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1、第第6 6章章 可编程序控制器的组成与原理可编程序控制器的组成与原理内容提要内容提要可编程序控制器的定义、历史和发展趋势可编程序控制器的分类与特点可编程序控制器的基本结构（中央处理单元、存储器、输入/输出模块、电源模块、接口与外设）可编程序控制器的工作原理（输入采样、程序执行、输出处理）1 6.1.1 6.1.1 可编程序控制器的历史与发展可编程序控制器的历史与发展 1 1可编程序控制器的定义可编程序控制器的定义 可编程序控制器（Programmable Controller）简称为PC，但是由于个人计算机（Personal Computer）也简称为PC，为了区别，同时由于早期的可编程序控制
2、器只是具有逻辑控制功能，因此人们仍习惯称可编程序控制器为PLC（Programmable Logical Controller）。1982年国际电工委员会在颁布可编程序控制器标准草案中所作的定义为：可编程序控制器是一种专为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子系统。它采用一种可编程序的存储器，在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，通过数字或模拟式的输入/输出来控制各种类型的机械设备或生产过程。可编程序控制器及其有关设备应按易于与工业系统连成一个整体和具有扩充功能的原则进行设计。6.1 可编程序控制器的基本概况可编程序控制器的基本概况2 2可编程序控制器的历史
3、可编程序控制器的历史20世纪60年代中期，美国通用汽车公司（GM）为适应生产工艺不断更新的需要，提出了一种设想：把计算机的功能完善、通用灵活等优点和继电器控制系统的简单易懂、操作方便、价格低廉等优点结合起来。并由此提出了新型电气控制的10条招标要求，其中包括：工作特性比继电器控制系统可靠；占位空间比继电器控制系统小；价格上能与继电器控制系统竞争；必须易于编程；易于在现场变更程序；便于使用、维护、维修；能直接推动电磁阀、电动机起动器及与此相当的执行机构；能向中央数据处理系统直接传输数据等。美国数字设备公司（DEC）根椐这一招标要求，于1969年研制成功了第一台可编程序控制器PDP-14，并在汽车
4、自动装配线上试用成功。3这项新技术的使用，在工业界产生了巨大的影响。从此可编程序控制器在世界各地迅速发展起来。1971年，日本从美国引进了这项新技术，并很快研制成功了日本第一台可编程序控制器。1973年1974年，德国、法国也相继研制成功了他们的可编程序控制器。我国从1974年开始研制，1977年研制成功了以一位微处理器MC14500为核心的可编程序控制器，并开始应用于工业生产控制。从第一台PLC诞生至今，PLC大致经历了四次更新换代。第一代PLC，多数用1位机开发，采用磁芯存储器存储，仅具有逻辑控制、定时、计数功能。4第二代PLC，使用了8位微处理器及半导体存储器，其产品逐步系列化，功能也有
5、所增强，已能实现数字运算、传送、比较等功能。第三代PLC，采用了高性能微处理器及位片式CPU，工作速度大幅度提高，同时促使其向多功能和联网方向发展，并具有较强的自诊断能力。第四代PLC，不仅全面使用16位、32位微处理器作为CPU，内存容量也更大。可以直接用于一些规模较大的复杂控制系统；编程语言除了可使用传统的梯形图、流程图等外，还可使用高级语言；外设也更多样化。现在，PLC已广泛应用于工业控制的各个领域，PLC技术、机器人技术、CAD/CAM技术共同构成了工业自动化的三大支柱。在本书中，将以应用较广泛的日本OMRON公司的C系列P型和H型PLC为背景机，介绍PLC的原理和应用。5 3可编程序
