可编程逻辑控制器简介

第1章 可编程逻辑控制器简介知识点可编程逻辑控制器逻辑控制的发展PLC当今主流PLC介绍本章导读可编程控制器它采用可编程的存储器，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，并通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。目前的计算机集散控制系统DCS（DistributedControl中已有大量的可编程控制器应用。伴随着计算机网络的发展，可编程控制器作为自动化控制网络和国际通用网络的重要组成部分，将在工业及工业以外的众多领域发挥越来越大的作用。PLC的概述在PLC（ProgrammableLogicController，可编程控制器）发展的过程中，由于时期不PLC还曾被称为可编程矩阵控制器PMProgrammableMatrixControlle可编程顺序控制器PSProgrammableSequenceControlle，本书将沿用PLC的称谓。PLC的概念“PLC是一种数字运算的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程的存19851月对PLC所作的权威性的定义。对于PLC的定义，其补充说明如下。以微处理技术为基础，应用于以控制开关量为主，或包括控制过程参量在内的逻辑控S7-300/400PLCS7-300/400PLC控制系统设计与应用·PAGE14··10·1章·PAGE1章·PAGE13··11·可编程逻辑控制器简介制、机电运动控制或过程控制等工业控制领域的新型工业控制装置。PLC的功能可编程控制器是采用微电子技术来完成各种控制功能的自动化设备，按照预先输入的程序控制现场的执行机构，并按照一定规律进行动作。其主要功能体现在以下几方面：顺序逻辑控制顺序逻辑控制在PLC制和顺序控制。它既可以用于单机控制或多机控制，又可用于自动化生产线的控制。PLC根据操作按钮、限位开关及其他现场给出的指令信号和传感器信号，控制机械运动部件进行相应的操作。运动控制PLC制造厂家已提供了拖动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模板。在多数情况下，PLC位置控制模板将保持适当的速度和加速度，以确保运动平滑。目前已用于控制无心磨削、冲压、复杂零件分段冲裁、滚削、磨削等应用中。定时控制PLC为用户提供了一定数量的定时器，并设置了定时器指令。一般每个定时器可实现0.1～999.9s0.01～99.99s的定时控制，也可按一定方式进行定时时间的扩展。定时精度PLC计数控制PLC提供了多种计数器，如普通计数器、可逆计数器、高速计数器等，可以用来完成发出控制命令。计数器的计数值可以在运行中被读出，也可以在运行中进行修改。步进控制PLCPLC还专门设有步进控制指令，使得步进控制更为方便。数据处理大部分PLC都具有不同程度的数据处理功能，如F2CS5系列PLC等可（（移位、数据比较和传送及数值的转换等操作。模数和数模转换在过程控制或闭环控制系统中，存在温度、压力、流量、速度、位移、电流、电压等连续变化的物理量（或称模拟量。过去，由于PLC善于逻辑运算控制，对于这些模拟量主要依靠仪表（如果回路数较少）或分布式控制系统DCS（如果回路数较多）来控制。目前，不但大、中型PLC具有模拟量处理功能，甚至很多小型C系列P型机）有模拟量处理功能，而且编程和使用都很方便。通信及联网目前大多数PLCPLC与计算机之间同时进行同位链接及上位链接。通过这些通信技术，使PLC器等外部设备相连，记录和监视有关数据。逻辑控制的发展继电器逻辑控制在人们的日常生活和生产活动中，利用开关来实现在电路中“开”和“关”各种用电器及生产设备，或改变它们的工作方式，这种控制方式是极其普遍的。但对于加工生产线这样大规模的电路，其电动机等设备少则几十台，多则数以百计，同时这种电路中的各种用电器往往要按照某种规律来安排其“开”和“关”的顺序，因此若在这种场合下仍由人来操作一个接一个的开关，显然难于实现。此时继电器逻辑控制电路就派上了用场。继电器逻辑控制电路的概念断续地或连续地改变电路参数或运行状态，实现对电路或非电对象的切换、控制、调节和保护的一种自动控制电路。从电路结构上看，继电器逻辑控制电路一般都具有两个基本组成部分，即决策部分和执行部分。决策部分负责检测外界输入的信号，通过转换、放大、判断、按照预先设定的控制规则进行逻辑运算，作出相应的控制决策，指挥执行部分动作，以实现控制的最终目的。就控制角度而言，这里决策部分起了关键的作用。而决策部分所体现的控制规则，实际是通过继电器逻辑控制电路各部分预先按控制规则要求的固定联结来实现的PLC的主要特征。继电器逻辑控制电路的主要组成部分（逻辑运算部分）又可分为逻辑输入部分和逻辑记忆部分。逻辑输入部分逻辑输入部分主要由主令电器和检测器件组成。①主令电器主令电器一般包括手动按钮、开关、转换器、凸轮控制器等，其主要功能是完成开机、关机、切换、应急停机或调试等控制操作。主令电器给出的控制信号称为主令信号。主令电器中最常用的还是按钮，按钮又分为常开按钮和常闭按钮。常开按钮在不按下时触点分开，在按下时触点合上。常闭按钮在不按下时触点闭合，在按下时触点分开。将常开触点和常闭触点装在一起的则是复合按钮。②检测器件检测器件通常包括行程开关、接近开关、压力继电器、速度继电器、热继电器、过电流继电器等器件，其主要功能是检测运动机件的行程或位置、压力、速度、热量、电流等物理量在自动控制过程中的状态，以此作为继电器逻辑控制电路按照控制规则进行决策的主要依据。检测器件还可以包括时间继电器。这是一种特殊的检测器件，主要用于检测某过程执行的时间，以此作为继电器逻辑控制电路按照控制规则进行决策的又一特殊的依据。检测器件给出的控制信号称为现场检测信号，简称检测信号。行程开关是将运动部件的行程位置转换为输入信号的检测器件。其工作原理与按钮类似，当加工机械的运动部件运动到相应位置，碰撞压力行程开关时，则输出开关信号。与按钮不同的是，它是靠机械的外加力量使触点输出信号的，而按钮完全是靠手工完成的。由此可知，按钮反映的是人的意志，而行程开关反映的是控制过程中的状况。微动开关也是一种行程开关。接近开关是一种非接触式的、电子式的运动部件行程位置检测装置。其作用与行程开关相同，但它实现了无触点化。除了用于替代行程开关外，接近开关还可以作为高速脉冲发生器、高速计数器等。主令信号和检测信号即构成控制线路的输入信号。逻辑记忆部分逻辑记忆部分主要由继电器组成，用来记忆逻辑输入信号的变化以及各逻辑输入信号经过某种逻辑运算后所得信号的变化。继电器是一种依据某种形式的输入信号而动作，从而输出开关信号的自动控制（如电（此外还有干簧继电器、热继电器和时间继电器等。①电磁继电器电磁继电器是一种最常见、用途最广1-1所示。它主要由线圈、铁心、衔铁（即动铁心返回弹簧及动触头、静触头等构成。当线圈两端加上一定量的电压或线圈中通以一定量的电流时，铁心磁化，衔铁（即动铁心）就会在磁力的作用下克服返回弹簧的拉力吸向静触头，从而导致衔铁上的动触

