【文章內(nèi)容簡介】 第六章 可編程控制器的概述 可編程控制器（ Programmable Logic Controller，簡稱 PLC），他是以微處理器為核心，綜合計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)和通信技術(shù)發(fā)展起來的一種新型工業(yè)自動控制裝置。隨著大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路技術(shù)和數(shù)字通信技術(shù)的進步和發(fā)展， PLC 技術(shù)不斷提高，在工業(yè)生產(chǎn)中獲得極其廣泛的應(yīng)用。 PLC 主 要功能和特點 PLC 的主要功能 目前，在國內(nèi)外 PLC 已廣泛應(yīng)用于所有與自動檢測、自動化控制有關(guān)的工業(yè)及民用領(lǐng)域，如各種機床、機械、電力設(shè)施、民用設(shè)施、環(huán)境保護設(shè)備等各行各業(yè)。隨著 PLC性價比的不斷提高，其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴大。從應(yīng)用類型上看 PLC 的功能大致可以歸納為以下幾個方面。 這是 PLC應(yīng)用最廣泛、最基本的場合。利用 PLC 基本的邏輯運算、定時、計數(shù)等功能實現(xiàn)邏輯控制，取代傳統(tǒng)的繼電器控制，用于單機控制、多機群控制、生產(chǎn)自動化控制等。 2. 模擬控制（ A/D和 D/A 控制） 在工業(yè)生產(chǎn)過程中 ,許多連續(xù)變化的物理量需要進行控制 ,如溫度、壓力、流量、液位等，這些都屬于模擬量。過去 PLC對于模擬量的控制主要靠儀表或分布式控制系統(tǒng)；目前，大部分 PLC都具備處理這類模擬量的功能，而且編程和使用都很方便。 3. 定時 /計數(shù)控制 PLC 具有很強的定時、計數(shù)功能，可以為用戶提供數(shù)十甚至上百個定時器與計數(shù)器。定時器的定時間隔可以由用戶加以設(shè)定；對于計數(shù)器，如果需要對頻率較高的的信號進內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 22 行計數(shù)，則可以選擇高速計數(shù)器。 4. 步進控制 PLC 為用戶提供了一定數(shù)量的位移寄存器，可方便的完成不僅控制功能。 5. 運動控制 在機械加工行業(yè)中， PLC 與計算機數(shù)控（ Computerized Numerical Control，簡稱CNC）集成在一起，用來完成機床的運動控制。 6. 數(shù)據(jù)處理 大部分的 PLC都具有不同程度的數(shù)據(jù)處理能力，不僅能進行算術(shù)運算、數(shù)據(jù)傳送。而且還能進行數(shù)據(jù)比較、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)顯示打印等操作，有些還可以進行浮點數(shù)和函數(shù)運算。 PLC 具有通信聯(lián)網(wǎng)功能，可使 PLC與 PLC 之 間、 PLC 與遠程 I/O 之間以及其他的智能控制設(shè)備（計算機、變頻器、數(shù)控裝置等）之間交互信息，形成統(tǒng)一的整體，實現(xiàn)了“集中管理，分散控制”的分布式控制系統(tǒng)。 PLC 的特點 PLC 之所以能迅速發(fā)展，除了工業(yè)自動化的客觀需要外，還因為它具有很多獨特的有點，主要有： ，抗干擾能力強?？煽啃允侵?PLC 的平均無故障時間（ Mean Time Between Failuers，簡稱 MTBF）?？煽啃愿?、抗干擾性強是 PLC最重要的特點之一，其 MTBF 可達幾十萬小時，可直接用于有強烈干擾的工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn) 場， PLC 已被公認為最可靠的工業(yè)控制設(shè)備之一。 、使用方便。