《電氣控制與可編程控制器技術(shù)》電子.ppt

第二篇 可編程控制器技術(shù),第五章 可編程控制器概述,第一節(jié) 可編程控制器的基本概念,可編程控制器（Programmable Controller）簡稱PC,而個人計算機(jī)（Personal Computer）也稱PC，為了避免混淆，人們將最初用于邏輯控制的可編程控制器叫做Programmable logic Controller（簡稱為PLC ）。本書也用PLC作為可編程控制器的簡稱。 可編程控制器的問世只有30多年的歷史，但發(fā)展極為迅速。為了確定它的性質(zhì)，國際電工委員會（International Electrical Committee）在1987年頒布的PLC標(biāo)準(zhǔn)草案中對PLC作了如下定義：,PLC是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的數(shù)字運(yùn)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(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、定時、計數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。PLC及其有關(guān)的外圍設(shè)備都應(yīng)按照易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴(kuò)展其功能的原則而設(shè)計。,定義中有以下幾點(diǎn)應(yīng)值得注意的是：,（1）可編程控制器是“數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置”，其中帶有“可以編制程序的存儲器”，能夠進(jìn)行“邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、定時、計數(shù)和算術(shù)運(yùn)算”工作，可以認(rèn)為可編程控制器具有計算機(jī)的基本特征。事實上，可編程控制器無論從內(nèi)部構(gòu)造、功能及工作原理上看都是不折不扣的計算機(jī)。,（2）可編程控制器是”為工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用”而設(shè)計的計算機(jī)。工業(yè)環(huán)境和一般辦公環(huán)境有較大的區(qū)別，PLC具有特殊的構(gòu)造，使它能在高粉塵、高噪音、強(qiáng)電磁干擾和溫度變化劇烈的環(huán)境下正常工作。為了能控制”機(jī)械或生產(chǎn)過程”，它又要能”易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體“這些都是個人計算機(jī)不可能做到的?？删幊炭刂破鞑皇瞧胀ǖ挠嬎銠C(jī)，它是一種工業(yè)現(xiàn)場使用的計算機(jī)。,（3）可編程控制器能控制”各種類型“的工業(yè)設(shè)備及生產(chǎn)過程。它易于擴(kuò)展其功能，它的程序能根據(jù)控制對象的不同要求，讓使用者”可以編制程序“。也就是說，可編程控制器較其以前的工業(yè)控制計算機(jī)，如單片機(jī)工業(yè)控制系統(tǒng)，具有更大的靈活性，它可以方便地應(yīng)用在各種場合，它是一種通用的工業(yè)控制計算機(jī)。,通過以上定義可知，相對一般意義上的計算機(jī)，可編程控制器并不僅僅具有計算機(jī)的內(nèi)核，它還配置了許多使其適用于工業(yè)控制的器件。它實質(zhì)上是經(jīng)過一次開發(fā)的工業(yè)控制用計算機(jī)。但是，從另一個方面來說，它是一種通用機(jī)，不經(jīng)過二次開發(fā)，它就不能在任何具體的工業(yè)設(shè)備上使用。不過，自其誕生以來，電氣工程技術(shù)人員感受最深刻的也正是可編程控制器二次開發(fā)編程十分容易。再加上體積小、工作可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、控制功能完善、適應(yīng)性強(qiáng)、安裝接線簡單等眾多優(yōu)點(diǎn)，PLC在短短的30多年中獲得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，在工業(yè)控制中獲得了非常廣泛的應(yīng)用。,第二節(jié) 可編程控制器的特點(diǎn)及應(yīng)用,一、PLC的特點(diǎn) （一）可靠性高，抗干擾能力強(qiáng) 高可靠性是電氣控制設(shè)備的關(guān)鍵性能。PLC采 用大規(guī)模集成電路技術(shù)，內(nèi)部電路采用了先進(jìn)的抗干擾技術(shù)，具有很高的可靠性。 一些使用冗余CPU的PLC的平均無故障工作時間則更長。從PLC的機(jī)外電路來說，用PLC構(gòu)成的控制系統(tǒng)，電氣接線及開關(guān)接點(diǎn)可以大大減少，故障也將隨之大大降低。