可编程控制器.doc

可编程控制器的产生和发展可编程控制器简称PC（英文全称：Programmable Controller），它经历了可编程序矩阵控制器PMC（Programmable Matrix Controller）、可编程序顺序控制器PSC（Programmable Sequence Controller）、可编程序逻辑控制器PLC（英文全称：Programmable Logic Controller）和可编程序控制器PC几个不同时期。为与个人计算机（PC）相区别，现在仍然习惯称PLC。1987年国际电工委员会（International Electrical Committee）颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：“PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。”PLC是在电器控制技术和计算机技术的基础上开发出来的，并逐渐发展成为以微处理器为核心，把自动化技术、计算机技术、通讯技术融为一体的新型工业控制装置。目前，PLC已被广泛应用于各种生产机械和生产过程的自动控制中，成为一种最重要、最普及、应用场合最多的工业控制装置，被公认为现代工业自动化的三大支柱（PLC、机器人、CAD/CAM）之一。近年来，可编程控制器发展很快，几乎每年都推出不少新系列产品，其功能已远远超出了上述定义的范围。在可编程控制器出现以前，在工业电气控制领域中，继电器控制占主导地位，应用广泛。但是继电器控制系统存在体积大、可靠性低、查找和排除故障困难等缺点，特别是其接线复杂、不易更改，对生产工艺变化的适应性差。1968年美国通用汽车公司（GM）为了适应汽车型号的不断更新，生产工艺不断变化的需要，实现小批量、多品种生产，希望能有一种新型工业控制器，它能做到尽可能减少重新设计和更换电器控制系统及接线，以降低成本，缩短周期。于是就设想将计算机功能强大、灵活、通用性好等优点与电器控制系统简单易懂、价格便宜等优点结合起来，制成一种通用控制装置，而且这种装置采用面向控制过程、面向问题的“自然语言”进行编程，使不熟悉计算机的人也能很快掌握使用。通用公司提出了著名的GM十条， 1969年美国数字设备公司（DEC）根据美国通用汽车公司的这种要求，研制成功了世界上第一台可编程控制器，并在通用汽车公司的自动装配线上试用，取得很好的效果。从此这项技术迅速发展起来。早期的可编程控制器仅有逻辑运算、定时、计数等顺序控制功能，只是用来取代传统的继电器控制，通常称为可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController）。随着微电子技术和计算机技术的发展，20世纪70年代中期微处理器技术应用到PLC中，使PLC不仅具有逻辑控制功能，还增加了算术运算、数据传送和数据处理等功能。20世纪80年代以后，随着大规模、超大规模集成电路等微电子技术的迅速发展，16位和32位微处理器应用于PLC中，使PLC得到迅速发展。PLC不仅控制功能增强，同时可靠性提高，功耗、体积减小，成本降低，编程和故障检测更加灵活方便，而且具有通信和联网、数据处理和图象显示等功能，使PLC真正成为具有逻辑控制、过程控制、运动控制、数据处理、联网通信等功能的名符其实的多功能控制器。自从第一台PLC出现以后，日本、德国、法国等也相继开始研制PLC，并得到了迅速的发展。目前，世界上有200多家PLC厂商，400多种PLC产品，按地域可分成美国、欧洲和日本等三个流派产品，各流派PLC产品都各具特色，如日本主要发展中小型PLC，其小型PLC性能先进、结构紧凑、价格便宜，在世界市场上占用重要地位。著名的PLC生产厂家主要有美国的A-B（Allen-Bradly）公司、GE（GeneralElectric）公司，日本的三菱电机（MitsubishiElectric）公司、欧姆龙（OMRON）公司，德国的AEG公司、西门子（Siemens）公司，法国的TE（Telemecanique）公司等。我国的PLC研制、生产和应用也发展很快，尤其在应用方面更为突出。在20世纪70年代末和80年代初，我国随国外成套设备、专用设备引进了不少国外的PLC。此后，在传统设备改造和新设备设计中，PLC的应用逐年增多，并取得显著的经济效益，PLC在我国的应用越来越广泛，对提高我国工业自动化水平起到了巨大的作用。目前，我国不少科研单位和工厂在研制和生产PLC，如辽宁无线电二厂、无锡华光电子公司、上海香岛电机制造公司、厦门A-B公司等。从近年的统计数据看，在世界范围内PLC产品的产量、销量、用量高居工业控制装置榜首，而且市场需求量一直以每年15%的比率上升。PLC已成为工业自动化控制领域中占主导地位的通用工业控制装置。随着计算机技术的发展，可编程控制器也同时得到了迅速的发展。微型化、网络化、PC化和开放性是PLC未来发展的主要方向。在基于PLC自动化的早期，PLC体积大而且价格昂贵。但在最近几年，微型PLC（小于32 I/O）已经出现，价格只有几百欧元。随着软PLC（soft PLC）控制组态软件的进一步完善和发展，安装有软PLC组态软件和pc-based控制的市场份额将逐步得到增长。可编程控制器的基本结构从结构上看，PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。