可編程序控制器本章內容包括：

PLC的發展、應用

結構及工作原理

主要技術性能指標硬件組成第五章可編程序控制器及其工作原理課程要求課程以小型可編程控制器S7-200系列PLC為例。介紹可編程控制器的基本結構，以及工作原理；要求掌握常用指令的格式和應用方法；熟練畫出可編程控制器外部電路接線圖；掌握可編程控制器應用的基本設計思想和設計方法。PLC外觀圖可編程控制器的產生及定義進入21世紀，各種自動控制產品正向著控制可靠，操作簡單，通用性強，價格低廉方向發展。曾一度在控制領域占主導地位的繼電控制系統，存在著控制能力弱，可靠性低的缺點，并且設備的固定接線控制不利于產品更新換代。PLC的歷史：美國通用汽車公司（GM）1968年提出了汽車裝配生產線改造項目的十項指標，即新一代控制器應具備的十項指標：（1）編程簡單，可以現場修改和調試程序（2）維護方便，采用可插入式模塊結構（3）可靠性高于繼電器控制系統（4）體積小于繼電器控制柜（5）能與管理中心計算機通信（6）成本可與繼電控制系統相競爭（7）輸入量是115V交流電壓(美國電網電壓是115V）（8）輸出量為115V交流電壓，輸出電流在2A以上，能直接驅動電磁閥（9）系統擴展時，原系統只需作很小的改動（10）用戶程序存儲容量至少4KB

