可编程序逻辑控制器综述

1、12 早期早期 逻辑控制为主逻辑控制为主 Programmable Logical Controller Programmable Controller 本义本义 36060年代末期，美国的汽车工业的迅速发展年代末期，美国的汽车工业的迅速发展在在PLCPLC问世以前，问世以前，在顺序控制领域中占有主导地位，但由在顺序控制领域中占有主导地位，但由继电器构成的控制系统对生产工艺多变化的系统适应性极差：继电器构成的控制系统对生产工艺多变化的系统适应性极差： 需要使用大量的继电器需要使用大量的继电器 继电器间通过硬接线相连接继电器间通过硬接线相连接 一旦工艺发生或控制要求变化，需要改变控制柜内继电器系

2、一旦工艺发生或控制要求变化，需要改变控制柜内继电器系 统的硬件结构，甚至需要重新设计新系统统的硬件结构，甚至需要重新设计新系统 开发新的可编程序的控制设备取代继电器控制系统开发新的可编程序的控制设备取代继电器控制系统4早期的早期的PLCPLC虽然采用了计算机的设计思想，但实际上它只能完成顺序虽然采用了计算机的设计思想，但实际上它只能完成顺序控制，仅有逻辑运算、定时、计数等顺序控制功能控制，仅有逻辑运算、定时、计数等顺序控制功能在经历了在经历了3030年的发展，现代年的发展，现代PLCPLC产品已经成为了名符其实的多功能产品已经成为了名符其实的多功能控制器，如逻辑控制、过程控制、运动控制、数据处

3、理等功能都得控制器，如逻辑控制、过程控制、运动控制、数据处理等功能都得到了很大的加强和完善。到了很大的加强和完善。与此同时，与此同时，PLCPLC的网络通信功能也得到飞速发展，的网络通信功能也得到飞速发展，PLCPLC及及PLCPLC网络成网络成为了工厂企业中不可或缺的一类工业控制装置。为了工厂企业中不可或缺的一类工业控制装置。 5可靠性高、抗干扰能力强可靠性高、抗干扰能力强 功能完善，通用灵活功能完善，通用灵活 编程简单、使用方便编程简单、使用方便 此外，此外，PLCPLC还具有接线简单、系统设计周期短、还具有接线简单、系统设计周期短、体积小、重量轻、易于实现机电一体化等特点，体积小、重量轻

4、、易于实现机电一体化等特点，使得使得PLCPLC在设计、结构上具有其它许多控制器在设计、结构上具有其它许多控制器所无法相比的优越性。所无法相比的优越性。 6按地域范围按地域范围 按按I/O点数点数 按结构按结构 一体化一体化模块化模块化通 信 接 口I/O 接 口ROMRAM电池CPU上位机电源AODOAIDI执行器测量仪表其它外设总线连接器电源模块CPU模块通信模块I/O模块DIN导轨模块DIN导轨7在我国占有较大市场份额、较有影响的公司和在我国占有较大市场份额、较有影响的公司和PLCPLC有：有：82.OMRON公司公司 80年代初，主要有年代初，主要有C系列系列PLC，如，如C2000、

5、C1000、C500、C20 随后出现随后出现C系列系列P型机，如型机，如C20P，普通型号尾部加字母，普通型号尾部加字母“P” 80年代后期推出年代后期推出H型机，如型机，如C20H、C2000H，尾部加字母，尾部加字母“H” 还有还有SP系列超小型系列超小型PLC，如，如SP20/SP16/SP10，点数小，点数小/价格低价格低/速度极快速度极快/体积小体积小 90年代初期，推出大型机年代初期，推出大型机CV系列和小型机系列和小型机CQM1，前者性能比大型，前者性能比大型H机更高，后者为无机更高，后者为无底板、模块式结构，执行速度比中型机底板、模块式结构，执行速度比中型机C200H还快还快

