第1章 可编程控制器的概述

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1、第1章 可编程控制器的概述本章要点可编程控制器的产生、特点、分类与发展可编程控制器的定义和基本含义可编程控制器的基本组成及各部分的作用可编程控制器的工作原理可编程控制器的技术指标1.1可编程控制器的产生随着计算机控制技术的不断发展，可编程控制器的应用已广泛普及，成为自动化技 术的重要组成。可编程控制器最先出现在美国，1968年，美国的汽车制造公司通用汽车 公司（GM）提出了研制一种新型控制器的要求，并从用户角度提出新一代控制器应具备以 下十大条件：（1）编程简单，可在现场修改程序；（2）维护方便，最好是插件式；（3）可靠性高于继电器控制柜；（4）体积小于继电器控制柜；（5）可将数据直接送入管理

2、计算机；（6）在成本上可与继电器控制柜竞争；（7）输入可以是交流115V （即用美国的电网电压）；（8）输出为交流115V、2A以上，能直接驱动电磁阀；（9）在扩展时，原有系统只需要很小的变更；（10）用户程序存储器容量至少能扩展到4KB。条件提出后，立即引起了开发热潮。1969年，美国数字设备公司（DEC）研制出了 世界上第一台可编程序控制器，并应用于通用汽车公司的生产线上。当时叫可编程逻辑 控制器PLC （Programmable Logic Controller），目的是用来取代继电器，以执行逻辑 判断、计时、计数等顺序控制功能。紧接着，美国MODICON公司也开发出同名的控制器， 19

3、71年，日本从美国引进了这项新技术，很快研制成了日本第一台可编程控制器。1973 年，西欧国家也研制出他们的第一台可编程控制器。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70年代中期以后， 特别是进入80年代以来，PLC已广泛地使用16位甚至32位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了中、大规模甚至超大规模的集成电路，使PLC在概 念、设计、性能价格比以及应用方面都有了新的突破。这时的PLC 已不仅仅是逻辑判断 功能，还同时具有数据处理、PID调节和数据通信功能，称之为可编程序控制器 （Programmable Controller）更为合适，简称为PC，但为

4、了与个人计算机（Persona1 Computer）的简称 PC 相区别，一般仍将它简称为 PLC（Programmable Logic Controller）。PLC是微机技术与传统的继电器-接触器控制技术相结合的产物，其基本设计思想是 把计算机功能完善、灵活、通用等优点和继电器控制系统的简单易懂、操作方便、价格 便宜等优点结合起来，控制器的硬件是标准的、通用的。根据实际应用对象，将控制内 容编成软件写入控制器的用户程序存储器内。继电器控制系统已有上百年历史，它是用 弱电信号控制强电系统的控制方法，在复杂的继电器控制系统中，故障的查找和排除困 难，花费时间长，严重地影响工业生产。在工艺要求发

5、生变化的情况下，控制柜内的元 件和接线需要作相应的变动，改造工期长、费用高，以至于用户宁愿另外制作一台新的 控制柜。而PLC克服了继电器-接触器控制系统中机械触点的接线复杂、可靠性低、功 耗高、通用性和灵活性差的缺点，充分利用微处理器的优点，并将控制器和被控对象方 便的连接起来。由于PLC是由微处理器、存储器和外围器件组成，所以应属于工业控制 计算机中的一类。对用户来说，可编程控制器是一种无触点设备，改变程序即可改变生产工艺，因此 如果在初步设计阶段就选用可编程控制器，可以使得设计和调试变得简单容易。从制造 生产可编程控制器的厂商角度看，在制造阶段不需要根据用户的订货要求专门设计控制 器，适合

