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1、PLC的发展史、基本结构、工作原理及机型选择方法简介可编程控制器（简称PLC）：是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。1.1 PLC发展历史20世纪纪60年年代末期期，美国国汽车制制造工业业竞争激激烈，为为了适应应生产工工艺不断断更新的的需要，在19968年年美国通通用汽车车公司（GM）首先公公开招标标，对控控制系统统提出的的具体要要求基本本为：aa。 它它的继电电控制系系统设计计周期短短，更改改容易，接线简简
2、单成本本低。bb。它能能把计算算机的功功能和继继电器控控制系统统结合起起来。但但编程要要比计算算机简单单易学、操作方方便。cc。系统统通用性性强。119699年美国国数字设设备公司司（DEEC）根根据上述述要求，研制出出世界上上第一台台PLCC，并在在GM公公司汽车车生产线线上首次次试用成成功，实实现了生生产的自自动化。其后日日本、德德国等相相继引入入，可编编程序控控制器迅迅速发展展起来，但是主主要应用用于顺序序控制，只能进进行逻辑辑运算，故称为为可编程程逻辑控控制器，简称PPLC。其定义义：可编编程控制制器是一一种数字字运算操操作的电电子系统统，专为为在工业业环境应应用而设设计的。它采用用一
3、类可可编程的的存储器器，用于于其内部部存储程程序，执执行逻辑辑运算,顺序控控制，定定时，计计数与算算术操作作等面向向用户的的指令，并通过过数字或或模拟式式输入/输出控控制各种种类型的的机械或或生产过过程。可可编程控控制器及及其有关关外部设设备，都都按易于于与工业业控制系系统联成成一个整整体，易易于扩充充其功能能的原则则设计。1.2 基本结结构PLLC可编程序序控制器器实施控控制，其其实质就就是按一一定算法法进行输输入输出出变换，并将这这个变换换与以物物理实现现。输入入输出变变换、物物理实现现可以说说是PLLC实施施控制的的两个基基本点，同时物物理实现现也是PPLC与与普通微微机相区区别之处处，
4、其需需要考虑虑实际控控制的需需要，应应能排除除干扰信信号适应应于工业业现场，输出应应放大到到工业控控制的水水平，能能为实际际控制系系统方便便使用，所以PPLC采采用了典典型的计计算机结结构，主主要是由由微处理理器（CCPU）、存储储器（RRAM/ROMM）、输输入输出出接口（I/OO）电路路、通信信接口及及电源组组成。PPLC的的基本结结构如下下图所示示：1.22.1中中央处理理单元(CPUU) 中央处理理单元 (CPPU)是是PLCC的控制制核心。它按照照PLCC系统程程序赋予予的功能能：a. 接收收并存储储从用户户程序和和数据；b.检检查电源源、存储储器、II/O以以及警戒戒定时器器的状态
5、态，并能能诊断用用户程序序中的语语法错误误。当PPLC投投入运行行时，首首先它以以扫描的的方式采采集现场场各输入入装置的的状态和和数据，并分别别存入II/O映映象寄存存区，然然后从用用户程序序存储器器中逐条条读取用用户程序序，经过过命令解解释后按按指令的的规定执执行逻辑辑或算数数运算并并将结果果送入II/O映映象寄存存区或数数据寄存存器内。等所有有的用户户程序执执行完毕毕之后，最后将将I/OO映象寄寄存区的的各输出出状态或或输出寄寄存器内内的数据据传送到到相应的的输出装装置，如如此循环环直到停停止运行行。 为为了进一一步提高高PLCC的可靠靠性，近近年来对对大型PPLC还还采用双双CPUU构成
