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1、第二章 可编程序控制器的组成及原理,第一节 可编程序控制器概述,一、可编程序控制器的产生 二、可编程序控制器的特点 三、可编程序控制器的分类 四、可编程序控制器的发展,第二节 可编程序控制器的基本结构和工作原理,一、可编程序控制器的基本结构 二、可编程序控制器的编程语言 三、可编程序控制器的工作原理,第一节 可编程序控制器概述,一、可编程序控制器的产生,可编程序控制器(programmable controller)是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计的。早期的可编程序控制器称作可编程逻辑控制(programmable logic controller)，简称PLC，用它来代替继电器实
2、现逻辑控制。 随着技术的发展，可编程序控制器的功能已大大超过了逻辑控制的范围，所以，目前人们都把这种装置称作可编程序控制器，简称PC (国标简称可编程序控制器为PC系统)。为了避免与目前应用十分广泛的个人计算机(personal computer)的简称PC相混淆，所以仍将可编程序控制器简称PLC。,随着半导体技术，尤其是微处理器和微型计算机技术的发展，到20世纪70年代中期以后，PLC已广泛地使用微处理器作为中央处理器，输入输出模块和外围电路也都采用中、大规模甚至超大规模集成电路，这时的PLC已不再是仅有逻辑(logic)判断功能，还同时具有数据处理、PID调节和数据通信功能。 国际电工委员
3、会(1EC)1987年颁布的可编程序控制器标准草案中对可编程序控制器作了如下的定义：可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用了可编程序的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等面向用户的指令，并通过数字和模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。 可编程序控制器对用户来说，是一种无触点的智能控制器，也就是说，PLC是一台工业控制计算机，改变程序即可改变生产工艺，因此可在初步设计阶段选用PLC；另一方面，从PLC的制造商角度看，PLC是通用控制器，适合批量生产。,二、可编程序控制器的特点,(一) 高可靠性,(二) 丰
4、富的输入输出接口模块,(三) 采用模块化结构,(四) 编程简单,(五) 安装简单，维修方便,(一) 高可靠性,1)PLC所有的输入输出接口电路均采用光电隔离，使工业现场的外部电路与 PLC内部电路之间电气上隔离。 2)PLC各输入端均采用R-C滤波器，其滤波时间常数一般为1020ms。 3)PLC各模块均采用屏蔽措施，以防止辐射干扰。 4)PLC采用了性能优良的开关电源。 5)PLC所采用的器件都进行严格的筛选和老化。 6)PLC有良好的自诊断功能，一旦电源或其他软、硬件发生异常情况，CPU 立即采用有效措施，以防止故障扩大。 7)大型PLC还可以采用由双CPU构成的冗余系统或由3CPU构成的
5、表决系统，使系统的可靠性进一步提高。,（二）丰富的输入输出接口模块,1) 交流或直流； 2) 数字量或模拟量； 3) 电压或电流； 4) 脉冲或电位； 5) 强电或弱电等。,PLC相应的输入输出模块与工业现场的多种器件或设备相连接。与输入模块相连的器件有按钮、行程开关、接近开关、光电开关、压力开关等；与输出模块相连的设备有电磁阀、接触器、小电动机、指示灯等。 为了提高PLC的功能，它还有多种人机对话的接口模块；为了组成工业局部网络，PLC还有多种通信联网的通信模块。,(五) 安装简单，维修方便,PLC可在各种工业环境下直接运行，不需要专门的机房。使用时只需将现场的各种设备和器件与PLC的输出输
