1.1可編程序控制器概述

1.1.1PLC的由來

1968年，美國通用汽車公司(GM公司)為了在每次汽車改型或改變工藝流程時不改動原有繼電器柜內的接線，以便降低生產成本，縮短新產品的開發周期，而提出了研制新型邏輯順序控制裝置，并提出了該裝置的研制指標要求，即10項招標技術指標，這10指標實際上就是當今可編程序控制器最基本的功能。將它們歸納一下，其核心為以下四點：

(1)用計算機代替繼電器控制盤。

(2)用程序代替硬件接線。

(3)輸入/輸出電平可與外部裝置直接連接。

(4)結構易于擴展

1.1可編程序控制器概述

1.1.1PLC的由來

美國數字設備公司（DEC）中標并于1969年研出了世界上第一臺可編程序控制器，并應用于通用汽車公司的生產線上。當時叫可編程邏輯控制器PLC（ProgrammableLogicController），目的是用來取代繼電器，以執行邏輯判斷、計時、計數等順序控制功能。緊接著，美國MODICON公司也開發出同名的控制器，1971年，日本從美國引進了這項新技術，很快研制成了日本第一臺可編程控制器。1973年，西歐國家也研制出他們的第一臺可編程控制器。美國數字設備公司（DEC）中標并于1969年研出了世界

1.1.2可編程序控制器的定義、分類及特點

1.可編程序控制器的定義由于PLC在不斷發展，因此，對它進行確切的定義是比較困難的。1982年，國際電工委員會(InternationalElectricalCommittee，IEC)頒布了PLC標準草案，1985年提交了第2版，并在1987年的第3版中對PLC作了如下的定義：PLC是一種專門為在工業環境下應用而設計的進行數字運算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內部存儲執行邏輯運算、順序運算、定時、計數和算術運算等操作的指令，并能通過數字式或模擬式的輸的輸入和輸出。控制各種類型的機械或生產過程。PLC及其有關的外圍設備都應按照易于與工業控制系統形成一個整體和易于擴展其功能的原則而設計。1.1.2可編程序控制器的定義、分類及特點1.可編

控制各種類型的機械或生產過程。PLC及其有關的外圍設備都應按照易于與工業控制系統形成一個整體和易于擴展其功能的原則而設計。上述的定義表明，PLC是一種能直接應用于工業環境的數字電子裝置，是以微處理器為基礎，結合計算機技術、自動控制技術和通信技術，用面向控制過程、面向用戶的“自然語言”編程的一種簡單易懂、操作方便、可靠性高的新一代通用工業控制裝置。

2.可編程序控制器的分類（1）PLC硬件結構的類型可編程序控制器發展很快，目前，全世界有幾百家工廠正在生產幾千種不同型號的PLC。為了便于在工業現場安裝，便于擴展，方便接線，其結構與普通計算機有很大區別。通常從組成結構形式上將這些PLC分為兩類：一類是一體化整體式PLC，另一類是結構化模塊式PLC。控制各種類型的機械或生產過程。PLC及其有關的外圍設

（2）PLC的分類

為了適應不同工業生產過程的應用要求，可編程序控制器能夠處理的輸入/輸出信號數是不一樣的。一般將一路信號叫做一個點，將輸入點數和輸出點數的總和稱為機器的點。按照I/O點數的多少，可將PLC分為超小(微)、小、中、大、超大等五種類型。如表1-1所示。

表1-1按I/O點數分類

按功能分類可分為低檔機、中檔機、高檔機。如表1-2所示表1-2按功能分類

（2）PLC的分類

表1-2按功能分類3.可編程序控制器的特點

PLC能如此迅速發展的原因，除了工業自動化的客觀需要外，還有許多獨特的優點。它較好地解決了工業控制領域中普遍關心的可靠、安全、靈活、方便、經濟等問題。其主要特點如下：（1）編程方法簡單易學

（2）功能強，性能價格比高（3）硬件配套齊全，用戶使用方便，適應性強.（4）可靠性高，抗干擾能力強（5）系統的設計、安裝、調試工作量少（6）維修工作量小，維修方便（7）體積小，能耗低（2）功能強，性能價格比高

