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1、可编程序控制器可编程序控制器(PLC)原理及应用原理及应用 主主 讲讲 汤立刚汤立刚1/2第一章第一章可编程序控制器概述可编程序控制器概述 引言 可编程控制器（可编程控制器（Programmable ControllerProgrammable Controller）是）是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制造的。早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器（制器（Programmable Logic ControllerProgrammable Logic Controller），简称），简称PLCPLC，
2、它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称控制器，简称PCPC。但是为了避免与个人计算机。但是为了避免与个人计算机（Personal ComputerPersonal Computer）的简称混淆，所以将可编）的简称混淆，所以将可编程控制器简称程控制器简称PLCPLC。1.1PLC的产生的产生 在60年代，汽车生产流水线的自动控制系统基本上都是由继电器控制装置构成的，当时汽车的每一
3、次改型都直接导致继电器控制装置的重新设计和安装。随着生产的发展，汽车型号更新的周期愈来愈短，这样，继电器控制装置就需要经常地重新设计和安装，十分费时，费工，费料，甚至阻碍了更新周期的缩短。为了改变这一现状，美国通用汽车公司在1969年公开招标，要求用新的控制装置取代继电器控制装置，并提出了十项招标指标，即：1、编程方便，现场可修改程序；2、维修方便，采用模块化结构；3、可靠性高于继电器控制装置；4、体积小于继电器控制装置；5、数据可直接送入管理计算机；6、成本可与继电器控制装置竞争；7、输入可以是交流115V；8、输出为交流115V，2A以上，能直接驱动电磁阀，接触器等；9、在扩展时，原系统只
4、要很小变更；10、用户程序存储器容量至少能扩展到4K。1969年，美国数字设备公司（DEC）研制出第一台PLC，在美国通用汽车自动装配线上试用，获得了成功。这种新型的工业控制装置以其简单易懂，操作方便，可靠性高，通用灵活，体积小，使用寿命长等一系列优点，实际上就是计算机技术的应用。很快地在美国其他工业领域推广应用。到1971年，已经成功地应用于食品，饮料，冶金，造纸等工业。这一新型工业控制装置的出现，也受到了世界其他国家的高度重视。1971日本从美国引进了这项新技术，很快研制出了日本第一台PLC。1973年，西欧国家也研制出它们的第一台PLC。我国从1974年开始研制。于1977年开始工业应用
5、。1.2 PLC1.2 PLC的定义的定义 PLC问世以来，尽管时间不长，但发展迅速。为了使其生产和发展标准化，美国电气制造商协会NEMA（National Electrical Manufactory Association）经过四年的调查工作，于1984年首先将其正式命名为 PC（Programmable Controller），并给PC作了如下定义：“PC是一个数字式的电子装置，它使用了可编程序的记忆体储存指令。用来执行诸如逻辑，顺序，计时，计数与演算等功能，并通过数字或类似的输入/输出模块，以控制各种机械或工作程序。一部数字电子计算机若是从事执行PC之功能着，亦被视为PC，但不包括鼓式
6、或类似的机械式顺序控制器。”以后国际电工委员会(IEC)又先后颁布了PLC标准的草案第一稿，第二稿,并在1987年2月通过了对它的定义：“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，专为在工业环境应用而设计的。它采用了可编程序的存储器，用于其内部存境应用而设计的。它采用了可编程序的存储器，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的输入面向用户的指令，并通过数字或模拟式的输入/输出，控制各输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控
