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1、1第一章第一章 概述概述（一）可编程控制器的产生与定义（一）可编程控制器的产生与定义1.可编程控制器的产生20 实际 20 年代出现了将接触器、各种继电器、定时器、其他电器及其触头按一定逻辑关系连接的继电器控制系统,其结构简单、便宜、便于掌握,在一定范围内能满足控制要求,在工业中一直占有主导地位。但也存在着设备体积大、同做速度慢、功能少而固定、可靠性差、难于实现复杂的控制的缺点。特别是由于它是靠硬件连线逻辑构成的关系,接线复杂,当生产工艺改变时,原有的接线和控制盘就要更换,缺乏通用性和灵活性。20 世纪 60 年代,由于小型计算机的出现和大规模生产及多机群控的需要,人们曾试图用小型计算机来实现
2、工业控制的要求,但由于价格高,输入、输出电路不匹配和编程技术复杂等原因,一直饿日能得到推广应用。20 世纪 60 年代末,美国汽车制造业竞争激烈,各种生产厂家的汽车型号不断更新,它必然要求加工的生产线随之改变,整个控制系统需要重新配置。为了适应生产工艺不断更新的需要,寻找一种比继电器更可靠,功能更齐全,响应速度更快的新型工业控制器势在必行。1968 年美国最大的汽车制造商美国通用汽车公司(GM)公开招标,并从用户角度提出了新一代控制器应具备的十大条件,引起了开发的热潮。这十大条件中比较主要的是:编程方便,可现场修改程序;维修方便,采用插件是式结构;可靠性高于继电器控制装置;体积小于继电器控制盘
3、;数据可直接送入管理计算机;成本可与继电器控制盘竞争;扩展时原系统改变最少。这些要求实际上提出了将继电器的简单易懂、使用方便、价格低的优点,与计算机的功能完善、通用性、灵活性好的优点结合起来,将继电器控制的硬件连线逻辑变为计算机的软件逻辑编程的设想,采用程序修改方式改变控制功能,这是从接线逻辑向存储逻辑进步的主要标志,是接线程序控制存储程序控制的转变。1969 年,美国数字设备公司(DEC)研制出了第一台可编程控制器 PDP_14,并在 GM 公司汽车生产线上试用成功,并取得了满意的效果可编程控制器由此诞生。所以可编程控制器是生产力发展的必然产物。2.可编程控制器的定义2可编程控制器（Prog
4、rammable Controller）是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller）,简称 PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称 PC。但是为了避免与个人计算机（Personal Computer）的简称混淆，所以将可编程控制器简称为 PLC。可编程控制器在不断地发展，1982 年国际电工委员会（IEC）颁布的可编程控制器标准草案中又作了如下定义：可编程控制器是一种数字运算的电子系统
5、，专为在工业环境下应用而设计，它采用了一类可编程序的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术操作等面向用户的指令，并通过数字式和模拟式输入输出控制系统连成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。（二）可编程（二）可编程控制器的特点控制器的特点1.抗干扰能力强，可靠性高继电器控制系统虽然有较好的抗干扰能力,但使用了大量的机械触点,使设备连线复杂,由于器件的老化、脱焊、触头的抖动及触头在在开闭时受电弧的三还大大降低了系统的 可靠性。而 PLC 采用微电子技术，大量的开关动作由无触点的电子存储器件来完成，大部分继电器和繁杂的连线被软件程序所取代，故寿命长，可靠性大大提高。微机