6、 90年代后期，中型机年代后期，中型机C200H发展到发展到C200HS(96年年)、C200H(97年年)，后者组网能力更强，后者组网能力更强 97年推出来年推出来P型机的升级产品，即型机的升级产品，即CPM1A，体积小、通信功能加强，体积小、通信功能加强 99年推出功能比年推出功能比机更完美的机更完美的CS1系列系列PLC（代表来当今（代表来当今PLC发展动向）发展动向） 与此同时，还有与此同时，还有CPM2A、CPM2C、CPM2AE等小型机等小型机 总之，有总之，有CPM1A，P型机，型机，H型机，型机，CQM1、CV、CV型机，型机，型等型等 大、中、小、微均有，特别在中、小、微方面

7、更具特长大、中、小、微均有，特别在中、小、微方面更具特长 在中国及世界市场，都占有相当的份额。在中国及世界市场，都占有相当的份额。 9美国美国GE公司、日本公司、日本FANAC合资的合资的GEFANAC美国美国Modicon 公司公司(被施奈德兼并被施奈德兼并)美国美国AB（AlienBradley）日本三菱公司日本三菱公司日本日立公司日本日立公司日本东芝公司日本东芝公司日本松下公司日本松下公司日本富士公司等都生产日本富士公司等都生产PLC，并有一定的地位。，并有一定的地位。国内国内PLC厂家规模多不大。最有影响的算是无锡的华光。它也生产多种厂家规模多不大。最有影响的算是无锡的华光。它也生产多

8、种型号与规格的型号与规格的PLC，如，如SU、SG等，发展也很快，在价格上很有优势。等，发展也很快，在价格上很有优势。相信会在世界相信会在世界PLC之林中一定有其位置的。之林中一定有其位置的。10向大型网络化、综合化方向发展向大型网络化、综合化方向发展 向体积小、速度快、功能强、价格低的小型化方向发展向体积小、速度快、功能强、价格低的小型化方向发展 11 系统总线CPU主机图图7.4 PLC7.4 PLC组成的原理框图组成的原理框图RAMEPROME2PROM通信接口外设接口PIO接口PLC、IPC、OP编程器、打印机变送器、执行器等现场仪表电源模块CPU模块通信接口模块I/O模块I/O模块智

9、能I/O模块系统总线电源线图图7.5 7.5 模块化模块化PLCPLC结构示意图结构示意图编程器、编程器、 PLC、IPC、OP12M13M2313M13M23KM1SB1KM1KT10SKTKM2SB214KM1SB1SB2KM1KT10SKTKM2PLC(CPM1A)SB200001SB100000COM24VDCKM1KM2COM220VAC010000200015SB200001SB100000COM24VDCKM1KM2COM220VAC0100002000输入继电器线圈输出触点内部继电器触点000000000101000TIM00TIM000100001001内部输出继电器线圈PL

10、C控制程序（梯形图）16接收操作指令(启动、停止按钮等)，或被控对象的各种状态信息(由行程开关、接近开关等提供)。PLC的每一个输入点对应一个内部输入继电器，当输入点与输入COM端接通时，输入继电器线圈通电，它的常开触点闭合、常闭触点断开这一部分是用户编制的控制程序，通常用梯形图的形式表示。控制程序放在PLC的用户程序存储器中。系统运行时，PLC依次读取用户程序存储器中的程序语句，对它们的内容进行解释并加以执行，有需要输出的结果则送到PLC的输出端子，以控制外部负载的工作。根据程序执行的结果直接驱动负载。在PLC内部有多个输出继电器，每个输出继电器对应输出端的一个硬触点，当程序执行的结果使输出

11、继电器线圈通电时，对应的硬输出触点闭合，控制负载的动作。17是从继电器控制电路的原理图演变而来的。PLCPLC内部的继电器内部的继电器 并不是实际的硬继电器，每个继电器是PLC内部存储单元的一位，因此称为“软继电器软继电器”。梯形图是由这些“软继电器”组成的控制线路，但它们并不是真正的物理连接，而是逻辑关系上的连接，称为“软接线软接线”。当存储单元的某位状态为1时，相当于某个继电器线圈得电； 当状态为0时，相当于该继电器线圈断电。软继电器的常开触点、常闭触点可以在程序中使用无数多次。PLC为用户提供的继电器一般有：输入继电器、输出继电器、辅助继电器、特殊功能继电器、移位寄存器、定时器、计数器等