7、制器及其有关外部设备，种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原都按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。则设计。”总之，可编程控制器是一台计算机，它是专为工业环境应用而设计制造的计算机。它具有丰富的输入/输出接口，并且具有较强的驱动能力。但可编程控制器产品并不针对某一具体工业应用，具有通用性，在实际应用时，其硬件需根据实际需要进行选用配置，其软件需根据控制要求进行设计编制。PLCPLC的发展阶段的发展阶段 虽然PLC问世时间不长，但是随着微处理器的出现，大规模，超大规模集成电路技术的迅速发展和数据通讯技术的
8、不断进步，PLC也迅速发展，其发展过程大致可分三个阶段：1、早期的PLC（60年代末70年代中期）早期的PLC一般称为可编程逻辑控制器。这时的PLC多少有点继电器控制装置的替代物的含义.其主要功能只是执行原先由继电器完成的顺序控制，定时等。它在硬件上以准计算机的形式出现。在I/O接口电路上作了改进以适应工业控制现场的要求。装置中的器件主要采用分立元件和中小规模集成电路，存储器采用磁芯存储器。另外还采取了一些措施，以提高其抗干扰的能力。在软件编程上，采用广大电气工程技术人员所熟悉的继电器控制线路的方式梯形图。因此，早期的PLC的性能要优于继电器控制装置，其优点包括简单易懂，便于安装，体积小，能耗
9、低，有故障指使，能重复使用等。其中PLC特有的编程语言梯形图一直沿用至今。2、中期的PLC（70年代中期80年代中，后期）在70年代，微处理器的出现使PLC发生了巨大的变化。美国，日本，德国等一些厂家先后开始采用微处理器作为PLC的中央处理单元(CPU)。这样，使PLC得功能大大增强。在软件方面，除了保持其原有的逻辑运算、计时、计数等功能以外，还增加了算术运算、数据处理和传送、通讯、自诊断等功能。在硬件方面，除了保持其原有的开关模块以外，还增加了模拟量模块、远程I/O模块、各种特殊功能模块。并扩大了存储器的容量，使各种逻辑线圈的数量增加，还提供了一定数量的数据寄存器，使PLC的应用范围得以扩大
10、。3、近期的PLC（80年代中、后期至今）进入80年代中、后期，由于超大规模集成电路技术的迅速发展，微处理器的市场价格大幅度下跌，使得各种类型的PLC所采用的微处理器的当次普遍提高。而且，为了进一步提高PLC的处理速度，各制造厂商还纷纷研制开发了专用逻辑处理芯片。这样使得PLC软、硬件功能发生了巨大变化。1.3 PLC1.3 PLC的功能的功能1 1、开关量控制；开关量控制；2 2、模拟量控制；模拟量控制；3 3、定时控制；定时控制；4 4、条件控制；条件控制；5 5、步进控制；步进控制；6 6、计数控制；计数控制；7 7、定位控制；定位控制；8 8、数据处理；数据处理；9 9、自诊断功能；自
11、诊断功能；1010、通讯与联网；、通讯与联网；1111、冗余控制；、冗余控制；1212、监控、显示、打印等功能。、监控、显示、打印等功能。1.41.4PLCPLC的特点的特点 1、高可靠性（1）所有的I/O接口电路均采用光电隔离，使工业现场的外电路与PLC内部电路之间电气上隔离。（2）各输入端均采用R-C滤波器，其滤波时间常数一般为1020ms.（3）各模块均采用屏蔽措施，以防止辐射干扰。（4）采用性能优良的开关电源。（5）对采用的器件进行严格的筛选。（6）良好的自诊断功能，一旦电源或其他软、硬件发生异常情况，CPU立即采用有效措施，以防止故障扩大。（7）大型PLC还可以采用由双CPU构成冗余
12、系统或有三CPU构成表决系统,使可靠性更进一步提高。2、丰富的I/O接口模块PLC针对不同的工业现场信号，如：交流或直流；开关量或模拟量；电压或电流；脉冲或电位；强电或弱电等。有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备，如：按钮；行程开关；接近开关；传感器及变送器；电磁线圈；控制阀等直接连接。另外为了提高操作性能，它还有多种人-机对话的接口模块;为了组成工业局部网络，它还有多种通讯联网的接口模块，等等。3、采用模块化结构为了适应各种工业控制需要，除了单元式的小型PLC以外，绝大多数PLC均采用模块化结构。PLC的各个部件，包括CPU，电源，I/O等均采用模块化设计，由机架及电缆将各模块连接起来，
