可编程控制器讲义1Word文件下载.docx
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随着微电子技术和计算机技术的发展，20世纪70年代中期微处理器技术应用到PLC中，使PLC不仅具有逻辑控制功能，还增加了算术运算、数据传送和数据处理等功能。
___20世纪80年代以后，随着大规模、超大规模集成电路等微电子技术的迅速发展，16位和32位微处理器应用于PLC中，使PLC得到迅速发展。
PLC不仅控制功能增强，同时可靠性提高，功耗、体积减小，成本降低，编程和故障检测更加灵活方便，而且具有通信和联网、数据处理和图象显示等功能，使PLC真正成为具有逻辑控制、过程控制、运动控制、数据处理、联网通信等功能的名符其实的多功能控制器。
__自从第一台PLC出现以后，日本、德国、法国等也相继开始研制PLC，并得到了迅速的发展。
目前，世界上有200多家PLC厂商，400多品种的PLC产品，按地域可分成美国、欧洲、和日本等三个流派产品，各流派PLC产品都各具特色，如日本主要发展中小型PLC，其小型PLC性能先进，结构紧凑，价格便宜，在世界市场上占用重要地位。
著名的PLC生产厂家主要有美国的A-B（Allen-Bradly）公司、GE（GeneralElectric）公司，日本的三菱电机（MitsubishiElectric）公司、欧姆龙（OMRON）公司，德国的AEG公司、西门子（Siemens）公司，法国的TE（Telemecanique）公司等。
___我国的PLC研制、生产和应用也发展很快，尤其在应用方面更为突出。
在20世纪70年代末和80年代初，我国随国外成套设备、专用设备引进了不少国外的PLC。
此后，在传统设备改造和新设备设计中，PLC的应用逐年增多，并取得显著的经济效益，PLC_在我国的应用越来越广泛，对提高我国工业自动化水平起到了巨大的作用。
目前，我国不少科研单位和工厂在研制和生产PLC，如辽宁无线电二厂、无锡华光电子公司、上海香岛电机制造公司、厦门A-B公司等。
从近年的统计数据看，在世界范围内PLC产品的产量、销量、用量高居工业控制装置榜首，而且市场需求量一直以每年15%的比率上升。
PLC已成为工业自动化控制领域中占主导地位的通用工业控制装置。
_三、PLC的特点与应用领域
_
（一）PLC的特点
PLC技术之所以高速发展，除了工业自动化的客观需要外，主要是因为它具有许多独特的优点。
它较好地解决了工业领域中普遍关心的可靠、安全、灵活、方便、经济等问题。
主要有以下特点：
1．可靠性高、抗干扰能力强
__可靠性高、抗干扰能力强是PLC最重要的特点之一。
PLC的平均无故障时间可达几十万个小时，之所以有这么高的可靠性，是由于它采用了一系列的硬件和软件的抗干扰措施：
（1）硬件方面I/O通道采用光电隔离，有效地抑制了外部干扰源对PLC的影响；
对供电电源及线路采用多种形式的滤波，从而消除或抑制了高频干扰；
对CPU等重要部件采用良好的导电、导磁材料进行屏蔽，以减少空间电磁干扰；
对有些模块设置了联锁保护、自诊断电路等。
（2）软件方面PLC采用扫描工作方式，减少了由于外界环境干扰引起故障；
在PLC系统程序中设有故障检测和自诊断程序，能对系统硬件电路等故障实现检测和判断；
当由外界干扰引起故障时，能立即将当前重要信息加以封存，禁止任何不稳定的读写操作，一旦外界环境正常后，便可恢复到故障发生前的状态，继续原来的工作。
2．编程简单、使用方便
___目前，大多数PLC采用的编程语言是梯形图语言，它是一种面向生产、面向用户的编程语言。
梯形图与电器控制线路图相似，形象、直观，不需要掌握计算机知识，很容易让广大工程技术人员掌握。
当生产流程需要改变时，可以现场改变程序，使用方便、灵活。
同时，PLC编程器的操作和使用也很简单。
这也是PLC获得普及和推广的主要原因之一。
许多PLC还针对具体问题，设计了各种专用编程指令及编程方法，进一步简化了编程。
3．功能完善、通用性强
