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1、第一章 可编程序控制器概述可编程控制器（Programmable Controller简称PLC）。PLC是在传统的顺序控制器的基础上引入了微电子技术、计算机技术、自动控制技术和通讯技术而形成的一代新型工业控制装置，目的是用来取代继电器、执行逻辑、记时、计数等顺序控制功能，建立柔性的程控系统。可编程控制器具有能力强、可靠性高、配置灵活、编程简单等优点，是当代工业生产自动化的主要手段和重要的自动化控制设备。1.1 可编程序控制器的产生和定义1.1.1可编程序控制器的产生在可编程序控制器问世以前，工业控制领域中是以继电控制器占主导地位的。这种由继电器构成的控制系统有着明显的缺点：体积大、耗电多、可
2、靠性差、寿命短、运行速度不高，尤其是对生产工艺多变的系统适应性更差，一旦生产任务和工艺发生变化，就必须重新设计，并改变硬件结构，这造成了时间和资金的严重浪费。20世纪60年代末期，为了使汽车改型或改变工艺流程时不改动原有继电器柜内的接线，以便降低生产成本，缩短新产品的开发周期，以满足生产的需求。美国通用汽车公司(GM公司) 1968年提出了研制新型控制装置的十项指标，其主要内容如下：(1) 编程简单，可在现场修改和调试程序；(2) 价格便宜，性价比高于继电器控制系统；(3) 可靠性高于继电器控制系统；(4) 体积小于有继电器控制柜的体积，能耗少；(5) 能与计算机系统数据通信； (6) 输入量
3、是交流115 V电压信号（美国电网电压是110V）；(7) 输出量是交流115 V电压信号、输出电流在2 A以上，能直接驱动电磁阀等；(8) 具有灵活的扩展能力；(9) 硬件维护方便，采用插入式模块结构；(10) 用户存储器容量至少在4 KB以上(根据当时的汽车装配过程的要求提出)。从上述10项指标可以看出，它实际上就是当今可编程序控制器最基本的功能，具备了可编程序控制器的特点。1969年，美国数字设备公司（DEG）根据上述要求研制出第一台可编程序控制器，型号为PDP-14，并在GM公司的汽车生产线上适用成功，于是第一台可编程序控制器诞生了。1.1.2可编程序控制器的定义由于PLC在不断发展，
4、因此，对它进行确切的定义是比较困难的。美国电气制造商协会(NEMA)经过四年的调查工作，于1980年正式将可编程序控制器命名为PC(Programmable Controller)，但为了与个人计算机PC（Personal Computer）相区别，常将可编程序控制器简称为PLC，并给PLC作了定义：可编程序控制器是一种带有指令存储器、数字的或模拟的输入/输出接口，以位运算为主，能完成逻辑、顺序、定时、计数和运算等功能，用于控制机器或生产过程的 自动化控制装置。 1982年，国际电工委员会(International Electrical Committee，IEC)颁布了PLC标准草案第一稿
5、，1985年提交了第2稿，并在1987年的第3稿中对PLC作了如下的定义：“PLC是一种数字运算的电子系统，专为工业环境下应用而设计。它采用可编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、定时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关的外围设备，都应按照易于与工业控制系统形成一个整体、易于扩展其功能的原则而设计。”上述的定义表明，PLC是一种能直接应用于工业环境的数字电子装置，是以微处理器为基础，结合计算机技术、自动控制技术和通信技术，用面向控制过程、面向用户的“自然语言”编程的一种简单易懂、操作方便、可靠
6、性高的新一代通用工业控制装置。1.2 可编程序控制器的主要功能及特点1.2.1可编程序控制器的主要功能A. 开关逻辑和顺序控制 这是PLC应用最广泛、最基本的场合。它的主要功能是完成开关逻辑运算和进行顺序逻辑控制，从而可以实现各种控制要求。B 模拟控制 （A/D和D/A控制） 在工业生产过程中，许多连续变化的需要进行控制的物理量，如温度、压力、流量、液位等，这些都属于模拟量。过去，PLC长于逻辑运算控制，对于模拟量的控制主要靠仪表或分布式控制系统，目前大部分PLC产品都具备处理这类模拟量的功能，而且编程和使用方便。C定时/计数控制 PLC具有很强的定时、计数功能，它可以为用户提供数十甚至上百个
7、定时器与计数器。对于定时器，定时间隔可以由用户加以设定；对于计数器，如果需要对频率较高的信号进行计数，则可以选择高速计数器。D步进控制 PLC为用户提供了一定数量的移位寄存器，用移位寄存器可方便地完成步进控制功能。E运动控制在机械加工行业，可编程序控制器与计算机数控（CNC）集成在一起，用以完成机床的运动控制。F 数据处理 大部分PLC都具有不同程度的数据处理能力，它不仅能进行算术运算、数据传送，而且还能进行数据比较、数据转换、数据显示打印等操作，有些PLC还可以进行浮点运算和函数运算。 G通信联网 PLC具有通信联网的功能，它使PLC与PLC 之间、PLC与上位计算机以及其他智能设备之间能够
8、交换信息，形成一个统一的整体，实现分散集中控制。1.3可编程序控制器的特点PLC能如此迅速发展的原因，除了工业自动化的客观需要外，还有许多独特的优点。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。其主要特点如下：1.3.1可靠性高可靠性指的是可编程控制器平均无故障工作时间。由于可编程序控制器采取了一系列硬件和软件抗干扰措施，具有很强的抗干扰能力，平均无故障时间达到数万小时以上，可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场。可编程序控制器已被广大用户公认为是最可靠的工业控制设备之一。1.3.2. 控制功能强一台小型可编程序控制器内有成百上千个可供用户使用的编程元件，可以实现非