6、批量生产。由于这些特点，可编程控制器问世以后很快受到工业控制界的欢迎， 并得到迅速的发展。目前，可编程控制器已成为工厂自动化的强有力工具，得到了广泛 的应用。我国从1974年也开始研制可编程序控制器，1977年开始工业应用。目前它已经大 量地应用在楼宇自动化、家庭自动化、商业、公用事业、测试设备和农业等领域，并涌 现出大批应用可编程序控制器的新型设备。掌握可编程序控制器的工作原理，具备设计、 调试和维护可编程序控制器控制系统的能力，已经成为现代工业对电气技术人员和工科 学生的基本要求。1.2可编程控制器的定义国际电工委员会(IEC)曾于1982年11月颁发了可编程控制器标准草案第一稿，1985

7、年 1月又发表了第二稿，1987年2月颁发了第三稿。该草案中对可编程控制器的定义是： “可编程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，用来在其内部存储和执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和 算术运算等操作命令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生 产过程。可编程控制器及其有关外围设备，都按易于与工业系统联成一个整体、易于扩 充其功能的原则设计。”定义强调了可编程控制器是“数字运算操作的电子系统”，是一种计算机。它是“专 为在工业环境下应用而设计”的工业计算机，是一种用程序来改变控制功能的工业控制 计算机，除了能完成各种各样

8、的控制功能外，还有与其他计算机通信联网的功能。这种工业计算机采用“面向用户的指令”，因此编程方便。它能完成逻辑运算、顺序控 制、定时计数和算术操作，它还具有“数字量和模拟量输入输出控制”的能力，并且非 常容易与“工业控制系统联成一体”，易于“扩充”。定义还强调了可编程控制器应直接应用于工业环境，它须具有很强的抗干扰能力、广泛 的适应能力和应用范围。这也是区别于一般微机控制系统的一个重要特征。应该强调的是，可编程控制器与以往所讲的顺序控制器在“可编程”方面有质的区别。 PLC引入了微处理机及半导体存储器等新一代电子器件，并用规定的指令进行编程，能 灵活地修改，即用软件方式来实现“可编程”的目的。

9、可编程序控制器是应用面最广、功能强大、使用方便的通用工业控制装置，自研制 成功开始使用以来，它已经成为了当代工业自动化的主要支柱之一。1.3可编程控制器的基本组成1.3.1控制组件可编程控制器主要由CPU、存储器、基本I/O接口电路、外设接口、编程装置、电 源等组成。可编程控制器的结构多种多样，但其组成的一般原理基本相同，都是以微处理器为 核心的结构，如图1-1所示。编程装置将用户程序送入可编程控制器，在可编程控制器 运行状态下，输入单元接收到外部元件发出的输入信号，可编程控制器执行程序，并根 据程序运行后的结果，由输出单元驱动外部设备。编程装置CPU单元输出设备电源输入信号输出单元输入单元.

10、KCPU单元1/-1图1-1可编程控制器系统结构1. CPU单元CPU是可编程控制器的控制中枢，相当于人的大脑。CPU 一般由控制电路、运算器 和寄存器组成。这些电路通常都被封装在一个集成的芯片上。CPU通过地址总线、数据 总线、控制总线与存储单元、输入输出接口电路连接。CPU的功能有：它在系统监控程 序的控制下工作，通过扫描方式，将外部输入信号的状态写入输入映象寄存区域，PLC 进入运行状态后，从存储器逐条读取用户指令，按指令规定的任务进行数据的传送、逻 辑运算、算术运算等，然后将结果送到输出映像寄存区域。CPU常用的微处理器有通用型微处理器、单片机和位片式计算机等。通用型微处理 器常见的如

11、Intel公司的8086、80186、到Pentium系列芯片，单片机型的微处理器如 Intel公司的MCS-96系列单片机，位片式微处理器如AMD 2900系列的微处理器。小型 PLC的CPU多采用单片机或专用CPU，中型PLC的CPU大多采用16位微处理器或单片机， 大型PLC的CPU多用高速位片式处理器，具有高速处理能力。2. 存储器可编程控制器的存储器由只读存储器ROM、随机存储器RAM和可电擦写的存储器 EEPROM三大部分构成，主要用于存放系统程序、用户程序及工作数据。只读存储器ROM用以存放系统程序，可编程控制器在生产过程中将系统程序固化在 ROM中，用户是不可改变的。用户程序和