___现代PLC不仅具有逻辑运算、定时、计数、顺序控制等功能，而且还具有A/D和D/A转换、数值运算、数据处理、PID控制、通信联网以等许多功能。
同时，由于PLC产品的系列化、模块化，有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，可以组成满足各种要求的控制系统。
4．设计安装简单、维护方便
_由于PLC用软件代替了传统电气控制系统的硬件，控制柜的设计、安装接线工作量大为减少。
PLC的用户程序大部分可在实验室进行模拟调试，缩短了应用设计和调试周期。
在维修方面，由于PLC的故障率极低，维修工作量很小；
而且PLC具有很强的自诊断功能，如果出现故障，可根据PLC上指示或编程器上提供的故障信息，迅速查明原因，维修极为方便。
5．体积小、重量轻、能耗低
___由于PLC采用了集成电路，其结构紧凑、体积小、能耗低，因而是实现机电一体化的理想控制设备。
（二）PLC的应用领域
目前，在国内外PLC已广泛应用冶金、石油、化工、建材、机械制造、电力、汽车、轻工、环保及文化娱乐等各行各业，随着PLC性能价格比的不断提高，其应用领域不断扩大。
从应用类型看，PLC的应用大致可归纳为以下几个方面：
_1.开关量逻辑控制
___利用PLC最基本的逻辑运算、定时、计数等功能实现逻辑控制，可以取代传统的继电器控制，用于单机控制、多机群控制、生产自动线控制等，例如：
机床、注塑机、印刷机械、装配生产线、电镀流水线及电梯的控制等。
这是PLC最基本的应用，也是PLC最广泛的应用领域。
__2.运动控制
___大多数PLC都有拖动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。
这一功能广泛用于各种机械设备，如对各种机床、装配机械、机器人等进行运动控制。
___3.过程控制
___大、中型PLC都具有多路模拟量I/O模块和PID控制功能，有的小型PLC也具有模拟量输入输出。
所以PLC可实现模拟量控制，而且具有PID控制功能的PLC可构成闭环控制，用于过程控制。
这一功能已广泛用于锅炉、反应堆、水处理、酿酒以及闭环位置控制和速度控制等方面。
_4.数据处理
__现代的PLC都具有数学运算、数据传送、转换、排序和查表等功能，可进行数据的采集、分析和处理，同时可通过通信接口将这些数据传送给其它智能装置，如计算机数值控制（CNC）设备，进行处理。
__5.通信联网
___PLC的通信包括PLC与PLC、PLC与上位计算机、PLC与其它智能设备之间的通信，PLC系统与通用计算机可直接或通过通信处理单元、通信转换单元相连构成网络，以实现信息的交换，并可构成“集中管理、分散控制”的多级分布式控制系统，满足工厂自动化（FA）系统发展的需要。
四、PLC的分类
PLC产品种类繁多，其规格和性能也各不相同。
对PLC的分类，通常根据其结构形式的不同、功能的差异和I/O点数的多少等进行大致分类。
1．按结构形式分类
__根据PLC的结构形式，可将PLC分为整体式和模块式两类。
_
（1）整体式PLC整体式PLC是将电源、CPU、I/O接口等部件都集中装在一个机箱内，具有结构紧凑、体积小、价格低的特点。
小型PLC一般采用这种整体式结构。
整体式PLC由不同I/O点数的基本单元（又称主机）和扩展单元组成。
基本单元内有CPU、I/O接口、与I/O扩展单元相连的扩展口，以及与编程器或EPROM写入器相连的接口等。
扩展单元内只有I/O和电源等，没有CPU。
基本单元和扩展单元之间一般用扁平电缆连接。
整体式PLC一般还可配备特殊功能单元，如模拟量单元、位置控制单元等，使其功能得以扩展。
_
（2）模块式PLC_模块式PLC是将PLC各组成部分，分别作成若干个单独的模块，如CPU模块、I/O模块、电源模块（有的含在CPU模块中）以及各种功能模块。
模块式PLC由框架或基板和各种模块组成。
模块装在框架或基板的插座上。
这种模块式PLC的特点是配置灵活，可根据需要选配不同规模的系统，而且装配方便，便于扩展和维修。
大、中型PLC一般采用模块式结构。
_还有一些PLC将整体式和模块式的特点结合起来，构成所谓叠装式PLC。
叠装式PLC其CPU、电源、I/O接口等也是各自独立的模块，但它们之间是靠电缆进行联接，并且各模块可以一层层地叠装。
这样，不但系统可以灵活配置，还可做得体积小巧。