1.1.3可編程序控制器的功能和應用

1.開關邏輯和順序控制這是PLC應用最廣泛、最基本的場合。它的主要功能是完成開關邏輯運算和進行順序邏輯控制，從而可以實現各種簡單或十分復雜的控制要求。

2.模擬控制在工業生產過程中，許多連續變化的需要進行控制的物理量，如溫度、壓力、流量、液位等，這些都屬于模擬量。為了實現工業領域對模擬量控制的廣泛要求，目前大部分PLC產品都具備處理這類模擬量的功能。特別是當系統中模擬量控制點數不多，同時混有較多的開關量時，PLC具有其他控制裝置所無法比擬的優勢。另外，某些PLC產品還提供了典型控制策略模塊，如PID模塊，從而可實現對系統的PID等反饋或其他模擬量的控制運算。1.1.3可編程序控制器的功能和應用

1.開關邏輯和順

3.定時控制

PLC具有很強的定時、計數功能，它可以為用戶提供數十甚至上百個定時器與計數器。如果需要對頻率較高的信號進行計數，則可以選擇高速計數器。4.數據處理

新型PLC它不僅具有算術運算、數據傳送的能力，而且還能進行數據比較、數據轉換、數據顯示打印等功能，有的PLC還可以進行浮點運算和函數運算。5.通信聯網把PLC作為下位機，與上位機或同級的可編程序控制器進行通信，可完成數據的處理和信息的交換，實現對整個生產過程的信息控制和管理，因此PLC是實現工廠自動化的理想工業控制器。6.信號聯鎖系統信號聯鎖是安全生產所必需的。3.定時控制

1.1.4可編程序控制器的發展趨勢1．增強網絡通信功能2．發展智能模塊3．外部診斷功能4．編程語言、編程工具標準化、高級化5．軟件、硬件的標準化6．組態軟件的迅速發展1.1.4可編程序控制器的發展趨勢1．增強網絡通信功能

工業控制計算機，其硬件系統都大體相同，主要由中央處理器模塊、存儲器模塊、輸入輸出模塊、編程器和電源等幾部分構成，如圖1-1所示。工業控制計算機，其硬件系統都大體相同，主要由中央處理

1．中央處理器（CPU）

CPU是PLC的核心部件，主要用來運行用戶程序、監控輸入/輸出接口狀態以及進行邏輯判斷和數據處理。CPU用掃描的方式讀取輸入裝置的狀態或數據，從內存逐條讀取用戶程序，通過解釋后按指令的規定產生控制信號，然后分時、分渠道地執行數據的存取、傳送、比較和變換等處理過程，完成用戶程序所設計的邏輯或算術運算任務，并根據運算結果控制輸出設備響應外部設備的請求以及進行各種內部診斷。

2．存儲器可編程控制器的存儲器由只讀存儲器ROM、隨機存儲器RAM和可電擦寫的存儲器EEPROM三大部分構成，只讀存儲器ROM用以存放系統程序，可編程控制器在生產過程中將系統程序固化在ROM中的。用戶程序和中間運算數據存放的隨機存儲器RAM中，RAM存儲器是一種高密度、低功耗、價格便宜的半導體存儲器，可用鋰電池做備用電源。1．中央處理器（CPU）

3．電源

PLC的電源是指為CPU、存儲器和I/O接口等內部電子電路工作所配備的直流開關電源。電源的交流輸入端一般都有脈沖吸收電路，交流輸入電壓范圍一般都比較寬，抗干擾能力比較強。電源的直流輸電壓多為直流5V和直流24V。直流5V電源供PLC內部使用，直流24V電源除供內部使用外還可以供輸入/輸出單元和各種傳感器使用。

4．輸入/輸出接口

PLC內部輸入電路作用是將PLC外部電路（如行程開關、按鈕、傳感器等）提供的符合PLC輸入電路要求的電壓信號，通過光電耦合電路送至PLC內部電路。輸入電路有直流輸入電路、交流輸入電路和交直流輸入電路。輸入電路通常以光電隔離和阻容濾波的方式提高抗干擾能力，根據輸入信號形式的不同，可分為模擬量I/O單元、數字量I/O單元兩大類。根據輸入單元形式的不同，可分為基本I/O單元、擴展I/O單元兩大類。3．電源