6、冗冗余系统统，或采采用三CCPU的的表决式式系统。这样，即使某某个CPPU出现现故障，整个系系统仍能能正常运运行。 1.2.2存储储器可编程序序控制器器的存储储器分为为系统程程序存储储器和用用户程序序存储器器。存放放系统软软件（包包括监控控程序、模块化化应用功功能子程程序、命命令解释释程序、故障诊诊断程序序及其各各种管理理程序）的存储储器称为为系统程程序存储储器；存存放用户户程序（用户程程序存和和数据）的存储储器称为为用户程程序存储储器，所所以又分分为用户户存储器器和数据据存储器器两部分分。 PLC常常用的存存储器类类型 ：（1）RRAM （Raandoom AAsseess Memmoryy
7、） 这这是一种种读/写写存储器器(随机机存储器器)，其其存取速速度最快快，由锂锂电池支支持。（2）EEPROOM（EErassablle PProggrammmabble Reaad OOnlyy Meemorry）这这是一种种可擦除除的只读读存储器器。在断断电情况况下，存存储器内内的所有有内容保保持不变变。(在在紫外线线连续照照射下可可擦除存存储器内内容)。（3）EEEPRROM(Eleectrricaal EErassablle PProggrammmabble Reaad OOnlyy Meemorry)这这是一种种电可擦擦除的只只读存储储器。使使用编程程器就能能很容易易地对其其所存储储
8、的内容容进行修修改。 PLC存存储空间间的分配配 ：虽然各各种 PPLC的的CPUU的最大大寻址空空间各不不相同，但是根根据PLLC的工工作原理理，其存存储空间间一般包包括以下下三个区区域： （1）系系统程序序存储区区（2）系系统RAAM存储储区（包包括I/O映象象寄存区区和系统统软设备备等）。（3）用用户程序序存储区区 系统程序序存储区区：在系系统程序序存储区区中存放放着相当当于计算算机操作作系统的的系统程程序。包包括监控控程序、管理程程序、命命令解释释程序、功能子子程序、系统诊诊断子程程序等。由制造造厂商将将其固化化在 EEPROOM中，用户不不能直接接存取。它和硬硬件一起起决定了了该PL
9、LC的性性能。 系统RAAM存储储区：系系统RAAM存储储区包括括I/OO映象寄寄存区以以及各类类软元件件，如：逻辑线线圈、数数据寄存存器、计计时器、计数器器、变址址寄存器器、累加加器等存存储器。 （1）II/O映映象寄存存区：由由于PLLC投入入运行后后，只是是在输入入采样阶阶段才依依次读入入各输入入状态和和数据，在输出出刷新阶阶段才将将输出的的状态和和数据送送至相应应的外设设。因此此，它需需要一定定数量的的存储单单元(RRAM)以存放放I/OO的状态态和数据据，这些些单元称称作I/O映象象寄存区区。一个个开关量量I/OO占用存存储单元元中的一一个位，一个模模拟量II/O占占用存储储单元中中
10、的一个个字。因因此整个个I/OO映象寄寄存区可可看作两两个部分分组成：开关量量I/OO映象寄寄存区；模拟量量I/OO映象寄寄存区。 （2）系系统软元元件存储储区 ：除了II/O映映象寄存存区区以以外，系系统RAAM存储储区还包包括PLLC内部部各类软软元件（逻辑线线圈、计计时器、计数器器、数据据寄存器器和累加加器等）的存储储区。该该存储区区又分为为具有失失电保持持的存储储区域和和失电不不保持的的存储区区域，前前者在PPLC断断电时，由内部部的锂电电池供电电，数据据不会丢丢失；后后者当PPLC断断电时，数据被被清零。 （3）用用户程序序存储区区 ： 用户程程序存储储区存放放用户编编制的用用户程序
