【文章內容簡介】 23 附錄二 26 1 一、 PLC概述 PLC即可編程控制器，由傳統的工業(yè)自動控制系統 —— 電磁繼電器控制發(fā)展而來，為了順應制造業(yè)對市場需求做出迅速反應這樣現代社會要求而出現的，它是以微處理器為基礎的通用工業(yè)控制設備。 PLC的應用面廣、功能強大、使用方便，已經廣泛的應用在各種機械設備和生產過程的自動控制系統中，是其他計算控制設備無法比擬的。 國際電工委員會（ IEC）對 PLC的定義： PLC是一種數字運算操作的電子系統，專為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計。它采用可編程序的存儲器，用來在其 內部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數和算術運算等操作的指令，并通過數字式、模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產過程。 PLC及其有關設備，都應按易于使工業(yè)控制系統形成一個整體，易于擴充其功能的原則來設計。從上述定義可以看出， PLC是一種用程序來改變控制功能的工業(yè)控制計算機，除了能夠完成各種各樣的控制功能外，還有與其它計算機智能設備通信聯網的功能。 本實驗以西門子公司的 S7200系列小型 PLC為實驗對象。 S7200以其極高的性能價格比，在我過占有很大的市場份額。 二、 PLC的基本結構及分類 PLC主要由 CPU模塊、輸入模塊、輸出模塊、電源模塊和編程器等五部分組成，其特殊功能模塊能用來完成某些特殊任務。組成模塊示意圖如圖 1所示。 圖 1 PLC 組成模塊示意圖 CPU模塊 （ 1） 由微處理器（ CPU芯片）和存儲器組成。它采用周期性循環(huán)掃描、分時操作的工作方式，不斷地采集輸入信號，執(zhí)行用戶程序，刷新系統輸出。具體如圖 2所示： 周期性 循環(huán)掃描 分時操作 圖 2 PLC 組成模塊示意圖 CPU每次掃描要完成以下工作： ① 輸入處理（輸入采樣） 將現場的開關量輸入信號 和數據分別讀入輸入映像寄存器和數據寄存器。 ② 程序執(zhí)行 逐條讀入和解釋用戶程序，產生相應的控制信號去控制有關的電路，完成數據的存取、傳送和處理工作，并根據運算結果更新各有關寄存器的內容。 ③ 輸出處理（輸出刷新） 將輸出映像寄存器的內容送給輸出模塊，去控制外部負載。 CPU模塊中存儲器的作用：存儲系統程序、用戶程序和各種數據。 （ 2） 存儲器 存儲器的作用是存儲系統程序、用戶程序和各種數據。 輸入采樣 程序執(zhí) 行 輸出刷新 系統程序相當于個人計算機的操作系統，它使 PLC具有基本 的智能，能夠完成 PLC設計者規(guī)定的各項工作。系統程序由 PLC生產廠家固化在 ROM中，用戶不能直接存取。 用戶程序由用戶設計，它決定了 PLC的輸入信號與輸出信號之間的具體關系。用戶程序一般儲存于 RAM或 E2PROM中，用戶程序存儲器容量一般以字（每個字由二進制 16位組成）為單位（一般指令和操作數各占一個字節(jié)），有的 PLC將字稱為步，每一步儲存一條指令。 存儲器的分類：按用途分類，可分為系統程序存儲器和用戶程序存貯器。具體分類如下： ① RAM：隨機存儲器，存儲用戶程序和臨時數據 ，易失性，斷電信息丟失。存儲用戶程序時，需后備電池。 ② ROM：只讀存儲器，非易失性，斷電保持，存儲系統程序。 ③ E2PROM：可電擦除可編程只讀存儲器，非易失性，斷電保持，寫入時間比RAM 慢，多用來存儲用戶程序和需長時間保存的重要數據。 ④ EPROM：可擦除可編程只讀存儲器，非易失性，斷電保持，需用專用設備寫入，比 RAM 速度慢。信號擦除需用紫外燈照射數小時，使用不方便，趨于淘汰。 I/O模塊 I/O模塊是 系統的眼、耳、手、腳，是聯系外部現場和 CPU模塊的橋梁。 PLC通過 I/O模塊與工業(yè)生產過程現場聯系。 （ 1） 輸入模塊 輸入模塊用來接收和采集輸入信號。 PLC 通過輸入模塊檢測被控對象或被控生產過程的各種參數，以這些現場數據作為 PLC 對被控對象進行控制的信息依據。 PLC 輸入模塊按工作分為開關輸入模塊和模擬輸入模塊。 ① 開關量輸入模塊用來接收從按鈕、選擇開關、限位開關、接近開關、光電開關、壓力繼電器等來的開關量輸入信號。 ② 模擬量輸入模塊用來接收電位器、測速發(fā)電機和各種變送器提供的連續(xù)變化的模擬量電流或電壓信號。圖 3為開關量輸入模塊電路： 模擬量 I/O模塊 傳遞信號 I/O模塊分類 數字量 I/O模塊 I/O模塊的三大作用 電平變換 特殊 I/O模塊 噪聲隔離 圖 3 開關量輸入模塊電路 示意圖 輸入電路中有 RC 濾波電路，以防止由于輸入觸點抖動或外部干擾脈沖引起錯誤的輸入信號。 （ 2） 輸出模塊 輸出模塊將 PLC處理結果送給被控設備或工業(yè)生產過程，以實現控制。 PLC輸入模塊按工作也可分為開關量輸出模塊和模擬輸出模塊 。 ① 開關量輸出模塊用來控制接觸器、電磁閥、電磁鐵、指示燈、數字顯示裝置和報警裝置等輸出設備。 ② 模擬量輸出模塊用來控制調節(jié)閥、變頻器等執(zhí)行機構。 （ 3） I/O模塊的電平轉換作用 PLC提供了多種操作電平和驅動能力的 I/O模塊單元，有各種各樣功能的 I/O單元供用戶選用。 外部設備傳感器和執(zhí)行機構所需信號電平多種多樣（如 DC24V或AC220V/380V），而 PLC中 CPU模塊處理的信息只能是標準數字信號電平（ 5V工作電壓），所以 I/O模塊需實現這種轉 換。 （ 4） I/O模塊的噪聲隔離的作用 I/O 模塊從外部引入的尖峰電壓和干擾噪聲可能損壞 CPU模塊中的元器件，或使 PLC不能正常工作，所以 CPU模塊不能直接與外部 I/O裝置直接相連，需要在I/O模塊電路中進行濾波、光電隔離等抗干擾隔離處理措施。 常用噪聲隔離措施： ① I/O回路濾波電路去除干擾信號 ② I/O回路光電耦合器傳遞信號，去除干擾 ③ I/O回路繼電器傳遞信號，回路物理隔離 編程器 （ 1） 編程器的作用 用它來生成用戶程序 ；編輯、檢查、修改、調試用戶程序；監(jiān)視用戶程序執(zhí) 行情況。 （ 2） 編程器的分類： 專用簡易編程器：只能輸入指令，不能圖形編程，體積小，價廉，功能簡單，通用性差 。 專用圖形編程器：支持指令及圖形編程，功能較強，通用性差，價貴。 通用計算機編程：使用專業(yè)軟件編程，通過通信電纜與 PLC交換數據，功能強大，通用性強。 電源模塊 PLC使用 AC220V或 DC24V電源。內部的開關電源為各模塊提供不同電壓等級的直流電源。小型 PLC可以為輸入電流或外部電子傳感器提供 DC24V直流電源。驅動PLC負載（現場執(zhí)行機構）的直 流電源一般由用戶提供。 三、 PLC的特點及應用領域 PLC的特點 （ 1）編程方法簡單易學 程序結構使用企業(yè)中電氣技術人員熟悉并易于掌握的梯形圖語言。