图1-1 电磁继电器头闭合或断开。线圈未通电时处于断开状态的一对动、静触头称为常开触点，反之则称为常闭触点。线圈断电后，衔铁在返回弹簧的拉力下回到原位，使常开触点断开、常闭触点闭合。当一个动触头同时与一个静触头闭合而与另一个静触头断开时，就称它们为转换触（也可以二者兼有一组或数组转换触点。一个继电器的线圈及其触头，可以用同一字母及序号数码来标注，如JJ1J2等。电磁继电器的功能与接触器迥然不同，它主要用于在控制电路中依据输入信号的状态（如行程开关触点的分合、电流的大小、电压的高低、时间的长短等）对应输出开关量的控制信号，而接触器只是输出执行功率信号。电磁继电器有一些显著优点：和传递的功能，而且还有驱动的功能。可以实行远距离控制。多点控制。其操动快速、准确。电磁继电器的种类很多，常见的就有电流继电器、电压继电器、中间继电器和时间继电器等。电流继电器和电压继电器的区别主要在于线圈。电流继电器的线圈是与负载串联连接的，它是以负载电流为输入信号，因此其线圈导线粗、匝数少；而电压继电器的线圈是与负载并联连接的，它是以负载电压为输入信号，因此其线圈导线细、匝数多。中间继电器实际上就是一种特殊的电压继电器，只不过它的主要目的不是反映电压，而是扩展触点的数量和容量。时间继电器的输入信号是非电量——时间，这是与前3种都不相同的。电磁继电器按照加在线圈上的是直流电还是交流电而分为直流和交流继电器。②干簧继电器干簧继电器又称舌簧继电器，这种继电器分为线圈驱动和永磁驱动两种，其结构如图1-2（a）和图1-2（b）的干簧片被磁化而相吸，使被控电路接通。线圈断电后，干簧片失磁，在自身弹力作用下分开，使被控电路切断。而永磁干簧继电器在永久磁铁靠近干簧片时使其磁化而相吸，使被控电路接通。磁铁离开时，干簧片靠自身的弹力分开，使被控电路切断。干簧继电器一般只有一对干簧片常开触点。（a）线圈型 （b）永磁型图1-2 干簧继电器③热继电器1-3所著不同的金属片复合在一起压轧而成的。当热继电器通电a