11、序。不同同类型的的 PLLC，其其存储容容量各不不相同。 1.2.3输入入接口电电路 输入输出出信号有有开关量量、模拟拟量、数数字量三三种，在在我们实实习室涉涉及到的的信号当当中，开开关量最最普遍，也是实实验条件件所限，在次我我们主要要介绍开开关量接接口电路路。可编程序序控制器器优点之之一是抗抗干扰能能力强。这也是是其I/O设计计的优点点之处，经过了了电气隔隔离后，信号才才送入CCPU执执行的,防止现现场的强强电干扰扰进入。如下图图就是采采用光电电耦合器器(一般般采用反反光二极极管和光光电三极极管组成成)的开开关量输输入接口口电路：1.2.4 输输出接口口电路可编程序序控制器器的输出出有：继继
12、电器输输出(MM)、晶晶体管输输出(TT)、晶晶闸管输输出(SSSR)三种输输出形式式。(1) 输出接口口电路的的隔离方方式 (2) 输出接口口电路的的主要技技术参数数a.响应应时间 响响应时间间是指PPLC从从ON状状态转变变成OFFF状态态或从OOFF状状态转变变成ONN状态所所需要的的时间。继电器器输出型型响应时时间平均均约为110mss；晶闸闸管输出出型响应应时间为为1mss以下；晶体管管输出型型在0.2mss以下为为最快。b.输出出电流 继电器器输出型型具有较较大的输输出电流流，ACC2500V以下下的电路路电压可可驱动纯纯电阻负负载2AA/1点点、感性性负载880VAA以下（AC1
13、100VV或ACC2000V）及及灯负载载1000W以下下（ACC1000V 或或2000V）的的负载；Y0、Y1以以外每输输出1点点的输出出电流是是0.55A，但但是由于于温度上上升的原原因，每每输出44合计为为0.88A的电电流，输输出晶体体管的OON电压压约为11.5VV，因此此驱动半半导体元元件时，请注意意元件的的输入电电压特性性。Y00、Y11每输出出1点的的输出电电流是00.3AA，但是是对Y00、Y11使用定定位指令令时需要要高速响响应，因因此使用用101000mA的的输出电电流；晶晶闸管输输出电流流也比较较小，FFX1SS无晶闸闸管输出出型。c.开路路漏电流流 开路漏漏电流是是
14、指输出出处于OOFF状状态时，输出回回路中的的电流。继电器器输出型型输出接接点OFFF是无无漏电流流；晶体体管输出出型漏电电流在00.1mmA以下下；晶闸闸管较大大漏电流流，主要要由内部部RC电电路引起起，需在在设计系系统时注注意。输出公共共端（CCOM） 公公共端与与输出各各组之间间形成回回路，从从而驱动动负载。FX11S有11点或44点一个个公共端端输出型型，因此此各公共共端单元元可以驱驱动不同同电源电电压系统统的负载载。1.2.5电源源 PLC的的电源在在整个系系统中起起着十分分重要得得作用。如果没没有一个个良好的的、可靠靠得电源源系统是是无法正正常工作作的，因因此PLLC的制制造商对对
15、电源的的设计和和制造也也十分重重视。一一般交流流电压波波动在+10%(+115%)范围内内，可以以不采取取其它措措施而将将PLCC直接连连接到交交流电网网上去。如FXX1S额额定电压压AC1100VV2400V，而而电压允允许范围围在ACC85VV2644V之间间。允许许瞬时停停电在110mss以下，能继续续工作。一般小型型PLCC的电源源输出分分为两部部分：一一部分供供PLCC内部电电路工作作；一部部分向外外提供给给现场传传感器等等的工作作电源。因此PPLC对对电源的的基本要要求：能有效效地控制制、消除除电网电电源带来来的各种种干扰；电源发发生故障障不会导导致其它它部分产产生故障障；允许较较