12、。其中，输入、输出继电器一般与外部输入、输出设备相连接，而其它继电器与外部设备没有直接联系。18中央处理单元中央处理单元CPU 存储器存储器 I/O接口接口 模拟量输入模块模拟量输入模块 模拟量输出模块模拟量输出模块 开关量输入模块开关量输入模块 开关量输出模块开关量输出模块 智能模块智能模块 接口和扩展接口模块接口和扩展接口模块 电源模块电源模块 编程工具编程工具 专用编程器专用编程器 专用编程软件专用编程软件 19基本功能基本功能 通过输入装置读入通过输入装置读入的信号和状态，用户程序根据输的信号和状态，用户程序根据输入信号、状态进行处理，处理结果通过输出装置去控制入信号、状态进行处理，处

13、理结果通过输出装置去控制外设。外设。 外设包括：外设包括：I/O模块、模块、OP、编程器、编程器例如：例如： 早期的早期的TI545串口串口(19.2kbps、38.4kbps)台湾的台湾的FAMA串口、串口、EtherNetSIEMENS S7 CPU31xMPI(187.5kbps)SIEMENS S7 CPU31x2MPI(187.5kbps) Profibus-DP(12Mbps)其它功能其它功能 网络功能网络功能*20PLC常用的存储器主要有常用的存储器主要有PROM、EPROM、E2PROM、RAM等几种，等几种，多数都直接集成在多数都直接集成在CPU单元内部。单元内部。 用于存放

14、：用于存放：、和和21CRT、键盘过程控制计算机A/DDID/ADO 被控过程（对象）被控变量操作变量I/O模块的主要类型包括模块的主要类型包括：模拟量输入模块模拟量输入模块（AI） 模拟量输出模块模拟量输出模块（AO） 开关量输入模块开关量输入模块（DI） 开关量输出模块开关量输出模块（DO） 22A/DA/D作用作用：将现场仪表输出的（标准）模拟量信号：将现场仪表输出的（标准）模拟量信号010mA、420mA、15VDC等等转化为计算机可以处理的数字信号转化为计算机可以处理的数字信号变送器：变送器： 温度变送器温度变送器 压力变送器压力变送器 流量变送器流量变送器 液位变送器液位变送器 成

15、分分析仪成分分析仪传感器：传感器： Pt100 Cu50 热电偶热电偶 现场仪表模拟信号现场仪表模拟信号420mA010mA15VDCmV、模数转换模数转换(A/D、AI)端口端口(地址地址)数 字 信数 字 信号号0409501023CPU数 字 信数 字 信号号0409501023工程化转换工程化转换工程量工程量0100?kPa软件实现软件实现检测仪表检测仪表硬件滤波硬件滤波如：如：RC滤波滤波软件滤波软件滤波如：中值滤波如：中值滤波 软件软件RC滤波滤波 23A/DA/D组成组成：一般是由：一般是由多路转换开关多路转换开关、前置放大器前置放大器、采样保持器采样保持器、ADC（Analog

16、 to Digital Converter）等组成等组成 前置放大前置放大采样保持采样保持内、外内、外补偿补偿多路多路转换转换ADC光电光电隔离隔离数据数据驱动驱动锁存锁存数据数据总线总线控制单元控制单元控制控制总线总线输入信号输入信号1输入信号输入信号nA/DA/D转换通常有二种方式：转换通常有二种方式： 逐次比较型逐次比较型 双积分型双积分型 24转换速率：一般小于转换速率：一般小于 1 MHz（s级）级） Step1：产生一个比较电压：产生一个比较电压VC， VC与与Vi相比较：相比较： (a) 若若Vi = VC，则，则 输出最高位置输出最高位置“1”，VC保持不变进入下一次比较保持不

