PLC原理及应用三菱机型第一讲 第1章可编程控制器元件及基本指令系统.docx
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PLC原理及应用三菱机型第一讲第1章可编程控制器元件及基本指令系统
第1章概述
教学目的：
1、了解可编程控制器的历史和发展特点
2、了解可编程控制器的应用（观看有关现代自动化生产场景的录象并讲解）
3、掌握可编程控制器的结构和工作原理
教学重点：
可编程控制器在现代自动化生产上的应用
教学难点：
编程控制器的结构和工作原理
参考课时：
讲课2课时、录象2课时
第1章概述
可编程控制器（ProgrammableLogicControler），简称PLC。
它是20世纪70年代以来，在集成电路、计算机技术基础上发展起来的一种新型工业控制设备。
由于它具有功能强、可靠性高、配置灵活、使用方便以及体积小、重量轻等优点，国外已广泛应用于自动化控制的各个领域，并已成为实现工业生产自动化的支柱产品。
近年来，国内在PLC技术与产品开发应用方面发展很快，除有许多从国外引进的设备、自动化生产线外，国产的机床设备已越来越快地采用PLC控制系统取代传统的继电–接触器控制系统。
国产的小型化PLC性能也基本达到国外同类产品的技术指标。
因此，作为一名电气工程技术人员，必须掌握PLC及其控制系统的基本原理与应用技术，以适应当前电气技术的发展需要。
本章主要介绍可编程控制器的历史和发展、特点与应用、结构与工作原理。
掌握PLC的入门知识。
一.可编程控制器的历史和发展
1、可编程控制器的历史
2、可编程控制器的发展方向
随着应用领域日益扩大，PLC技术及其产品仍在继续发展，其结构不断改进，功能日益增强，性能价格比越来越高。
1）PLC在功能和技术指标方面的发展主要是以下方面：
（1）向高速、大容量方向发展
随着复杂系统控制要求越来越高和微处理器与微型计算机技术的发展，可编程控制器的信息处理与响应速度要求更高，用户存储容量也越来越大，例如有的PLC产品扫描速度达0.1μs/步，用户程序存储容量最大达几十兆字节。
（2）加强连网和通信能力
PLC网络控制是当前控制系统和PLC技术发展的潮流。
PLC与PLC之间的连网通信、PLC与上位计算机的连网通信已得到广泛应用。
各种PLC制造厂都在发展自身专用的通信模块和通信软件以加强PLC的连网能力。
厂商之间也在协议制订通用的通信标准，以构成更大的网络系统。
目前几乎所有PLC制造厂都宣布自己的PLC产品都能与通用局域网MAP（ManufucturingAutomationPrtocol，美国通用汽车公司于1983年提出的通信标准）相连，PLC已成为集散控制系统（DCS）不可缺少的重要组成部分。
（3）致力于开发新型智能I/O功能模块
智能I/O模块是以微处理器为核心的功能部件，是一种多CPU系统，它与主机CPU并行工作，占用主CPU的时间很少，有利于提高PLC系统的运行速度、信息处理速度和控制功能。
专用的I/O功能模块还能满足某些特定控制对象的特殊控制需求。
（4）增强外部故障的检测与处理能力
根据统计分析，在PLC控制系统的故障中，CPU占5%，I/O通道占15%，传感器占45%，执行器件占30%，线路占5%。
前两项共20%的故障属于PLC本身原因，它可以通过CPU本身的硬、软件检测、处理，而其余80%的故障属于PLC外部故障，无法通过自诊断检测处理。
因此，各厂家都在发展专用于检测外部故障的专用智能模块，以进一步提高系统的可靠性。
（5）编程语言的多样化
多种编程语言的并存、互补与发展是PLC软件进步的一种趋势。
梯形图语言虽然方便、直观、易学易懂，但主要适用于逻辑控制领域。