16、宽的电电压范围围；电源本本身的功功耗低，发热量量小；内部电电源与外外部电源源完全隔隔离；有较强强的自保保护功能能。 1.3 PLLC的工工作原理理由于PLLC以微微处理器器为核心心，故具具有微机机的许多多特点，但它的的工作方方式却与与微机有有很大不不同。微微机一般般采用等等待命令令的工作作方式，如常见见的键盘盘扫描方方式或II/O扫扫描方，若有键键按下或或有I/O变化化，则转转入相应应的子程程序，若若无则继继续扫描描等待。PLC则则是采用用循环扫扫描的工工作方式式。对每每个程序序，CPPU从第第一条指指令开始始执行，按指令令步序号号做周期期性的程程序循环环扫描，如果无无跳转指指令，则则从第一一
17、条指令令开始逐逐条执行行用户程程序，直直至遇到到结束符符后又返返回第一一条指令令，如此此周而复复始不断断循环，每一个个循环称称为一个个扫描周周期。扫扫描周期期的长短短主要取取决于以以下几个个因素：一是CCPU执执行指令令的速度度；二是是执行每每条指令令占用的的时间；三是程程序中指指令条数数的多少少。一个个扫描周周期主要要可分为为3个阶阶段。1.3.1输入入刷新阶阶段在输入刷刷新阶段段，CPPU扫描描全部输输入端口口，读取取其状态态并写入入输入状状态寄存存器。完完成输入入端刷新新工作后后，将关关闭输入入端口，转入程程序执行行阶段。在程序序执行期期间即使使输入端端状态发发生变化化，输入入状态寄寄存
18、器的的内容也也不会改改变，而而这些变变化必须须等到下下一工作作周期的的输入刷刷新阶段段才能被被读入。1.3.2程序序执行阶阶段在程序执执行阶段段，根据据用户输输入的控控制程序序，从第第一条开开始逐步步执行，并将相相应的逻逻辑运算算结果存存入对应应的内部部辅助寄寄存器和和输出状状态寄存存器。当当最后一一条控制制程序执执行完毕毕后，即即转入输输入刷新新阶段。1.3.3输出出刷新阶阶段当所有指指令执行行完毕后后，将输输出状态态寄存器器中的内内容，依依次送到到输出锁锁存电路路（输出出映像寄寄存器），并通通过一定定输出方方式输出出，驱动动外部相相应执行行元件工工作，这这才形成成PLCC的实际际输出。由此
19、可见见，输入入刷新、程序执执行和输输出刷新新三个阶阶段构成成PLCC一个工工作周期期，由此此循环往往复，因因此称为为循环扫扫描工作作方式。由于输输入刷新新阶段是是紧接输输出刷新新阶段后后马上进进行的，所以亦亦将这两两个阶段段统称为为I/OO刷新阶阶段。实实际上，除了执执行程序序和I/O刷新新外，PPLC还还要进行行各种错错误检测测（自诊诊断功能能）并与与编程工工具通讯讯，这些些操作统统称为“监视服服务”，一般般在程序序执行之之后进行行。综上上述，PPLC的的扫描工工作过程程如图114所示示。显然扫描描周期的的长短主主要取决决于程序序的长短短。扫描描周期越越长，响响应速度度越慢。由于每每个扫描描
20、周期只只进行一一次I/O刷新新，即每每一个扫扫描周期期PLCC只对输输入、输输出状态态寄存器器更新一一次，所所以系统统存在输输入输出出滞后现现象，这这在一定定程度上上降低了了系统的的响应速速度。但但是由于于其对II/O的的变化每每个周期期只输出出刷新一一次，并并且只对对有变化化的进行行刷新，这对一一般的开开关量控控制系统统来说是是完全允允许的，不但不不会造成成影响，还会提提高抗干干扰能力力。这是是因为输输入采样样阶段仅仅在输入入刷新阶阶段进行行，PLLC在一一个工作作周期的的大部分分时间是是与外设设隔离的的，而工工业现场场的干扰扰常常是是脉冲、短时间间的，误误动作将将大大减减小。但但是在快快速