1969年美國數字設備公司（DEC）根據招標的要求，研制出世界上第一臺可編程序控制器，并在GM公司汽車生產線上首次應用成功。1980年美國電氣制造商協會（NEMA）正式將其命名為可編程序控制器（ProgrammableController），簡稱PC。80年代，由于計算機技術的發展，PLC采用通用微處理器為核心，功能擴展到各種算術運算，PLC運算過程控制并可與上位機通訊、實現遠程控制。被稱為PC（programmablecontroller）即可編程控制器。2、PLC的產生及定義國際電工委員會（IEC）1987年頒布的可編程邏輯控制器的定義如下：“可編程邏輯控制器是專為在工業環境下應用而設計的一種數字運算操作的電子裝置，是帶有存儲器、可以編制程序的控制器。它能夠存儲和執行命令，進行邏輯運算、順序控制、定時、計數和算術運算等操作，并通過數字式和模擬式的輸入輸出，控制各種類型的機械或生產過程?？删幊炭刂破骷捌溆嘘P的外圍設備，都應按易于工業控制系統形成一個整體、易于擴展其功能的原則設計”。PLC的國內外狀況1969年美國研制出世界上第一臺PLC以后，日本、德國、法國等國相繼研制了各自的PLC。70年代中期，PLC進入了實用化階段。70年代末和80年代初，PLC進入了成熟階段。PLC的國內外狀況美國PLC發展得最快：1984年有48家，生產150多種PLC；1987年有63家，生產243種PLC；1996年有70余家，生產近300種PLC。著名廠家有A—B（Allen－Bradley）艾倫－布拉德利公司，MODICON莫迪康公司，GE－FSNUC公司，TI（TexasInstrument）德州儀器公司，WESTHOUSEElectric西屋電氣公司，IPM（InternationalParallelMachines）國際并行機器公司等。PLC的國內外狀況歐洲PLC的廠家有60余家:西門子（Siemens）于1973年研制出第一臺PLC；金鐘默勒（KlocknerMoellerGmbh），AEG；法國的TE(Telemecanique）(施耐德）瑞士的Selectron公司等。PLC的國內外狀況1971年，日本從美國引進PLC技術，由日立公司研制成功日本第一臺PLC。日本生產PLC的廠家有40余家：三菱電機(MITSUBISHI)，歐姆龍(OMRON)，富士電機（FujiElectric），東芝（TOSHIBA），光洋（KOYO)，松下電工（MEW），和泉（IDEC），夏普(SHARP），安川等公司。PLC的國內外狀況我國在70年代末和80年代初開始引進PLC。我國早期獨立研制PLC的單位有：北京機械工業自動化研究所，上海工業自動化儀表研究所，大連組合機床研究所，成都機床電器研究所，中科院北京計算機所及自動化所，長春一汽，上海起重電器廠，上海香島機電公司，上海自力電子設備廠等單位。以上諸單位都沒有形成規模化生產。遼寧無線電二廠引進德國西門子技術生產PLC；無錫電器和日本光洋合資生產的PLC;中美合資的廈門A—B公司生產的PLC；上海香島機電公司引進技術生產的PLC;上海OMRON公司;西安Siemens公司等。PLC的國內外狀況PLC的發展趨勢（1）向高速度、大存儲容量方向發展（CPU處理速度nS級；內存2M字節）（2）向多品種方向發展和提高可靠性（超大型和超小型）（3）產品更加規范化、標準化（硬件、軟件兼容的PLC）（4）分散型、智能型、與現場總線兼容的I／0（5）加強聯網和通信的能力（6）控制的開放和模塊化的體系結構OMAC（openModularArchitectureforControl）PLC著名品牌1993年中國PLC市場排行榜上的世界十大廠家：美國A－B公司（Allen－Bradley）德國西門子公司（Siemens）美國GE－Fanuc公司美國的莫迪康（Modicon）和法國的TE電器公司日本歐姆公司（OMRON）日本三菱電機株式會社（MITSUBISHI）日本富士電機株式會社（FujiElectric）日本東芝公司（TOSHIBA）日本的光洋電子（KOYO）和中國的華光電子(CKE）日本松下電工株式會社（MEW）：MatsushitaElectricWorksLtd）PLC著名品牌根據美國AutomationResearchCo．（ARC）的商情調查，在1994年PLC市場上，最大的5家PLC制造商是:SIEMENS，Allen－Bradly，（Rockwell)AEGSchneider，三菱電機,OMRON(立石電機）（1996年中國PLC市場）1、PLC的用途PLC在工業自動化中起著舉足輕重的作用，在國內外已廣泛應用于機械、冶金、石油、化工、輕工、紡織、電力、電子、食品、交通等行業。經驗表明，80％以上的工業控制可以使用PLC來完成。在日本，凡8個以上中間繼電器組成的控制系統都已采用PLC來取代。二、可編程控制器的用途及特點1、順序控制2、運動控制3、閉環過程控制4、數據處理5、通信和聯網（PPI、MPI、PROFIBUS-DP、自由通訊口）PPI通訊方式帶中繼器的通訊網MPI通訊方式自由通訊口方式調制解調器遠程通訊PROFIBUSDP2、PLC的特點

1、可靠性高、抗干擾能力強(平均無故障時間10萬～幾十萬小時）

2、適應性強、應用靈活PLC是系列化的產品，其品種齊全，可以滿足各種大小規模、功能繁簡的控制系統。

3、編程簡單、方便、易于使用采用梯形圖語言，延續使用繼電器控制系統的許多符號和規定，其形象直觀、易學易懂。

4、具有各種接口、與外部設備連接方便，適應范圍廣具有各種數字、模擬量的I/O接口，能將生產現場的多種規格的直流、交流信號直接接入可編程控制器。

5.功能完善具有模擬和數字量輸入/輸出模塊、邏輯運算和定時、計數、數據處理、通信、人機對話、自檢、記錄和顯示等功能。6、維修方便7、體積小、重量輕易于實現機電一體化3.PLC的缺點主要是PLC的軟、硬件體系結構是封閉而不是開放的：如專用總線、專家通信網絡及協議，I/O模板不通用，甚至連機柜、電源模板亦各不相同。編程語言雖多數是梯形圖，但組態、尋址、語言結構均不一致，因此各公司的PLC互不兼容。SIEMENS等公司已經開發出以個人計算機為基礎，在Windows平臺下，結合IEC1131－3國際標準的新一代開放體系結構的PLC。

