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可编程序控制器程序设计师 培训班讲座 徐州师范大学现代人培训中心 中国矿业大学信电学院教师 张同庄 博士 副教授 1.1 plc的产生和定义 1.1.1 plc( programmable logic controller )的产生 20世纪60年代末期，美国的汽车制造业竞争激烈，为了 适应白热化的市场竞争要求，1968年美国通用汽车公司 （gm）公开招标，对汽车流水线控制系统提出具体要求 ，归纳起来是： （1）编程方便，可现场修改程序； （2）维修方便，采用插件式结构； （3）可靠性高于继电器控制装置； （4）体积小于继电器控制盘； （5）数据可直接送入管理计算机； （6）成本可与继电器控制盘竞争； （7）输入可以是交流市电（115v）（美国电压标准） 1.1 plc的产生和定义 （8）输出为交流115v，容量要求在2a以上，可直接驱 动接触器、电磁阀等； （9）扩展时原系统改变小； （10）用户程序存储器至少能扩展到4kb。 这就是著名的“gm十条”。1969年美国数字设备公司（ dec）中标后，制造出世界上第一台可编程序控制器。 （programmable logic controller, 简称plc）。 16位和32位微处理器的应用，使plc得到了惊人的发展 ，现在已经成为自动化技术的三大支柱之一。 3.1.2 plc的定义 plc一直在飞速发展中，很长时间后才有了一个比较明确 的定义。 1987年，国际电工委员会（iec）对plc作出的定义如下 ： 1.1 plc的产生和定义 “可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专 为工业环境而设计。它采用了可编程序的存储器，用来 在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和 算术运算等操作的指令，并通过数字式和模拟式的输入 和输出，控制各种机械和生产过程。而有关的外围设备 ，都应按易于与工业系统联成一个整体，易于扩充其功 能的原则设计。” 定义强调了plc直接应用于工业环境。 定义强调了plc是“数字运算操作的电子系统”，即计算 机。 定义强调了plc是用软件方式来实现“可编程”的。 1.2 plc的特点 1. 抗干扰能力强，可靠性高。 2. 控制系统结构简单，通用性强。 3. 编程方便，易于使用。 4. 功能完善。 5. 设计、施工、调试的周期短。 6. 体积小、维护操作方便。 1.3 plc的应用和发展 1.3.1 plc的发展状况 现在的plc产品已经使用了16位、32位高性能微处理器 ，而且实现了多处理器的多通道处理，通信技术使plc的 应用得到进一步发展。plc的技术已经非常成熟。 目前，世界上有200多个厂家生产plc产品。比较著名的 有美国的ab、通用（ge）、莫迪康（modicon）、日 本的三菱（mitsubishi）、欧姆龙（omron）、富士 电机（fuji）、松下电工、德国的西门子（siemens） 、法国的te、施耐德（schneider）、韩国的三星（ samsung）、lg等。 1.3.2 plc的发展趋势 plc总的发展趋势是向高集成度、小体积、大容量、高速 度、易使用、高性能方向发展。具体表现在以下几方面。 1.3 plc的应用和发展 1. 向小型化、专用化、低成本方向发展 2. 向大容量、高速度方向发展 3. 智能型i/o模块的发展 4. 基于pc的编程软件取代编程器 5. plc编程语言的标准化 6. plc通信的易用化 7. 组态软件与plc的软件化 8. plc与现场总线相结合 iec对现场总线（field bus)的定义是：“安装在制造和过 程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字 式、串行、多点通信的数据总线称为现场总线”。 它是当前工业自动化的热点之一。现场总线以开放的、独 立的、全数字化的双向多变量通信代替010ma或 420ma的现场电动仪表 1.3 plc的应用和发展 现场总线i/o集检测、数据处理、通信为一体，可以代 替变送器、调节器、记录仪等模拟仪表。 现场总线控制系统将dcs的控制站功能分散给现场控 制设备，仅靠现场总线设备就可以实现自动控制的基本 功能。