13、系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。4、编程简单易学PLC的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式，对使用者来说，不需要具备计算机的专门知识，因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。5、安装简单，维修方便PLC不需要专门的机房，可以在各种工业环境下直接运行。使用时只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O端相连接，即可投入运行。各种模块上均有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障。由于采用模块化结构，因此一旦某模块发生故障，用户可以通过更换模块的方法，使系统迅速恢复运行。1.5 PLC1.5 PLC的分类的分类按按点数点数分和分和结构结构分分1 1、微型、微型 PLCP
14、LC1 1）至多有）至多有3232个个 I/O I/O 点数；点数；2 2）8 8位处理器；位处理器；3 3）存储容量为）存储容量为 1 KB1 KB；4 4）数字量）数字量 I/O I/O 接口；接口；5 5）压缩单元中内部）压缩单元中内部I/OI/O接口；接口；6 6）主控继电器（）主控继电器（MCRMCR）指令；）指令；7 7）定时器和计数器；）定时器和计数器；8 8）手持式编程器编程；）手持式编程器编程；9 9）可代替大多数继电器。）可代替大多数继电器。2 2、小型、小型 PLCPLC 1 1）至多有至多有128128个个 I/O I/O 点数；点数；2 2）8 8位微处理器；位微处理
15、器；3 3）存储容量为存储容量为 2 KB2 KB；4 4）数字量数字量 I/O I/O 接口；接口；5 5）只有本地只有本地 I/O I/O 接口；接口；6 6）定时器、计数器和移位寄存器（定时器、计数器和移位寄存器（TCSTCS）；）；7 7）主控继电器（主控继电器（MCRMCR）指令；）指令；8 8）便携式编程器编程；便携式编程器编程；9 9）可代替大多数继电器；可代替大多数继电器；1010）编程语言有梯形图或布尔语言；）编程语言有梯形图或布尔语言；1111）磁鼓定时器或顺序发生器。）磁鼓定时器或顺序发生器。3 3、中型、中型 PLC PLC （1/21/2）1 1）至多有至多有1024
16、1024个个 I/O I/O 点数；点数；2 2）8 8位处理器；位处理器；3 3）存储容量达存储容量达 4 KB4 KB，可扩展至，可扩展至 8 KB8 KB；4 4）数字量数字量 I/O I/O 接口；接口；5 5）本地和远地本地和远地 I/O I/O 接口；接口；6 6）主控继电器（主控继电器（MCRMCR）指令；）指令；7 7）定时器、计数器和移位寄存器（定时器、计数器和移位寄存器（TCSTCS）；）；8 8）CRTCRT编程器编程；编程器编程；9 9）继电器置换和模拟控制；。继电器置换和模拟控制；。1010）编程语言有梯形图或布尔语言；）编程语言有梯形图或布尔语言；1111）磁鼓定时
17、器或顺序发生器；）磁鼓定时器或顺序发生器；3 3、中型、中型 PLC PLC （2/22/2）1212）模拟模拟 I/O I/O 接口；接口；1313）功能模块与高级语言；功能模块与高级语言；1414）跳转指令跳转指令JUMPJUMP；1515）数学运算功能有加减乘除；数学运算功能有加减乘除；1616）有限的数据处理功能，包括比较、数据有限的数据处理功能，包括比较、数据转换、移位寄存器与文件、矩阵功能；转换、移位寄存器与文件、矩阵功能；1717）特殊功能特殊功能 I/O I/O 模块；模块；1818）RS-232 RS-232 通信接口；通信接口；1919）局部网络（局部网络（LANLAN）。