梯形圖是可編程控制器使用最多的編程語言，是面向生產(chǎn)、面向用戶的編程語言，與電氣控制電路圖相似；梯形圖形象、直觀、簡單、易學，廣大內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 23 工程技術(shù)人員很容易上手。當生產(chǎn)流程需要改變時，可現(xiàn)場改編程序，使用方便、靈活。 ，通信性強。如今， PLC 不僅具有邏輯運算、定時、計數(shù)、順序控制燈功能，而且還具有 A/D 和 D/A 轉(zhuǎn)換、數(shù)值運算、數(shù)據(jù)處理、 PID 控制、通信聯(lián)網(wǎng)等許多功能。同時，由于 PLC 產(chǎn)品的系列化、模塊化，以及品種齊全 的硬件裝置，可組成滿足各種要求的控制系統(tǒng)。 、維護方便。由于 PLC 用軟件代替?zhèn)鹘y(tǒng)電氣控制的硬件，使用控制柜的設(shè)計、安裝，接線量大大減少，縮短了施工周期。 PLC 具有很強的自診斷功能，若出現(xiàn)故障，可根據(jù) PLC 上的指示或編程器上提供的編程信息，迅速查明原因，維修極為方便。 、重量輕、能耗低。由于 PLC 采用了集成電路，其結(jié)構(gòu)緊湊，體積小、能耗低，因而是實現(xiàn)機電一體化的理想控制設(shè)備。目前以 PLC 作為控制器的 CNC 設(shè)備和機器人裝置已經(jīng)成為典型。 PLC 的硬件結(jié)構(gòu)、工作原理及其主要技術(shù)指標 PLC 的硬件結(jié)構(gòu) PLC 類型繁多，功能和指令系統(tǒng)也不盡相同，但其結(jié)構(gòu)和工作方式大同小異。硬件是同由主機、輸入 /輸出（ I/O）接口、電源、編程器、 I/O 擴展接口和外部設(shè)備接口等主要部分組成，如圖 21： 圖 61 PLC 系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu) 內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 24 如果將 PLC 看做一個系統(tǒng)，外部的各種開關(guān)信號和模擬信號均為輸入變量，它們經(jīng)輸入接口寄存到 PLC 內(nèi)部的數(shù)據(jù)寄存器中，然后按照用戶程序要求進行邏輯運算或數(shù)據(jù)處理，最后以輸出變量形式送到輸出接口，從而控制輸出設(shè)備。 一、主機 主機部分主要包括中央處理器 （ CPU）、系統(tǒng)程序存儲器和用戶程序存儲器。 CPU 是 PLC 的核心，起著總指揮的作用，它主要用來運行用戶程序、監(jiān)控輸入 /輸出接口狀態(tài)，作出邏輯判斷和進行數(shù)據(jù)處理，即讀入輸入變量，完成用戶指令的各種操作，將結(jié)果送到輸出端，并響應(yīng)外部設(shè)備（如打印機，條碼掃描儀）的請求以及進行各種內(nèi)部診斷等。 PLC 的內(nèi)部存儲器有兩種 ：一類是系統(tǒng)程序存儲器，主要存放系統(tǒng)管理、監(jiān)控程序和對用戶程序作編譯處理的程序，系統(tǒng)程序已由廠家固定，用戶不能更改；另一類是用戶程序及數(shù)據(jù)存儲器，主要存放用戶編制的應(yīng)用程序及各種暫存數(shù)據(jù)和中間結(jié)果。 二、 I/O 接口 I/O 接口是系統(tǒng)的眼、耳、手、腳，是 PLC 與 I/O 設(shè)備連接的部件。輸入接口用來接收和采集輸入信號，開關(guān)量輸入?？煊脕斫邮軓陌粹o、選擇開關(guān)、數(shù)字撥碼開關(guān)、限位開關(guān)、接近開關(guān)、光電開關(guān)、壓力繼電器傳來的開關(guān)量輸入信號；模擬量輸入模塊用來接收電位器、測速發(fā)動機、各種變送器提供的連續(xù)變化 的模擬量電流電壓信號。開關(guān)量輸出模塊用來控制接觸器、電磁閥、電磁鐵、指示燈、數(shù)字顯示裝置和報警裝置等輸出設(shè)備；模擬量輸出模塊用來控制調(diào)節(jié)閥、變頻器等執(zhí)行裝置。 