6、控制器的发展趋势可编程序控制器的发展趋势由于工业生产对自动控制系统需求的多样性，PLC的发展方向有两个：一是朝着小型、简易、价格低廉方向发展。单片机技术的发展，促进了PLC向紧凑型发展，体积减小，价格降低，可靠性不断提高。这种小型的PLC可以广泛取代继电器控制系统，应用于单机控制和小型生产线的控制，如OMRON公司的C20、C20P、C28P、C40P、C60P、C20H、C40H等。二是朝着大型、高速、多功能方向发展。大型的PLC一般为多微处理器系统，有较大的存储能力和功能强劲的输入/输出接口。通过丰富的智能外设接口，可以实现流量、温度、压力、位置等闭环控制；通过网络接口，可级连不同类型的P
7、LC和计算机，从而组成控制范围很大的局域网络，适用于大型的自动化控制系统。66.1.2可编程序控制器的分类与特点可编程序控制器的分类与特点 1可编程序控制器的分类可编程序控制器的分类 PLC的种类很多，其功能、内存容量、控制规模、外形等方面差异较大，因此PLC的分类标准也不统一，但仍可按其I/O点数、结构形式、实现功能进行大致的分类。（1）按I/O点数分类。PLC按I/O的总点数分类可分为：小于256点的为小型机，2572048点的为中型机，超过2048点的为大型机。（2）按结构形式分类。PLC按硬件的结构形式可分为整体式PLC和组合式PLC。整体式PLC的CPU、存储器、I/O接口安装在同一
8、机体内，其结构紧凑、体积小、价格低，但灵活性较差。组合式PLC在硬件上具有较高的灵活性，其模块可以像拼积木一样进行组合，构成不同控制规模和功能的PLC，因此又被称为积木式PLC。7（3）按实现的功能分类。按照PLC所能实现的功能的不同，可将PLC分为低档、中档和高档三类。低档机具有逻辑运算、定时、计数、移位、自诊断、监控等基本功能和一定的算术运算、数据传送、比较、通信和模拟量处理功能。中档机除具有低档机的功能以外，还具有较强的算术运算、数据传送、比较、通信、子程序、中断处理和回路控制功能。高档机则在中档机的基础之上加强了带符号数的运算、矩阵运算以及函数、表格、CRT显示、打印等功能。一般来说，
9、低档机多为小型PLC，采用整体结构；中档机可为大、中、小型PLC，且中、小型PLC多为整体结构，大、中型PLC为组合式结构。高档机多为大型PLC，采用组合式结构。目前，得到广泛应用的多是中、低档机。8 2可编程序控制器的特点可编程序控制器的特点PLC作为一种新型的控制装置与传统的继电器控制系统相比具有时间响应快、控制精度高、可靠性好、控制程序可随工艺改变、易与计算机连接、维修方便、体积小、重量轻和功耗低等诸多高品质与功能。PLC是在按钮开关、限位开关和其他传感器等发出的监控输入信号作用下进行工作的。输入信号作用于用户程序便产生输出信号，而这些输出信号可直接控制外部的控制系统，如电动机、接触器、
10、电磁阀、指示灯等。PLC和计算机虽都具有中央处理单元、存储器、输入/输出接口，都可以接CRT、打印机，都使用软件，但在许多方面仍存在着较大差异，其差异见表6.1。9比较项目PLC计算机工作目的用于机械及过程自动化科学计算、数据管理、工业控制工作环境工业现场计算机房、办公室、实验室工作方式顺序扫描方式中断处理方式表现形态编程器和执行主机共两套计算机没有专门的编程器输入设备控制开关、传感器、编程器、通信接口、其他计算机等键盘、磁带机、磁盘机、卡片机、通信接口输出设备电磁开关、电动机、电磁阀、电磁继电器、报警显示器、灯、加热器等，也可接CRT、打字机CRT、打字机、穿孔机、磁带机、磁盘机特殊措施抗干
11、扰措施、各种动态检测、停电保护、监控功能、更换I/O模块不会影响主机工作、易维护的结构等掉电保护等一般措施使用的软件一般多用梯形图符号语言、操作系统等汇编语言、BASIC语言、FORTRAN语言、Pascal语言、C语言等通用语言对操作人员的要求一般不用学习专门语言、操作系统等软件工作者、计算机工作者或有一定计算机专业基础的工程技术人员其他机种多，I/O模块种类多，各种配件齐全，很容易构成系统设计人员不用再去考虑软件问题，因此工程上的应用快、收益高系统稳定可靠表表6.1 PLC与计算机的比较与计算机的比较10 6.2 6.2 可编程序控制器的基本结构可编程序控制器的基本结构PLC采用典型的计算
