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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操纵器（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。它使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，顺序操纵，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或者 模拟式输入/输出操纵各类类型的机械或者生产过程。1.1 PLC进展历史20世纪60年代末期，美国汽车制造工业竞争猛烈，为了习惯生产工艺不断 更新的需要，在1968年美国通用汽车公司（GM）首先公开招标，对操纵系统提 出的具体要求基本为：a。它的继电操纵系统设计周期短，更换容易，接线简单 成本低。bo它能把计算机的功能与继电器操纵系统结合
2、起来。但编程要比计算 机简单易学、操作方便。co系统通用性强。1969年美国数字设备公司（DEC） 根据上述要求，研制出世界上第一台PLC,并在GM公司汽车生产线上首次试用 成功，实现了生产的自动化。其后日本、德国等相继引入，可编程序操纵器迅速 进展起来，但是要紧应用于顺序操纵，只能进行逻辑运算，故称之可编程逻辑操 纵器，简称PLC。其定义：可编程操纵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。它使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，顺序操纵，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数 字或者模拟式输入/输出操纵各类类型的机械或者生产过程。可编程操纵
3、器及其 有关外部设备，都按易于与工业操纵系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则 设计。1.2 基本结构PLC可编程序操纵器实施操纵，事实上质就是按一定算法进行输入输出变换，并 将这个变换与以物理实现。输入输出变换、物理实现能够说是PLC实施操纵的两 个基本点，同时物理实现也是PLC与普通微机相区别之处，其需要考虑实际操纵的需要，应能排除干扰信号习惯于工业现场，输出应放大到工业操纵的水平，能 为实际操纵系统方便使用，因此PLC使用了典型的计算机结构，要紧是由微处理 器（CPU）、存储器（RAM/ROM）,输入输出接口（I/O）电路、通信接口及电源构 成。PLC的基本结构如下图所示：编程器输入电路
4、输入电路输出电路系统程序存储器1系统程序存储器电源1.2 . 1中央处理单元（CPU）中央处理单元（CPU）是PLC的操纵核心。它按照PLC系统程序给予的功能: a.接收并存储从用户程序与数据；b.检查电源、存储器、I/O与警戒定时器的 状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当PLC投入运行时，首先它以扫描的方 式采集现场各输入装置的状态与数据，并分别存入I/O映象寄存区，然后从用户 程序存储器中逐条读取用户程序，通过命令解释后按指令的规定执行逻辑或者算 数运算并将结果送入I/O映象寄存区或者数据寄存器内。等所有的用户程序执行 完毕之后，最后将I/O映象寄存区的各输出状态或者输出寄存器内的数据传
5、送到 相应的输出装置，如此循环直到停止运行。为了进一步提高PLC的可靠性，近 年来对大型PLC还使用双CPU构成冗余系统，或者使用三CPU的表决式系统。这 样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。1.2.2 存储器可编程序操纵器的存储器分为系统程序存储器与用户程序存储器。存放系统 软件（包含监控程序、模块化应用功能子程序、命令解释程序、故障诊断程序及 其各类管理程序）的存储器称之系统程序存储器；存放用户程序（用户程序存与 数据）的存储器称之用户程序存储器，因此又分为用户存储器与数据存储器两部 分。PLC常用的存储器类型：(1) RAM (Random Assess Memory)这是
6、一种读/写存储器(随机存储器),其存取速度最快，由锂电池支持。(2) EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory)这是一种可擦除 的只读存储器。在断电情况下，存储器内的所有内容保持不变。(在紫外线连续 照射下可擦除存储器内容)。(3) EEPROM (Electrical Erasable Programmable Read Only Memory)这是 一种电可擦除的只读存储器。使用编程器就能很容易地对其所存储的内容进行修 改。PLC存储空间的分配：尽管各类PLC的CPU的最大寻址空间各不相同，但是根据PLC的工作原理，其存储空间通常包含下列三