下面我们对各个模块进行详细说明，以帮助大家进一步的了解PLC的内部结构。图5-1 PLC硬件结构图 CPUCPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，每套PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中。同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路。CPU主要由运算器、控制器、寄存器及数据、控制及状态总线构成，CPU单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。 I/O模块PLC与电气回路的接口，包括输入接口与输出接口两部分。I/O模块集成了PLC的I/O接口电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统，输出模块相反。I/O模块分为开关量输入（DI），开关量输出（DO），模拟量输入（AI），模拟量输出（AO）等模块。下面以开关量输入（DI），开关量输出（DO）模块为例分析输入、输出接口电路。1. 输出接口常用的DO接口类型有三种，继电器输出型、晶体管输出型和晶闸管输出型。（1）继电器型输出电路如图5-2所示。该电路的优点为有触点输出方式，机械寿命大于106次，可用于直流或低频交流负载回路。缺点是动作速度慢。图5-2 PLC的继电器输出接口电路（2）晶体管型输出电路有PNP和NPN晶体管输出两种形式，分别如图5-3、图5-4所示。该电路主要用于高频小功率交流负载的回路。 图5-3 PNP型晶体管式输出端子接线图 图5-4 NPN型晶体管式输出端子接线图（3）晶闸管型输出电路如图5-5所示。该电路一般采用三端双向晶闸管作为输出，其耐压较高、负载能力较大，可用于高频大功率交流负载回路。图5-5 晶闸管式输出端子接线图除此之外，输出接口按电压水平分，分别为220VAC、110VAC、24VDC几种模式。2. 输入接口输入接口通过PLC的输入端子接受现场输入设备的控制信号，现场输入信号可以是按钮、限位开关、光电开关、温度开关、行程开关以及传感器输出的开关量等。PLC 输入接口电路将这些信号转换成CPU所能接受和处理的数字信号。PLC输入接口电路与输入控制设备的连接示意图如图5-6所示。 图5-6 PLC的输入接口电路输入信号通过光电耦合器件传送给内部电路，输入信号与内部电路之间并无电的联系，通过这种隔离措施可以防止现场干扰串入PLC。由于光电耦合器件的发光二极管采用两个反并联，使输入端的信号极性可根据需要任意确定。同时实现了电平的转换。外部为220V AC或24V DC可转化为5V DC。而PLC的内部工作电压一般为5V。3. 扩展I/O口I/O扩展接口用来扩展输入、输出点数。当用户所需要的输入、输出触点超过主机的输入、输出触点时，可通过I/O扩展接口与I/O扩展单元相接，以扩充I/O点数。除了上述通用I/O外，还有特殊I/O模块，如热电阻、热电偶、A/D、D/A、脉冲等模块。按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。 存储器PLC内部存储器有两类：一类是RAM（随机存取存储器），可以随时由PLC对他进行读出、写入。主要用来存放各种暂存的数据、中间结果及用户程序；另一类是ROM（只读存储器），CPU只能从中读取而不能够写入。主要用来存放监控程序及系统内部数据，这些程序及数据在出厂时固化在ROM芯片中。 巡回扫描工作原理可编程控制器是一种工业控制计算机，故它的工作原理是建立在计算机工作原理基础上的，即是通过执行反映控制要求的用户程序来实现的。但是 CPU是以分时操作方式来处理各项任务的，计算机在每一瞬间只能做一件事，所以程序的执行是按程序顺序依次完成相应各电器的动作，便成为时间上的串行。由于运算速度极高，各电器的动作似乎是同时完成的，但实际输入/输出的响应是有滞后的。概括而言，PLC 的工作方式是一个不断循环的顺序扫描工作方式。每一次扫描所用的时间称为扫描周期或工作周期。CPU从第一条指令开始，按顺序逐条地执行用户程序直到用户程序结束，然后返回第一条指令开始新的一轮扫描。PLC就是这样周而复始地重复上述循环扫描的。PLC采用对整个程序巡回执行的工作方式，也称巡回扫描。PLC工作的全过程可用图所示的运行框图来表示。5-7 可编程控制器运行框图 PLC对用户程序的执行主要按三个扫描过程进行。（1）第一个过程输入扫描 在这个过程中，PLC按扫描方式读入该可编程控制器所有端子上的输入信号（可能有的端子上端没有输入信号，它也作输入），并将这些输入信号存入输入映象区。在本工作周期的执行和输出过程中，输入映象区内的内容还会随实际信号的变化而变化。由此可见，一般输入映象区中的内容只有在输入扫描阶段才会被刷新，但在有些PLC中（例如F20M），这个区内的内容在程序执行过程中也允许每隔一定的时间（如2ms）定时被刷新一次，以取得更为实时的数据。PLC在输入扫描过程中一般都以固定的顺序（例如从最小号到最大号）进行扫描，但在一些PLC中可由用户确定可变的扫描顺序。例如在一个具有大量输入端口的可编程控制器系统中，可将输入端口分成若干组，每次扫描仅输入其中一组或几组端口的信号，以减少用户程序的执行时间（即减少扫描周期），这样做的不良后果是输入信号的实时性较差。（2）第二个过程执行扫描 在执行用户程序的扫描过程中，PLC对