此外，PLC具有硬件故障的自我檢測功能，出現(xiàn)故障時可及時發(fā)出報警信息。,在應(yīng)用軟件中，用戶還可以編寫外圍器件的故障自診斷程序，使系統(tǒng)中除PLC以外的電路及設(shè)備也獲得故障自診斷保護(hù)。這樣整個系統(tǒng)具有極高的可靠性。 （二）配套齊全，功能完善，適用性強(qiáng) PLC發(fā)展到今天，已經(jīng)形成了大、中、小各種 規(guī)模的系列化產(chǎn)品?？捎糜诟鞣N規(guī)模的工業(yè)控制場合。除了邏輯處理功能外，現(xiàn)代PLC大多具有完善的數(shù)據(jù)運(yùn)算能力，可用于各種數(shù)字控制領(lǐng)域。近年來PLC的功能模塊大量涌現(xiàn)，使PLC滲透到了位置控制、溫度控制、計算機(jī)數(shù)控（CNC）等各種工業(yè)控制中。加上PLC通訊能力的增強(qiáng)及人機(jī)界面技術(shù)的發(fā)展，使用PLC組成各種控制系統(tǒng)變得非常容易。,（三）易學(xué)易用，深受工程技術(shù)人員歡迎 PLC作為通用工業(yè)控制計算機(jī)，是面向工礦企業(yè)的工控設(shè)備，編程語言易于為工程技術(shù)人員接受.像梯形圖語言的圖形符號和表達(dá)方式與繼電器電路圖非常接近，只用PLC的少量開關(guān)邏輯控制指令就可以方便地實現(xiàn)各種電氣控制電路的功能。 （四）系統(tǒng)設(shè)計周期短,維護(hù)方便,改造容易 PLC用存儲邏輯代替接線邏輯，可以大大地減少外部的接線，使控制系統(tǒng)設(shè)計周期大大縮短。同時維護(hù)也變得容易。更重要的是同一設(shè)備經(jīng)過改變程序來改變生產(chǎn)過程已成為可能。這很適合多品種、小批量的生產(chǎn)場合。,（五）體積小，重量輕，能耗低 超小型PLC，其底部尺寸小于100mm見方，重量小于150g，功耗僅數(shù)瓦。裝入機(jī)械內(nèi)部方便，是實現(xiàn)機(jī)電一體化的理想控制設(shè)備。,二、可編程控制器的應(yīng)用領(lǐng)域,目前，PLC已廣泛應(yīng)用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機(jī)械制造、汽車、輕紡、交通運(yùn)輸、環(huán)保及文化娛樂等各個行業(yè)，使用情況大致可歸納為如下幾類: （一）開關(guān)量的邏輯控制 開關(guān)量的邏輯控制是PLC最基本、最廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，可用它取代傳統(tǒng)的繼電器控制電路，實現(xiàn)邏輯控制、順序控制，既可用于單臺設(shè)備的控制，又可用于多機(jī)群控制及自動化流水線。,（二）模擬量控制 在工業(yè)生產(chǎn)過程中，為了使可編程控制器能處理如溫度、壓力、流量、液位和速度等模擬量信號，PLC廠家都有配套的A/D,D/A轉(zhuǎn)換模塊用于模擬量控制。 （三）運(yùn)動控制 PLC可以用于圓周運(yùn)動或直線運(yùn)動的控制。各主要PLC廠家?guī)缀醵加羞\(yùn)動控制功能專用模塊,如可驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)的單軸或多軸位置控制模塊,廣泛地用于各種機(jī)械,機(jī)床,機(jī)器人,電梯等場合。,（四）過程控制 過程控制是指對溫度、壓力、流量等模擬量的閉環(huán)控制。PLC能編制各種各樣的控制算法程序，完成閉環(huán)控制。如PID調(diào)節(jié)就是一般閉環(huán)控制系統(tǒng)中常用的調(diào)節(jié)方法。PID處理一般是運(yùn)行專用的PID子程序。過程控制在冶金、化工、熱處理、鍋爐控制等場合有非常廣泛的應(yīng)用。,（五）數(shù)據(jù)處理 現(xiàn)代PLC具有數(shù)學(xué)運(yùn)算（含矩陣運(yùn)算、邏輯運(yùn)算）、數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、排序、查表、位操作等功能，可以完成數(shù)據(jù)的采集、分析及處理。這些數(shù)據(jù)可以與存儲器中的參考值比較，完成一定的控制操作，也可以利用通訊功能傳送到別的智能裝置，或?qū)⑺鼈兇蛴≈票怼?shù)據(jù)處理一般用于大型控制系統(tǒng)，如無人控制的柔性制造系統(tǒng)；也可用于過程控制系統(tǒng)，如造紙、冶金、食品工業(yè)中的一些大型控制系統(tǒng)。,（六）通信及聯(lián)網(wǎng) PLC通信包含PLC之間的通信以及PLC與其他智能設(shè)備間的通信。隨著計算機(jī)控制的發(fā)展，工廠自動化網(wǎng)絡(luò)發(fā)展將會加快，各PLC廠商都十分重視PLC的通訊功能，紛紛推出各自的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。最新生產(chǎn)的PLC都具有通訊接口，實現(xiàn)通訊非常方便。