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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制器（简称称PLC）：是一种数数字运算操操作的电子子系统，专专为在工业业环境应用用而设计的的。它采用用一类可编编程的存储储器，用于于其内部存存储程序，执执行逻辑运运算,顺序序控制，定定时，计数数与算术操操作等面向向用户的指指令，并通通过数字或或模拟式输输入/输出出控制各种种类型的机机械或生产产过程。1.1 PPLC发展展历史20世纪660年代末末期，美国国汽车制造造工业竞争争激烈，为为了适应生生产工艺不不断更新的的需要，在在19688年美国通通用汽车公公司（GMM）首先公公开招标，对对控制系统统提出的具具体要求基基本为：aa。 它的
2、的继电控制制系统设计计周期短，更更改容易，接接线简单成成本低。bb。它能把把计算机的的功能和继继电器控制制系统结合合起来。但但编程要比比计算机简简单易学、操操作方便。cc。系统通通用性强。11969年年美国数字字设备公司司（DECC）根据上上述要求，研研制出世界界上第一台台PLC，并并在GM公公司汽车生生产线上首首次试用成成功，实现现了生产的的自动化。其其后日本、德德国等相继继引入，可可编程序控控制器迅速速发展起来来，但是主主要应用于于顺序控制制，只能进进行逻辑运运算，故称称为可编程程逻辑控制制器，简称称PLC。其其定义：可可编程控制制器是一种种数字运算算操作的电电子系统，专专为在工业业环境应
3、用用而设计的的。它采用用一类可编编程的存储储器，用于于其内部存存储程序，执执行逻辑运运算,顺序序控制，定定时，计数数与算术操操作等面向向用户的指指令，并通通过数字或或模拟式输输入/输出出控制各种种类型的机机械或生产产过程。可可编程控制制器及其有有关外部设设备，都按按易于与工工业控制系系统联成一一个整体，易易于扩充其其功能的原原则设计。1.2 基基本结构PPLC可编程序控控制器实施施控制，其其实质就是是按一定算算法进行输输入输出变变换，并将将这个变换换与以物理理实现。输输入输出变变换、物理理实现可以以说是PLLC实施控控制的两个个基本点，同同时物理实实现也是PPLC与普普通微机相相区别之处处，其
4、需要要考虑实际际控制的需需要，应能能排除干扰扰信号适应应于工业现现场，输出出应放大到到工业控制制的水平，能能为实际控控制系统方方便使用，所所以PLCC采用了典典型的计算算机结构，主主要是由微微处理器（CCPU）、存存储器（RRAM/RROM）、输输入输出接接口（I/O）电路路、通信接接口及电源源组成。PPLC的基基本结构如如下图所示示：1.2.1中央处处理单元(CPU) 中央处理单单元 (CCPU)是是PLC的的控制核心心。它按照照PLC系系统程序赋赋予的功能能：a. 接收并存存储从用户户程序和数数据；b.检查电源源、存储器器、I/OO以及警戒戒定时器的的状态，并并能诊断用用户程序中中的语法错
5、错误。当PPLC投入入运行时，首首先它以扫扫描的方式式采集现场场各输入装装置的状态态和数据，并并分别存入入I/O映映象寄存区区，然后从从用户程序序存储器中中逐条读取取用户程序序，经过命命令解释后后按指令的的规定执行行逻辑或算算数运算并并将结果送送入I/OO映象寄存存区或数据据寄存器内内。等所有有的用户程程序执行完完毕之后，最最后将I/O映象寄寄存区的各各输出状态态或输出寄寄存器内的的数据传送送到相应的的输出装置置，如此循循环直到停停止运行。 为了进一一步提高PPLC的可可靠性，近近年来对大大型PLCC还采用双双CPU构构成冗余系系统，或采采用三CPPU的表决决式系统。这这样，即使使某个CPPU
6、出现故故障，整个个系统仍能能正常运行行。 1.2.22存储器 可编程序控控制器的存存储器分为为系统程序序存储器和和用户程序序存储器。存存放系统软软件（包括括监控程序序、模块化化应用功能能子程序、命命令解释程程序、故障障诊断程序序及其各种种管理程序序）的存储储器称为系系统程序存存储器；存存放用户程程序（用户户程序存和和数据）的的存储器称称为用户程程序存储器器，所以又又分为用户户存储器和和数据存储储器两部分分。 PLC常用用的存储器器类型 ：（1）RAAM （RRandoom Asssesss Memmory） 这是一种种读/写存存储器(随随机存储器器)，其存存取速度最最快，由锂锂电池支持持。（2