为适应各种控制需要，目前已出现许多编程语言，如面向顺序控制的步进顺控语句、面向过程控制的流程图语言、与计算机兼容的高级语言（汇编、BASIC、C语言等），还有布尔逻辑语言等。
在经济指标与产品类型方面的发展：
（1）研制大型PLC。
其特点是系统庞大、技术完善、功能强、价格昂贵、需求量小。
（2）大力发展简易、经济的小型、微型PLC，以适应单机及小型自动控制的需要，其特点是品种规格多、应用面广、需求量大、价格便宜。
（3）致力于提高功能价格比，以提高竞争力。
二.可编程控制器的特点和应用
1、可编程控制器的特点
PLC之所以高速发展，除了工业自动化的客观需要外，还有许多适合工业控制的独特的优点，它较好地解决了工业控制领域中普遍关心的可靠、安全、灵活、方便、经济等问题，以下是其主要特点。
1）可靠性高、抗干扰能力强
PLC是专为工业控制而设计的，可靠性好、抗干扰能力强是其最重要的特点之一。
PLC的平均故障间隔时间可达几十万小时。
一般由程序控制的数字电子设备产生的故障有两种：
一种是由于外界恶劣环境，如电磁干扰、超高温、过电压、欠电压等引起的未损坏系统硬件的暂时性故障，称为软故障；一种是由于多种因素导致硬件损坏而引起的故障，称为硬故障。
硬件方面
隔离是抗干扰的主要手段之一。
在微处理器与I/O电路之间，采用光电隔离措施，有效地抑制了外部干扰源对PLC的影响，同时还可以防止外部高电压进入模板。
滤波是抗干扰的又一主要措施。
对供电系统及输入线路采用多种形式的滤波，可消除或抑制高频干扰。
用良好的导电、导磁材料屏蔽CPU等主要部件可减弱空间电磁干扰。
此外，对有些模板还设置了联锁保护、自诊断电路等。
软件方面
设置故障检测与诊断程序。
PLC在每一次循环扫描过程的内部处理期间，检测系统硬件是否正常，锂电池电压是否过低，外部环境是否正常，如掉电、欠电压等。
设置状态信息保存功能。
当软故障条件出现时，立即把现状态重要信息存入指定存储器，软、硬件配合封闭存储器，禁止对存储器进行任何不稳定的读／写操作，以防存储信息被冲掉。
这样，一旦外界环境正常后，便可恢复到故障发生前的状态，继续原来的程序工作。
由于采取了以上抗干扰措施，PLC的可靠性、抗干扰能力大大提高，可以承受幅值为1000V，时间为1ns、脉冲宽度为1μs的干扰脉冲。
2）编程简单、易于掌握
这是PLC的又一重要特点。
考虑到企业中一般电气技术人员和技术工人的读图习惯和应用微型计算机的实际水平，目前大多数的PLC采用继电–接触器控制系统的梯形图编程方式，这是一种面向生产、面向用户的编程方式，与常用的计算机语言相比更容易被操作人员所接受并掌握。
通过阅读PLC的使用手册或短期培训，电气技术人员可以很快熟悉梯形图语言，并用来编制一般的用户程序。
配套的简易编程器的操作和使用也很简单，这也是PLC近年来获得迅速普及和推广的原因之一。
3）设计、安装容易，维护工作量少
4）功能强、通用性好
编程语言的多样化，以软件取代硬件控制的可编程序使PLC成为工业控制中应用最广泛的一种通用标准化、系列控制器。
同一台PLC可适用于不同的控制对象的不同控制要求。
同一档次、不同机型的功能也能方便地相互转换。
5）开发周期短，成功率高
6）体积小，重量轻、功耗低
由于PLC采用了半导体集成电路，其体积小、重量轻、结构紧凑、功耗低，因此是机电一体化的理想控制器。
常规的继电器控制柜是根本无法与之相比的。
2、可编程控制器的应用
目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保以及文化娱乐等各行各业。
随着PLC性能价格比的不断提高，其应用范围不断扩大，大致可归结为如下几类。
1）开关量的逻辑控制