電路符號和表達方式與繼電器電路原理圖相似，程序控制過程形象直觀，使用的指令數量少，易學易懂，易于為熟悉梯形圖控制電路的電氣技術人員學習和掌握。 （ 2）功能強、性價比高 一臺小型 PLC內部有成百上千個可供用戶使用 的編程元件（如存儲器、定時器、計數器等），有很強的功能，可以實現非常復雜的控制功能。與相同功能的繼電器控制系統相比，具有很高的性價比。 PLC可以通過通信聯網，組成 DCS集散控制系統，實現分散控制，集中管理。 （ 3）硬件配套齊全、用戶使用方便、適應性強 PLC產品已經標準化、系列化、模塊化，配備有品種齊全的各種硬件裝置供用戶選用，用戶能靈活方便地進行系統配置，組成不同功能、不同規(guī)模的系統。用戶不必自己設計制作硬件裝置，只需確定 PLC的硬件配置和設計外部接線圖即可。 PLC的安裝接線方便，一般用接線端子連接外 部接線。 PLC有較強的帶負載能力，可以直接驅動一般的電磁閥和小型交流接觸器。 PLC的硬件配置確定后，可以通過修改用戶程序，方便 快速地適應工藝條件的變化。 （ 4）可靠性高，抗干擾能力強 可靠性是自動控制系統穩(wěn)定工作的重要指標。是用戶選擇自動控制裝置的首要條件。 傳統的繼電器控制系統使用了大量的中間繼電器、時間繼電器。由于觸點接觸不良，容易出現故障。 PLC用軟件代替了繼電器系統中容易出現故障的大量觸點和接線，外部僅剩下輸入和輸出相關的少量硬件元件，接線大量減少，因觸點接觸不良的故障大為減少。 （ 5） 系統設計、安裝、調試工作量少 PLC用軟件代替了繼電器系統中容易出現故障的大量觸點和接線，外部僅剩下輸入和輸出相關的少量硬件元件，接線大量減少，因觸點接觸不良的故障大為減少。 大多數 PLC用戶程序采用順序控制設計法設計，編程方法規(guī)律性強，容易掌握，程序設計時間較繼電器控制系統設計短。 PLC的用戶程序可在實驗室開發(fā)和模擬調試，大大縮短現場調試時間和工作量，系統調試時間較繼電器控制系統少得多。 （ 6）維修工作量少、維修方便 PLC故障率低，且有完善的自診斷和顯示功能，發(fā)生故障時可以根據 PLC的發(fā)光二極管或 編程設備提供的信息快速查明故障點及其原因，用更換模塊的方法可 以迅速排除故障。 （ 7）體積小，能耗低，易于集成 PLC用軟件替代了大量中間繼電器和時間繼電器，節(jié)省大量配件和接線，減少大量安裝接線工作量，控制柜體積小，能耗低，易于同被控設備集成，實現機電一體化。 PLC的應用領域 （ 1）數字量邏輯控制 這是 PLC最基本最廣泛的應用。其輸入輸出均為 開關量信號，控制過程與繼電器控制系統最為接 近，控制成本低廉，可靠性極高。可以用于單臺設備，也可用于自動生產線，還可用于民用或家庭場合。 （ 2）運動控制 使用專用的運動控制模塊，實現直線運動、圓周運動等場合的位置、速度等過程控制，廣泛應 用于各種機械的加工場合。 （ 3）閉環(huán)過程控制 通過 PLC的模擬量 A/D、 D/A模塊，可以完成模擬量和數字量之間的相互轉換，實現對溫度、壓力、流量等連續(xù)變化的模擬量的 PID（比例－積分－微分）閉環(huán)過程控制。廣泛應用于塑料加工、鍋爐控制等設備控制。 （ 4）數據處理 現代 PLC具有數學運算、數據傳輸、數據轉換、排序、查表等功能，可能實現數據采集、分析和處理，大大增強了 PLC自動控制系統的功能。 （ 5）通信聯網 經通訊 端口，可以實現 PLC之間、 PLC與其它智能設備 (如計算機、變頻器、數控裝置等 )之間通信，組成功能強大的“分散控制、集中管理”的分布式自動控制系統 (DCS 系統 )，為現代工業(yè)自動化生產提供強有力的控制支持。 