6、入接口相连接，即可组成系统并能运行。PLC的各模块上均有运行和故障指示灯，便于用户了解运行情况和查找故障。由于PLC采用模块化结构，一旦某模块发生故障，用户可以通过更换模块的方法，使系统迅速恢复运行。早期的PLC的主要用途是逻辑控制，而现代的PLC不仅能用于逻辑控制，而且也能用于定时控制、计数控制、过程控制和数据控制、通信联网和显示打印等。,(三) 采用模块化结构,(四) 编程简单,三、可编程序控制器的分类,PLC按照输入(Input)和输出(Output) (简称I/O)的点数多少可分为如表21所示的五种类型。,表2-1 可编程序控制器规模分类表,PLC按结构形式分类可分为厢体式和模块式两种
7、。 厢体式又称为单元式或整体式。厢体式PLC是将电源、CPU、I/O部件都集中装在一个机箱内，结构紧凑，体积小，价格低。一般小型PLC采用这种结构，它由不同I/O点数的基本单元和扩展单元组成。基本单元内有CPU、I/O和电源，扩展单元内没有CPU。基本单元和扩展单元之间一般用扁平电缆连接。 模块式结构的PLC将各部分分成若干个单独的模块，如电源模块、CPU模块、I/O模块和各种功能模块。一般大中型PLC都采用模块式结构，有的小型PLC也采用这种结构，因为模块式结构的PLC配置灵活，装配方便，更便于扩展和维修。,四、可编程序控制器的发展,（一）20世纪70年代的PLC，多少有点是继电器控制装置替
8、代物的含义，其主要功能只是执行原先由继电器完成的顺序控制、定时等。在硬件上以准计算机的形式出现，在I/O接口电路上作了改进以适应工业现场的要求。在软件编程上，采用广大电气工程技术人员所熟悉的梯形图。,（二）20世纪80年代，由于超大规模集成电路技术的迅速发展，微处理器市场价格大幅度下跌，使得各种类型的PLC所采用的微处理器的档次普遍提高。为了进一步提高PLC的处理速度，不少PLC制造商还纷纷研制开发出了专用逻辑处理芯片，使得PLC的功能发生了巨大变化。,（三）20世纪90年代，PLC的发展趋势有两大特点：其一是向体积更小、速度更快、功能更强、价格更便宜的微小型PLC方向发展；其二是向大型网络化
9、、高可靠性、好的兼容性、多功能方面发展。,PLC的产生已有30余年历史，其发展过程大致可分4个阶段。,（四）21世纪PLC的技术发展有如下4个特点：,1适应市场需要，加强PLC通信联网的信息处理能力 2PLC向开放性发展 3软PLC出现 4PLC编程语言趋于标准化,2PLC向开放性发展,早期的PLC缺点之一是它的软、硬件体系结构是封闭而不是开放的，如专用总线、通信网络及协议、I/O模块更互不通用，甚至连机架、电源模板亦各不相同。编程语言之一的梯形图名称虽一致，但组态、寻址、语言结构均不一致。因此，几乎各公司的PLC均互不兼容。 目前，PLC在开放性方面已有实质性突破。前十多年PLC被攻击的一个
10、重要方面就是它的专有性，现在有了极大改观。不少大型PLC厂商在PLC系统结构上采用了各种工业标准，如IEC 61131、IEEE 8023以太网、TCPIP、UDPIP等，实现高度分散控制，开放度高。 为了使PLC更具开放性和执行多任务，在一个PLC系统中同时装几个CPU模块，每个CPU模块都执行某一种任务。这些CPU模块可以进行专门的逻辑控制、顺序控制、运动控制和过程控制。,1适应市场需要，加强PLC通信联网的信息处理能力,在信息时代的今天，几乎所有PLC制造商都注意到了这一点：小型PLC都有通信接口，中、大型PLC都有专门的通信模块。随着计算机网络技术的飞速发展，PLC的通信联网功能使其与
11、PC和其他智能控制设备很方便地交换信息，实现分散控制和集中管理。也就是说，用户需要PLC与PC更好地融合，通过PLC在软技术上协助改善被控过程的生产性能，在PLC这一级就可以加强信息处理能力。 小型PLC之间通信“傻瓜化”。为了尽量减少PLC用户在通信编程方面的工作量，PLC制造商做了大量工作，使设备之间的通信自动地周期性的进行，而不需要用户为通信编程，用户的工作只是在组成系统时作一些硬件或软件上初始化设置。,4PLC编程语言趋于标准化,IEC61131是可编程序控制器的国际标准，共有8个部分，从1992年开始陆续颁布施行。IEC61131-3是PLC编程语言的标准，1993年颁布实施，IEC
