第四章可編程控制器及其工作原理第一節可編程控制器的產生和發展可編程控制器的產生

在可編程控制器誕生之前，工業電氣控制主要使用低壓電器構成的繼電接觸器電路。它是以接線邏輯實現控制功能的。

缺點：這樣的控制設備一經生產出來，功能就固定了，若要改變就必須改變控制器內部的硬件接線在這種情況下，1968年通用汽車公司提出了要尋找一種比繼電器更可靠，功能更齊全，響應速度更快的新型工業控制器。這種控制器必須具備編程方便，維修方便，可靠性高，體積小，數據可直接送入管理計算機，成本低，方便擴展的特點。其中，編程方便是接線邏輯向存儲邏輯進步的重要標志。1969年第一臺可編程控制器PDP-14由美國的數字設備公司研制出來，并且成功的用于工業生產，可編程控制器由此誕生。早期的可編程控制器（PC）主要用于邏輯量控制，并且為了和個人計算機（PC）區別，把可編程控制器縮寫為PLC（ProgrammableLogicController）。1987年，國際電工委員會IEC對可編程序控制器作了如下規定：可編程序控制器是一種數字運算操作的電子系統，專為工業環境下應用而設計。它采用了可編程序的存儲器，用來在其內部存儲執行邏輯運算、順序控制、定時、計數和算術操作等面向用戶的指令，并通過數字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產過程。它及其有關外圍設備，都按易于與工業系統聯成一體，易于擴展的原則設計。

可見：可編程控制器是一種工業用計算機。作為工業用途，決定了它必須有很強的抗干擾能力，廣泛的適應能力和應用范圍。可編程控制器的發展1、生產方面

1971年日本開始生產PLC1973年歐洲開始生產PLC至今，世界各國的一些著名的電器廠幾乎都在生產PLCPLC已經作為一個獨立的工業設備被列入生產中，成為當代電控裝置的主導。2、組成方面

早期：PLC主要由分立元件和中小規模集成電路組成，采用了一些計算機技術，但簡化了計算機的內部電路。

特點：對工業現場的環境適應性較好，指令系統簡單，一般只具有邏輯運算功能。

20世紀70年代中：微處理器及其他大規模集成電路芯片成為其核心部件。

特點：有自診斷功能，可靠性和性價比都大幅提高。

20世紀80年代：微處理器，ROM，RAM或單片機作為核心。

特點：處理速度大大提高，增加了多種特殊功能，體積進一步減小。

20世紀九十年代末：幾乎完全計算機化。其速度更快功能更強，各種智能模塊不斷被開發出來，使其不斷地擴展著他在各類工業控制過程中的作用。

3、如今PLC的發展現在，PLC不僅能進行邏輯控制，在模擬量閉環控制、數字量智能控制、數據采集、監控、通信聯網及集散控制系統等各方面都得到了廣泛的應用。今后PLC將向兩大方面發展：一是大型PLC向高速，大容量和高性能方向發展；二是發展簡易經濟的超小型可編程控制器，以適應單機控制及小型設備自動化的需要。

第二節可編程控制器的用途及特點用途順序控制最廣泛應用的領域，可取代傳統的繼電器的順序控制可應用于單機控制，多機群控制，生產自動線控制運動控制目前已有拖動步進電機或多軸位置控制模塊

多數情況，PLC把描述目標位置的數據送給模塊，模塊移動一軸或數軸到目標位置閉環過程控制

具有PID控制能力的PLC可用于過程控制數據處理

把支持順序控制的PLC和計算機數值控制（CNC）設備緊密結合用以實現數據處理。

通信和聯網

PLC之間，PLC和上級計算機之間的通信功能特點可靠性高，抗干擾能力強適應性強、應用靈活編程方便，易于使用功能強，擴展能力強PLC控制系統設計、安裝、調試方便維修方便，維修工作量少PLC體積小，重量輕，易于實現機電一體化