四、 PLC工作原理 電磁繼電器基本結構及工作原理 電磁繼電器工作狀態(tài)： ① 線圈得電狀態(tài) 產生磁場，銜鐵受力，常開觸點閉合，常閉觸點斷開。 ② 線圈失電狀態(tài) 磁場消失，銜鐵在拉力彈簧作用下復位，常開觸點斷開，常閉觸點接通。 用觸點和線圈 實現邏輯運算 例如圖 4所示的交流接觸器控制異步電動機的起動 保持 停止電路。 圖 4 起動 保持 停止電路 .KM ―接觸器（大功率繼電器或電磁閥） .SB1―啟動按鈕 .SB2―停止按鈕 .M ―三相電動機 邏輯表達式： PLC 的操作模式 PLC 有兩種基本的工作狀態(tài) : RUN / STOP, 通過模式開關進行選擇、運行狀態(tài)通過面板上的 LED 指示燈顯示。 （ 1） RUN 模式： CPU 通過執(zhí)行反映控制要求的用戶程序來實現控制功能?！?RUN” LED 亮。 （ 2） STOP 模式： CPU 不執(zhí)行用戶程序，可以用編程軟件創(chuàng)建和編輯用戶程序，設置 PLC 的硬件功能，并將用戶程序和硬件信息下載到 PLC。 CPU 模塊上的模式開關在 STOP 位置時，將停止用戶程序的運行， 在 RUN 位置時，將啟動用戶程序的運行。 模式開關在 STOP 或 TERM（ Terminal，終端）位置時，電源通電后 CPU 自動進入 STOP 模式，在 RUN 位置時，電源通電后自動進入 RUN 模式。 PLC PLC 之間建立起通信連接后，若模式開關在 RUN 或 TERM 位置 , 可用編程軟件中的命令改變 CPU 的工作模式。 在程序中插 入 STOP 指令，可以使 CPU 由 RUN 模式進入 STOP 模式。 PLC 的工作原理 PLC 通電后，需要對硬件和軟件進行初始化 ，為使 PLC 的輸出及時地響應隨時可能變化的輸入信號，用戶程序不只是執(zhí)行一次，而是反復不斷地重復執(zhí)行，直到 PLC 停機或切換到 STOP 狀態(tài)。這種周而復始的循環(huán)工作方式稱為掃描工作方式。 PLC 在 RUN 工作模式下，采用周期性循環(huán)掃描、分時操作的工作方式，不斷地采集輸入信號，執(zhí)行用戶程序，刷 新系統輸出。除了執(zhí)行用戶程序之外，在每次循環(huán)過程中， PLC 還要完成內部處理、通信服務等工作。其掃描 過程圖 5所示： 圖 5 掃描過程示意圖 PLC 的輸入 /輸出滯后時間 輸入 /輸出滯后時間又稱系統響應時間，是指 PLC 的外部輸入信號發(fā)生變化的時刻至它控制的有關外部輸出信號發(fā)生變化的時刻之間的時間間隔，它由輸入電路濾波時間、輸出電路滯后時間和因掃描工作方式產生的滯后時間三部分組成。 數字量輸入模塊的 RC濾波器用來濾除由輸入端引入的干擾噪聲，濾波電路的時間常數決定了輸入濾波時間的長短，其典型值為 10ms左右。 輸出模塊 的滯后時間與模塊的類型有關，繼電器輸出電路的滯后時間一般在 10ms左右，場效應晶體管輸出電路的滯后時間為數 us至 100多 us，雙向可控硅輸出負載接通時滯后約 1ms，導通到斷開的最大滯后時間為 10ms。 由于 PLC在一個掃描工作周期的各個階段采用分時操作的工作方式，引起的滯后時間最長可達兩三個掃描周期。 圖 6 掃描過程示意圖 五、 PLC 編程語言 PLC 中的程序由兩部分組成： ① 操作系統：由 PLC 的生產廠家