现在功能强大的plc也配有和现场总线联网的模 块，使之可以就近挂接到现场总线上。 使用现场总线后，操作员可以在中央控制室实现远程监 控，对现场设备进行参数调整，还可以通过现场设备的 自诊断功能预测故障和寻找故障点。 1.3.3 plc的应用领域 目前plc在国内外广泛应用于钢铁、采矿、水泥、石油 、化工、电力、机械制造、汽车、装卸、造纸、纺织、 环保和娱乐等行业。 1.3 plc的应用和发展 （1）顺序控制 例如：注塑机械、印刷机械、订书机械、包装机械、切 纸机械、组合机床、磨床、装配生产线、电镀流水线及 电梯控制等等。 （2）运动控制 （3）过程控制 plc能控制大量的过程参数，例如：温度、流量、压力 、液位和速度。 （4）数据处理 （5）通信联网 1.4 plc的分类 典型的大型plc有siemens的s7-400、omron的 cvm1和cs1系列、ab的slc5/05等系列产品。 2. 按结构形式分 根据plc的结构形式的不同，plc主要分为整体式和模 块式两种。 （1）整体式结构 其特点是将plc的基本部件，如cpu板，输入板、输出 板、电源板等紧凑地安装在一个标准机壳内，构成一个 整体，组成plc的一个基本单元（主机）或扩展单元。 小型plc一般为整体式结构。 （2）模块式结构 plc由一些模块单元组成，如cpu模块、输入模块、输 出模块、电源模块、通信模块和各种功能模块等。 目前，大中型plc均采用模块式结构。 1.5 plc的系统组成 主要由cpu、电源、存储器和专门设计的输入/输出 接口电路等组成。如下图所示： 1.6 plc的工作原理 1.6.1 plc的工作方式与运行框图 继电器控制系统是“硬连线逻辑系统”，采用的是并行 工作方式；而plc是一种工业控制计算机系统，采用 的是串行工作方式。 1.6 plc的工作原理 1.6.2 plc工作过程的中心内容 当plc正常工作时，它将不断重复上图中的扫描过程 。如果暂不考虑对远程i/o特殊模块和通信服务，扫 描过程就只剩下“输入采样”、“程序执行”和“输出刷 新”了。这三个阶段是plc工作过程的中心内容。 1.6 plc的工作原理 （1）输入采样阶段 plc在输入采样阶段，首先扫描所有输入端子，并将各 输入状态存入相对应的输入映像寄存器中。此时，输入 映像寄存器被刷新。接着，进入程序执行阶段，在此阶 段和输出刷新阶段，输入映像寄存器与外界隔离，无论 输入信号怎样变化，其内容保持不变，直到下一个扫描 周期的输入采样阶段，才重新写入输入端的新内容。 （2）程序执行阶段 根据plc梯形图程序扫描原则，plc按从左到右、从上 到下的顺序执行用户程序。当指令中涉及输入、输出状 态时，plc就从输入映像寄存器中“读入”对应的状态， 从元件映像寄存器“读入”对应元件（“软继电器”）的当 前状态。然后，进行相应的运算，运算结果再存入元件 映像寄存器中。因此，每一个元件（不包括输入继电器 ）的状态会随着程序执行过程而变化的。 1.6 plc的工作原理 (3)输出刷新阶段 在所有用户程序的指令执行完毕后,元件映像寄存器中所 有输出继电器的状态(接通/断开)在输出刷新阶段转存到 输出锁存器中,最后经过输出端子驱动外部负载,实现控制 命令的输出. 1.7 plc的编程语言和程序结构 1.7.1 plc的编程语言 plc提供的编程语言通常有:梯形图(lad)、语句表（ stl）、功能图（sfc）和功能块图（fbd）。 1. 梯形图（lad） 梯形图（ladder)编程语言是从继电器控制系统原理图 的基础上演变而来的。两者基本思想一致，只是在使用 符号和表达式上有一定区别。 1.7 plc的编程语言和程序结构 梯形图中一个关键概念是“能流”（power flow），这只是概 念上的“能流”。如果有“能流”从左至右流向线圈，则线圈被 激励。如没有“能流”，则线圈未被激励。 梯形图语言简单明了，易于理解，是所有编程语言的首选。 2. 语句表（stl） 语句表(statements list)类似于计算机中的助记符语言，它 是用一个或几个容易记忆的字符来代表plc的某种操作功能 。 1.7 plc的编程语言和程序结构 3. 顺序功能流程图（sfc） 顺序功能流程图(sequence function chart)编程是一种图形 化的编程方法，亦称功能图。使用它可以对具有并行发生、多 种选择等复杂结构的系统进行编程。许多plc提供了用于sfc 编程的指令。第六章详述。 4.