12、61131-8与IEC611313称PLC语言实现导则是2001年颁布实施。 IEC611313 PLC编程语言国际标准是将现代软件概念和现代软件工程的机制与传统的PLC编程语言成功地结合，使它在工业控制领域的影响远远超出PLC的界限，已成为DCSPC控制、运动控制以及SCADA的编程系统事实上的标准IEC611313规定了两大类编程语言：文本化编程语言和图形化编程语言。前者包括指令语句表语言(比)和结构化文本语言(ST)；后者包括梯形图语言(LD)和功能块图语言(FBD)。而顺序功能图(SFC)可以在梯形图语言中使用，也可以在指令语句表语言中使用。 IEC611313允许在同一个PLC中使用
13、多种编程语言，也允许程序开发人员对一个特定的任务选择最合适的编程语言。还允许在同一个控制程序中其不同的软件模块用不同的编程语言编制，这一规定既解决了PLC发展历史形成编程语言多样化的现状，又为PLC的软件技术进一步发展提供了足够的空间。,3软PLC出现,所谓软PLC，实际就是在PC机的平台上，在Windows操作环境下，用软件来实现PLC的功能，也就是说，软PLC是一种基于PC机开发结构的控制系统，它具有硬PLC的功能、可靠性、速度、故障查找等方面的特点，利用软件技术可以将标准的工业PC转换成全功能的PLC过程控制器。软PLC综合了计算机和PLC的开关量控制、模拟量控制、数学运算、数值处理、网
14、络通信、PlO等功能，通过一个多任务控制内核，提供强大的指令集、快速而准确的扫描周期，可靠的操作和可连接各种I/O系统及网络的开放式结构。 软PLC具有硬PLC的功能，同时又提供了PC机环境的各种优点。,第二节 可编程序控制器的基本结构和工作原理,一、可编程序控制器的基本结构,PLC实质上是一种专门用于工业控制的计算机，硬件结构基本上与微型计算机基本相同，如图2-1所示。,图2-1 PLC结构图框,(一)中央处理单元(CPU) (二)存储器 (三)输入输出(I0)电路 (四)电源 (五)编程器,图2-1 PLC结构图框,(一)中央处理单元(CPU),中央处理单元(CPU)是PLC的控制中枢。P
15、LC的CPU按照系统程序赋予的功能接收并存储用户键人的应用程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序的语法错误。当PLC运行时，CPU首先以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存人I/O映像区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算术运算的结果送人I/O映像区或数据寄存器内，等所有的用户程序执行完毕后，最后将I/O映像区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直至停止运行。 为了进一步提高PLC的可靠性，近年来对大型PLC还采用了双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。如G
16、E Fanuc公司的HBR30和HSR70热备CPU冗余系统，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。,(二)存储器,PLC是工业控制计算机，除了硬件以外，还必须有软件才能正常工作。PLC的软件分两部分：系统软件和应用软件。存放系统软件的存储器称为系统程序存储器；存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。,1PLC常用存储器的类型 (1)RAM(random access memory) 这是一种读、写存储器或者称为随机存储器。它读写方便，存取速度快，由锂电池支持的RAM可满足各种应用的需要。 (2)EPROM(erasable programmable read only memory) 这是一种可擦除的只读存储器。在断电情况下，存储器内的所有信息保持不变。在紫外线连续照射约20min后，能清除存储器的所有信息，加高电平可以写入信息。 (3)EEPROM(electrical erasable programmable read only memory) 这是一种电可擦除的只读存储器。使用编程器就能很容易地