,第三節(jié) 可編程控制器的發(fā)展,世界上公認(rèn)的第一臺PLC是1969年美國數(shù)字設(shè)備公司（DEC）研制的 。 20世紀(jì)70年代初出現(xiàn)了微處理器。人們很快將其引入可編程控制器，使PLC增加了運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送及處理等功能，成為真正具有計算機(jī)特征的工業(yè)控制裝置 。 20世紀(jì)70年代中末期，可編程控制器進(jìn)入了實用化發(fā)展階段，計算機(jī)技術(shù)已全面引入可編程控制器中，使其功能發(fā)生了飛躍。,20世紀(jì)80年代初，可編程控制器在先進(jìn)工業(yè)國家中已獲得了廣泛的應(yīng)用。 據(jù)美國權(quán)威情報機(jī)構(gòu)1982年的統(tǒng)計數(shù)字顯示，大量應(yīng)用可編程控制器的工業(yè)廠家占美國重點(diǎn)工業(yè)行業(yè)廠家總數(shù)的82，已位于眾多的工業(yè)自控設(shè)備之首。這個時期可編程控制器發(fā)展的特點(diǎn)是大規(guī)模、高速度、高性能、產(chǎn)品系列化。這標(biāo)志著可編程控制器已步入成熟階段。 這個階段的另一個特點(diǎn)是世界上生產(chǎn)可編程控制器的國家日益增多，產(chǎn)量日益上升。許多可編程控制器的生產(chǎn)廠家已聞名于全世界。,如美國Rockwell自動化公司所屬的AB（Allen-Bradley）公司，GE-Fanuc公司，日本的三菱公司和立石公司，德國的西門子（Siemens）公司等。他們的產(chǎn)品已風(fēng)行全世界，成為各國工業(yè)控制領(lǐng)域中的著名品牌。 20世紀(jì)末期，可編程控制器的發(fā)展特點(diǎn)是更加適應(yīng)于現(xiàn)代工業(yè)控制的需要。 從控制規(guī)模上來說，這個時期發(fā)展了大型機(jī)及超小型機(jī)； 從控制能力上來說，誕生了各種各樣的特殊功能單元，用于壓力、溫度、轉(zhuǎn)速、位移等各種控制場合；,從產(chǎn)品的配套能力來說，生產(chǎn)了各種人機(jī)界面單元，通訊單元，使應(yīng)用更加容易。 目前，PLC在機(jī)械制造、石油化工、冶金鋼鐵、汽車和輕工業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用都有了長足的發(fā)展。 我國是20世紀(jì)80年代初引進(jìn)、應(yīng)用、研制、生產(chǎn)PLC的。目前，我國已能夠生產(chǎn)中小型PLC，如上海東屋電氣有限公司的CF系列、杭州機(jī)床電器廠生產(chǎn)的DKK及D系列、大連組合機(jī)床研究所生產(chǎn)的S系列、蘇州電子計算機(jī)廠生產(chǎn)的YZ系列等多種產(chǎn)品已具備了一定的規(guī)模。此外無錫華光公司、上海香島公司等中外合資企業(yè)也是我國比較著名的PLC生產(chǎn)廠家。,預(yù)計21世紀(jì)PLC將要會有更大的發(fā)展。 在技術(shù)上，計算機(jī)技術(shù)的新成果會更多地應(yīng)用于PLC的設(shè)計及制造上，會有運(yùn)算速度更快、存儲容量更大、智能水平更高的品種出現(xiàn)。 在產(chǎn)品規(guī)模上，會進(jìn)一步向超小型及超大型兩個方向發(fā)展。 在產(chǎn)品的配套性能上，產(chǎn)品的品種會更豐富、規(guī)格更齊備。完美的人機(jī)界面、完備的通訊設(shè)備會更好地適應(yīng)各種工業(yè)控制場合的需求。,從市場上看，各國生產(chǎn)多品種PLC產(chǎn)品的情況會隨著國際競爭的加劇而打破，會出現(xiàn)少數(shù)幾個品牌壟斷國際市場的局面，會出現(xiàn)國際通用的編程語言。這將有利于可編程技術(shù)的發(fā)展及可編程產(chǎn)品普及的。 從網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展?fàn)顩r來看，PLC和其他工業(yè)控制計算機(jī)組網(wǎng)構(gòu)成大型的控制系統(tǒng)是可編程控制器技術(shù)的發(fā)展方向。目前的計算機(jī)集散控制系統(tǒng)（Distributed Control System）中已有大量的PLC應(yīng)用。伴隨著計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，PLC作為自動化控制網(wǎng)絡(luò)或國際通用網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，將在工業(yè)及工業(yè)以外的眾多領(lǐng)域發(fā)揮越來越大的作用。,第四節(jié) PLC的組成及其各部分功能,世界各國生產(chǎn)的可編程控制器的外觀各異，但作為工業(yè)控制計算機(jī)，其硬件結(jié)構(gòu)都大體相同。