18、）。4 4、大型、大型 PLC PLC （1/21/2）1 1）至多有至多有20482048个个 I/O I/O 点数；点数；2 2）8 8位处理器或位处理器或1616位处理器；位处理器；3 3）存储容量达存储容量达 12 KB12 KB，可扩展至，可扩展至 32 KB32 KB；4 4）数字量数字量 I/O I/O 接口；接口；5 5）本地和远地本地和远地 I/O I/O 接口；接口；6 6）主控继电器（主控继电器（MCRMCR）指令；）指令；7 7）定时器、计数器和移位寄存器（定时器、计数器和移位寄存器（TCSTCS）；）；8 8）CRTCRT编程器编程；编程器编程；9 9）继电器置换和模
19、拟控制；。继电器置换和模拟控制；。1010）编程语言有梯形图或布尔语言；）编程语言有梯形图或布尔语言；1111）磁鼓定时器或顺序发生器；）磁鼓定时器或顺序发生器；4 4、大型、大型 PLC PLC （2/22/2）1212）模拟模拟 I/O I/O 接口；接口；1313）功能模块与高级语言；功能模块与高级语言；1414）跳转指令跳转指令JUMPJUMP；1515）数学运算功能有加减乘除、平方根、双精度；数学运算功能有加减乘除、平方根、双精度；1616）扩充数据处理功能包括比较、数据转换、移位寄存器与扩充数据处理功能包括比较、数据转换、移位寄存器与文件、矩阵、块传送、二进制表、文件、矩阵、块传送
20、、二进制表、ASCASC码表；码表；1717）特殊功能特殊功能 I/O I/O 模块；模块；1818）一个或多个一个或多个 RS-232 RS-232 通信接口；通信接口；1919）局域网（局域网（LAN)LAN)；2020）子程序与中断功能；子程序与中断功能；21)21)PIDPID模块或系统软件模块或系统软件PID;PID;2222）主机通信模块。主机通信模块。5 5、超大型、超大型 PLC PLC （1/31/3）1 1）可达到可达到81928192个及以上个及以上 I/O I/O 点数；点数；2 2）1616位处理器或位处理器或3232位处理器或多处理器；位处理器或多处理器；3 3）存
21、储容量达存储容量达 64 KB64 KB，可扩展至，可扩展至 1000 KB1000 KB；4 4）数字量数字量 I/O I/O 接口；接口；5 5）本地和远地本地和远地 I/O I/O 接口；接口；6 6）主控继电器（主控继电器（MCRMCR）指令；）指令；7 7）定时器、计数器和移位寄存器（定时器、计数器和移位寄存器（TCSTCS）；）；8 8）CRTCRT编程器编程；编程器编程；9 9）继电器置换和模拟控制；。继电器置换和模拟控制；。1010）编程语言有梯形图或布尔语言；）编程语言有梯形图或布尔语言；1111）磁鼓定时器或顺序发生器；）磁鼓定时器或顺序发生器；5 5、超大型、超大型 PL
22、C PLC （2/32/3）1212）模拟模拟 I/O I/O 接口；接口；1313）功能模块与高级语言；功能模块与高级语言；1414）跳转指令跳转指令JUMPJUMP；1515）数学运算功能有加减乘除、平方根、双精数学运算功能有加减乘除、平方根、双精度、浮点、度、浮点、COS COS 函数；函数；1616）强大的数据处理功能包括比较、数据转换、强大的数据处理功能包括比较、数据转换、移位寄存器与文件、矩阵、块传送、二进制移位寄存器与文件、矩阵、块传送、二进制表、表、ASCASC码表、码表、LIFO(LIFO(队列队列)、FIFO(FIFO(队列队列)；1717）特殊功能特殊功能 I/O I/O
23、 模块；模块；1818）两个或多个两个或多个 RS-232 RS-232 通信接口；通信接口；5 5、超大型、超大型 PLC PLC （3/33/3）1919）局域网（局域网（LAN)LAN)；2020）子程序与中断功能；子程序与中断功能；21)21)PIDPID模块或系统软件模块或系统软件PID;PID;2222）主机通信模块。主机通信模块。2323）远程模拟远程模拟 I/OI/O；2424）远程特殊模块；远程特殊模块；2525）机器诊断。机器诊断。按按结构结构分有：箱体式、模块式、平板式。分有：箱体式、模块式、平板式。1.6 PLC1.6 PLC的应用的应用 广泛应用于：广泛应用于：矿山、