2．按功能分类
__根据PLC所具有的功能不同，可将PLC分为低档、中档、高档三类。
_
（1）低档PLC__具有逻辑运算、定时、计数、移位以及自诊断、监控等基本功能，还可有少量模拟量输入／输出、算术运算、数据传送和比较、通信等功能。
主要用于逻辑控制、顺序控制或少量模拟量控制的单机控制系统。
_
（2）中档PLC__除具有低档PLC的功能外，还具有较强的模拟量输入／输出、算术运算、数据传送和比较、数制转换、远程I/O、子程序、通信联网等功能。
有些还可增设中断控制、PID控制等功能，适用于复杂控制系统。
_（3）高档PLC___除具有中档机的功能外，还增加了带符号算术运算、矩阵运算、位逻辑运算、平方根运算及其它特殊功能函数的运算、制表及表格传送功能等。
高档PLC机具有更强的通信联网功能，可用于大规模过程控制或构成分布式网络控制系统，实现工厂自动化。
3．按I/O点数分类
__根据PLC的I/O点数的多少，可将PLC分为小型、中型和大型三类。
_
（1）小型PLCI/O点数为256点以下的为小型PLC。
其中，I/O点数小于64点的为超小型或微型PLC。
_
（2）中型PLCI/O点数为256点以上、2048点以下的为中型PLC。
_（3）大型PLCI/O点数为2048以上的为大型PLC。
其中，I/O点数超过8192点的为超大型PLC_。
在实际中，一般PLC功能的强弱与其I/O点数的多少是相互关联的，即PLC的功能越强，其可配置的I/O点数越多。
因此，通常我们所说的小型、中型、大型PLC，除指其I/O点数不同外，同时也表示其对应功能为低档、中档、高档。
第二节_PLC控制系统与电器控制系统的比较
一、电器控制系统与PLC控制系统
_1.电器控制系统的组成
通过第一章的学习可知，任何一个电器控制系统，都是由输入部分、输出部分和控制部分组成，如图2-1所示。
图2-1电器控制系统的组成
其中输入部分是由各种输入设备，如按钮、位置开关及传感器等组成；
控制部分是按照控制要求设计的，由若干继电器及触点构成的具有一定逻辑功能的控制电路；
输出部分是由各种输出设备，如接触器、电磁阀、指示灯等执行元件组成。
电器控制系统是根据操作指令及被控对象发出的信号，由控制电路按规定的动作要求决定执行什么动作或动作的顺序，然后驱动输出设备去实现各种操作。
由于控制电路是采用硬接线将各种继电器及触点按一定的要求连接而成，所以接线复杂且故障点多，同时不易灵活改变。
2.PLC控制系统的组成
由PLC构成的控制系统也是由输入、输出和控制三部分组成，如图2-2所示。
图2-2__PLC_控制系统的组成
从图中可以看出，PLC控制系统的输入、输出部分和电器控制系统的输入、输出部分基本相同，但控制部分是采用“可编程”的PLC，而不是实际的继电器线路。
因此，PLC控制系统可以方便地通过改变用户程序，以实现各种控制功能，从根本上解决了电器控制系统控制电路难以改变的问题。
同时，PLC控制系统不仅能实现逻辑运算，还具有数值运算及过程控制等复杂的控制功能。
二、PLC的等效电路
从上述比较可知，PLC的用户程序（软件）代替了继电器控制电路（硬件）。
因此，对于使用者来说，可以将PLC等效成是许许多多各种各样的“软继电器”和“软接线”的集合，而用户程序就是用“软接线”将“软继电器”及其“触点”按一定要求连接起来的“控制电路”。
_为了更好的理解这种等效关系，下面通过一个例子来说明。
如图2-3所示为三相异步电动机单向起动运行的电器控制系统。
其中，由输入设备SB1、SB2、FR的触点构成系统的输入部分，由输出设备KM_构成系
统的输出部分。
图2-3_三相异步电动机单向运行电器控制系统
a）主电路________b）控制电路_
__如果用PLC来控制这台三相异步电动机，组成一个PLC控制系统，根据上述分析可知，系统主电路不变，只要将输入设备SB1、SB2、FR的触点与PLC的输入端连接，输出设备KM线圈与PLC的输出端连接，就构成PLC控制系统的输入、输出硬件线路。
而控制部分的功能则由PLC的用户程序来实现，其等效电路如图2-4所示。
图2-4PLC的等效电路