图1-3 热继电器系数大于下层b常闭触点断开，常开触点闭合。该继电器主要用于保护电动机或其他负载，避免其过载或断相以致严重过热而烧毁设备。其主要缺点是：发热原件间接加热双金属片，热耦合程度较差，双金属片的变形不能正确反映所保护对象的热特性，易产生较大误差。④时间继电器在获得有效输入信号后，延迟一段时间再动作的继电器叫做时间继电器。时间继电器与电磁继电器的结构类似，它采用不同的方法，使线圈在通电或断电的瞬间衔铁不能立即吸合或释放。按照所采用的不同方法（式或电子延时电路式等如图1-4所示为各种继电器的图形符号。（a）继电器线圈 （b）继电器常开触点（c）继电器常闭触点 （d）热继电器热量元件（e）热继电器常开触点 继电器常闭触点（g）时间继电器线圈 （h）延时闭合的时间继电器常开触点（i）延时释放的时间继电器常开触点 （j）延时释放的时间继电器常闭触点（k）延时闭合的时间继电器常闭触点执行部分

图1-4 继电器图形符号执行部分主要由执行机构组成。执行机构可分为有记忆功能和无记忆功能两种。有记忆功能的执行机构有各种容量的接触器、继电器等。无记忆功能的执行机构有电磁阀、电磁铁、微电机、灯光负载、音量负载等。执行机构的主要功能是直接控制生产装置执行移动、转动、升降、正反转、开闭、分合等，以完成相应的生产任务。在执行机构中，由于要驱动大的负载，往往还需使用接触器。接触器是在继电器控制电路中用来接通或切断电路中负载的一种控制电路，故继电器控制电路往往又被称为继电接触控制电路。接触器有交流接触器与直流接触器之分。接触器和继电器的工作原理大致一样，区别在于接触器多是用来接通或切断控制电路（且一般有多对通或切断继电器逻辑控制电路中控制回路较小电流或电压信号，因而其触点容量较小（一般也可有多对。1-532加装灭弧罩。接触器的图形符号如图1-6所示。图1-5 交流继电器（a）接触器线圈 （b）接触器常开主触点（c）接触器常闭主触点 （d）接触器常开辅助触点（e）接触器常闭辅助触图1-6 接触器图形符号基本继电器逻辑控制线路启动、停止、自锁电路启动、停止、自锁电路如图1-7控制系统中最常见的电路。当操作人员按下按钮SB1SB2的常闭触点是闭合的，故线路向继电器KKKSB1常

图1-7 启动、停止、自锁电路开触点断开，由于继电器常开触点K（有的教材也称“自保。当操作人员按下停止按钮SB2时，其常闭触点断开，切断了线圈供电通路，继电器K释放，其常开触点K断开。启动、停止、自锁电路实际上是典型的“与AB1B2分别表示、SB1、SB2的状态，其逻辑代数式可表达为AB1+·2 （1-）行程控制在生产过程中，经常需对大量的加工件、刀具、物料、运料小车等进行运动位置或行程的控制。如图1-8所示为行程控制的一个实例。某机床刀架在初始状态下停在轨道最左边的极限位置上，使限位开关00411常开触点接通而常闭触点断开。当按下启动按钮00410时，其常开触点接通，加之行程开关00412未被压下，其常闭触点处于接通状态，控制刀架快进的00451继电器线圈通电，控制刀架快进。当刀架快进到行程开关00412的位置时，挡块压下行程开关00412，其常闭触点断开，使快进控制电路给00451线圈供电的通路断开，00451继电器释放，刀架快进停止。00412004131）的004521的速度进给。00413100453继电2004142的动0045400411将停止快退。至此，系统完成了一次完整的工作循环。最后两个行程的工作原理，读者可试着自行分析。按照上述行程控制电路，可以列出其逻辑代数式如下。