主要由中央處理器（CPU）、存儲器（RAM、ROM）、輸入輸出器件（IO接口）、電源及編程設(shè)備構(gòu)成。PLC的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖51所示。,圖5-1 單元式PLC結(jié)構(gòu)框圖,（一）中央處理器（CPU）,中央處理器是可編程控制器的核心，它在系統(tǒng)程序的控制下，完成邏輯運(yùn)算、數(shù)學(xué)運(yùn)算、協(xié)調(diào)系統(tǒng)內(nèi)部各部分工作等任務(wù)。 一般說來，可編程控制器的檔次越高，CPU的位數(shù)也越多，運(yùn)算速度也越快，指令功能也越強(qiáng)。為了提高PLC的性能，也有的一臺PLC采用了多個CPU的。,（二）存儲器,存儲器是可編程控制器存放系統(tǒng)程序、用戶程序及運(yùn)算數(shù)據(jù)的單元。和計算機(jī)一樣，可編程控制器的存儲器可分為只讀存儲器（ROM）和隨機(jī)讀寫存儲器（RAM）兩大類，ROM是用來存放永久保存的系統(tǒng)程序，RAM一般用來存放用戶程序及系統(tǒng)運(yùn)行中產(chǎn)生的臨時數(shù)據(jù)。為了能使用戶程序及某些運(yùn)算數(shù)據(jù)在可編程控制器脫離外界電源后也能保持，機(jī)內(nèi)RAM均配備了電池或電容等掉電保持裝置。,可編程控制器的存儲器區(qū)域按用途不同，又可分為程序區(qū)及數(shù)據(jù)區(qū)。程序區(qū)是用來存放用戶程序的區(qū)域，一般有數(shù)千個字節(jié)。用來存放用戶數(shù)據(jù)的區(qū)域一般較小，在數(shù)據(jù)區(qū)中，各類數(shù)據(jù)存放的位置都有嚴(yán)格的劃分。 可編程控制器的數(shù)據(jù)單元也叫做繼電器，如輸入繼電器、時間繼電器、計數(shù)器等。不同用途的繼電器在存儲區(qū)中占有不同的區(qū)域。每個存儲單元有不同的地址編號。,（三）輸入輸出接口,輸入輸出接口是可編程控制器和工業(yè)控制現(xiàn)場各類信號連接的部分。輸入接口用來接受生產(chǎn)過程的各種參數(shù)。輸出接口用來送出可編程控制器運(yùn)算后得出的控制信息，并通過機(jī)外的執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成工業(yè)現(xiàn)場的各類控制。 生產(chǎn)現(xiàn)場對可編程控制器接口的要求是：一要有較好的抗干擾能力，二是能滿足工業(yè)現(xiàn)場各類信號的匹配要求，因此廠家為可編程控制器設(shè)計了不同的接口單元。主要有以下幾種：,1、開關(guān)量輸入接口 其作用是把現(xiàn)場的開關(guān)量信號變成可編程控制器內(nèi)部處理的標(biāo)準(zhǔn)信號。開關(guān)量輸入接口按可接收的外信號電源的類型不同，分為直流輸入單元和交流輸入單元。如圖52，圖53，圖54所示。 輸入接口中都有濾波電路及耦合隔離電路，具有抗干擾及產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)信號的作用。圖中輸入口的電源部分都畫在了輸入口外（虛線框外），這是分體式輸入口的畫法，在一般單元式可編程控制器中輸入口都使用可編程控制器本身的直流電源供電，不再需要外接電源。,圖5-2 直流輸入電路,2、開關(guān)量輸出接口 其作用是把PLC內(nèi)部的標(biāo)準(zhǔn)信號轉(zhuǎn)換成現(xiàn)場執(zhí)行機(jī)構(gòu)所需要的開關(guān)量信號。開關(guān)量輸出接口內(nèi)部參考電路如圖55所示。各類輸出接口中也都具有光電耦合電路。 特別需要指出的是，輸出接口本身不帶電源。在考慮外驅(qū)動電源時，還需考慮輸出器件的類型。繼電器式的輸出接口可用交直流兩種電源，但通、斷頻率低；晶體管式的輸出接口有較高的通、斷頻率，但只適用于直流驅(qū)動的場合；可控硅型的輸出接口僅適用于交流驅(qū)動場合。,圖5-5 開關(guān)量輸出電路,3、模擬量輸入接口 其作用是把現(xiàn)場連續(xù)變化的模擬量標(biāo)準(zhǔn)電壓或電流信號轉(zhuǎn)換成適合可編程控制器內(nèi)部處理的二進(jìn)制數(shù)字信號。標(biāo)準(zhǔn)信號是指符合國際標(biāo)準(zhǔn)的通用交互用電壓電流信號值，如420mA的直流電流信號，110V的直流電壓信號等。 工業(yè)現(xiàn)場中模擬量信號的變化范圍一般是不標(biāo)準(zhǔn)的，在送入模擬量接口時一般都需經(jīng)過變送處理才能使用，圖56是模擬量輸入接口的內(nèi)部電路框圖。模擬量信號輸入后一般經(jīng)運(yùn)算放大器放大后進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，再經(jīng)光電耦合后為PLC提供一定位數(shù)的數(shù)字量信號。