___图中，输入设备SB1、SB2、FR与PLC内部的“软继电器”X0、X1、X2的“线圈”对应，由输入设备控制相对应的“软继电器”的状态，即通过这些“软继电器”将外部输入设备状态变成PLC内部的状态，这类“软继电器”称为输入继电器；
同理，输出设备KM与PLC内部的“软继电器”Y0对应，由“软继电器”Y0状态控制对应的输出设备KM的状态，即通过这些“软继电器”将PLC内部状态输出，以控制外部输出设备，这类“软继电器”称为输出继电器。
因此，PLC用户程序要实现的是：
如何用输入继电器X0、X1、X2来控制输出继电器Y0。
当控制要求复杂时，程序中还要采用PLC内部的其它类型的“软继电器”，如辅助继电器、定时器、计数器等，以达到控制要求。
要注意的是，PLC等效电路中的继电器并不是实际的物理继电器，它实质上是存储器单元的状态。
单元状态为“１”，相当于继电器接通；
单元状态为“０”，则相当于继电器断开。
因此，我们称这些继电器为“软继电器”。
__三、PLC控制系统与电器控制系统的区别
_PLC控制系统与电器控制系统相比，有许多相似之处，也有许多不同。
不同之处主要在以下几个方面：
__1）从控制方法上看，电器控制系统控制逻辑采用硬件接线，利用继电器机械触点的串联或并联等组合成控制逻辑，其连线多且复杂、体积大、功耗大，系统构成后，想再改变或增加功能较为困难。
另外，继电器的触点数量有限，所以电器控制系统的灵活性和可扩展性受到很大限制。
而PLC采用了计算机技术，其控制逻辑是以程序的方式存放在存储器中，要改变控制逻辑只需改变程序，因而很容易改变或增加系统功能。
系统连线少、体积小、功耗小，而且PLC所谓“软继电器”实质上是存储器单元的状态，所以“软继电器”的触点数量是无限的，PLC系统的灵活性和可扩展性好。
__2）从工作方式上看，在继电器控制电路中，当电源接通时，电路中所有继电器都处于受制约状态，即该吸合的继电器都同时吸合，不该吸合的继电器受某种条件限制而不能吸合，这种工作方式称为并行工作方式。
而PLC的用户程序是按一定顺序循环执行，所以各软继电器都处于周期性循环扫描接通中，受同一条件制约的各个继电器的动作次序决定于程序扫描顺序，这种工作方式称为串行工作方式。
___3）从控制速度上看，继电器控制系统依靠机械触点的动作以实现控制，工作频率低，机械触点还会出现抖动问题。
而PLC通过程序指令控制半导体电路来实现控制的，速度快，_程序指令执行时间在微秒级，且不会出现触点抖动问题。
_4）从定时和计数控制上看，电器控制系统采用时间继电器的延时动作进行时间控制，时间继电器的延时时间易受环境温度和温度变化的影响，定时精度不高。
而PLC采用半导体集成电路作定时器，时钟脉冲由晶体振荡器产生，精度高，定时范围宽，用户可根据需要在程序中设定定时值，修改方便，不受环境的影响，且PLC具有计数功能，而电器控制系统一般不具备计数功能。
__5）从可靠性和可维护性上看，由于电器控制系统使用了大量的机械触点，其存在机械磨损、电弧烧伤等，寿命短，系统的连线多，所以可靠性和可维护性较差。
而PLC大量的开关动作由无触点的半导体电路来完成，其寿命长、可靠性高，PLC还具有自诊断功能，能查出自身的故障，随时显示给操作人员，并能动态地监视控制程序的执行情况，为现场调试和维护提供了方便。
第三节_PLC的基本组成
__
PLC是微机技术和控制技术相结合的产物，是一种以微处理器为核心的用于控制的特殊计算机，因此PLC的基本组成与一般的微机系统类似。
一、PLC的硬件组成
__PLC的硬件主要由中央处理器（CPU）、存储器、输入单元、输出单元、通信接口、扩展接口电源等部分组成。
其中，CPU是PLC的核心，输入单元与输出单元是连接现场输入/输出设备与CPU之间的接口电路，通信接口用于与编程器、上位计算机等外设连接。
对于整体式PLC，所有部件都装在同一机壳内，其组成框图如图2-5所示；
对于模块式PLC，各部件独立封装成模块，各模块通过总线连接，安装在机架或导轨上，其组成框图如图2-6所示。
无论是哪种结构类型的PLC，都可根据用户需要进行配置与组合。
图2-5整体式PLC组成框图
图2-6模块式PLC组成框图
尽管整体式与模块式PLC的结构不太一样，但各部分的功能作用是相同的，下面对PLC主要组成各部分进行简单介绍。