6、虽然具有很强的功能，但抗干扰能力差，工业现场的电磁干扰，电源波动，机械振动，温度和湿度的变化，都可能使一般通用微机不能正常工作。而 PLC 在电子线路、机械结构以及软件结构上都吸取了生产控制经验，主要模块均采用了大规模与超大规模集成电路，I/O 系统设计有完善的通道保护与信号调理电路；在结构上对耐热、防潮、防尘、 都有精确的考虑；在硬件上采用隔离、屏蔽、滤波、接地等抗干扰能力，目前各生产厂家生产的 PLC，平均无故障时间都大大超过了 IEC 规定的 10 万小时，甚至达到了几十万小时。2.控制系统结构简单、通用性强、应用灵活PLC 产品均成系列化生产，品种齐全，外围模块品种也多，可由各种组件灵
7、活组成各种大小和不同要求的控制系统。在 PLC 的构成系统中，只需要在PLC 的端子上接入相应的输入、输出信号线即可。当控制要求改变，需要变更3控制系统功能时，可以用编程器在线或离线修改程序，修改接线的工作量是很小的。同一个 PLC 装置用于不同控制对象，只是输入、输出组件和应用软件不同而已。3.编程方便，易于使用PLC 是面向用户的设备，PLC 的设计者充分考虑到现场工程技术人员的技能和习惯，PLC 程序的编制，采用梯形图或面向工业控制的简单指令形式。梯形图与继电器原理图相类似，直观易懂，容易掌握，不需要专门的计算机知识和语言，深受现场电气技术人员的欢迎，近年来又发展了面向对象的顺空谈流程图
8、语言，也称功能图，使编程更加简单方便。 4.功能完善，扩展能力强PLC 中含有数量巨大的用于开关量处理的继电器类软元件，可轻松地实现大规模的开关量控制，这是一般的继电器控制所不能实现的。PLC 内部具有许多控制功能，能方便地实现 D/A、A/D 转换及 PID 运算，实现过程控制、数字控制等功能。PLC 具有通信联网功能，它不仅可以控制一台单片机，一条生产线，还可以控制一个机群，许多条生产线。它不但可以进行现场控制，还可以由于远程控制。5 .PLC 控制系统设计、安装、调试方便PLC 中相当于继电器系统中的中间继电器、时间继电器、计数器等“软元件”。数量巨大，硬软件齐全，且为模块化积木式结构，
9、并已经商品化，故可按性能容量（输入、输出点数、内存大小）等选用组装。又由于用软件编程取代了硬件接线西县控制功能，使安装接线工作量大大减小，设计人员只要有一台 PLC 就可进行控制系统的设计并可在实验室进行模拟调试。6维修方便，维修工作量小PLC 具有完善的自诊断，履历情报存储及监视功能。对于其内部工作状态、通信状态、异常状态和 I/O 点的状态均有显示。工作人员通过他可以查出故障原因，便于迅速处理，及时排除。7体积小、重量轻、是“机电一体化”特有的产品由于 PLC 是专为工业控制而设计的专用计算机，其结构紧密、坚固、体积小巧，并由于具备很强的抗干扰能力，使之易于装入机械设备内部，因而成为实现“
10、机电一体化”较理想这控制设备。4( (三三) ) 可编程控制器的组成与工作原理可编程控制器的组成与工作原理1. 可编程控制器的组成 可编程控制器主要由中央处理单元（CPU）、存储器（RAM、ROM）输入 输出单元（I/O）、电源和编程器等几部分组成，其结构框图如图 1-1 所示。编辑器用户程序存储器系统程序存储器中央处理单元输 入 单 元输 出 单 元电源图 1-1 PLC 的结构框图2. 可编程控制器的工作原理 PLC 才用循环扫描的工作方式，其扫描过程如图 1-2 所示。这个工作过程分为内部处理、通信操作、程序输入处理、程序执行、程序输出几个阶段。全过程扫描一次所需要的时间称为一个扫描周期
11、。内部处理阶段，PLC 检查 CPU 模块的硬件是否正常，复位监视定时器等。在通信操作服务阶段，PLC 处于停状态，只进行内部处理和通信操作服务等内容。在 PLC 处于运行状态时，从内部处理、通信操作、程序输入、程序执行、程序输出，一直循环扫描工作。（1）输入处理输入处理也叫输入采样。在此阶段，顺序读入所有输入端子的通断状态，并将读入的信息存入内存中所对应的映象存储器。在此输入映象寄存器被刷新，接着进入程序执行阶段。在程序执行时，输入映象寄存器与外界隔离，即使输入信号发生变化，其映象寄存器的内容也不会发生变化，只有在下一个扫描周期的输入处理阶段才能被读入信息。5（2）程序执行根据 PLC 梯形