这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电–接触器控制系统，实现逻辑控制、顺序控制，可用于单机控制、多机群控制、自动化生产线的控制等，例如注塑机、印刷机械、订书机械、切纸机械、组合机床、磨床、包括生产线、电镀流水线等。
2）位置控制
大多数的PLC制造商，目前都提供拖动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模板。
这一功能可广泛用于各种机械，如金属切削机床、金属成型机床、装配机械、机器人和电梯等。
3）过程控制
过程控制是指对温度、压力、流量等连续变化的模拟量的闭环控制。
PLC通过模拟量I/O模板，实现模拟量与数字量之间的A/D、D/A转换，并对模拟量进行闭环PID（Proportional－Integral－Derivative）控制。
现代的大、中型PLC一般都有闭环PID控制模型。
这一功能可用PID子程序来实现，也可用专用的智能PID模板实现。
4）数据处理
现代的PLC具有数学运算（包括矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传递、转换、排序和查表、位操作等功能，也能完成数据的采集、分析和处理。
这些数据可通过通信接口传送到其他智能装置，如计算机数值控制（CNC）设备，进行处理。
5）通信连网
PLC的通信包括PLC相互之间、PLC与上位机、PLC与其智能设备间的通信。
PLC系统与通用计算机可以直接通过通信处理单元、通信转接器相连构成网络，以实现信息的交换，并可构成“集中管理、分散控制”的分布式控制系统，满足工厂自动化（FA）系统发展的需要。
各PLC系统过程I/O模板按功能各自放置在生产现场分散控制，然后采用网络连接构成集中管理信息的分布式网络系统。
6）在计算机集成制造系统（CIMS）中的应用
近年来，计算机集成制造系统广泛应用于生产过程中。
一般的CIMS系统可划分为六级子系统：
第一级为现场级，包括各种设备，如传感器和各种电力、电子、液压和气动执行机构生产工艺参数的检测。
第二级为设备控制级，它接收各种参数的检测信号，按照要求的控制规律实现各种操作控制。
第三级为过程控制级，完成各种数学模型的建立，过程数据的采集处理。
以上三级属于生产控制级，也称为EIC综合控制系统。
EIC综合控制系统是一种先进的工业过程自动化系统，它包括三个方面的内容：
电气控制（Elecric），以电动机控制为主，包括各种工业过程参数的检测和处理；仪表控制（Instrumintation），实现以PID为代表的各种回路控制功能，包括各种工业过程参数的检测和处理；计算机系统（Computer），实现各种模型的计算、参数的设定、过程的显示和各种操作运行管理。
PLC就是实现EIC综合控制系统的整机设备，由此可见，PLC在现代工业中的地位是十分重要的。
三.可编程控制器的结构和工作原理
1、I/O结构和系统配置
PLC种类繁多，功能虽然多种多样，但其组成结构和工作原理基本相同。
用可编程序控制器实施控制，其实质是按一定算法进行输入／输出变换，并将这个变换予以物理实现，应用于工业现场。
PLC专为工业场合设计，采用了典型的计算机结构，由硬件和软件两部分组成。
硬件配置主要由CPU、电源、存储器、专门设计的输入/输出接口电路、外部设备和I/O扩展模块等组成，框图如图1－1所示。
图1－1 可编程序控制器的结构简化框图
（1）CPU、存储器、I/O接口及电源
（2）编程器等外部设备
编程器是人机对话的重要工具，它的主要作用是供用户进行程序的编制、编辑、调试和监视，还可以通过其键盘去调用和显示PLC内部器件的状态和系统参数。
具体结构和使用方法将在第3章中介绍。
根据系统控制需要，PLC还可以通过自身的专用通信接口连接一些其他外部设备，如盒式磁带机、打印机、图形监控器、EPROM写入器等。