,圖5-6 模擬量輸入電路框圖,4、模擬量輸出接口 它的作用是將可編程控制器運(yùn)算處理后的若干位數(shù)字量信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的模擬量信號輸出，以滿足生產(chǎn)過程現(xiàn)場連續(xù)控制信號的需要。模擬量輸出接口一般由光電隔離、DA轉(zhuǎn)換和信號驅(qū)動等環(huán)節(jié)組成。其原理圖見圖57。 模擬量輸入輸出接口一般安裝在專門的模擬量工作單元上。,圖5-7 模擬量輸出電路框圖,5、智能輸入輸出接口 為了適應(yīng)較復(fù)雜的控制需要，PLC還有一些智能控制單元。如PID工作單元、高速計數(shù)器工作單元、溫度控制單元等。這類單元大多是獨(dú)立的工作單元。它們和普通輸入輸出接口的區(qū)別在于它們一般帶有單獨(dú)的CPU，有專門的處理能力。在具體的工作中，每個掃描周期智能單元和主機(jī)的CPU交換一次信息，共同完成控制任務(wù)。從目前的發(fā)展來看，不少新型的可編程控制器本身也帶有PID功能及高速計數(shù)器接口，但它們的功能一般比專用單元的功能要弱。,（四）電源,可編程控制器的電源包括為可編程控制器各工作單元供電的開關(guān)電源以及為掉電保護(hù)電路供電的后備電源，后備電源一般為電池。,（五）外部設(shè)備,1、編程器 編程器除了編程以外，還具有一定的調(diào)試及監(jiān)控功能，能實現(xiàn)人機(jī)對話操作。,可編程控制器的編程設(shè)備一般有二類，一類是專用的編程器，有手持式的，其優(yōu)點(diǎn)是攜蒂方便，也有臺式的，有的PLC機(jī)身上自帶編程器。另一類是個人計算機(jī)。 手持式編程器又可分為簡易型及智能型兩類。前者只能聯(lián)機(jī)編程，后者即可聯(lián)機(jī)編程又可脫機(jī)編程，它的優(yōu)點(diǎn)是在編程及修改程序時，可以不影響PLC機(jī)內(nèi)原有程序的執(zhí)行。也可以在遠(yuǎn)離主機(jī)的異地編程后再到主機(jī)所在地下載程序。 在個人計算機(jī)上運(yùn)行PLC相關(guān)的編程軟件即可完成編程任務(wù)。借助軟件編程比較容易，一般是編好了以后再下載到PLC中去。,圖5-8 FX20P手持式編程器,2、其他外部設(shè)備 PLC還配有其他一些外部設(shè)備： （1）盒式磁帶機(jī)，用以記錄程序或信息。 （2）打印機(jī)，用以打印程序或制表。 （3）EPROM寫入器，用以將程序?qū)懭氲接脩鬍PROM中。 （4）高分辨率大屏幕彩色圖形監(jiān)控系統(tǒng)，用以顯示或監(jiān)視有關(guān)部分的運(yùn)行狀態(tài)。,第五節(jié) 可編程控制器的結(jié)構(gòu)及軟件,一、可編程控制器的結(jié)構(gòu),（一）按硬件的結(jié)構(gòu)類型分類 為了便于在工業(yè)現(xiàn)場安裝，擴(kuò)展，方便接線，其結(jié)構(gòu)與普通計算機(jī)有很大區(qū)別，常見的有單元式、模塊式及疊裝式三種結(jié)構(gòu)。,1.單元式結(jié)構(gòu) 把CPU、RAM、ROM、IO接口及與編程器或EPROM寫入器相連的接口、輸入輸出端子、電源、指示燈等都裝配在一起的整體裝置。稱為基本單元。它的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，體積小、成本低、安裝方便。缺點(diǎn)是輸入輸出點(diǎn)數(shù)是固定的，不一定適合具體的控制現(xiàn)場的需要。 有時PLC基本單元的輸入和輸出端不能滿足需要，希望一種能擴(kuò)展一些I/O接口而不含CPU和電源的裝置，這種裝置叫做擴(kuò)展單元。,單元式系列PLC產(chǎn)品，通常都有不同點(diǎn)數(shù)的基本單元及擴(kuò)展單元，單元的品種越多，系統(tǒng)配置就越靈活。有些PLC產(chǎn)品中還具有一些特殊功能模塊，這是為某些特殊的控制目的而設(shè)計的具有專門功能的設(shè)備，如高速計數(shù)模塊、位置控制模塊、溫度控制模塊等等，通常都是智能單元，內(nèi)部一般有自己專用的CPU，它們可以和基本單元的CPU協(xié)同工作，構(gòu)成一些專用的控制系統(tǒng)。,2.模塊式結(jié)構(gòu) 模塊式結(jié)構(gòu)又叫積木式結(jié)構(gòu)。這種模塊式結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是把PLC的每個工作單元都制成獨(dú)立的模塊，如CPU模塊、輸入模塊、輸出模塊、通訊模塊等等。另外用一塊帶有插槽的母板（實質(zhì)上就是計算機(jī)總線）把這些模塊按控制系統(tǒng)需要選取后插到母板上，就構(gòu)成了一個完整的PLC。這種結(jié)構(gòu)的PLC的特點(diǎn)是系統(tǒng)構(gòu)成非常靈活，安裝、擴(kuò)展、維修都很方便。缺點(diǎn)是體積比較大。圖510就是一種具有模塊式PLC的外形示意圖。,圖5-10 模塊式可編程控制器,3.疊裝式結(jié)構(gòu) 疊裝式結(jié)構(gòu)是單元式和模塊式相結(jié)合的產(chǎn)物。