繼電－接觸器控制系統（布線邏輯）：由導線、繼電器、接觸器、開關和觸點等器件按一定的邏輯關系連接起來。優點：電路圖直觀形象、價格低廉、容易操作缺點：設備體積大、開關動作慢、組合復雜、功能較少、維修不便、可靠性差、系統接線固定，沒有通用性和靈活性。適用于要求不高的專用邏輯控制場合。

半導體元件邏輯控制裝置：利用半導體二極管、三極管和中小規模集成電路構成的一種無觸點邏輯順序控制器。優點：體積小、無觸點、可靠性高、反應速度快、壽命長缺點：控制規模小、編織程序不夠靈活、對使用環境要求高。外部接線一、plc的分類

1.從結構上:可分為整體式和模塊式。整體式：CPU、存儲器及I/O接口等基本部件裝在一塊電路板上，并連同電源裝成一個整體。整體式PLC的組成第二節plc的硬件構成及編程元件

模塊式：把CPU（包括存儲器）單元、電源單元、I/O單元等做成獨立的模塊，即做成CPU模塊、電源模塊、I/O模塊等，組裝在一個框架內。2.按I/O點數分類:分為小型、中型和大型。小型PLC：I/O點數在256點以下，用戶程序存儲器容量為2K字以下（1K=1024，存儲一個1或0的二進制碼稱為一位，一個字為16位）。如S7-200.中型PLC：I/O點數在256～2048之間，用戶程序存儲器容量一般為2～8K字。如S7-300。大型PLC：I/O點數為2048點以上（包括2048點），用戶程序存儲器容量達8K字以上。如S7-400。按功能強弱分類可分為低檔、中檔和高檔。低檔:實現基本的邏輯控制。具有邏輯運算、定時、計數等基本功能。有的還增設了模擬量的處理、算術運算、數據傳送等功能。可以實現邏輯、順序、計時、計數等控制功能。如S7-200。中檔：具有低檔PLC的基本功能，更多的數字I/O點數和較強的模擬量I/O接口，并具有中斷控制、數據傳送和比較、數制轉換、遠程I/O、網絡通信。高檔：具有中檔PLC的功能，帶符號算術運算、矩陣運算、位邏輯運算、平方根運算及特殊功能函數的運算和表格傳送。具有更強的擴展能力和網絡通信功能。二、PLC程序控制的基本概念繼電－接觸器控制系統（如圖a）：支配控制系統的程序是由分立元件用導線連接起來實現的，控制程序的修改必須通過改變接線來實現。返回本節輸入設備程序接線輸出設備被控系統（a）繼電-接觸控制系統

輸入設備程序存儲器輸出設備被控系統（b）PLC控制系統

存儲器程序控制系統（如圖b）：控制系統要完成的控制任務是通過存儲器中的程序來實現。如PLC。繼控制與PLC控制方案比較實例圖1：定子繞組串電阻降壓起動、反接制動并行執行PLC控制圖輸入----PLC內部----輸出例:兩個開關X1、X2，要求其中任何一個接通都可立即點亮紅燈，兩秒鐘后自動熄滅紅燈并點亮綠燈。1、繼電-接觸器控制方式2、PLC控制方式PLC與繼電接觸控制系統的比較繼電接觸控制全部用硬器件、硬觸點和“硬”線連接，為全硬件控制；PLC內部大部分采用“軟”電器、“軟”接點和“軟”線連接，為軟控制。繼電接觸控制系統體積大；PLC系統結構緊湊，體積小。繼電接觸控制全為機械式觸點，動作慢；PLC內部全為“軟接點”，動作快。繼電接觸控制功能改變，需拆線，接線乃至更換元器件，比較麻煩；PLC控制功能改變，一般僅修改程序即可，及其方便。PLC控制系統的設計、施工與調試比繼電接觸控制系統周期短。PLC控制的自檢和監控功能比繼電接觸控制的強。PLC的使用范圍比繼電接觸控制的廣泛。PLC可靠性比繼電接觸控制的高。三、PLC基本結構PLC由輸入部件、中央控制單元、存儲器單元、輸出部件、電源部件等構成。圖為一典型PLC結構簡圖。返回本節1、中央控制單元一般由微處理器（CPU）、系統程序存儲器ROM或EPROM、用戶程序存儲器RAM或EEPROM、編程器接口組成。微處理器模塊是PLC的核心模塊。