12、图程序扫描原则，按先左后右先上后下的步序，逐句扫描，执行程序，但遇到程序跳转指令，则根据跳转条件是否满足来决定程序的跳转地址。从用户程序涉及到输入输出状态时，PLC 从输入映象寄存器中读出上一阶段采入的对应输入端子状态，从输出映象寄存器读出对应映象寄存器的当前状态，根据用户程序进行逻辑运算，运算结果再存入有关器件寄存器中，对每个器件而言，器件映象寄存器中所寄存的内容，会随着程序执行过程而变化。（3）输出处理程序执行完毕后，将输出映象寄存器，即器件映象寄存器中的 Y 寄存器的状态，在输出处理阶段转存到输出锁存器，通过隔离电路，驱动功率放大电路，是输出端子向外界输出控制信号，驱动外部负载。循环扫描
13、的工作方式是 PLC 的一大特点，也可以说 PLC 是“串行”工作的，这和传统的继电器控制系统“并行”工作有质的区别，PLC 的串行工作方式避免了继电器控制系统中触点竞争和时序失配的问题。内部处理通信操作输入处理程序执行输出处理停止运行图 1-2 扫描过程6（四）可编程控制器的应用（四）可编程控制器的应用PLC 的初期由于其价格高于继电器控制装置，使得其应用受到限制。但最近几年来，PLC 的应用面越来越扩大，其主要原因是：一方面由于微处理机芯片及时性有关元件的价格大大下降，由此 PLC 的成本下降；另一方面 PLC 的功能大大增强，它也能解决复杂的计算和通信问题，PLC 的应用面也日益增大。目
14、前，PLC 在国内外已广泛应用于钢铁、采矿、水泥、石油、化工、电力、机械制造、汽车、装卸、造纸、纺织、环保、娱乐等各行各业。PLC 的应用范围通常可分成五种类型：1、顺序控制这是今日 PLC 最广泛应用的领域，它取代传统的继电器顺序控制。PLC 应用于单机控制、多机群控制、生产自动线控制。2、运动控制PLC 制造商目前已提供了拖动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。在多数情况下，PLC 把描述目标位置的数据送给模块，模件移动一轴或数轴到目标位置。当每个轴移动时，位置控制模块保持适当的速度和加速度，确保运动平滑。3、闭环过程控制PLC 能控制大量的物理参数，例：温度、压力、速度和流量。P
15、ID（Proportional Integral Derivative）模块的提供使 PC 具有了闭环控制的功能，即一个具有 PID 控制能力的 PC 可用于过程控制。当由于控制过程中某个变量出现偏差时，PID 控制算法会计算出正确的输出，把变量保持在设定值上。4、数据处理在机械加工中，出现了把支持顺序控制的 PLC 和计算机数值控制设备紧密结合的趋向。5、通信和联网为了适应国外近几年来兴起的工厂自动化系统发展的需要，首先，必须发展 PLC 之间、PLC 和上级计算机之间的通信功能。作为实时控制系统，PLC 数据通信速率要求高，而且要考虑出现停电、故障时的对策等。7（五）电梯的发展状况（五）电
16、梯的发展状况随着科学技术的发展，近年来，我国的电梯生产技术得到了迅速发展。一些电梯厂也在不断改进设计、修改工艺。更新换代生产更新型的电梯，电梯主要分为机械系统与控制系统两大部份，随着自动控制理论与微电子技术的发展，电梯的拖动方式与控制手段均发生了很大的变化，交流调速是当前电梯拖动的主要发展方向。目前电梯控制系统主要有三种控制方式：继电路控制系统(“早期安装的电梯多位继电器控制系统)、PLC 控制系统、微机控制系统。继电器控制系统由于故障率高、可靠性差、控制方式不灵活以及消耗功率大等缺点，目前已逐渐被淘汰。微机控制系统虽在智能控制方面有较强的功能，但也存在抗扰性差，系统设计复杂，一般维修人员难以掌握其维修技术等缺陷。而 PLC 控制系统由于运行可靠性高，使用维修方便，抗干扰性强,设计和调试周期较短等优点，倍受人们重视等优点，已成为目前在电梯控制系统中使用最多的控制方式，目前也广泛用于传统继电器控制系统的技术改造。电梯作为高层建筑物的重要交通工具与人们的工作和生活日益紧密联系。PLC 作为新一代工业控制器，以其高可靠性和技术先进性，在电梯控制中得到广泛应用，从而使电梯由传统的