7、）EPPROM（EErasaable Proggrammmablee Reaad Onnly MMemorry）这是是一种可擦擦除的只读读存储器。在在断电情况况下，存储储器内的所所有内容保保持不变。(在紫外线线连续照射射下可擦除除存储器内内容)。（3）EEEPROMM(Eleectriical Erassablee Proogrammmablle Reead OOnly Memoory)这这是一种电电可擦除的的只读存储储器。使用用编程器就就能很容易易地对其所所存储的内内容进行修修改。 PLC存储储空间的分分配 ：虽然各种种 PLCC的CPUU的最大寻寻址空间各各不相同，但但是根据PPLC的工工
8、作原理，其其存储空间间一般包括括以下三个个区域： （1）系统统程序存储储区（2）系统统RAM存存储区（包包括I/OO映象寄存存区和系统统软设备等等）。（3）用户户程序存储储区 系统程序存存储区：在在系统程序序存储区中中存放着相相当于计算算机操作系系统的系统统程序。包包括监控程程序、管理理程序、命命令解释程程序、功能能子程序、系系统诊断子子程序等。由由制造厂商商将其固化化在 EPPROM中中，用户不不能直接存存取。它和和硬件一起起决定了该该PLC的的性能。 系统RAMM存储区：系统RAAM存储区区包括I/O映象寄寄存区以及及各类软元元件，如：逻辑线圈圈、数据寄寄存器、计计时器、计计数器、变变址寄
9、存器器、累加器器等存储器器。 （1）I/O映象寄寄存区：由由于PLCC投入运行行后，只是是在输入采采样阶段才才依次读入入各输入状状态和数据据，在输出出刷新阶段段才将输出出的状态和和数据送至至相应的外外设。因此此，它需要要一定数量量的存储单单元(RAAM)以存存放I/OO的状态和和数据，这这些单元称称作I/OO映象寄存存区。一个个开关量II/O占用用存储单元元中的一个个位，一个个模拟量II/O占用用存储单元元中的一个个字。因此此整个I/O映象寄寄存区可看看作两个部部分组成：开关量II/O映象象寄存区；模拟量II/O映象象寄存区。 （2）系统统软元件存存储区 ：除了I/O映象寄寄存区区以以外，系统
10、统RAM存存储区还包包括PLCC内部各类类软元件（逻逻辑线圈、计计时器、计计数器、数数据寄存器器和累加器器等）的存存储区。该该存储区又又分为具有有失电保持持的存储区区域和失电电不保持的的存储区域域，前者在在PLC断断电时，由由内部的锂锂电池供电电，数据不不会丢失；后者当PPLC断电电时，数据据被清零。 （3）用户户程序存储储区 ： 用户程序序存储区存存放用户编编制的用户户程序。不不同类型的的 PLCC，其存储储容量各不不相同。 1.2.33 输入接口口电路 输入输出信信号有开关关量、模拟拟量、数字字量三种，在在我们实习习室涉及到到的信号当当中，开关关量最普遍遍，也是实实验条件所所限，在次次我们
11、主要要介绍开关关量接口电电路。可编程序控控制器优点点之一是抗抗干扰能力力强。这也也是其I/O设计的的优点之处处，经过了了电气隔离离后，信号号才送入CCPU执行行的,防止止现场的强强电干扰进进入。如下下图就是采采用光电耦耦合器(一一般采用反反光二极管管和光电三三极管组成成)的开关关量输入接接口电路：1.2.44 输出接接口电路可编程序控控制器的输输出有：继继电器输出出(M)、晶晶体管输出出(T)、晶晶闸管输出出(SSRR)三种输输出形式。(1) 输出接口电电路的隔离离方式 (2) 输出接口电电路的主要要技术参数数a.响应时时间 响应时间间是指PLLC从ONN状态转变变成OFFF状态或从从OFF状
12、状态转变成成ON状态态所需要的的时间。继继电器输出出型响应时时间平均约约为10mms；晶闸闸管输出型型响应时间间为1mss以下；晶晶体管输出出型在0.2ms以以下为最快快。b.输出电电流 继电器器输出型具具有较大的的输出电流流，AC2250V以以下的电路路电压可驱驱动纯电阻阻负载2AA/1点、感感性负载880VA以以下（ACC100VV或AC2200V）及及灯负载1100W以以下（ACC100VV 或2000V）的的负载；YY0、Y11以外每输输出1点的的输出电流流是0.55A，但是是由于温度度上升的原原因，每输输出4合计计为0.88A的电流流，输出晶晶体管的OON电压约约为1.55V，因此此
