PLC的发展史、基本结构、工作原理及机型选择方法

1、PLC的发展史、基本结构、工作原理及机型选择方法简介可编程控制器（简称PLC）：是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。1.1 PPLC发发展历史史20世纪660年代代末期，美美国汽车车制造工工业竞争争激烈，为为了适应应生产工工艺不断断更新的的需要，在在19668年美美国通用用汽车公公司（GGM）首首先公开开招标，对对控制系系统提出出的具体体要求基基本为：a。 它的继继电控制制系统设设计周期期短，更更改容易易，接

2、线线简单成成本低。bb。它能能把计算算机的功功能和继继电器控控制系统统结合起起来。但但编程要要比计算算机简单单易学、操操作方便便。c。系系统通用用性强。119699年美国国数字设设备公司司（DEEC）根根据上述述要求，研研制出世世界上第第一台PPLC，并并在GMM公司汽汽车生产产线上首首次试用用成功，实实现了生生产的自自动化。其其后日本本、德国国等相继继引入，可可编程序序控制器器迅速发发展起来来，但是是主要应应用于顺顺序控制制，只能能进行逻逻辑运算算，故称称为可编编程逻辑辑控制器器，简称称PLCC。其定定义：可可编程控控制器是是一种数数字运算算操作的的电子系系统，专专为在工工业环境境应用而而设

3、计的的。它采采用一类类可编程程的存储储器，用用于其内内部存储储程序，执执行逻辑辑运算,顺序控控制，定定时，计计数与算算术操作作等面向向用户的的指令，并并通过数数字或模模拟式输输入/输输出控制制各种类类型的机机械或生生产过程程。可编编程控制制器及其其有关外外部设备备，都按按易于与与工业控控制系统统联成一一个整体体，易于于扩充其其功能的的原则设设计。1.2 基基本结构构PLCC可编程序控控制器实实施控制制，其实实质就是是按一定定算法进进行输入入输出变变换，并并将这个个变换与与以物理理实现。输输入输出出变换、物物理实现现可以说说是PLLC实施施控制的的两个基基本点，同同时物理理实现也也是PLLC与普

4、普通微机机相区别别之处，其其需要考考虑实际际控制的的需要，应应能排除除干扰信信号适应应于工业业现场，输输出应放放大到工工业控制制的水平平，能为为实际控控制系统统方便使使用，所所以PLLC采用用了典型型的计算算机结构构，主要要是由微微处理器器（CPPU）、存存储器（RRAM/ROMM）、输输入输出出接口（II/O）电电路、通通信接口口及电源源组成。PPLC的的基本结结构如下下图所示示：1.2.1中央央处理单单元(CCPU) 中央处理单单元 (CPUU)是PPLC的的控制核核心。它它按照PPLC系系统程序序赋予的的功能：a. 接收并并存储从从用户程程序和数数据；bb.检查查电源、存存储器、II/O

5、以以及警戒戒定时器器的状态态，并能能诊断用用户程序序中的语语法错误误。当PPLC投投入运行行时，首首先它以以扫描的的方式采采集现场场各输入入装置的的状态和和数据，并并分别存存入I/O映象象寄存区区，然后后从用户户程序存存储器中中逐条读读取用户户程序，经经过命令令解释后后按指令令的规定定执行逻逻辑或算算数运算算并将结结果送入入I/OO映象寄寄存区或或数据寄寄存器内内。等所所有的用用户程序序执行完完毕之后后，最后后将I/O映象象寄存区区的各输输出状态态或输出出寄存器器内的数数据传送送到相应应的输出出装置，如如此循环环直到停停止运行行。 为为了进一一步提高高PLCC的可靠靠性，近近年来对对大型PPL

6、C还还采用双双CPUU构成冗冗余系统统，或采采用三CCPU的的表决式式系统。这这样，即即使某个个CPUU出现故故障，整整个系统统仍能正正常运行行。 1.2.22存储器器 可编程序控控制器的的存储器器分为系系统程序序存储器器和用户户程序存存储器。存存放系统统软件（包包括监控控程序、模模块化应应用功能能子程序序、命令令解释程程序、故故障诊断断程序及及其各种种管理程程序）的的存储器器称为系系统程序序存储器器；存放放用户程程序（用用户程序序存和数数据）的的存储器器称为用用户程序序存储器器，所以以又分为为用户存存储器和和数据存存储器两两部分。 PLC常用用的存储储器类型型 ：（1）RAAM （RRand