（3）I/O扩展机
每种PLC都有与主机相配的扩展模块，用来扩展输入／输出点数，以便根据控制要求灵活组合系统，以构成符合要求的系统配置。
例如FX2系列PLC由基本单元与扩展单元可以构成I/O点数为16～256点的PLC控制系统。
PLC扩展模块内不配置CPU，仅对I/O通道进行扩展，其输入信息通过扩展端口进入主机总线，由主机CPU进行处理。
程序执行后，相关输出也是经总线、扩展端口和扩展模块的输出通道实现对外部设备的控制。
主机用户存储器留有一定数量的存储空间，以满足该种PLC最大I/O扩展点数的需要。
因此，虽然扩展模块在外表上看起来与主机类似，但其内部结构与主机差异很大，尽管它也有输入／输出端口和相应显示，但它不能脱离主机独立实现系统的控制要求。
2、中央处理器（CPU）
PLC的中央处理器与一般的计算机控制系统一样，是整个系统的核心，起着类似人体的大脑和神经中枢的作用，它按PLC中系统程序赋予的功能，指挥PLC有条不紊地进行工作。
其主要任务有：
（1）控制从编程器、上位机和其他外围设备键入的用户程序和数据的接收与存储。
（2）用扫描的方式通过I/O部件接收现场的状态或数据，并存入指定的存储单元或数据寄存器中。
（3）诊断电源、PLC内部电路的工作故障和编程中的语法错误等。
（4）PLC进入运行状态后，从存储器逐条读取用户指令，经过命令解释后按指令规定的任务进行数据传送、逻辑或算术运算等。
（5）根据运算结果，更新有关标志位的状态和输出寄存器的内容，再经输出部件实现输出控制、制表、打印或数据通信等功能。
3、中央系统及供电
PLC的中央系统包括存储器、I/O单元、电源单元等。
1）存储器
在PLC主机内部配有两种不同类型的存储器。
（1）系统存储器（ReadOnlyMemory简称ROM）用以固化PLC生产厂家编写的各种系统工作程序，相当于单片机的监控程序或个人计算机的操作系统，在很大程度上它决定该种PLC的性能与质量，用户无法更改或调用。
系统工作程序有三种类型：
①系统管理程序：
由它决定系统的工作节拍，包括PLC运行管理（各种操作的时间分配安排）、存储空间管理（生成用户数据区）和系统自诊断管理（如电源、系统出错，程序语法、句法检验等）。
②用户程序编辑和指令解释程序：
编辑程序能将用户程序变为内码形式以便于程序的修改、调试。
解释程序能将编程语言变为机器语句以便CPU操作运行。
③标准子程序和调用管理程序：
为了提高运行速度，在程序执行中某些信息处理（I/O处理）或特殊运算等是通过调用标准子程序来完成的。
（2）用户程序存储器（RandomAccessMemory简称RAM）包括用户程序存储器（程序区）和数据存储器（数据区）两种，前者用于存放用户程序，后者用来存入（或记忆）用户程序执行过程中使用ON/OFF状态量或数值量，以生成用户数据区。
用户存储器的内容由用户根据控制需要可读、可写，可任意修改、增删。
可采用高密度、低功耗的CMOSRAM（由锂电池实现掉电保护，一般能保持5－10年，经常带负载运行也可保持2－5年）或EPROM与EEPROM。
用户存储器容量是PLC的一项重要技术指标，其容量一般以“步”为单位（16位二进制数为一“步”或称为“字”）。
2）输入／输出单元（I/O单元）
I/O单元又称为I/O接口电路。
PLC程序执行过程中需调用的各种开关量（状态量）、数字量和模拟量等各种外部信号或设定量，都通过输入电路进入PLC，而程序执行结果又通过输出电路送到控制现场实现外部控制功能。
由于生产过程中的信号电平、速率是多种多样的，外部执行机构所需的电平、速率也是千差万别的，而CPU所处理的信号只能是高低电平，其工作节拍又与外部环境不一致，所以PLC与通用计算机I/O电路有着类似的作用，即电平变换、速度匹配、驱动功率放大、信号隔离等。