7、个区域：(1)系统程序存储区(2)系统RAM存储区(包含I/O映象寄存区与系统软设备等)。(3)用户程序存储区系统程序存储区：在系统程序存储区中存放着相当于计算机操作系统的系统 程序。包含监控程序、管理程序、命令解释程序、功能子程序、系统诊断子程序 等。由制造厂商将其固化在EPROM中，用户不能直接存取。它与硬件一起决定 了该PLC的性能。系统RAM存储区：系统RAM存储区包含I/。映象寄存区与各类软元件，如： 逻辑线圈、数据寄存器、计时器、计数器、变址寄存器、累加器等存储器。(1)1/0映象寄存区：由于PLC投入运行后，只是在输入采样阶段才依次 读入各输入状态与数据，在输出刷新阶段才将输出的
8、状态与数据送至相应的外 设。因此，它需要一定数量的存储单元(RAM)以存放I/O的状态与数据，这些单 元称作I/O映象寄存区。一个开关量I/O占用存储单元中的一个位，一个模拟量 I/O占用存储单元中的一个字。因此整个I/O映象寄存区可看作两个部分构成： 开关量I/O映象寄存区；模拟量I/O映象寄存区。(2)系统软元件存储区：除了 I/O映象寄存区区以外，系统RAM存储区还 包含PLC内部各类软元件(逻辑线圈、计时器、计数器、数据寄存器与累加器等) 的存储区。该存储区又分为具有失电保持的存储区域与失电不保持的存储区域， 前者在PLC断电时，由内部的锂电池供电，数据不可能丢失；后者当PLC断电时,
9、数据被清零。(3)用户程序存储区：用户程序存储区存放用户编制的用户程序。不一致类型的PLC,其存储容量各不相同。1.2.3 输入接口电路输入输出信号有开关量、模拟量、数字量三种，在我们实习室涉及到的信号 当中，开关量最普遍，也是实验条件所限，在次我们要紧介绍开关量接口电路。可编程序操纵器优点之一是抗干扰能力强。这也是其I/O设计的优点之处, 通过了电气隔离后，信号才送入CPU执行的，防止现场的强电干扰进入。如下图 就是使用光电耦合器(通常使用反光二极管与光电三极管构成)的开关量输入接 口电路:输出接口电路可编程序操纵器的输出有：继电器输出(M)、晶体管输出(T)、 晶闸管输出(SSR)三种输出
10、形式。(1)输出接口电路的隔离方式(2)输出接口电路的要紧技术参数a.响应时间响应时间是指PLC从ON状态转变成OFF状态或者从OFF状态 转变成ON状态所需要的时间。继电器输出型响应时间平均约为10ms；晶闸管输 出型响应时间为1ms下列；晶体管输出型在0. 2ms下列为最快。b.输出电流 继电器输出型具有较大的输出电流，AC250V下列的电路电 压可驱动纯电阻负载2A/1点、感性负载80VA下列(AC100V或者AC200V)及灯 负载100W下列(AC100V或者200V)的负载；Y0、Y1以外每输出1点的输出电 流是0.5A,但是由于温度上升的原因，每输出4合计为0.8A的电流，输出晶
11、体 管的ON电压约为1.5V,因此驱动半导体元件时，请注意元件的输入电压特性。 丫0、Y1每输出1点的输出电流是0.3A,但是对Y0、Y1使用定位指令时需要高速 响应，因此使用10100mA的输出电流；晶闸管输出电流也比较小，FX1S无晶 闸管输出型。c.开路漏电流 开路漏电流是指输出处于OFF状态时，输出回路中的电流。 继电器输出型输出接点OFF是无漏电流；晶体管输出型漏电流在0. 1mA下列；晶 闸管较大漏电流，要紧由内部RC电路引起，需在设计系统时注意。输出公共端(COM)公共端与输出各组之间形成回路，从而驱动负载。FX1S 有1点或者4点一个公共端输出型，因此各公共端单元能够驱动不一致
12、电源电压 系统的负载。1.2.4 电源PLC的电源在整个系统中起着十分重要得作用。假如没有一个良好的、可靠 得电源系统是无法正常工作的，因此PLC的制造商对电源的设计与制造也十分重 视。通常交流电压波动在+10%(+15%)范围内，能够不采取其它措施而将PLC直接 连接到交流电网上去。如FX1S额定电压AC100V240V,而电压同意范围在AC85V 264V之间。同意瞬时停电在10ms下列，能继续工作。通常小型PLC的电源输出分为两部分：一部分供PLC内部电路工作；一部分 向外提供给现场传感器等的工作电源。因此PLC对电源的基本要求：能有效地操纵、消除电网电源带来的各类干扰；电源发生故障不可
13、能导致其它部分产生故障；同意较宽的电压范围；电源本身的功耗低，发热量小；内部电源与外部电源完全隔离；有较强的自保护功能。1.3 PLC的工作原理由于PLC以微处理器为核心，故具有微机的许多特点，但它的工作方式却与 微机有很大不一致。微机通常使用等待命令的工作方式，如常见的键盘扫描方式 或者I/O扫描方，若有键按下或者有I/O变化，则转入相应的子程序，若无则继 续扫描等待。PLC则是使用循环扫描的工作方式。对每个程序，CPU从第一条指令开始执 行，按指令步序号做周期性的程序循环扫描，假如无跳转指令，则从第一条指令 开始逐条执行用户程序，直至遇到结束符后又返回第一条指令，如此周而复始不 断循环，每