12、中间运算数据存放的随机存储器RAM中，RAM 存储器是一种高密度、低功耗、价格便宜的半导体存储器，可用锂电池做备用电源。它 存储的内容是易失的，掉电后内容丢失；当系统掉电时，用户程序可以保存在只读存储 器EEPROM或由高能电池支持的RAM中。EEPROM兼有ROM的非易失性和RAM的随机存取 优点，用来存放需要长期保存的重要数据。3. I/O单元及I/O扩展接口（1）I/O单元PLC内部输入电路作用是将PLC外部电路（如行程开关、按钮、传感器等）提供的 符合PLC输入电路要求的电压信号，通过光电耦合电路送至PLC内部电路。输入电路通 常以光电隔离和阻容滤波的方式提高抗干扰能力，输入响应时间一

13、般在0.115ms之间。 根据输入信号形式的不同，可分为模拟量I/O单元、数字量I/O单元两大类。根据输入 单元形式的不同，可分为基本I/O单元、扩展I/O单元两大类。（2）I/O扩展接口可编程控制器利用I/O扩展接口使I/O扩展单元与PLC的基本单元实现连接，当基 本I/O单元的输入或输出点数不够使用时，可以用I/O扩展单元来扩充开关量I/O点数 和增加模拟量的I/O端子。4. 外设接口外设接口电路用于连接手持编程器或其他图形编程器、文本显示器，并能通过外设 接口组成PLC的控制网络。PLC通过PC/PPI电缆或使用MPI卡通过RS-485接口与计算 机连接，可以实现编程、监控、连网等功能。

14、5. 电源电源单元的作用是把外部电源（220V的交流电源）转换成内部工作电压。外部连接 的电源，通过PLC内部配有的一个专用开关式稳压电源，将交流/直流供电电源转化为 PLC内部电路需要的工作电源（直流5伏、正负12伏、24伏），并为外部输入元件（如 接近开关）提供24V直流电源（仅供输入端点使用），而驱动PLC负载的电源由用户提 供。1.3.2输入输出接口电路输入输出接口电路实际上是PLC与被控对象间传递输入输出信号的接口部件。输入 输出接口电路要有良好的电隔离和滤波作用。1. 输入接口电路由于生产过程中使用的各种开关、按钮、传感器等输入器件直接接到PLC输入接口 电路上，为防止由于触点抖动

15、或干扰脉冲引起错误的输入信号，输入接口电路必须有很 强的抗干扰能力。如图1-2所示，输入接口电路提高抗干扰能力的方法主要有：（1）利用光电耦合器提高抗干扰能力。光电耦合器工作原理是：发光二极管有驱 动电流流过时，导通发光，光敏三极管接收到光线，由截止变为导通，将输入信号送入 PLC内部。光电耦合器中的发光二极管是电流驱动元件，要有足够的能量才能驱动。而内部电路!干扰信号虽然有的电压值很高，但I能量较小，不能使发光二极管导通|发光，,所以不能进入PLC内，实现 I 了电隔离。-（2）利用滤波电路提高抗干扰能力。最常用的滤波电路是电阻电容滤波，如图1-2中的R1、C。图1-2中，S为输入开关，当S闭合时，LED点亮，显示输入开关S处于接通状态。 光电耦合器导通，将高电平经滤波器送到PLC内部电路中。当CPU在循环的输入阶段锁 入该信号时，将该输入点对应的映像寄存器状态置1；当S断开时，则对应的映像寄存 器状态置0。S内部电路图1-2可编程控制器输入电路根据常用输入电路电压类型及电路形式不同，可以分为干接点式、直流输入式和交 流输入式。输入电路的电源可由外部提供，有的也可由PLC内部提供。2. 输出接口电路根据驱动负载元件不同可将输出接口电路分为三种：（1）小型继电器输出形式，如图1-3所示。这种输出形式