7、dom Asssesss Meemorry） 这是一一种读/写存储储器(随随机存储储器)，其其存取速速度最快快，由锂锂电池支支持。（2）EPPROMM（Errasaablee Prrogrrammmablle RReadd Onnly Memmoryy）这是是一种可可擦除的的只读存存储器。在在断电情情况下，存存储器内内的所有有内容保保持不变变。(在在紫外线线连续照照射下可可擦除存存储器内内容)。（3）EEEPROOM(EElecctriicall Errasaablee Prrogrrammmablle RReadd Onnly Memmoryy)这是是一种电电可擦除除的只读读存储器器。使用用

8、编程器器就能很很容易地地对其所所存储的的内容进进行修改改。 PLC存储储空间的的分配 ：虽然各各种 PPLC的的CPUU的最大大寻址空空间各不不相同，但但是根据据PLCC的工作作原理，其其存储空空间一般般包括以以下三个个区域： （1）系统统程序存存储区（2）系统统RAMM存储区区（包括括I/OO映象寄寄存区和和系统软软设备等等）。（3）用户户程序存存储区 系统程序存存储区：在系统统程序存存储区中中存放着着相当于于计算机机操作系系统的系系统程序序。包括括监控程程序、管管理程序序、命令令解释程程序、功功能子程程序、系系统诊断断子程序序等。由由制造厂厂商将其其固化在在 EPPROMM中，用用户不能能

9、直接存存取。它它和硬件件一起决决定了该该PLCC的性能能。 系统RAMM存储区区：系统统RAMM存储区区包括II/O映映象寄存存区以及及各类软软元件，如如：逻辑辑线圈、数数据寄存存器、计计时器、计计数器、变变址寄存存器、累累加器等等存储器器。 （1）I/O映象象寄存区区：由于于PLCC投入运运行后，只只是在输输入采样样阶段才才依次读读入各输输入状态态和数据据，在输输出刷新新阶段才才将输出出的状态态和数据据送至相相应的外外设。因因此，它它需要一一定数量量的存储储单元(RAMM)以存存放I/O的状状态和数数据，这这些单元元称作II/O映映象寄存存区。一一个开关关量I/O占用用存储单单元中的的一个位

10、位，一个个模拟量量I/OO占用存存储单元元中的一一个字。因因此整个个I/OO映象寄寄存区可可看作两两个部分分组成：开关量量I/OO映象寄寄存区；模拟量量I/OO映象寄寄存区。 （2）系统统软元件件存储区区 ：除除了I/O映象象寄存区区区以外外，系统统RAMM存储区区还包括括PLCC内部各各类软元元件（逻逻辑线圈圈、计时时器、计计数器、数数据寄存存器和累累加器等等）的存存储区。该该存储区区又分为为具有失失电保持持的存储储区域和和失电不不保持的的存储区区域，前前者在PPLC断断电时，由由内部的的锂电池池供电，数数据不会会丢失；后者当当PLCC断电时时，数据据被清零零。 （3）用户户程序存存储区 ：

11、 用用户程序序存储区区存放用用户编制制的用户户程序。不不同类型型的 PPLC，其其存储容容量各不不相同。 1.2.33 输入接接口电路路 输入输出信信号有开开关量、模模拟量、数数字量三三种，在在我们实实习室涉涉及到的的信号当当中，开开关量最最普遍，也也是实验验条件所所限，在在次我们们主要介介绍开关关量接口口电路。可编程序控控制器优优点之一一是抗干干扰能力力强。这这也是其其I/OO设计的的优点之之处，经经过了电电气隔离离后，信信号才送送入CPPU执行行的,防防止现场场的强电电干扰进进入。如如下图就就是采用用光电耦耦合器(一般采采用反光光二极管管和光电电三极管管组成)的开关关量输入入接口电电路：1

12、.2.44 输出出接口电电路可编程序控控制器的的输出有有：继电电器输出出(M)、晶体体管输出出(T)、晶闸闸管输出出(SSSR)三三种输出出形式。输出接口电电路的隔隔离方式式 输出接口电电路的主主要技术术参数a.响应时时间 响应应时间是是指PLLC从OON状态态转变成成OFFF状态或或从OFFF状态态转变成成ON状状态所需需要的时时间。继继电器输输出型响响应时间间平均约约为100ms；晶闸管管输出型型响应时时间为11ms以以下；晶晶体管输输出型在在0.22ms以以下为最最快。b.输出电电流 继继电器输输出型具具有较大大的输出出电流，AAC2550V以以下的电电路电压压可驱动动纯电阻阻负载22A