PLC內部輸出電路作用是將輸出映像寄存器的結果通過輸出接口電路驅動外部的負載（如接觸器線圈、電磁閥、指示燈等）。輸出電路用于把用戶程序的邏輯運算結果輸出到PLC外部，輸出電路具有隔離PLC內部電路和外部執行元件的作用，還具有功率放大的作用。輸出電路有晶體管輸出型、可控硅輸出型和繼電器輸出型三種。功能模塊是一些智能化的輸入/輸出電路。如溫度檢測模塊、位置檢測模塊、位置控制模塊和PID控制模塊等。（1）輸入接口電路由于生產過程中使用的各種開關、按鈕、傳感器等輸入器件直接接到PLC輸入接口電路上，為防止由于觸點抖動或干擾脈沖引起錯誤的輸入信號，輸入接口電路必須有很強的抗干擾能力。以直流輸入電路為例，如圖1-2所示，輸入接口電路提高抗干擾能力的方法主要有利用光電耦合器提高抗干擾能力和利用濾波電路提高抗干擾能力。PLC內部輸出電路作用是將輸出映像寄存器的結果通過輸出接口電

圖1-2直流輸入電路

（2）輸出接口電路根據驅動負載元件不同可將輸出接口電路分為3種：①小型繼電器輸出形式。如圖1-3所示。這種輸出形

式既可驅動交流負載，又可驅動直流負載。驅動負載的能力在2A左右。圖1-3所示電路工作原理是：當內部電路的狀態為1時，使繼電器K的線圈通電，產生電磁吸力，觸點閉合，則負載得電，同時點亮LED，表示該路輸出點有輸出。當內部電路的狀態為0時，使繼電器K的線圈無電流，觸點斷開，則負載斷電，同時LED熄滅，表示該路輸出點無輸出。

圖1-3小型繼電器輸出形式電路式既可驅動交流負載，又可驅動直流負載。驅動負載的能力在

②大功率晶體管或場效應管輸出形式。如圖1-4所示。這種輸出形式只可驅動直流負載。驅動負載的能力：每一個輸出點為零點幾安培左右。它的優點是可靠性強，執行速度快，壽命長。缺點是過載能力差。適合在直流供電、輸出量變化快的場合選用。圖1-4所示電路工作原理是：當內部電路的狀態為1時，光電耦合器T1導通，使大功率晶體管VT飽和導通，則負載得電，同時點亮LED，表示該路輸出點有輸出。當內部電路的狀態為0時，光電耦合器T1斷開，大功率晶體管VT截止，則負載失電，LED熄滅，表示該路輸出點無輸出。VD為保護二極管，可防止負載電壓極性接反或高電壓、交流電壓損壞晶體管。FU的作用是：防止負載短路時損壞PLC。當負載為電感性負載，VT關斷時會產生較高的反電勢所以必須給負載并聯續流二極管，為其提供放電回路，避免VT承受過電壓。

圖1-4大功率晶體管輸出形式電路

③雙向晶閘管輸出形式。如圖1-5所示。這種輸出形式適合驅動交流負載。由于雙向可控硅和大功率晶體管同屬于半導體材料元件，所以優缺點與大功率晶體管或場效應管輸出形式的相似，適合在交流供電、輸出量變化快的場合選用。圖1-5所示電路工作原理是：當內部電路的狀態為1時，發光二極管導通發光，相當于雙向晶閘管施加了觸發信號，無論外接電源極性圖1-5雙向可控硅輸出形式電路

如何，雙向晶閘管T均導通，負載得電，同時輸出指示LED點亮，表示該輸出點接通；當對應T的內部繼電器的狀態為0時，雙向晶閘管施加了觸發信號，雙向晶閘管關斷，此時LED不亮，負載失電。這種輸出接口電路驅動負載的能力