主要功能：①接收和存儲用戶程序，并從程序存儲器讀取程序指令，編譯、執行指令.②以掃描工作方式通過I/O部件接收現場的狀態或數據，并存入輸入映像存儲器或數據存儲器.③把運算結果送到輸出端.④響應各種外部設備的請求

.注：PLC常用芯片（1）通用處理器：8086、80286、80386（2）單片機芯片：8031、8096（3）位片式微處理器：AMD-2900小型PLC多采用8位微處理器或單片機作為CPU中型PLC多采用16位微處理器或單片機作為CPU大型PLC多采用高速位片式微處理器CB譯碼電路復位電路CPUAB振蕩電路總線驅動PLC總線RAMEEPROM地址總線DB控制總線DBDB（1）CPU及其外圍電路外圍電路有時鐘震蕩電路和復位電路。（2）ROM和EEPROM系統存儲器：存儲PLC內部信息。用戶存儲器：存儲用戶的應用程序。（3）總線及譯碼電路總線分DB、AB、CB。譯碼電路由地址譯碼器和地址鎖存器及相關器件組成。2、輸入部件：采用光電隔離，實現了PLC的內部電路與外部電路的電氣隔離，減小了電磁干擾。輸入接口電路和輸入寄存器。輸入模塊包含數字量輸入模塊和模擬量輸入模塊。輸入接口作用：將按鈕、行程開關或傳感器等產生的信號，轉換成數字信號送入主機。（1）數字量輸入模塊：其輸入信號為開關量信號，分為直流開關量輸入模塊和交流量輸入模塊。直流輸入模塊COM光電三極管發光二極管直流電源輸入端子Xn+24V–發光二極管交流輸入模塊：由輸入濾波電路、限流電路、整流濾波電路和光電隔離電路組成。（3）模擬量輸入模塊處理方式：由傳感器檢測并轉換成連續變化的電信號，再由模擬輸入模塊的A/D轉換器轉換成數字量送入總線接口。模擬輸入模塊是以A/D轉換器為主要器件，配以相關擴展芯片，一般有4通道、8通道、16通道。3、存儲器模塊PLC的存儲器包括系統存儲器和用戶存儲器RAM：存儲各種暫存數據、中間結果、用戶正調試的程序。ROM：存放監控程序和用戶已調試好的程序。4、輸出接口模塊輸出部件包括：輸出寄存器輸出鎖存器功率放大器等分為數字輸出部件和模擬輸出部件。數字輸出部件包括：晶體管輸出方式（直流負載）晶閘管輸出方式（交流負載）繼電器輸出方式（交、直流均可）模擬輸出部件包括：電流輸出模塊電壓輸出模塊繼電器輸出模塊電路KA輸出寄存器VccR1LEDY0R2C2電源COMQ0.0Q0.7負載Q0.7+24VD/AVref+-+-+-RRR/4RR電流輸出電壓電流轉換電壓輸出緩存電壓輸出緩存功率放大模擬輸出部件：由控制電路、D/A轉換器、電壓/電流轉換器、輸出保持和功率放大電路組成。PLC