13、驱动半导导体元件时时，请注意意元件的输输入电压特特性。Y00、Y1每每输出1点点的输出电电流是0.3A，但但是对Y00、Y1使使用定位指指令时需要要高速响应应，因此使使用10100mmA的输出出电流；晶晶闸管输出出电流也比比较小，FFX1S无无晶闸管输输出型。c.开路漏漏电流 开路漏漏电流是指指输出处于于OFF状状态时，输输出回路中中的电流。继继电器输出出型输出接接点OFFF是无漏电电流；晶体体管输出型型漏电流在在0.1mmA以下；晶闸管较较大漏电流流，主要由由内部RCC电路引起起，需在设设计系统时时注意。输出公共端端（COMM） 公公共端与输输出各组之之间形成回回路，从而而驱动负载载。FX1
14、1S有1点点或4点一一个公共端端输出型，因因此各公共共端单元可可以驱动不不同电源电电压系统的的负载。1.2.55电源 PLC的电电源在整个个系统中起起着十分重重要得作用用。如果没没有一个良良好的、可可靠得电源源系统是无无法正常工工作的，因因此PLCC的制造商商对电源的的设计和制制造也十分分重视。一一般交流电电压波动在在+10%(+155%)范围围内，可以以不采取其其它措施而而将PLCC直接连接接到交流电电网上去。如如FX1SS额定电压压AC1000V240VV，而电压压允许范围围在AC885V264VV之间。允允许瞬时停停电在100ms以下下，能继续续工作。一般小型PPLC的电电源输出分分为两
15、部分分：一部分分供PLCC内部电路路工作；一一部分向外外提供给现现场传感器器等的工作作电源。因因此PLCC对电源的的基本要求求：能有效地地控制、消消除电网电电源带来的的各种干扰扰；电源发生生故障不会会导致其它它部分产生生故障；允许较宽宽的电压范范围；电源本身身的功耗低低，发热量量小；内部电源源与外部电电源完全隔隔离；有较强的的自保护功功能。 1.3 PLC的的工作原理理由于PLCC以微处理理器为核心心，故具有有微机的许许多特点，但但它的工作作方式却与与微机有很很大不同。微微机一般采采用等待命命令的工作作方式，如如常见的键键盘扫描方方式或I/O扫描方方，若有键键按下或有有I/O变变化，则转转入相
16、应的的子程序，若若无则继续续扫描等待待。PLC则是是采用循环环扫描的工工作方式。对对每个程序序，CPUU从第一条条指令开始始执行，按按指令步序序号做周期期性的程序序循环扫描描，如果无无跳转指令令，则从第第一条指令令开始逐条条执行用户户程序，直直至遇到结结束符后又又返回第一一条指令，如如此周而复复始不断循循环，每一一个循环称称为一个扫扫描周期。扫扫描周期的的长短主要要取决于以以下几个因因素：一是是CPU执执行指令的的速度；二二是执行每每条指令占占用的时间间；三是程程序中指令令条数的多多少。一个个扫描周期期主要可分分为3个阶阶段。1.3.11输入刷新新阶段在输入刷新新阶段，CCPU扫描描全部输入入
17、端口，读读取其状态态并写入输输入状态寄寄存器。完完成输入端端刷新工作作后，将关关闭输入端端口，转入入程序执行行阶段。在在程序执行行期间即使使输入端状状态发生变变化，输入入状态寄存存器的内容容也不会改改变，而这这些变化必必须等到下下一工作周周期的输入入刷新阶段段才能被读读入。1.3.22程序执行行阶段在程序执行行阶段，根根据用户输输入的控制制程序，从从第一条开开始逐步执执行，并将将相应的逻逻辑运算结结果存入对对应的内部部辅助寄存存器和输出出状态寄存存器。当最最后一条控控制程序执执行完毕后后，即转入入输入刷新新阶段。1.3.33 输出刷新新阶段当所有指令令执行完毕毕后，将输输出状态寄寄存器中的的内
18、容，依依次送到输输出锁存电电路（输出出映像寄存存器），并并通过一定定输出方式式输出，驱驱动外部相相应执行元元件工作，这这才形成PPLC的实实际输出。由此可见，输输入刷新、程程序执行和和输出刷新新三个阶段段构成PLLC一个工工作周期，由由此循环往往复，因此此称为循环环扫描工作作方式。由由于输入刷刷新阶段是是紧接输出出刷新阶段段后马上进进行的，所所以亦将这这两个阶段段统称为II/O刷新新阶段。实实际上，除除了执行程程序和I/O刷新外外，PLCC还要进行行各种错误误检测（自自诊断功能能）并与编编程工具通通讯，这些些操作统称称为“监视服务务”，一般在在程序执行行之后进行行。综上述述，PLCC的扫描工工