把某個系列的PLC工作單元的外形都制作成一致的外觀尺寸，CPU、IO口及電源也可做成獨(dú)立的，不使用模塊式PLC中的母板，采用電纜聯(lián)接各個單元，在控制設(shè)備中安裝時可以一層層地疊裝，就成了疊裝式PLC。圖511是一款西門子S7200疊裝式PLC。,圖5-11 疊裝式可編程控制器,單元式PLC一般用于規(guī)模較小，輸入輸出點(diǎn)數(shù)固定，不需要擴(kuò)展的場合。模塊式PLC一般用于規(guī)模較大，輸入輸出點(diǎn)數(shù)較多，輸入輸出點(diǎn)數(shù)比例靈活的場合。疊裝式PLC具有二者的優(yōu)點(diǎn)，從近年來市場上看，單元式及模塊式有結(jié)合為疊裝式的趨勢。,（二）按應(yīng)用規(guī)模及功能分類,為了適應(yīng)不同工業(yè)生產(chǎn)過程的應(yīng)用要求，可編程控制器能夠處理的輸入信號數(shù)量是不一樣的。一般將一路信號稱作一個點(diǎn)，將輸入點(diǎn)和輸出點(diǎn)數(shù)的總和稱為機(jī)器的點(diǎn)。按照點(diǎn)數(shù)的多少，可將PLC分為超?。ㄎⅲ?、小、中、大、超大等五種類型。表51是PLC按點(diǎn)數(shù)規(guī)模分類的情況。只是這種劃分并不十分嚴(yán)格，也不是一成不變的。隨著PLC的不斷發(fā)展，標(biāo)準(zhǔn)已有過多次的修改。,可編程控制器還可以按功能分為低檔機(jī)、中檔機(jī)及高檔機(jī)。低檔機(jī)以邏輯運(yùn)算為主，具有計時、計數(shù)、移位等功能。中檔機(jī)一般有整數(shù)及浮點(diǎn)運(yùn)算、數(shù)制轉(zhuǎn)換、PID調(diào)節(jié)、中斷控制及聯(lián)網(wǎng)功能，可用于復(fù)雜的邏輯運(yùn)算及閉環(huán)控制場合。高檔機(jī)具有更強(qiáng)的數(shù)字處理能力，可進(jìn)行矩陣運(yùn)算、函數(shù)運(yùn)算，可完成數(shù)據(jù)管理工作，有更強(qiáng)的通訊能力，可以和其他計算機(jī)構(gòu)成分布式生產(chǎn)過程綜合控制管理系統(tǒng)。,二、可編程控制器的軟件,（一）可編程控制器的軟件分類 可編程控制器的軟件包含系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件二大部分： 1、系統(tǒng)軟件 系統(tǒng)軟件包含系統(tǒng)的管理程序，用戶指令的解釋程序，另外還包括一些供系統(tǒng)調(diào)用的專用標(biāo)準(zhǔn)程序塊等。系統(tǒng)管理程序用以完成機(jī)內(nèi)運(yùn)行相關(guān)時間分配、存儲空間分配管理、及系統(tǒng)自檢等工作。用戶指令的解釋程序用以完成用戶指令變換為機(jī)器碼的工作。系統(tǒng)軟件在用戶使用PLC之前就已裝入機(jī)內(nèi)，并永久保存，在各種控制工作中并不需要做什么調(diào)整。,2、應(yīng)用軟件 應(yīng)用軟件也叫用戶軟件。是用戶為達(dá)到某種控制目的，采用PLC廠家提供的編程語言自主編制的程序。 根據(jù)控制要求使用導(dǎo)線連接繼電-接觸器來確定控制器件間邏輯關(guān)系的方式叫做接線邏輯。 用預(yù)先存儲在PLC機(jī)內(nèi)的程序?qū)崿F(xiàn)某種控制功能，就是人們所指的存儲邏輯。 圖5-12繪出了實現(xiàn)多地點(diǎn)控制異步電動機(jī)啟/停的繼電接觸控制線路圖、用三菱公司FX2N-16MR型PLC實現(xiàn)該功能的接線圖、梯形圖和指令表程序。,圖5-12 實現(xiàn)多地址控制異步電動機(jī)啟/停的PLC控制方案及程序,（二）應(yīng)用軟件編程語言的表達(dá)方式,應(yīng)用程序的編制需使用可編程控制器生產(chǎn)廠方提供的編程語言。至今為止還沒有一種能適合于各種可編程序控制器的通用編程語言。但由于各國可編程控制器的發(fā)展過程有類似之處，可編程序控制器的編程語言及編程工具都大體差不多。一般常見的有如下幾種編程語言的表達(dá)方式。,1、梯形圖（Ladder diagram）,梯形圖語言是一種以圖形符號及其在圖中的相互關(guān)系表示控制關(guān)系的編程語言，是從繼電器電路圖演變過來的。從圖512（c）的梯形圖程序可見，梯形圖中所繪的圖形符號和圖（a）繼電器線路圖中的符號十分相似。而且這二個控制實例中梯形圖的結(jié)構(gòu)和繼電器控制線路圖也十分相似 。 梯形圖是PLC編程語言中使用最廣泛的一種語言。,可編程控制器中參與邏輯組合的元件可看成和繼電器一樣的器件，具有常開、常閉觸點(diǎn)及線圈；且線圈的得電及失電將導(dǎo)致觸點(diǎn)的相應(yīng)動作。再用母線代替電源線；用能量流概念來代替繼電器線路中的電流概念，采用繪制繼電器線路圖類似的思路繪出梯形圖。 需要說明的是，PLC中的繼電器等編程元件并不是實際物理元件，而是機(jī)內(nèi)存儲器中的存儲單元，它的所謂接通不過是相應(yīng)存儲單元置1而已。