12、机结构，由中央处理单元、存储器、输入/输出接口电路和其他一些电路组成。图6.1为结构示意图，图6.2为逻辑结构示意图。6.2.1中央处理单元中央处理单元中央处理单元（CPU）是PLC的核心部件，从图6.2可以看出，它控制着所有部件的操作。CPU通过地址总线、数据总线和控制总线与存储单元、输入输出（I/O）接口电路连接。CPU按扫描方式工作，扫描从0000地址存放的第一条用户程序开始，经过存储器中各功能程序，到用户程序的最后一个地址，不停地周期性扫描，每扫描一次，用户程序就执行一次。CPU的主要功能包括从存储器中读取指令，执行指令，准备下一条指令，处理中断。11图6.1可编程序控制器结构示意图1
13、2图6.2可编程序控制器逻辑结构示意图13 6.2.2存储器存储器存储器用来存放系统程序、用户程序、逻辑变量和一些其他信息。系统程序是指控制和完成PLC各种功能的程序。这些程序由PLC制造厂家用微机指令编写并固化在ROM中。用户程序是指使用者根据工程现场的生产过程和工艺要求编写的控制程序。用户程序由使用者输入到PLC的RAM中，允许修改，由用户启动运行。146.2.3输入输入/输出模块输出模块输入/输出（I/O）模块是PLC与现场I/O设备或其他外部设备之间的连接部件。PLC通过输入模块把工业现场的状态信息读入，通过用户程序的运算与操作，把结果通过输出模块输出给执行机构。输出模块用于把用户程序
14、的逻辑运算结果输出到PLC外部，输出模块具有隔离PLC内部电路与外部执行元件的作用，同时兼有功率放大作用。输出模块常用的形式有晶体管输出（T型）、双向晶闸管输出（S型）和继电器输出（R型）。使用时要注意：晶体管输出型模块只能带直流负载，双向晶闸管输出型模块只能带交流负载，继电器输出型模块可带交/直流负载。156.2.4电源模块电源模块一般PLC采用AC220V电源，也可用直流电源。交流电源经整流和稳压向PLC各模块供电。欧姆龙C系列P型PLC使用DC24V工作电源。6.2.5其他接口及外设其他接口及外设其他接口包括外存储器接口、A/D转换接口、D/A转换接口、远程通信接口、与计算机相连的接口、
15、与CRT相连的接口等。其他外设包括编程器、键盘、CRT等。166.3.1可编程序控制器应用举例可编程序控制器应用举例 6.3 6.3 可编程序控制器的基本工作过程可编程序控制器的基本工作过程图6.3所示为三相异步电动机的起停电路。若改用欧姆龙C系列P型机实现控制，按控制要求可设计出图6.4所示的I/O连线图和图6.5所示的梯形图以及相应的指令程序（见指令表6.2）。图6.3三相异步电动机的起停电路17不难看出，图6.5所示的梯形图与图6.3(b)所示的继电器控制电路很相似。梯形图是PLC的编程语言。对于使用者来说，在编制应用程序时，可不考虑PLC内部的复杂构成和使用的计算机语言，而把PLC看成
16、是内部具有许多“软继电器”组成的控制器，用提供给使用者的近似于继电器控制线路图的梯形图进行编程。这些“软继电器”的线圈、动合触点、动断触点分别用“”、“”、“”来表示。梯形图中触点在左边，与左侧垂直公共母线（左母线）相连，线圈在最右边，接右侧垂直公共母线，右母线可以省略。18图6.4I/O连线图19图6.5梯形图图6.6修改后的梯形图20表表6.2 起停控制指令表起停控制指令表地址指令数据0000LD00000001OR05000002AND-NOT00010003AND-NOT00020004OUT05000005END(01)21但要注意，PLC内部的继电器并不是物理继电器（硬件继电器），
17、其实质是存储器中的某些触发器。该触发器为“1”状态时，相当于继电器得电；该触发器为“0”状态时，相当于继电器失电。前面提到，PLC的特点之一是控制程序可随工艺改变，当被控制对象、控制方案和工艺流程改变时，不需改变PLC硬件，只需改变程序就可实现不同的控制。假设根据生产工艺需要，按下起动按钮SB2后电动机只需运行1min就应自行停止，若遇紧急情况，可随时停止电动机运行。显然，若采用继电器控制，需要改变图6.3(b)才能实现。但若采用PLC控制，则根本不需改变任何连线和增加任何器件，只需修改梯形图和指令程序即可。修改后的梯形图和指令程序分别见图6.6和表6.3。22表表6.3 定时控制指令表定时控