19、作过程如如图14所示。显然扫描周周期的长短短主要取决决于程序的的长短。扫扫描周期越越长，响应应速度越慢慢。由于每每个扫描周周期只进行行一次I/O刷新，即即每一个扫扫描周期PPLC只对对输入、输输出状态寄寄存器更新新一次，所所以系统存存在输入输输出滞后现现象，这在在一定程度度上降低了了系统的响响应速度。但但是由于其其对I/OO的变化每每个周期只只输出刷新新一次，并并且只对有有变化的进进行刷新，这这对一般的的开关量控控制系统来来说是完全全允许的，不不但不会造造成影响，还还会提高抗抗干扰能力力。这是因因为输入采采样阶段仅仅在输入刷刷新阶段进进行，PLLC在一个个工作周期期的大部分分时间是与与外设隔离
20、离的，而工工业现场的的干扰常常常是脉冲、短短时间的，误误动作将大大大减小。但但是在快速速响应系统统中就会造造成响应滞滞后现象，这这个一般PPLC都会会采取高速速模块。总之，PLLC采用扫扫描的工作作方式，是是区别于其其他设备的的最大特点点之一，我我们在学习习和使用PPLC当中中都应加强强注意。1.4 PPLC机型型的选择方方法1PLCC的类型PPLC按结结构分为整整体型和模模块型两类类，按应用用环境分为为现场安装装和控制室室安装两类类；按CPPU字长分分为1位、44位、8位位、16位位、32位位、64位位等。从应应用角度出出发，通常常可按控制制功能或输输入输出点点数选型。整整体型PLLC的I/
21、O点数固固定，因此此用户选择择的余地较较小，用于于小型控制制系统；模模块型PLLC提供多多种I/OO卡件或插插卡，因此此用户可较较合理地选选择和配置置控制系统统的I/OO点数，功功能扩展方方便灵活，一一般用于大大中型控制制系统。2输入输输出模块的的选择输入输出模模块的选择择应考虑与与应用要求求的统一。例例如对输入入模块，应应考虑信号号电平、信信号传输距距离、信号号隔离、信信号供电方方式等应用用要求。对对输出模块块，应考虑虑选用的输输出模块类类型，通常常继电器输输出模块具具有价格低低、使用电电压范围广广、寿命短短、响应时时间较长等等特点；可可控硅输出出模块适用用于开关频频繁，电感感性低功率率因数
22、负荷荷场合，但但价格较贵贵，过载能能力较差。输输出模块还还有直流输输出、交流流输出和模模拟量输出出等，与应应用要求应应一致。可可根据应用用要求，合合理选用智智能型输入入输出模块块，以便提提高控制水水平和降低低应用成本本。考虑是是否需要扩扩展机架或或远程I/O机架等等。3.电源的的选择PLC的供供电电源，除除了引进设设备时同时时引进PLLC应根据据产品说明明书要求设设计和选用用外，一般般PLC的的供电电源源应设计选选用2200VAC电电源，与国国内电网电电压一致。重重要的应用用场合，应应采用不间间断电源或或稳压电源源供电。如如果PLCC本身带有有可使用电电源时，应应核对提供供的电流是是否满足应应
23、用要求，否否则应设计计外接供电电电源。为为防止外部部高压电源源因误操作作而引入PPLC，对对输入和输输出信号的的隔离是必必要的，有有时也可采采用简单的的二极管或或熔丝管隔隔离。4.存储器器的选择由于计算机机集成芯片片技术的发发展，存储储器的价格格已下降，因因此，为保保证应用项项目的正常常投运，一一般要求PPLC的存存储器容量量，按2556个I/O点至少少选8K存存储器选择择。需要复复杂控制功功能时，应应选择容量量更大，档档次更高的的存储器。5.冗余功能的选择a控制单单元的冗余余（1）重要要的过程单单元：CPPU（包括括存储器）及及电源均应应1B1冗冗余。（2）在需需要时也可可选用PLLC硬件与
24、与热备软件件构成的热热备冗余系系统、2重重化或3重重化冗余容容错系统等等。b I/O接口单单元的冗余余（1）控制制回路的多多点I/OO卡应冗余余配置。（2）重要要检测点的的多点I/O卡可冗冗余配置。33）根据需需要对重要要的I/OO信号，可可选用2重重化或3重重化的I/O接口单单元。6.经济性性的考虑选择PLCC时，应考考虑性能价价格比。考考虑经济性性时，应同同时考虑应应用的可扩扩展性、可可操作性、投投入产出比比等因素，进进行比较和和兼顾，最最终选出较较满意的产产品。输入入输出点数数对价格有有直接影响响。每增加加一块输入入输出卡件件就需增加加一定的费费用。当点点数增加到到某一数值值后，相应应的存储器器容量、机机架、母板板等也要相相应增加，估估因此，点点数的增加加对CPUU选用、存存储器容量量、控制功功能范围等等选择都有有影响，在在算和选用用时应充分分考虑，使使整个控制制系统有较较合理的性性能价格比比。