14、一个循环称之一个扫描周期。扫描周期的长短要紧取决于下列几个因 素：一是CPU执行指令的速度；二是执行每条指令占用的时间；三是程序中指令 条数的多少。一个扫描周期要紧可分为3个阶段。1.3.2 输入刷新阶段在输入刷新阶段，CPU扫描全部输入端口，读取其状态并写入输入状态寄存 器。完成输入端刷新工作后，将关闭输入端口，转入程序执行阶段。在程序执行 期间即使输入端状态发生变化，输入状态寄存器的内容也不可能改变，而这些变 化务必等到下一工作周期的输入刷新阶段才能被读入。1.3 . 2程序执行阶段在程序执行阶段，根据用户输入的操纵程序，从第一条开始逐步执行，并将 相应的逻辑运算结果存入对应的内部辅助寄存
15、器与输出状态寄存器。当最后一条 操纵程序执行完毕后，即转入输入刷新阶段。输出刷新阶段当所有指令执行完毕后，将输出状态寄存器中的内容，依次送到输出锁存电 路（输出映像寄存器），并通过一定输出方式输出，驱动外部相应执行元件工作, 这才形成PLC的实际输出。由此可见，输入刷新、程序执行与输出刷新三个阶段构成PLC 一个工作周期, 由此循环往复，因此称之循环扫描工作方式。由于输入刷新阶段是紧接输出刷新 阶段后马上进行的，因此亦将这两个阶段统称之I/O刷新阶段。实际上，除了执行程序与I/O刷新外，PLC还要进行各类错误检测（自诊断功能）并与编程工具 通讯，这些操作统称之“监视服务”，通常在程序执行之后进
16、行。综上述，PLC 的扫描工作过程如图14所示。4 7用户给人设备显然扫描周期的长短要紧取决于程序的长短。扫描周期越长，响应速度越慢。 由于每个扫描周期只进行一次I/O刷新，即每一个扫描周期PLC只对输入、输出 状态寄存器更新一次，因此系统存在输入输出滞后现象，这在一定程度上降低了 系统的响应速度。但是由于其对I/O的变化每个周期只输出刷新一次，同时只对 有变化的进行刷新，这对通常的开关量操纵系统来说是完全同意的，不但不可能 造成影响，还会提高抗干扰能力。这是由于输入采样阶段仅在输入刷新阶段进行, PLC在一个工作周期的大部分时间是与外设隔离的，而工业现场的干扰常常是脉 冲、短时间的，误动作将
17、大大减小。但是在快速响应系统中就会造成响应滞后现 象，这个通常PLC都会采取高速模块。总之，PLC使用扫描的工作方式，是区别于其他设备的最大特点之一，我们 在学习与使用PLC当中都应加强注意。1.4 PLC机型的选择方法. PLC的类型PLC按结构分为整体型与模块型两类，按应用环境分为现场安装与操纵室安装两 类；按CPU字长分为1位、4位、8位、16位、32位、64位等。从应用角度出 发，通常可按操纵功能或者输入输出点数选型。整体型PLC的I/O点数固定，因 此用户选择的余地较小，用于小型操纵系统；模块型PLC提供多种I/O卡件或者 插卡，因此用户可较合理地选择与配置操纵系统的I/O点数，功能
18、扩展方便灵活, 通常用于大中型操纵系统。1 .输入输出模块的选择输入输出模块的选择应考虑与应用要求的统一。比如对输入模块，应考虑信 号电平、信号传输距离、信号隔离、信号供电方式等应用要求。对输出模块，应 考虑选用的输出模块类型，通常继电器输出模块具有价格低、使用电压范围广、 寿命短、响应时间较长等特点；可控硅输出模块适用于开关频繁，电感性低功率 因数负荷场合，但价格较贵，过载能力较差。输出模块还有直流输出、交流输出 与模拟量输出等，与应用要求应一致。可根据应用要求，合理选用智能型输入输 出模块，以便提高操纵水平与降低应用成本。考虑是否需要扩展机架或者远程 I/O机架等。2 .电源的选择PLC的
19、供电电源，除了引进设备时同时引进PLC应根据产品说明书要求设计 与选用外，通常PLC的供电电源应设计选用220VAC电源，与国内电网电压一致。 重要的应用场合，应使用不间断电源或者稳压电源供电。假如PLC本身带有可使 用电源时，应核对提供的电流是否满足应用要求，否则应设计外接供电电源。为 防止外部高压电源因误操作而引入PLC,对输入与输出信号的隔离是必要的，有 的时候也可使用简单的二极管或者熔丝管隔离。3 .存储器的选择由于计算机集成芯片技术的进展，存储器的价格已下降，因此，为保证应用项目 的正常投运，通常要求PLC的存储器容量，按256个I/O点至少选8K存储器选 择。需要复杂操纵功能时，应
20、选择容量更大，档次更高的存储器。4 .冗余功能的选择a.操纵单元的冗余（1）重要的过程单元：CPU （包含存储器）及电源均应1B1冗余。（2）在需要时也可选用PLC硬件与热备软件构成的热备冗余系统、2重化或者3 重化冗余容错系统等。b. I/O接口单元的冗余(I)操纵回路的多点I/O卡应冗余配置。(2)重要检测点的多点I/O卡可冗余配置。3)根据需要对重要的I/O信号，可选用2重化或者3重化的I/O接口单元。6.经济性的考虑选择PLC时，应考虑性能价格比。考虑经济性时，应同时考虑应用的可扩展性、 可操作性、投入产出比等因素，进行比较与兼顾，最终选出较满意的产品。 输入输出点数对价格有直接影响。每增加一块输入输出卡件就需增加一定的费 用。当点数增加到某一数值后，相应的存储器容量、机架、母板等也要相应增加, 估因此，点数的增加对CPU选用、存储器容量、操纵功能范围等选择都有影响， 在算与选用时应充分考虑，使整个操纵系统有较合理的性能价格比。