,表52給出了繼電接觸器線路圖中部分符號和PLC梯形圖符號對照關(guān)系。,圖5-2 符號對照表,2、指令表（Instruction list）,指令表也叫做語句表，是程序的另一種表示方法。語句表中語句指令依一定的順序排列而成。一條指令一般由助記符和操作數(shù)二部分組成，有的指令只有助記符沒有操作數(shù)，稱為無操作數(shù)指令。 指令表程序和梯形圖程序有嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系。對指令表編程不熟悉的人可以先畫出梯形圖，再轉(zhuǎn)換為語句表。應(yīng)說明的是程序編制完畢輸入機(jī)內(nèi)運(yùn)行時，對簡易的編程設(shè)備，不具有直接讀取圖形的功能，梯形圖程序只有改寫成指令表才能送入可編程控制器運(yùn)行。圖512（d）是與梯形圖（c）所對應(yīng)的語句表。,3、順序功能圖（Sequential function chart）,順序功能圖常用來編制順序控制類程序。它包含步、動作、轉(zhuǎn)換三個要素。順序功能編程法可將一個復(fù)雜的控制過程分解為一些小的工作狀態(tài)，對這些小的工作狀態(tài)的功能分別處理后再依一定的順序控制要求連接組合成整體的控制程序。順序功能圖體現(xiàn)了一種編程思想，在程序的編制中有很重要的意義。 圖513是順序功能圖的示意圖。,圖5-13 順序功能圖,（四）功能塊圖（Function block diagram）,功能塊圖是一種類似于數(shù)字邏輯電路的編程語言，熟悉數(shù)字電路的人比較容易掌握。該編程語言用類似與門、或門的方框來表示邏輯運(yùn)算關(guān)系，方框的左側(cè)為邏輯運(yùn)算的輸入變量，右側(cè)為輸出變量，信號自左向右流動。就像電路圖一樣，它們被“導(dǎo)線”連接在一起。功能塊圖與指令表見圖5-14。,（五）結(jié)構(gòu)文體（Structured text）,為了增強(qiáng)PLC的數(shù)學(xué)運(yùn)算、數(shù)據(jù)處理、圖表顯示、報表打印等功能，許多大中型PLC都配備了PASCAL、BASIC、C語言等高級編程語言。這種編程方式叫作結(jié)構(gòu)文本。與梯形圖相比，結(jié)構(gòu)文本有兩個很大的優(yōu)點(diǎn)，其一是能實現(xiàn)復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算，其二是非常簡潔和緊湊，用結(jié)構(gòu)文本編制極其復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算程序可能只占一頁紙。結(jié)構(gòu)文本用來編制邏輯運(yùn)算程序也很容易。,以上編程語言的五種表達(dá)方式是由國際電工委員會（IEC）1994年5月在PLC標(biāo)準(zhǔn)中推薦的。對于一款具體的PLC，生產(chǎn)廠家可在這五種表達(dá)方式中提供其中的幾種編程語言供用戶選擇。也就是說，并不是所有的PLC都支持全部的五種編程語言。 可編程控制器的編程語言是編制PLC應(yīng)用軟件的工具。它是以PLC的輸入口、輸出口、機(jī)內(nèi)元件進(jìn)行邏輯組合以及數(shù)量關(guān)系實現(xiàn)系統(tǒng)的控制要求，并存儲在機(jī)內(nèi)的存儲器中。,第六節(jié) 可編程控制器的工作原理,可編程控制器的工作原理與計算機(jī)的工作原理基本上是一致的，可以簡單地表述為在系統(tǒng)程序的管理下，通過運(yùn)行應(yīng)用程序完成用戶任務(wù)。 但PLC的工作方式與個人計算機(jī)有所不同，PLC是在確定了工作任務(wù)，裝入了專用程序后成為一種專用機(jī)，采用循環(huán)掃描的工作方式，系統(tǒng)工作任務(wù)管理及應(yīng)用程序執(zhí)行都是以循環(huán)掃描方式完成的?，F(xiàn)敘述如下。,一、分時處理及掃描工作方式,PLC系統(tǒng)正常工作時要完成如下的任務(wù)： 1.計算機(jī)內(nèi)部各工作單元的調(diào)度、監(jiān)控; 2. 計算機(jī)與外部設(shè)備間的通訊； 3.用戶程序所要完成的工作。 這些工作都是分時完成的。每項工作又都包含著許多具體的工作，以用戶程序的完成來說又可分為以下三個階段。,1、輸入處理階段 也稱輸入采樣階段。在這個階段中，可編程序控制器讀入輸入口的狀態(tài)，并將它們存放在輸入數(shù)據(jù)暫存區(qū)中。 在輸入處理階段之后，即使輸入口狀態(tài)有變化，輸入數(shù)據(jù)暫存區(qū)中的內(nèi)容也不變，直到下一個周期的輸入處理階段，才讀入這種變化。 2、程序執(zhí)行階段 在這個階段中，PLC根據(jù)本次讀入的輸入數(shù)據(jù)，依用戶程序的順序逐條執(zhí)行用戶程序。執(zhí)行的結(jié)果均存儲在輸出狀態(tài)暫存區(qū)中。,3、輸出處理階段 也叫輸出刷新階段。這是一個程序執(zhí)行周期的最后階段。