17、变进入下一次比较 (b) 若若Vi = VC，则输出次高位为，则输出次高位为1，VC保持不变进入下一次比较，保持不变进入下一次比较， (b)若若Vi Vc，最高位置“1”，Vc不变进入下一次比较2）产生比较电压Vc（ Vc Vc0.25Vr3V) ViVc，第3位置“1”，Vc不变进入下一次比较4）产生比较电压Vc （ Vc Vc0.0625Vr2.75V) ViVc，第4位置“0”，转换完成转换结果：101026双积分型双积分型A/DA/D转换器转换器：中等转换速率且分辨率较高，抗干扰性强中等转换速率且分辨率较高，抗干扰性强(ms级级)Step1：，积分器从0V开始积分一固定时间T， 积分器

18、输出VT Vi TK Step3：得出Vi的转换结果： Step2：断开输入电压，开始反向积分，由高精密计数器记录记录积分器输出从 VT 降回到0V所需要的时间T ： TTVT输入电压Vi参考电压VR基本工作原理基本工作原理： 设：积分器模型是 VtKVi t 27-调制器包含调制器包含1个差分放大器、个差分放大器、1个积分器、个积分器、1个比较器以及个比较器以及1个由个由1bit DAC（1个简单的开关，可以将差分放大器的反相输入接到正或负参考电个简单的开关，可以将差分放大器的反相输入接到正或负参考电压）构成的反馈环。压）构成的反馈环。反馈反馈DAC的作用是使积分器的平均输出电压接近于比较器

19、的参考电平。的作用是使积分器的平均输出电压接近于比较器的参考电平。调制器输出中调制器输出中“1”的密度将正比于输入信号，如果输入电压上升，比较的密度将正比于输入信号，如果输入电压上升，比较器必须产生更多数量的器必须产生更多数量的“1”，反之亦然。，反之亦然。28AD7715是以是以原理工作的原理工作的16位模数转位模数转换器换器可用最少数量的口线与单片机或微处理器可用最少数量的口线与单片机或微处理器相接相接适用于单通道低速小信号采样的应用场合。适用于单通道低速小信号采样的应用场合。与逐次比较型与逐次比较型A AD D和双积分和双积分A AD D比较，比较，噪声性能甚至优于普通双，噪声性能甚至优

20、于普通双积分积分A AD D，是工业控制或过程控制的理想，是工业控制或过程控制的理想选择。选择。AD7715AD7715转换速度相对较馒，一般用转换速度相对较馒，一般用于低频信号的高精度模数转换，但对于工于低频信号的高精度模数转换，但对于工业过程控制中温度、压力等信号，业过程控制中温度、压力等信号，AD7715AD7715的转换速率已经足够了。的转换速率已经足够了。 该芯片在智能仪表中常用该芯片在智能仪表中常用29A/D接口变化一个接口变化一个LSB（二进制最低有效位）时输入模拟量的最小变化量（二进制最低有效位）时输入模拟量的最小变化量 例：例：12位位A/D转换器，输入范围转换器，输入范围0

21、10VDC，分辨力，分辨力10/2122.44mV （）实际转换特性曲线与理想转换特性曲线之间的最大偏差实际转换特性曲线与理想转换特性曲线之间的最大偏差 包括偏移误差（包括偏移误差（0输入非输入非0输出）、非线性误差等。输出）、非线性误差等。 线性误差通常以线性误差通常以LSB的分数表示：如的分数表示：如 等等从启动转换到转换结束完成一次从启动转换到转换结束完成一次A/D转换所需要的时间转换所需要的时间 模块包含的模块包含的A/D单极性、双极性、信号范围、信号制单极性、双极性、信号范围、信号制 30型号通道数 分辨率 转换时间 输入信号范围 PCL816 8(差) 16(单) 16位8.5s