18、制指令表地址指令数据0000LD00000001OR05000002AND-NOT00010003AND-NOT00020004AND-NOTTIM000005OUT05000006LD05000007TIM00#06000008END（01）236.3.2可编程序控制器的工作过程可编程序控制器的工作过程可编程序控制器实现某一用户程序的工作过程如图6.7所示，可分为三个阶段：输入采样阶段、程序执行阶段和输出处理阶段。1输入采样阶段输入采样阶段CPU将全部现场输入信号如按钮、限位开关、速度继电器等的状态（通/断）经PLC的输入端子，读入映像寄存器，这一过程称为输入采样或扫描阶段。进入下一阶段即程
19、序执行阶段时，输入信号若发生变化，输入映像寄存器也不予理睬，只有等到下一扫描周期输入采样阶段时才被更新。这种输入工作方式称为集中输入方式。24图6.7工作过程25 2程序执行阶段程序执行阶段CPU从0000地址的第一条指令开始，依次逐条执行各指令，直到执行到最后一条指令。PLC执行指令程序时，要读入输入映像寄存器的状态（ON或OFF，即1或0）和其他编程元件的状态，除输入继电器外，一些编程元件的状态随着指令的执行不断更新。CPU按程序给定的要求进行逻辑运算和算术运算，运算结果存入相应的元件映像寄存器，把将要向外输出的信号存入输出映像寄存器，并由输出锁存器保存。程序执行阶段的特点是依次顺序执行指
20、令。3输出处理阶段输出处理阶段CPU将输出映像寄存器的状态经输出锁存器和PLC的输出端子，传送到外部去驱动接触器、电磁阀和指示灯等负载。这时输出锁存器的内容要等到下一个扫描周期的输出阶段到来才会被刷新。这种输出工作方式称为集中输出方式。26下面以图6.4和图6.5中所示的电动机起停控制为例，说明PLC的工作过程。（1）输入采样阶段。CPU将外设SB1,SB2和FR的状态经输入端子0000,0001,0002读入对应的输入映像寄存器。（2）程序执行阶段。CPU按表6.2所示的指令表，逐条执行指令。执行0000地址指令时，将输入映像继电器0000的数（1或0）取出，存入结果寄存器R。执行0001地
21、址的第二条指令时，将输出映像继电器0500的内容与运算结果寄存器中的内容相“或”，运算结果存入R。执行0002地址指令时，将输入映像寄存器0001的内容取出与结果寄存器R的内容相“与”，结果存入R。执行0003地址指令时，将输入映像寄存器0002的内容取出与结果寄存器R的内容相“与”，结果存入R。执行0004地址指令时，将结果寄存器的内容传送给输出映像寄存器。27（3）输出处理阶段。将输出映像寄存器的内容传送给输出锁存器，经输出端子去驱动外负载。若输出锁存器的内容为1，则输出继电器的状态为ON，接触器得电。反之，若输出锁存器的内容为0，则输出继电器的状态为OFF，接触器失电。由以上分析可知，可
22、编程序控制器采用串行工作方式，由彼此串行的三个阶段可构成一个扫描周期，输入处理和输出处理阶段采用集中扫描工作方式。只要CPU置于“RUN”，完成一个扫描周期工作后，将自动转入下一个扫描周期，反复循环地工作，这与继电器控制是大不相同的。CPU完成一次包括输入处理阶段、程序执行阶段和输出处理阶段的扫描循环所占用的时间称为PLC的一个扫描周期，用T0表示。其中输入和输出时间很短，约为1ms。程序执行时间与指令种类和CPU扫描速度相关。欧姆龙C系列P型机的CPU指令执行的平均时间约为10s/指令。一个扫描周期只有几毫秒。28 本章小结本章小结可编程序控制器是一种新型的工业控制专用计算机，其分类方法可按I/O点数、结构形式和功能进行。可编程序控制器的特点是利用计算机对工业设备直接进行电气控制。可编程序控制器利用软件进行控制，其工作过程可分为输入采样、程序执行和输出处理三个阶段，并采用扫描循环方式工作，这一点与传统继电器-接触器系统是完全不相同的，也是其性能得到提高的基础之一。29思考题和习题66.1PLC基本单元由哪几个部分组成？它们的作用各是什么？6.2举例说明可编程序控制器的现场输入元件和负载的种类。6.3继电器、晶闸管、晶体管输出各具有什么特点？6.4PLC在一个工作周期中能完成哪些工作？30