PLC將本次用戶程序的執(zhí)行結(jié)果一次性地從輸出狀態(tài)暫存區(qū)送到各個輸出口，對輸出狀態(tài)進(jìn)行刷新。 以上三個階段是分時完成的。為了連續(xù)地完成PLC所承擔(dān)的工作，系統(tǒng)必須周而復(fù)始地依一定的順序完成這一系列的具體工作。這種工作方式叫做循環(huán)掃描工作方式。,二、掃描周期及PLC的兩種工作狀態(tài),PLC有兩種基本的工作狀態(tài)，即運(yùn)行（RUN）狀態(tài)和停止（STOP）狀態(tài)。運(yùn)行狀態(tài)是執(zhí)行應(yīng)用程序的狀態(tài)。停止?fàn)顟B(tài)一般用于程序的編制與修改。圖515給出了運(yùn)行和停止兩種狀態(tài)PLC不同的掃描過程。由圖可知，在這兩個不同的工作狀態(tài)中，掃描過程所要完成的任務(wù)是不盡相同的。,圖5-15 掃描過程示意圖,PLC在RUN工作狀態(tài)時，執(zhí)行一次圖515所示的掃描操作所需的時間稱為掃描周期，其典型值為1100ms。以O(shè)MRON公司C系列的P型機(jī)為例，其內(nèi)部處理時間為1.26ms；執(zhí)行編程器等外部設(shè)備命令所需的時間為12ms（未接外部設(shè)備時該時間為零）；輸入、輸出處理的執(zhí)行時間小于1ms。指令執(zhí)行所需的時間與用戶程序的長短，指令的種類和CPU執(zhí)行速度有很大關(guān)系，PLC廠家一般給出每執(zhí)行1K（1K1024）條基本邏輯指令所需的時間（以ms為單位）。某些廠家在說明書中還給出了執(zhí)行各種指令所需的時間。一般說來，一個掃描過程中，執(zhí)行指令的時間占了絕大部分。,三、輸入輸出滯后時間,輸入輸出滯后時間又稱為系統(tǒng)響應(yīng)時間，是指PLC外部輸入信號發(fā)生變化的時刻起至它控制的有關(guān)外部輸出信號發(fā)生變化的時刻止之間的時間間隔。它由輸入電路的濾波時間、輸出模塊的滯后時間和因掃描工作方式產(chǎn)生的滯后時間三部分所組成。 輸入模塊采用RC濾波, 其典型值為10ms左右。,輸出模塊的滯后時間與輸出所用的開關(guān)元件的類型有關(guān)： 若是繼電器型輸出電路，負(fù)載被接通時的滯后時間約為1ms，負(fù)載由導(dǎo)通到斷開時的最大滯后時間為10ms； 晶體管型輸出電路的滯后時間一般在1ms左右，因此開關(guān)頻率高。,掃描工作方式引起的滯后時間可用圖516來說明： 輸入信號在第一個掃描周期的輸入處理階段之后才出現(xiàn)，所以在第一個掃描周期內(nèi)各數(shù)據(jù)鎖存器均為“0”狀態(tài)。 在第二個掃描周期的輸入處理階段，輸入繼電器X000的輸入鎖存器變?yōu)椤?”狀態(tài)。在程序執(zhí)行階段，由梯形圖可知，Y001,Y002依次接通，它們的輸出鎖存器都變?yōu)椤?”狀態(tài)。,在第三個掃描周期的程序執(zhí)行階段，由于Y001的接通使Y000接通。Y000的輸出鎖存器驅(qū)動負(fù)載接通，響應(yīng)延遲最長可達(dá)兩個多掃描周期。 若交換梯形圖中第一行和第二行的位置，Y000的延遲時間將減少一個掃描周期，可見延遲時間可以使用程序優(yōu)化的方法減少。 PLC總的響應(yīng)延遲時間一般只有數(shù)十毫秒,圖5-16 PLC的輸入/輸出延遲,第七節(jié) 可編程控制器系統(tǒng)與繼電接觸器系統(tǒng)工作原理的差別,1.邏輯關(guān)系上的差別 繼電器、接觸器用導(dǎo)線依一定的規(guī)律將它們連接起來得到的控制系統(tǒng)，接線表達(dá)了各元器件之間的關(guān)系。要想改變邏輯關(guān)系就要改變接線關(guān)系，顯然是比較麻煩的。 而PLC是計算機(jī)。在它的接口上接有各種元器件，而各種元器件之間的邏輯關(guān)系是通過程序來表達(dá)的，改變這種關(guān)系只要重新編排原來的程序就行了，比較方便。,2.運(yùn)行時序上差別 繼電器的所有觸點(diǎn)的動作是和它的線圈通電或斷電同時發(fā)生的。 但在PLC中，由于指令的分時掃描執(zhí)行，同一個器件的線圈工作和它的各個觸點(diǎn)的動作并不同時發(fā)生。 由此可知：繼電接觸系統(tǒng)是并行工作方式，PLC是串行工作方式。 圖517所示的梯形圖程序是“定時點(diǎn)滅電路” ：,圖5-17 “定時點(diǎn)滅”電路,程序中使用了一個時間繼電器T5及一個輸出繼電器Y005，X005接收電路啟動開關(guān)信號。 電路的功能是：Y005接通0.5s，斷開0.5s，反復(fù)交替進(jìn)行，形成周期為1秒的振蕩器。 這個電路是以PLC為基礎(chǔ)才得以實現(xiàn)其功能 ，若將圖中的器件換為繼電接觸器，電路是不可能工作的。,例如，當(dāng)時間繼電器T5的線圈得電計時且時間到而動作時，接在線圈前邊的T5的常閉觸點(diǎn)就將斷開線圈電路，使線圈失去得電條件，無法交替周而復(fù)始工作。這個梯形圖的分析過程能很好地體現(xiàn)PLC程序掃描執(zhí)行的特點(diǎn)。有興趣的讀者可自己分析。,本章小結(jié),