第三節PLC的硬件組成根據物理結構形式的不同，PLC可分為整體式和組合式兩類。但是不論是哪一種類型的PLC都是由基本相同的部分組成的，下面分別介紹各組成部分及其作用。中央處理器（CPU） CPU是PLC的核心，按程序賦予的功能指揮PLC工作，他的主要任務有：1、控制從編程器鍵入的用戶程序和數據的接收與存儲；用掃描的方式通過I/O部件接受現場的狀態和數據并存入輸入映像存儲器或數據存儲器中。2、診斷PLC內部電路的工作故障和編程中的語法錯誤等。3、PLC進入運行行狀態后，，從存儲器器逐條讀取取用戶指令令，解釋并并按指令規規定的任務務進行數據據傳遞、邏邏輯或算術術運算等；；并根據運運算結果，，更新有關關標志位的的狀態和輸輸出映像存存儲器的內內容，再經經過輸出部部件實現輸輸出控制，，制表打印印或數據通通信等功能能。CPU芯片片的性能關關系到PLC處理控控制信號的的能力與速速度，CPU位數越越高，系統統處理的信信息量越大大，運算速速度也越快快。存儲器PLC的存存儲器包括括系統存儲儲器和用戶戶存儲器兩兩部分。1、系統存存儲器用來來存放由PLC生產產廠家編寫寫的系統程程序，并固固化在ROM內，用用戶不能直直接更改。。它使PLC具有有基本本的智智能，，能夠夠完成成PLC設設計者者規定定的各各項工工作。。2、用用戶存存儲器器包括括用戶戶程序序存儲儲器（（程序序區））和功功能存存儲器器（數數據區區）兩兩部分分。用戶程程序存存儲器器用來來存放放用戶戶針對對具體體控制制任務務，用用規定定的PLC編程程語言言編寫寫的各各種用用戶程程序。。用戶戶程序序存儲儲器根根據所所選用用的存存儲單單元的的不同同，可可以是是RAM（（有掉掉電保保護））、EPROM或EEPROM存存儲器器，其其內容容可以以由用用戶任任意修修改或或增刪刪。用戶功功能存存儲器器是用用來存存放用用戶程程序中中使用用的ON/OFF狀狀態，，數值值數據據等，，它構構成PLC的各各種內內部器器件，，也稱稱“軟軟元件件”。。用戶戶存儲儲器容容量的的大小小關系系到用用戶程程序容容量的的大小小和內內部器器件的的多少少，是是反映映PLC性性能的的重要要指標標之一一。輸入、、輸出出接口口輸入、、輸出出接口口是PLC與外外界連連接的的接口口。1、輸輸入接接口用用來接接收和和采集集兩種種類型型的輸輸入信信號：：開關關量輸輸入信信號和和模擬擬量輸輸入信信號。。2、輸輸出接接口用用來連連接被被控對對象中中各種種執行行元件件，如如接觸觸器、、調節節閥等等。電源小型整整體式式可編編程控控制器器內部部有一一個開開關穩穩壓電電源。。此電源源一方方面可可為CPU板，，I/O板板及擴擴展單單元提提供工工作電電源（（5VDC）），另另一方方面可可為外外部輸輸入元元件提提供24VDC電電源。。擴展接接口擴展接接口用用于將將擴展展單元元與基基本單單元相相連，，使PLC的配配置更更加靈靈活。。通信接接口使PLC可可以與與監視視器，，打印印機以以及其其他計計算機機相連連。智能I/O接口口有自身身的處處理器器系統統，滿滿足復復雜控控制功功能的的需要要。編程工工具編程器器，，也可可采用用微機機輔助助編程程（需需要通通信電電纜和和PLC之之間通通信））例如如step7智能單單元智能單單元配配有自自己的的CPU，，具有有自己己的軟軟件，，能獨獨立完完成一一項專專門的的工作作。通通過總總線與與主機機聯機機，通通過通通訊方方式接接受主主機管管理。。PLC還可可配有有盒式式磁帶帶機，，EPROM寫寫入器器，存存儲器器卡等等其他他外部部設備備。第四節節PLC的軟軟件及及應用用程序序編程程語言言PLC的軟軟件含含系統統軟件件和用用戶程程序。。系統統軟件件由PLC制造造商固固化在在機內內，用用以控控制可可編程程控制制器本本身的的運作作；用用戶程程序由由可編編程控控制器器的使使用者者編制制并輸輸入，，用于于控制制外部部對象象的運運行。。系統軟軟件系統軟軟件主主要包包括三三部分分。下下面我我們分分別討討論這這三個個部分分的作作用。。系統管管理程程序是系統統軟件件中最最重要要的部部分，，主管管控制制可編編程控控制器器的運運作。。它的的作用用有：：運行行管理理（時時間上上的分分配管管理））；存存儲空空間管管理；；系統統自檢檢程序序。用戶指指令解解釋程程序它的任任務是是把使使用者者直觀觀易懂懂的梯梯形圖圖變成成機器器易懂懂的機機器語語言。。然后后再由由CPU去去執行行這些些指令令。標準程程序模模塊及及系統統調用用他是有有許多多獨立立的程程序塊塊組成成，各各程序序塊有有不同同的功功能，，有些些完成成輸入入、輸輸出處處理，，有些些完成成特殊殊運算算等。。