三、電源 PLC 的電源是指為 CPU、存儲器、 I/O 接口等內(nèi)部電子電路工作所配置的的直流開關(guān)穩(wěn)壓電源， PLC 通常使用交流 220V 或直流 24V 工作電源。它的電源模塊為其他各功能模塊提供 DC5V、 DC12V、 DC24V等各種內(nèi)部直流工作電壓。一般情況下，許多 PLC 可為輸出內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 25 電路和外部的傳感器提供直流 24V 的工作電源，但是驅(qū)動 PLC 負載的直流電 源或交流電源一般有用戶提供。 四、編程器 編程器是用來編制、調(diào)試 PLC 用戶程序的外部設(shè)備，是人機交互的窗口。通過編程器可以把用戶程序輸入到 RAM中，或者對 RAM 中的程序進行編輯；通過編程器還可以對PLC 的工作狀態(tài)進行監(jiān)視和跟蹤，對調(diào)試和試運行用戶程序非常有用。 除了手持編程器外，目前使用較多的是利用通信電纜講 PLC 與計算機連接，利用專用的工具軟件進行編程和監(jiān)控。 五、 I/O 擴展接口 I/O 擴展接口是 PLC 主機為了擴展輸入 /輸出點數(shù)和類型的部件， I/O 擴展單元、遠程輸入 /輸出擴展單元、智能輸入 /輸出單元等都是通過它與主機相連。 I/O 擴展接口有并行接口、串行接口等多種形式。 六、外部設(shè)備接口 外部設(shè)備 I/O 接口是主機實現(xiàn)人機對話、機機對話的通道。通過它， PLC 可以和編程器、彩色圖形顯示器、打印機等外部設(shè)備相連，也可以和其他 PLC或上位機連接。外部設(shè)備 I/O 接口一般是 RS232C 或 RS422A 串行通信接口，該接口能夠進行串行 /并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，通信格式識別，數(shù)據(jù)傳輸出錯檢測，信號電平檢測等。對于一些小型 PLC，外設(shè)I/O 接口中還有與專用編程器連接的并行數(shù)據(jù)接口。 PLC 除了硬件系統(tǒng)外，還需要軟件系統(tǒng)的支持，二者共同構(gòu)成 PLC。 PLC 的軟件系統(tǒng)由系統(tǒng)程序（系統(tǒng)軟件）和用戶程序（應(yīng)用軟件）組成。 。系統(tǒng)程序是由 PLC 的制造企業(yè)編制，固化在 EPROM中，隨產(chǎn)品提供給用戶。系統(tǒng)程序包括系統(tǒng)管理程序、用戶指令解釋程序和供系統(tǒng)程序調(diào)用的標準程序模塊等。 內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 26 。用戶程序是根據(jù)生產(chǎn)過程控制要求由用戶使用制造企業(yè)提供的編程語言自行編制的應(yīng)用程序，包括開關(guān)邏輯控制程序、模擬量運算程序、閉環(huán)控制程序等。 PLC 的工作原理 PLC 控 制任務(wù)的完成建立在硬件的支持下，通過執(zhí)行反映控制要求的用戶程序來實現(xiàn)，其工作原理和計算機控制系統(tǒng)基本相同。 PLC 采用“順序掃描，不斷循環(huán)”的方式進行工作。運行時， CPU根據(jù)用戶控制要求編制好的并存儲于存儲器中的程序，按照指令步序號（或地址號）作周期循環(huán)掃描，如無跳轉(zhuǎn)指令，則從第一條指令開始逐條順序執(zhí)行用戶程序，直至程序結(jié)束，然后返回第一條指令，開始新一輪掃描。在每次掃描過程中，還要對輸入信號的采樣和對輸出狀態(tài)的刷新等工作。 PLC 的一個掃描周期包括輸入采樣、程序執(zhí)行和輸出刷新三個階段。 。首先以掃描方式按照順序?qū)⑺械臅捍嬖谳斎腈i存器中的輸入端子的通斷狀態(tài)或輸入數(shù)據(jù)讀入，并將其存入（寫入）各對應(yīng)的輸入狀態(tài)寄存器中，即刷新輸入。隨即關(guān)閉輸入端口，進入程序執(zhí)行階段。在程序執(zhí)行階段，即使輸入狀態(tài)有變化，輸入狀態(tài)寄存器也不會改變，智能等下一個掃描周期的輸入采樣階段被讀入。 。