13、/11点、感感性负载载80VVA以下下（ACC1000V或AAC2000V）及及灯负载载1000W以下下（ACC1000V 或或2000V）的的负载；Y0、YY1以外外每输出出1点的的输出电电流是00.5AA，但是是由于温温度上升升的原因因，每输输出4合合计为00.8AA的电流流，输出出晶体管管的ONN电压约约为1.5V，因因此驱动动半导体体元件时时，请注注意元件件的输入入电压特特性。YY0、YY1每输输出1点点的输出出电流是是0.33A，但但是对YY0、YY1使用用定位指指令时需需要高速速响应，因因此使用用101000mA的的输出电电流；晶晶闸管输输出电流流也比较较小，FFX1SS无晶闸闸管

14、输出出型。c.开路漏漏电流 开开路漏电电流是指指输出处处于OFFF状态态时，输输出回路路中的电电流。继继电器输输出型输输出接点点OFFF是无漏漏电流；晶体管管输出型型漏电流流在0.1mAA以下；晶闸管管较大漏漏电流，主主要由内内部RCC电路引引起，需需在设计计系统时时注意。输出公共端端（COOM） 公共共端与输输出各组组之间形形成回路路，从而而驱动负负载。FFX1SS有1点点或4点点一个公公共端输输出型，因因此各公公共端单单元可以以驱动不不同电源源电压系系统的负负载。1.2.55电源 PLC的电电源在整整个系统统中起着着十分重重要得作作用。如如果没有有一个良良好的、可可靠得电电源系统统是无法法

15、正常工工作的，因因此PLLC的制制造商对对电源的的设计和和制造也也十分重重视。一一般交流流电压波波动在+10%(+115%)范围内内，可以以不采取取其它措措施而将将PLCC直接连连接到交交流电网网上去。如如FX11S额定定电压AAC1000V2400V，而而电压允允许范围围在ACC85VV2644V之间间。允许许瞬时停停电在110mss以下，能能继续工工作。一般小型PPLC的的电源输输出分为为两部分分：一部部分供PPLC内内部电路路工作；一部分分向外提提供给现现场传感感器等的的工作电电源。因因此PLLC对电电源的基基本要求求：能有效地地控制、消消除电网网电源带带来的各各种干扰扰；电源发生生故障

16、不不会导致致其它部部分产生生故障；允许较宽宽的电压压范围；电源本身身的功耗耗低，发发热量小小；内部电源源与外部部电源完完全隔离离；有较强的的自保护护功能。 1.3 PLCC的工作作原理由于PLCC以微处处理器为为核心，故故具有微微机的许许多特点点，但它它的工作作方式却却与微机机有很大大不同。微微机一般般采用等等待命令令的工作作方式，如如常见的的键盘扫扫描方式式或I/O扫描描方，若若有键按按下或有有I/OO变化，则则转入相相应的子子程序，若若无则继继续扫描描等待。PLC则是是采用循循环扫描描的工作作方式。对对每个程程序，CCPU从从第一条条指令开开始执行行，按指指令步序序号做周周期性的的程序循循

17、环扫描描，如果果无跳转转指令，则则从第一一条指令令开始逐逐条执行行用户程程序，直直至遇到到结束符符后又返返回第一一条指令令，如此此周而复复始不断断循环，每每一个循循环称为为一个扫扫描周期期。扫描描周期的的长短主主要取决决于以下下几个因因素：一一是CPPU执行行指令的的速度；二是执执行每条条指令占占用的时时间；三三是程序序中指令令条数的的多少。一一个扫描描周期主主要可分分为3个个阶段。1.3.11输入刷刷新阶段段在输入刷新新阶段，CCPU扫扫描全部部输入端端口，读读取其状状态并写写入输入入状态寄寄存器。完完成输入入端刷新新工作后后，将关关闭输入入端口，转转入程序序执行阶阶段。在在程序执执行期间间