22、010V、05V、02.5V、01.25V（单）10V、5V、2.5V、1.25V（差） PCL818 8(差) 16(单) 12位8s 010V、05V、02V、01V（单） 10V、5V、2.5V、1V、0.5V（差） SM331 7KF010AB084（ ）12位20ms 80mV/10M、250mV、500mV、1V、 2.5V、5V、15V、10V、10 mA /25、 3.2 mA、20mA、020mA、420mA、E、 N、J、K型热电偶、Pt100等 SM331 7KB010AB021（ ）12位20ms 31放大滤波补偿多路转换输入信号1输入信号nA/D接口通道通道转换结果8

23、、10、12、13、16位等造价稍低、采样周期长、可靠性稍低信号调理通道输入信号输入信号32现有一块现有一块2通道的通道的A/D输入转换卡输入转换卡 2台台DDZIII型二线制变送器型二线制变送器 每台变送器对应一个每台变送器对应一个A/D输入通道。输入通道。 A/D卡通道1通道224VDC电源变送器一变送器二33D/AD/A作用作用：将计算机内部的数字信号转化为现场仪表可以接收的标准信号：将计算机内部的数字信号转化为现场仪表可以接收的标准信号420mA等等 如：如： 12位数字量（位数字量（04095） 420mA 2047 对应的转换结果：对应的转换结果： 12mA调节阀调节阀变频器变频器

24、执行器控制信号执行器控制信号420mA010mA15VDC010VDC数模转换数模转换(D/A、AO)端口端口(地址地址)数 字 信数 字 信号号0409501023CPU工程量工程量0100软件实现软件实现数 字 信数 字 信号号0409501023工程化反变换工程化反变换34D/AD/A基本组成基本组成：多路多路转换转换DAC光电光电隔离隔离数据数据寄存器寄存器数据数据总线总线控制单元控制单元控制控制总线总线输出信号输出信号1输出信号输出信号n35二进制变化一个二进制变化一个LSB（最低有效位）时（最低有效位）时D/A输出模拟量的最小变化量输出模拟量的最小变化量 （）实际转换特性曲线与理想

25、转换特性曲线之间的最大偏差实际转换特性曲线与理想转换特性曲线之间的最大偏差 包括偏移误差（包括偏移误差（0输入非输入非0输出）、非线性误差等。输出）、非线性误差等。 线性误差通常以线性误差通常以LSB的分数表示：如的分数表示：如 等等当输入数字量变化时，输出的模拟信号稳定在相应的数值范围之内当输入数字量变化时，输出的模拟信号稳定在相应的数值范围之内 （ 0.5x LSB）所经历的时间）所经历的时间 模块包含的模块包含的D/A 电流、电压及输出范围电流、电压及输出范围 36型号型号通道数通道数 分辨率分辨率 建立时间建立时间 非线性误差非线性误差输出信号范围输出信号范围 PCL726 612位位

26、70 s 0.5LSB 010V、05V（单）（单） 10V、 5V（差）（差） PCL727 1212位位40 s 1LSB SM3325HD010AB0 412位单位单11位双位双0.8ms 电压：电压： 0.5电流：电流： 0.6 15V、 10V、010V、 20mA、020mA、420mA SM3325HB010AB0212位单位单11位双位双0.8ms 3738接口接口数据数据总线总线D/A输出信号输出信号1输出信号输出信号nD/A单通路单通路DA输出形式：输出形式： 微处理器和通路之间通过独立的接口缓冲器传送信息微处理器和通路之间通过独立的接口缓冲器传送信息 随着大规模集成电路技术的发展，该缺点正在逐步得到克服。随着大规模集成电路技术的发展，该缺点正在逐步得到克服。39多通路多通路DA转换器输出形式：转换器输出形式：必须在必须在CPU控制下分时工作，即依次把控制下分时工作，即依次把DA转换器转换成的模拟电压（或电流），转换器转换成的模拟电压（或电流），通过多路模拟开关传送给输出保持器。通过多路模拟开关传送给输出保持器