組成。系統(tǒng)程序由 PLC 制造廠商設計編寫的，并存入 PLC 的系統(tǒng)存儲器中，用戶不能直接讀寫與更改。系統(tǒng)程序一般包括系統(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。 PLC