9、常复杂的控制功能。与相同功能的继电器系统相比，它具有很高的性能价格比。可编程序控制器可以通过通信联网，实现分散控制与集中管理。1.3.3. 用户使用方便 可编程序控制器产品已经标准化、系列化、模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，用户能灵活方便地进行系统配置，组成不同功能、不同规模的系统。可编程序控制器的安装接线也很方便，有较强的带负载能力，可以直接驱动一般的电磁阀和交流接触器。硬件配置确定后，可以通过修改用户程序，方便快速地适应工艺条件的变化。1.3.4. 编程方便、简单梯形图是可编程序控制器使用最多的编程语言，其电路符号、表达方式与继电器电路原理图相似。梯形图语言形象、直观、简单
10、、易学，熟悉继电器电路图的电气技术人员只要花几天时间就可以熟悉梯形图语言，并用来编制用户程序。1.3.5. 设计、安装、调试周期短可编程序控制器用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，使控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少，缩短了施工周期。可编程序控制器的用户程序可以在实验室模拟调试，模拟调试好后再将PLC控制系统在生产现场进行安装和接线，在现场的统调过程中发现的问题一般通过修改程序就可以解决，大大缩短了设计和投运周期。1.3.6. 易于实现机电一体化 可编程序控制器体积小、重量轻、功耗低、抗振防潮和耐热能力强，使之易于安装在机器设备内部，制造出机电一体化
11、产品。目前以PLC作为控制器的CNC设备和机器人装置已成为典型。1.4 可编程序控制器的分类目前PLC的种类非常多，型号和规格也不统一，了解PLC的分类有助于PLC的选型和应用。1.4.1. 按点数和功能分类 为了适应不同工业生产过程的应用要求，可编程序控制器能够处理的输入/输出信号数是不一样的。一般将一路信号叫做一个点，将输入点数和输出点数的总和称为机器的点数，简称I/O点数。一般讲，点数多的PLC，功能也越强。按照点数的多少，可将PLC分为超小(微)、小、中、大四种类型。 （1）超小型机：I/O点数为64点以内，内存容量为2561000字节；（2）小型机：I/O点数为64256，内存容量为
12、13.6K字节；小型及超小型PLC主要用于小型设备的开关量控制，具有逻辑运算、定时、计数、顺序控制、通信等功能。（3）中型机：I/O点数为2561024，内存容量为3.613K字节；中型PLC除具有小型、超小型PLC的功能外，还增加了数据处理能力，适用于小规模的综合控制系统。（4）大型机：I/O点数为1024以上，内存容量为13K字节以上； 大型PLC的功能更加完善，多用于大规模过程控制、集散式控制和工厂自动化网络。1.4.2. 按结构形式分类 通常从PLC硬件结构形式上分整体式结构和模块式结构。（1) 整体式结构一般的小型及超小型PLC多为整体式结构，这种可编程序控制器是把CPU、RAM、R
13、OM、I/O接口及与编程器或EPROM写入器相连的接口、输入/输出端子、电源、指示灯等都装配在一起的整体装置。它的优点是结构紧凑，体积小，成本低，安装方便，缺点是主机的I/O点数固定，使用不灵活。西门子公司的S7-200系列PLC为整体式结构。（2) 模块式结构 模块式结构又叫积木式。这种结构形式的特点是把PLC的每个工作单元都制成独立的模块，如CPU模块、输入模块、输出模块、电源模块、通信模块等。另外，机器上有一块带有插槽的母板，实质上就是计算机总线。把这些模块按控制系统需要选取后，都插到母板上，就构成了一个完整的PLC。这种结构的PLC的特点是系统构成非常灵活，安装、扩展、维修都很方便，缺
14、点是体积比较大。常见产品有OMRON公司的C200H、C1000H、C2000H，西门子公司的S5-115U、S7-300、S7-400系列等。 1.4.3. 按生产厂家分类PLC的生产产家很多，国内国外都有，其点数、容量、功能各有差异，但都自成系列，比较有影响的厂家有： 日本立石（OMRON）公司的C系列可编程序控制器；日本三菱（MITSUBISHI）公司的F、F1、F2、FX2系列可编程序控制器；日本松下（PANASONIC）电工公司的FP1系列可编程序控制器；美国通用电气（GE）公司的GE系列可编程序控制器；美国艾论布拉德利（A-B）公司的PLC-5系列可编程序控制器；德国西门子（SIE
15、MENS）公司的S5、S7系列可编程序控制器。1.5 可编程序控制器的发展趋势 随着PLC技术的推广、应用，PLC将向两个方面发展：一方面向着大型化的方向发展，另一方面则向着小型化的方向发展。PLC向大型化方向发展，主要表现在大中型PLC高功能、大容量、智能化、网络化发展，使之能与计算机组成集成控制系统，对大规模、复杂系统进行综合的自动控制。PLC向小型化方向发展，主要表现在下列几个方面：为了减小体积、降低成本，向高性能的整体型发展；在提高系统可靠性的基础上，产品的体积越来越小，功能越来越强；应用的专业性，使得控制质量大大提高。另外，PLC在软件方面也将有较大的发展。系统的开放使第三方的软件能方便地在符合开放系统标准的PLC上得到移植。除了采用标准化的硬件外，采用标准化的软件也能大大缩短系统开发周期；同时，标准化的软件由于经受了实际应用的考验，它的可靠性也明显提高。总之，PLC总的发展趋势是：高功能、高速度、高集成度、容量大、体积小、成本低、通信联网功能强。第二章 可编程序控制器的结构和工作原理2.1 可编程序控制器的组成与基本结构PLC是微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物，从广义上讲，PLC也是一种计算机系统，只不过它比一般计算机具有更强的与工业过程相连接的输入/输出接口，具有更适用于控制要