不同的是，PLC产品的I/O单元是顾及其工作环境和各种要求而经过精心设计和制造的。
通用计算机则要求用户根据使用条件自行开发，其可靠性、抗干扰能力往往达不到系统要求。
（1）输入接口电路（输入单元）
各种PLC输入电路结构大都相同，其输入方式有两种类型：
一种是直流输入（直流12V或24V），如图1-2（a）所示，另一种是交流输入（交流100~120V或200~240V），如图1-2（b）所示。
它们都是由装在PLC面板上的发光二极管（LED）来显示某一输入点是否有信号输入。
外部输入器件可以是无源触点，如按钮、行程开关等，也可以是有源器件，如各类传感器、接近开关，光电开关等。
在PLC内部电源容量允许前提下，有源输入器件可以采用PLC输出电源，否则必须外设电源。
当输入信号为模拟量时，信号必须经过专用的模拟量输入模块进行阻抗A/D转换，然后通过输入电路进入PLC。
输入信号通过输入端子经RC滤波、光电隔离进入内部电路。
图是一个直流24V输入电路的内部原理线路，由装在PLC面板上的发光二级管（LED）来显示某一输入点是否有信号输入。
（2）输出接口电路（输出单元）
为适应不同负载需要，各类PLC的输出都有三种方式，即继电器输出、晶体管输出、晶闸管输出。
继电器输出方式最常用，适用于交、直流负载。
其特点是带负载能力强，但动作频率与响应速度慢。
晶体管输出适用于直流负载，其特点是动作频率高，响应速度快，但带负载能力小。
晶闸管输出适用于交流负载，响应速度快，带负载能力不大。
三种输出方式
的输出电路结构如图1-3（a）、（b）、（c）所示。
（a）直流24V输入电路 （b）交流输入电路
图1-2PLC的输入电路
外部负载直接与PLC输出端子相连，输出电路的负载电源由用户根据负载要求（电源类型、电压等级、容量等）自行配备，PLC输出电路仅提供输出通道。
同时考虑不同类型、不同性质负载的接线需要，通常PLC输出端口的公共端子（COM端子）分组设置。
每4~8点共一个COM端子，各组相互隔离。
在实际应用中应注意各类PLC输出端子的输出电流不能超出其额定值，同时还要注意输出与负载性质有关，例如FX2型PLC继电器输出的负载能力在电源电压250V（交流）以下时，电阻性负载为2A/点；感性负载为80VA/点，灯负载为100W/点（见附录2）。
图1-3 PLC的输出电路
3）电源单元
PLC对供电电源要求不高，可直接采用普通单相交流电，允许电源电压在额定电压的-15%～+10%范围内波动，也可用直流24V供电。
PLC内部有一个高质量的开关型稳压电源，用于对CPU、I/O单元供电，还可为外部传感器提供直流24V电源（应注意在电源技术指标允许范围内）。
4、可编程控制器的工作状态、工作方式和扫描周期
PLC的工作状态有停止（STOP）状态和运行（RUN）状态。
当通过方式开关选择STOP状态时，只进行内部处理和通信服务等内容，对PLC进行联机或离线编程。
而当选择RUN状态或CPU发出信号一旦进入RUN状态，就采用周期循环扫描方式执行用户程序。
PLC的工作方式是采用周期循环扫描，集中输入与集中输出。
这种工作方式的显著特点是：
可靠性高、抗干扰能力强，但响应滞后、速度慢。
也就是说PLC是以降低速度为代价换取高可靠性的。
图1-4所示是PLC的工作框图，框图全面表示了PLC控制系统的工作过程。
PLC通电后，CPU在程序的监督控制下先进行内部处理，包括硬件初始化、I/O模块配置检查、停电保持范围设定及其他初始化处理等工作。
在执行用户程序之前还应完成通信服务与自诊检查。
在通信服务阶段，PLC应完成与一些带处理器的智能模块及其他外部设备的通信，完成数据的接收和发送任务，响应编程器键入的命令，更新编程器显示内容，更新时钟和特殊寄存器内容等。