PLC的的具體體工作作就是是由這這部分分程序序完成成的，，它的的多少少決定定了PLC性能能的強強弱。。整個系系統軟軟件是是一個個整體體，其其質量量的好好壞在在很大大程度度上影影響PLC的性性能。。很多多情況況下，，通過過改進進系統統軟件件就可可以在在不增增加任任何設設備的的條件件下改改善PLC的性性能。。用戶程程序PLC提供供的編編程語語言通通常有有三種種：梯梯形圖圖（LAD）、、指令令表（（STL））和順順序功功能流流程圖圖（SFC）。。我們們以西西門子子公司司的PLC為例例來介介紹這這三種種編程程語言言。梯形圖圖編程程（LAD）PLC梯形形圖是是在繼繼電器器控制制系統統中常常用的的繼電電器電電路圖圖的基基礎上上演變變而來來的，，它的的許多多符號號與繼繼電器器控制制系統統中的的電路路圖有有對應的的關系系。只是是PLC在在編程程中的的使用用的元元件他他們的的功能能都是是通過過軟件件來實實現的的。能流的的概念念：PLC梯形形圖中中一個個關鍵鍵的概概念，，是一一種假假想的的“能能量流流”。。只能能從左左向右右流，，任何何時候候都不不會從從右向向左流流。指令表表編程程（STL）類似于于計算算機中中的助助記符符語言言，它它是可可編程程控制制器最最基礎礎的編編程語語言。。所謂指指令表表編程程，是是用一一系列列的指指令來來表達達程序序的控控制要要求。。一條指指令有有兩部部分組組成：：助助記符符操操作作數（（或稱稱操作作數的的地址址）指令和和梯形形圖有有一定定的對應關關系。狀態流流程圖圖（功功能圖圖）編編程（（SFC））SFC是一一種比比較新新的編編程方方法，，它的的作用用是用用“功功能圖圖”表表達一一個順順序控控制過過程。。例優點：：SFC作作為一一種步步進順順控語語言，，為順順序控控制類類程序序的編編制提提供了了很大大的方方便。。用它它可以以對一一個控控制過過程進進行分分解，，用多多個相相對獨獨立的的程序序段代代替一一個長長的梯梯形圖圖程序序，還還能使使用戶戶看到到在給給定時時間機機器處處于什什么狀狀態。。功能塊塊圖（（FBD））編輯輯器也是一一種圖圖形編編程語語言。。與LAD相比比它沒沒有母母線、、觸點點和線線圈，，只有有表示示指令令功能能的方方框，，方框框間用用線段段表示示方框框內的的聯系系，整整個圖圖形則則用來來表示示一定定的控控制功功能。。例。第五節節可可編程程控制制器的的運行行方式式PLC的工工作方方式與與運行行框圖圖我們先先來看看一個個繼電控控制系系統簡簡圖。可以知知道繼繼電器器控制制系統統采用用的是是并行工工作方方式。可編程程控制制器是是一種種工業業控制制計算算機，，它的的工作作原理理是建建立在在計算算機工工作原原理基基礎上上的，，是通通過執執行反反映控控制要要求的的用戶戶程序序來實實現的的。CPU以分分時操操作方方式來來處理理各項項任務務，計計算機機在每每一瞬瞬間只只能做做一件件事情情，所所以程程序的的執行行是按按程序序順序序依次次完成成相應應各電電器的的動作作，便便成為為時間上的的串行。由于運運算速度度極高，，各電器器的動作作幾乎是是同時完完成的，，但是實實際上輸輸入-輸輸出的響響應是有有滯后的的。例概括而言言，PLC的工工作方式式是一個個不斷循循環的順順序掃描描工作方方式。每每一次掃掃描所用用的時間間稱為掃描周期期或工作周周期。執行用戶戶程序時時，需要要各種現現場信息息，這些些現場信信息已接接到PLC的輸輸入端。。PLC采集現現場信息息即采集集輸入信信號有兩兩種方式式。1、集中中采樣輸輸入方式式2、立即即輸入方方式同樣，PLC對對外部的的輸出控控制也有有集中和和立即輸輸出兩種種方式。。PLC對對輸入輸輸出信號號的傳送送還有其其他方式式，如有有的PLC采用用輸入、、輸出刷刷新指令令。在需需要的地地方設置置這類指指令，可可以對此此時的全全部或部部分輸入入點信號號讀入一一次，以以刷新輸輸入映像像寄存器器內容；；或將此此時的輸輸出結果果立即向向輸出端端或輸出出模塊輸輸出。如如PLC上有輸輸入、輸輸出的禁禁止功能能，這時時輸入、、輸出信信號不讀讀入也不不輸出。。PLC的的工作過過程先來看PLC的的工作過過程是怎樣的的。PLC運運行正常常時，掃掃描周期期的長短短與CPU的運運算速度度、I/O點的的情況、、用戶應應用程序序的長短短及編程程情況等等均有關關。通常常用PLC執行行1K指指令所需需時間來來說明其其掃描速速度（一一般為1~10ms/K）。。值得注注意的是是，不同同指令其其執行時時間是不不同的。。若用于于高速系系統要縮縮短掃描描周期，，可以軟軟硬件兩兩方面兼兼顧考慮慮。PLC掃