24、冶金、钢铁、石油、化矿山、冶金、钢铁、石油、化工、机械、机床、锅炉、电力、电子、造纸、纺织、工、机械、机床、锅炉、电力、电子、造纸、纺织、印刷、木材加工、电镀、塑料、橡胶、食品、包装、印刷、木材加工、电镀、塑料、橡胶、食品、包装、建材、输送线控制、飞机、汽车、船舶、交通运输、建材、输送线控制、飞机、汽车、船舶、交通运输、造船、通信、电讯、邮政、水处理、水塔、液压泵、造船、通信、电讯、邮政、水处理、水塔、液压泵、风机、公用设施、电梯、交通灯、仓库管理。风机、公用设施、电梯、交通灯、仓库管理。第二章第二章PLC控制系统与其他工业控制控制系统与其他工业控制系统的比较系统的比较PLC控制系统与继电器控
25、制系统的比较比较项目比较项目继电器控制系统继电器控制系统PLCPLC控制系统控制系统控制功能的实现控制功能的实现由许多继电器，采用接线的由许多继电器，采用接线的方式来完成控制功能。方式来完成控制功能。并行并行工作工作 各种控制功能是通过编制的程各种控制功能是通过编制的程序来完成的序来完成的。循环扫描工作。循环扫描工作 对生产工艺过程变更对生产工艺过程变更的适应性的适应性适应性差。需要重新设计，适应性差。需要重新设计，改变继电器和接线改变继电器和接线适应性强。只需对程序进行修适应性强。只需对程序进行修改改控制速度控制速度低。靠机械动作实现低。靠机械动作实现极快。靠微处理器进行处理极快。靠微处理器
26、进行处理计数及其他特殊功能计数及其他特殊功能一般没有一般没有有有安装，施工安装，施工连线多，施工繁连线多，施工繁安装容易，施工方便安装容易，施工方便可靠性可靠性差，触点多，故障多差，触点多，故障多高。因元器件采取了筛选和老高。因元器件采取了筛选和老化等可靠性措施化等可靠性措施寿命寿命短短长长可扩展性可扩展性困难困难容易容易维护维护工作量大，故障不易查找工作量大，故障不易查找有自诊断能力，维护工作量小有自诊断能力，维护工作量小比较项目比较项目通用计算机系统通用计算机系统PLCPLC控制系统控制系统工作目的工作目的科学计算，数据管理等科学计算，数据管理等工业自动控制工业自动控制工作环境工作环境对工
27、作环境的要求较高对工作环境的要求较高对环境要求低，可在恶劣的工业对环境要求低，可在恶劣的工业现场工作现场工作工作方式工作方式中断处理方式中断处理方式循环扫描方式循环扫描方式系统软件系统软件需配备功能较强的系统软件需配备功能较强的系统软件一般只需简单的监控程序一般只需简单的监控程序采用的特殊措采用的特殊措施施掉电保护等一般性措施掉电保护等一般性措施采用多种抗干扰措施，自诊断，采用多种抗干扰措施，自诊断，断电保护，可在线维修断电保护，可在线维修编程语言编程语言汇编语言、高级语言汇编语言、高级语言梯形图，助记符语言，梯形图，助记符语言，SFCSFC标准标准化语言化语言对操作人员的对操作人员的要求要求
28、需专门培训，并具有一定的计需专门培训，并具有一定的计算机基础算机基础一般的技术人员，稍加培训即可一般的技术人员，稍加培训即可操作使用操作使用对内存的要求对内存的要求容量大容量大容量小容量小价格价格价格高价格高价格较低价格较低其他其他若用于控制，一般需自行设计若用于控制，一般需自行设计机种多，模块种类多，易于集成机种多，模块种类多，易于集成系统系统PLC控制系统与通用计算机系统的比较PLCPLC控制系统与集散型控制系统的比较控制系统与集散型控制系统的比较比较项目比较项目集散型控制系统（集散型控制系统（Distribution Distribution Control System DCSCont
29、rol System DCS）PLCPLC控制系统控制系统工作特点工作特点连续量的模拟控制和回路调节等方连续量的模拟控制和回路调节等方面为优势面为优势主要应用场合是开关量的主要应用场合是开关量的逻辑控制逻辑控制系统组成系统组成网络化网络化可以并正在向网络化发展可以并正在向网络化发展工作方式工作方式主要是按用户的程序指令工作主要是按用户的程序指令工作循环扫描方式循环扫描方式工作环境工作环境主要是按照安装在控制室设计的主要是按照安装在控制室设计的按照安装在现场工作来设按照安装在现场工作来设计计对存储容量的对存储容量的要求要求相对要大（大量的数学运算）相对要大（大量的数学运算）相对要小（大量的是逻辑相对要小（大量的是逻辑运算）运算）优势优势不相上下，各有长处不相上下，各有长处