18、即使输输入端状状态发生生变化，输输入状态态寄存器器的内容容也不会会改变，而而这些变变化必须须等到下下一工作作周期的的输入刷刷新阶段段才能被被读入。1.3.22程序执执行阶段段在程序执行行阶段，根根据用户户输入的的控制程程序，从从第一条条开始逐逐步执行行，并将将相应的的逻辑运运算结果果存入对对应的内内部辅助助寄存器器和输出出状态寄寄存器。当当最后一一条控制制程序执执行完毕毕后，即即转入输输入刷新新阶段。1.3.33 输出刷刷新阶段段当所有指令令执行完完毕后，将将输出状状态寄存存器中的的内容，依依次送到到输出锁锁存电路路（输出出映像寄寄存器），并并通过一一定输出出方式输输出，驱驱动外部部相应执执行

19、元件件工作，这这才形成成PLCC的实际际输出。由此可见，输输入刷新新、程序序执行和和输出刷刷新三个个阶段构构成PLLC一个个工作周周期，由由此循环环往复，因因此称为为循环扫扫描工作作方式。由由于输入入刷新阶阶段是紧紧接输出出刷新阶阶段后马马上进行行的，所所以亦将将这两个个阶段统统称为II/O刷刷新阶段段。实际际上，除除了执行行程序和和I/OO刷新外外，PLLC还要要进行各各种错误误检测（自自诊断功功能）并并与编程程工具通通讯，这这些操作作统称为为“监视服服务”，一般般在程序序执行之之后进行行。综上上述，PPLC的的扫描工工作过程程如图114所示示。显然扫描周周期的长长短主要要取决于于程序的的长

20、短。扫扫描周期期越长，响响应速度度越慢。由由于每个个扫描周周期只进进行一次次I/OO刷新，即即每一个个扫描周周期PLLC只对对输入、输输出状态态寄存器器更新一一次，所所以系统统存在输输入输出出滞后现现象，这这在一定定程度上上降低了了系统的的响应速速度。但但是由于于其对II/O的的变化每每个周期期只输出出刷新一一次，并并且只对对有变化化的进行行刷新，这这对一般般的开关关量控制制系统来来说是完完全允许许的，不不但不会会造成影影响，还还会提高高抗干扰扰能力。这这是因为为输入采采样阶段段仅在输输入刷新新阶段进进行，PPLC在在一个工工作周期期的大部部分时间间是与外外设隔离离的，而而工业现现场的干干扰常

21、常常是脉冲冲、短时时间的，误误动作将将大大减减小。但但是在快快速响应应系统中中就会造造成响应应滞后现现象，这这个一般般PLCC都会采采取高速速模块。总之，PLLC采用用扫描的的工作方方式，是是区别于于其他设设备的最最大特点点之一，我我们在学学习和使使用PLLC当中中都应加加强注意意。1.4 PPLC机机型的选选择方法法1PLCC的类型型PLCC按结构构分为整整体型和和模块型型两类，按按应用环环境分为为现场安安装和控控制室安安装两类类；按CCPU字字长分为为1位、44位、88位、116位、332位、664位等等。从应应用角度度出发，通通常可按按控制功功能或输输入输出出点数选选型。整整体型PPLC

22、的的I/OO点数固固定，因因此用户户选择的的余地较较小，用用于小型型控制系系统；模模块型PPLC提提供多种种I/OO卡件或或插卡，因因此用户户可较合合理地选选择和配配置控制制系统的的I/OO点数，功功能扩展展方便灵灵活，一一般用于于大中型型控制系系统。2输入输输出模块块的选择择输入输出模模块的选选择应考考虑与应应用要求求的统一一。例如如对输入入模块，应应考虑信信号电平平、信号号传输距距离、信信号隔离离、信号号供电方方式等应应用要求求。对输输出模块块，应考考虑选用用的输出出模块类类型，通通常继电电器输出出模块具具有价格格低、使使用电压压范围广广、寿命命短、响响应时间间较长等等特点；可控硅硅输出模

23、模块适用用于开关关频繁，电电感性低低功率因因数负荷荷场合，但但价格较较贵，过过载能力力较差。输输出模块块还有直直流输出出、交流流输出和和模拟量量输出等等，与应应用要求求应一致致。可根根据应用用要求，合合理选用用智能型型输入输输出模块块，以便便提高控控制水平平和降低低应用成成本。考考虑是否否需要扩扩展机架架或远程程I/OO机架等等。3.电源的的选择PLC的供供电电源源，除了了引进设设备时同同时引进进PLCC应根据据产品说说明书要要求设计计和选用用外，一一般PLLC的供供电电源源应设计计选用2220VVAC电电源，与与国内电电网电压压一致。重重要的应应用场合合，应采采用不间间断电源源或稳压压电源供供电。如如果PLLC本身身带有可可使用电电源时