按用戶程序指令存放的先后順序掃描執(zhí)行的每條指令，所需要的執(zhí)行條件可以從輸入狀態(tài)寄存器和當前輸入狀態(tài)寄存器和當前輸出狀態(tài)寄存器中讀入，經(jīng)相應(yīng)的運算和處理后，其結(jié)果再寫入輸出狀態(tài)寄存器 中，輸出狀態(tài)寄存器中所有的數(shù)據(jù)隨著程序的執(zhí)行而改變。 在程序執(zhí)行階段，除了輸入映像寄存器外，各個元件映像寄存器的內(nèi)容是隨著程序的執(zhí)行而不斷變化的。 。當所有指令執(zhí)行完畢，輸出狀態(tài)寄存器的通斷狀態(tài)在輸出刷新階內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 27 段送至輸出鎖存器中，并通過一定的方式（繼電器、晶體管或晶閘管）輸出，驅(qū)動相應(yīng)的輸出設(shè)備工作。 在輸出刷新階段結(jié)束后， CPU 進入下一個掃描周期，重新執(zhí)行輸入采樣，周而復始。 PLC 的主要技術(shù)指標 PLC 的存儲器由系統(tǒng)程序存儲器、用戶程序存 儲器和數(shù)據(jù)存儲器三部分組成， PLC存儲容量通常是指用戶程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器之和，表征系統(tǒng)提供給用戶的可用資源，是系統(tǒng)性能的重要性能指標。 I/O 點數(shù)是 PLC 可以接受的輸入、輸出信號的總和，是衡量 PLC 效能的重要指標。I/O 點數(shù)越多，外部可接入的輸入輸出設(shè)備就越多，控制規(guī)模就越大。 掃描速度是指 PLC 執(zhí)行用戶程序的速度，一般以掃描 1KB 用戶程序所需要的時間來表示，通常以 ms/KB 為單位。 PLC 的用戶手冊一般給出執(zhí)行各條指令所需要的時間，可以通過比 較各種 PLC 執(zhí)行相同的操作所用的時間來衡量掃描速度的快慢。影響掃描速度的主要因素有用戶程序的長度和 PLC 產(chǎn)品的類型， CPU 的類型、機器字長等直接影響 PLC運算精度和運行速度。 指令系統(tǒng)指 PLC 所有指令的和， PLC 具有的基本指令和功能指令。指令的種類和數(shù)量也是衡量 PLC 性能的重要指標。 PLC 的編程指令越多，軟件功能越強， PLC 的處理能力和控制能力也越強，用戶編程越簡單、方便，越容易完成復雜的控制任務(wù)。 在編制 PLC 程序時，需要用到大量的內(nèi) 部元件來存放變量、中間結(jié)果、保持數(shù)據(jù)、內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 28 定時計數(shù)、模塊設(shè)置和各種標志位等信息，這些元件的種類與數(shù)量越多，表示 PLC 的存儲和處理各種信息的能力越強。 特殊功能單元種類的多少與功能的強弱是衡量 PLC 產(chǎn)品的一個重要指標。近年來各PLC 廠家非常重視特殊功能單元的開發(fā)，特殊功能單元種類日益增多，功能日益增強，控制功能也日益強大。 PLC 的可擴展能力包括 I/O 點數(shù)的擴展、聯(lián)網(wǎng)功能的擴展、各種功能模塊的擴展等。選擇 PLC 時通常需要考慮到 PLC 的可擴展能力。 通信有 PLC 之間的通信和 PLC 與其他外圍設(shè)備之間的通信。通信主要涉及通信模塊、通信接口、通信協(xié)議和通信指令等內(nèi)容， PLC 的組網(wǎng)和通信能力也已經(jīng)成為 PLC 產(chǎn)品水平的重要衡量指標之一。 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計原則、步驟和方法 程序設(shè)計基本原則 在應(yīng)用之前，首先考慮是否有必要使用 PLC。如果控制系統(tǒng)比較簡單， I/O 點數(shù)比較少、或者 I/O點數(shù)多，控制并不復雜，而且各部分相互聯(lián)系較少，這時候就可以考慮用繼電器接觸器控制的方法來實現(xiàn)。在下列 情況下，可以考慮使用 PLC； I/O 點數(shù)很多，控制要