PLC有很强的自诊断功能，如电源检测、内部硬件是否正常、程序语法是否有错等。
一旦有错或异常则CPU能根据类型和程度发出信号，甚至进行相应的出错处理，使PLC停止扫描或强制变成STOP状态。
在正常情况下，一个用户程序扫描周期由三阶段组成，如图1–5所示。
以下介绍三个阶段的工作过程。
图1-5可编程控制器扫描过程示意图
1）输入采样阶段
输入采样阶段又称输入采样。
在此阶段，扫描所有输入端子并将输入量（开/关、0/1状态）顺序存入输入映象寄存器。
此时输入映象寄存器被刷新，然后关闭输入通道，接着转入程序执行阶段。
在程序执行和输出处理阶段。
无论外部输入信号如何变化，输入映象寄存器内容保持不变，直到下一个扫描周期的采样阶段，才重新写入输入端的新内容。
2）程序执行阶段
PLC对用户程序（梯形图）按先左后右、从上至下的步序，逐步执行程序指令。
在程序执行过程中根据程序执行需要，从输入映象寄存器、内部元件寄存器（内部继电器、计时器、计数器等）中，将有关元件的状态、数据读出，按程序要求进行逻辑运算和算术运算，并将每步运算结果写入相关元件映象寄存器（有关存储器或数据寄存器）。
因此，内部元件寄存器随程序执行在不断刷新。
3）输出处理阶段
所有程序指令执行完毕，将内部元件寄存器中所有输出继电器状态（构成输出状态表）在输出处理阶段一次转存到输出锁存器中，经隔离、驱动功率放大电路送到输出端，并通过PLC外部接线驱动实际负载。
循环扫描的工作方式是PLC的一大特点，针对工业控制采用这种工作方式使PLC具有一些优于其他各种控制器的特点。
例如：
可靠性、抗干扰能力明显提高；串行工作方式避免触点（逻辑）竞争和时序失配；简化程序设计；通过扫描时间定时监视可诊断CPU内部故障，避免程序异常运行的不良影响等。
可编程序控制器在RUN工作状态时，执行一次图1–4所示的扫描所需的时问称扫描周期T。
它是自诊断、输入采样、用户程序执行和输出刷新等几部分时间的总和，其中用户程序执行时间是影响扫描周期T长短的主要因素，它决定于程序执行速度、程序长短和程序执行情况。
必须指出，程序执行情况不同，所需时间相差很大，因此要准确计算扫描周期T是很困难的。
小 结
主要介绍可编程控制器的历史、发展方向、特点及其结构和工作原理。
1．可编程控制器是为适应生产工艺不断更新的需要于20世纪60年代末出现的，和机器人、CAD/CAM技术构成工业的三大支柱。
它主要向着大型、多功能、智能化、模块化和加强连网能力，以及简易、价廉的方向发展。
2．它的最突出特点是可靠性高、抗干扰能力强，同时具有编程简单、开发周期短、体积小、重量轻、功耗低等优点。
主要应用于开关量、过程量、数据运算、通信连网等方面。
3．可编程序控制器是一种新型的工业控制专用计算机，在硬件的构成上包括CPU、存储器、I/O接口、扩展单元及各种外部设备等。
可构成不同I/O点数的控制系统。
4．PLC工作过程分为输入采样、程序执行和输出处理三个阶段，并采用顺序循环扫描的方式工作，这一点与传统继电–接触器控制系统是完全不同的，也是其性能得到提高的基础之一。
习 题
1－1什么是可编程控制器（PLC）?
1－2可编程控制器的发展方向是什么？
1－3在工业控制中，PLC主要应用在哪些方面？
1－4PLC的硬件由哪些部分组成？
各部分的作用是什么？
1－5CPU的主要任务是什么？
目前主要有哪些类型？
各具有什么特点？
1－6PLC输出部件的输出级有哪几种常见的形式？
分别适用于带什么类型负载？
1－7PLC采用什么样的工作方式？
其特点是什么？
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