5、電源部件將交流電源轉換成CPU、I/O模塊和存儲器模塊等部件所需要的直流電源。有的電源單元還向外提供24V隔離直流電源，可供開關量輸入單元連接的現場無源開關等使用。6、編程器對PLC進行程序編輯、調試、監視，將程序固化在EPROM中。分為簡易型和通用型。簡易型編程器可在線編程，通用型編程器既可在線編程，又可離線編程，PC也作為一種編程器，通過RS232通信口與PLC相連，在PC上進行梯形圖編輯、調試和監控。電源模塊CPU模塊IO模塊底板中、大型機：模塊式?？筛鶕枰谥靼迳想S意組合。四、PLC工作原理PLC控制系統由輸入、控制、輸出3部分組成。對應的“器件”是內部“軟繼電器”，對應的“導線”是“程序”。PLC是通過“程序”控制內部“軟繼電器”的“軟件程序”控制系統。梯形圖中的繼電器、定時器、計數器等都不是實際物理器件，是PLC存儲器中的一位，稱為軟件繼電器。PLC的軟繼電器硬件組成：微處理器、存儲器、接口芯片、各種模塊?？煽闯捎稍S多軟繼電器組成的控制器。PLC內部等效軟繼電器分為：輸入繼電器、中間繼電器、輸出繼電器。中間繼電器包括：輔助繼電器、特殊功能繼電器、移位寄存器、計時器、計數器等。2、PLC工作過程信號輸入（輸入采樣）程序執行結果輸出（輸出刷新）PLC的工作原理—建立I/O映像區輸入點總有輸入映象區的某一位與之相對應I/O映象區的大小與系統控制的規模有關PLC工作時，將采集到的輸入信號狀態存放在輸入映象區對應的位上；將運算的結果存放到輸出映象區對應的位上。PLC在執行用戶程序時所需“輸入繼電器”、“輸出繼電器”的數據取用于I/O映象區，而不直接與外部設備發生關系。輸入采樣：按掃描方式讀入所有輸入端子上的輸入信號狀態，并將其存入輸入緩沖區。程序執行：對梯形圖方式編寫的程序按從上到下、從左到右的順序逐一掃描各條指令，然后從輸入映像區取出本循環掃描周期讀入的輸入數據或從輸出映像區讀取上個循環掃描周期輸出的有關數據，再進行由程序確定的邏輯運算或其他運算，最后根據程序指令將運算結果存入確定的輸出映像區對應的單元。輸出刷新：將輸出映像區的內容送到輸出鎖存器，并驅動輸出繼電器線圈，使輸出端子的信號變為被控設備所能接受的電壓或電流信號，驅動被控設備。PLC是循環掃描工作方式

PLC之間以及PLC與PC之間；PLC與其他帶微處理器的智能裝置通信（編程器、終端設備、彩色圖形顯示器、打印機）

掃描的方式輸入信號的狀態存入輸入映象區；結果存入輸出映象區，運算結果存入輸出映象區對應位中，直至傳送到外部被控設備。

清除內部繼電器區，復位定時器等，并進行自診斷，對電源、PLC內部電路、用戶程序的語法進行檢查。定期檢查用戶程序存儲器、I/O單元的連接、I/O總線是否正常，定期復位監控定時器WDT可編程序控制器對用戶程序進行循環掃描可分為三個階段進行，即輸入采樣階段，程序執行階段和輸出刷新階段。

3、掃描周期與響應滯后掃描周期：信號輸入、程序執行、結果輸出3個批處理階段的工作過程。大小主要取決于：程序長短、CPU的工作速度。PLC的輸出對輸入的響應存在滯后現象，滯后時間與掃描周期有關。減少滯后措施：采用快速響應模塊、高速計數模塊、中斷處理等。①輸入電路濾波時間，它由RC濾波電路的時間常數決定。改變時間常數可調整輸入延遲時間。②輸出電路的滯后時間，它與輸出電路的輸出方式有關。繼電器輸出方式的滯后時間為10ms左右；雙向晶閘管輸出方式，在接通負載時滯后時間約為1ms，切斷負載時滯后時間小于10ms；晶體管輸出方式的滯后時間小于1ms。③PLC循環掃描的工作方式④PLC對輸入采樣、輸出刷新的集中處理方式⑤用戶程序中語句的安排輸入、輸出延遲響應的影響因素CPU讀輸入輸入輸出延遲時間——最短響應時間輸入/輸出刷新時間最短響應時間=輸入延遲時間+一個掃描周期+輸出延遲時間CPU讀輸入輸入/輸出刷新時間輸入輸出延遲時間——最長響應時間最長響應時間=輸入延遲時間+兩個掃描時間+輸出延遲時間手持式編程器PC編程PLC的軟件包括系統軟件和用戶程序1、