21、响应应系统中中就会造造成响应应滞后现现象，这这个一般般PLCC都会采采取高速速模块。总之，PPLC采采用扫描描的工作作方式，是区别别于其他他设备的的最大特特点之一一，我们们在学习习和使用用PLCC当中都都应加强强注意。1.4 PLCC机型的的选择方方法1PLLC的类类型PLLC按结结构分为为整体型型和模块块型两类类，按应应用环境境分为现现场安装装和控制制室安装装两类；按CPPU字长长分为11位、44位、88位、116位、32位位、644位等。从应用用角度出出发，通通常可按按控制功功能或输输入输出出点数选选型。整整体型PPLC的的I/OO点数固固定，因因此用户户选择的的余地较较小，用用于小型型控
22、制系系统；模模块型PPLC提提供多种种I/OO卡件或或插卡，因此用用户可较较合理地地选择和和配置控控制系统统的I/O点数数，功能能扩展方方便灵活活，一般般用于大大中型控控制系统统。2输入入输出模模块的选选择输入输出出模块的的选择应应考虑与与应用要要求的统统一。例例如对输输入模块块，应考考虑信号号电平、信号传传输距离离、信号号隔离、信号供供电方式式等应用用要求。对输出出模块，应考虑虑选用的的输出模模块类型型，通常常继电器器输出模模块具有有价格低低、使用用电压范范围广、寿命短短、响应应时间较较长等特特点；可可控硅输输出模块块适用于于开关频频繁，电电感性低低功率因因数负荷荷场合，但价格格较贵，过载能
23、能力较差差。输出出模块还还有直流流输出、交流输输出和模模拟量输输出等，与应用用要求应应一致。可根据据应用要要求，合合理选用用智能型型输入输输出模块块，以便便提高控控制水平平和降低低应用成成本。考考虑是否否需要扩扩展机架架或远程程I/OO机架等等。3.电源源的选择择PLC的的供电电电源，除除了引进进设备时时同时引引进PLLC应根根据产品品说明书书要求设设计和选选用外，一般PPLC的的供电电电源应设设计选用用2200VACC电源，与国内内电网电电压一致致。重要要的应用用场合，应采用用不间断断电源或或稳压电电源供电电。如果果PLCC本身带带有可使使用电源源时，应应核对提提供的电电流是否否满足应应用要
24、求求，否则则应设计计外接供供电电源源。为防防止外部部高压电电源因误误操作而而引入PPLC，对输入入和输出出信号的的隔离是是必要的的，有时时也可采采用简单单的二极极管或熔熔丝管隔隔离。4.存储储器的选选择由于计算算机集成成芯片技技术的发发展，存存储器的的价格已已下降，因此，为保证证应用项项目的正正常投运运，一般般要求PPLC的的存储器器容量，按2556个II/O点点至少选选8K存存储器选选择。需需要复杂杂控制功功能时，应选择择容量更更大，档档次更高高的存储储器。55.冗余余功能的的选择a控制制单元的的冗余（1）重重要的过过程单元元：CPPU（包包括存储储器）及及电源均均应1BB1冗余余。（2）在
25、在需要时时也可选选用PLLC硬件件与热备备软件构构成的热热备冗余余系统、2重化化或3重重化冗余余容错系系统等。b II/O接接口单元元的冗余余（1）控控制回路路的多点点I/OO卡应冗冗余配置置。（2）重重要检测测点的多多点I/O卡可可冗余配配置。33）根据据需要对对重要的的I/OO信号，可选用用2重化化或3重重化的II/O接接口单元元。6.经济济性的考考虑选择PLLC时，应考虑虑性能价价格比。考虑经经济性时时，应同同时考虑虑应用的的可扩展展性、可可操作性性、投入入产出比比等因素素，进行行比较和和兼顾，最终选选出较满满意的产产品。输输入输出出点数对对价格有有直接影影响。每每增加一一块输入入输出卡卡件就需需增加一一定的费费用。当当点数增增加到某某一数值值后，相相应的存存储器容容量、机机架、母母板等也也要相应应增加，估因此此，点数数的增加加对CPPU选用用、存储储器容量量、控制制功能范范围等选选择都有有影响，在算和和选用时时应充分分考虑，使整个个控制系系统有较较合理的的性能价价格比。