1．中央处理单元（CPU）
__同一般的微机一样，CPU是PLC的核心。
PLC中所配置的CPU_随机型不同而不同，常用有三类：
通用微处理器（如Z80、8086、80286等）、单片微处理器（如8031、8096等）和位片式微处理器（如AMD29W等）_。
小型PLC大多采用8位通用微处理器和单片微处理器；
中型PLC大多采用16位通用微处理器或单片微处理器；
大型PLC大多采用高速位片式微处理器。
__目前，小型PLC为单CPU系统，而中、大型PLC则大多为双CPU系统，甚至有些PLC中多达8_个CPU。
对于双CPU系统，一般一个为字处理器，一般采用8位或16位处理器；
另一个为位处理器，采用由各厂家设计制造的专用芯片。
字处理器为主处理器，用于执行编程器接口功能，监视内部定时器，监视扫描时间，处理字节指令以及对系统总线和位处理器进行控制等。
位处理器为从处理器，主要用于处理位操作指令和实现PLC编程语言向机器语言的转换。
位处理器的采用,提高了PLC的速度，使PLC更好地满足实时控制要求。
__在PLC中CPU按系统程序赋予的功能，指挥PLC有条不紊地进行工作，归纳起来主要有以下几个方面：
1）接收从编程器输入的用户程序和数据。
2）诊断电源、PLC内部电路的工作故障和编程中的语法错误等。
3）通过输入接口接收现场的状态或数据，并存入输入映象寄有器或数据寄存器中。
4）从存储器逐条读取用户程序，经过解释后执行。
5）根据执行的结果，更新有关标志位的状态和输出映象寄存器的内容，通过输出单元实现输出控制。
有些PLC还具有制表打印或数据通信等功能。
_2．存储器
_存储器主要有两种：
一种是可读/写操作的随机存储器RAM，另一种是只读存储器ROM、PROM_、EPROM_和EEPROM。
在PLC中，存储器主要用于存放系统程序、用户程序及工作数据。
系统程序是由PLC_的制造厂家编写的，和PLC的硬件组成有关，完成系统诊断、命令解释、功能子程序调用管理、逻辑运算、通信及各种参数设定等功能，提供PLC运行的平台。
系统程序关系到PLC的性能，而且在PLC使用过程中不会变动，所以是由制造厂家直接固化在只读存储器ROM、PROM或EPROM中，用户不能访问和修改。
_用户程序是随PLC的控制对象而定的，由用户根据对象生产工艺的控制要求而编制的应用程序。
为了便于读出、检查和修改，用户程序一般存于CMOS静态RAM中，用锂电池作为后备电源，以保证掉电时不会丢失信息。
为了防止干扰对RAM中程序的破坏，当用户程序经过运行正常，不需要改变，可将其固化在只读存储器EPROM中。
现在有许多PLC直接采用EEPROM作为用户存储器。
工作数据是PLC运行过程中经常变化、经常存取的一些数据。
存放在RAM中，以适应随机存取的要求。
在PLC的工作数据存储器中，设有存放输入输出继电器、辅助继电器、定时器、计数器等逻辑器件的存储区，这些器件的状态都是由用户程序的初始设置和运行情况而确定的。
根据需要，部分数据在掉电时用后备电池维持其现有的状态，这部分在掉电时可保存数据的存储区域称为保持数据区。
由于系统程序及工作数据与用户无直接联系，所以在PLC_产品样本或使用手册中所列存储器的形式及容量是指用户程序存储器。
当PLC提供的用户存储器容量不够用，许多PLC还提供有存储器扩展功能。
_3．输入/输出单元
__输入/输出单元通常也称I/O单元或I/O模块，是PLC与工业生产现场之间的连接部件。
PLC通过输入接口可以检测被控对象的各种数据，以这些数据作为PLC对被控制对象进行控制的依据；
同时PLC又通过输出接口将处理结果送给被控制对象，以实现控制目的。
由于外部输入设备和输出设备所需的信号电平是多种多样的，而PLC内部CPU的处理的信息只能是标准电平，所以I/O接口要实现这种转换。
I/O接口一般都具有光电隔离和滤波功能，以提高PLC的抗干扰能力。
另外，I/O接口上通常还有状态指示，工作状况直观，便于维护。
PLC提供了多种操作电平和驱动能力的I/O接口，有各种各样功能的I/O接口
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