00451004100410+0045·20045200412+0045·30045300413+0045·10045400414+0045·1

（1-2）（1-3）（1-4）（1-5）继电器接触控制线路中是用时间继电器（如空气式、电动式、晶体管式时间继电器）作为检测并控制时间量的关键器件。通常定时控制电路有两种：延时吸合电路和延时释放电路。而按照计时的起始信号来分，又分为得电延时和失电延时两种电路。某机床电动机要求在按下按钮SB1后正转25s，然后停止5s，再反转30s，最后再停止10s，这样完成一个循环；以后自动完成这样一个接一个的循环。如图1-91-9SB1KT1K1和时间继电器KT1KT1（在按钮SB1的常开触点起自锁作用KT125s其延时释放的常闭触点KT1K1和时间继电器KT1时由于时间继电器KT1的延时闭合的常开触点KT1KT2时间继电器得电而开5s1-9自行分析，不过需要注意的是，当反转停止并10s后，由于时间继电器KT4的延时闭合的常开触点KT4闭合，使得继电器K1和时间继电器KT1又得电，开始下一个循环。图1-8 行程控制实例 图1-9 定时控制实例继电接触式控制系统的设计在继电接触式控制系统的设计中，为了保证系统的使用效能和正确的动作程序，目前最常用的是采用经验的方法，即将常用的、典型的控制电路组合成符合要求的控制电路。采用此种方法设计时应确定如下内容：自动工作循环的分析在确定控制方案之前，首先应列出控制系统自动工作循环的简图和说明、主令电器及行程开关等的布置与作用简图或说明、执行机构的通断状态与对应动作的关系、自动工作循环中的循环周期表等，以对以后的设计提供必要的具体要求和条件，这也是整个设计过程中的需求分析过程。联锁条件及电气保护的确定在设计过程中要特别注意联锁条件及电气保护的分析与确定，其中尤其要注意以下几点。联锁关系：一般是指一个动作、效能与其他的动作、效能的关联关系。也就是说，当一个动作、效能具备后，才能进行其他的动作、效能。例如，当高炉上料料斗在最低端装满料后，才能上行；同样，当其在最顶端卸完料后，才能下行。禁止关系：一个动作发生后禁止另一个动作的发生。例如，前述高炉上料料斗在达到最低端或最顶端的位置时，必须禁止其继续下行或继续上行的动作。止，才能启动进行另一个动作。恰当地采用记忆单元。在继电接触控制系统的控制过程中，若由某一事件是否发生来决定下一步的工作，则一般要引用一些记忆单元记忆事件的现实状态。这种控制系统通常是顺序控制系统。输入信号时间长短的处理在继电接触控制系统的控制过程中，常开触点和常闭触点输入信号的长短经常需要加以改造。通常遇到的问题是常开触点输入信号太短或常闭触点输入信号太长。对于常开触通常采用一个信号与这个长信号相“与”的方法解决。另一种常用方法是用延时继电器。可编程逻辑控制可编程控制器概述对于国际电工委员会19851明为：可编程控制器是以微处理器技术为基础，应用于以控制开关量为主或包括控制过程参量在内的逻辑控制、机电运动控制或过程控制等工业控制领域的新型工业控制装置。更先进的可编程控制器还可利用其通信功能联于网络中或与其他装置构成集散控制系统。PLCPLC的全部内容。可编程控制器的特点通信性和灵活性强，应用广泛可编程控制器不同于一般以硬件固定连接方式来体现控制机理的控制系统，其控制规则可根据不同的需求方便地以更新软件来实现，故其适应性极强，尤其适用于控制规则需要不断更新的场合，如机械制造、电力、冶金、建材、煤炭、化工、石化、医疗、纺织、食品等，既可应用于单机装置中，又可以应用于生产线中。可靠性高，抗干扰的能力极强可编程控制器在硬件、软件设计上均充分考虑了抗强烈干扰和对故障进行诊断与容错的各种措施，如屏蔽、隔离、滤波、电压调整、对故障的在线诊断、对程序及数据的后备WTD保护等，使其可靠性较之一般工业控制装置高出很多。大多数PLC产品的平均无故障间隔时间MTBFPLC抗干扰能力1000V1ns脉宽为1s的干扰脉冲冲击。就这一特点而言，也使PLC赢得了众多的用户。产品系列化、规模化、功能完备、性能优良可编程控制器发展到目前的这种局面，已经拥有繁多的品牌，小、中、大系列齐全，除了满足强PID及通信等各种功能，远远超越了纯开关量控制的概念。编制程序简单、容易由于可编程控制器控制程序充分照顾到了现在工程技术人员的习惯，既可用面向生产有的可编程控制器还可以使用简单易懂的功能图表编程和模块化的程序结构（如主控程序结构）等。使得编程和改变程序均很方便、灵活。设计、安装、调试周期短，扩充容易如前所述，由于PLC硬软件产品齐全，故用户组建系统时，设计、安装、调试都很容易，与一般控制系统相比，大大缩短了周期。由于PLC产品开发有大量扩展单元或不同规模不同功能的模块，故用户扩充自己系统的规模或扩充功能都异常方便。体积小、重量轻，维护方便PLCPLC由于有自诊断功能，能及时将故障点显示给维修人员，故排除故障相当顺利、简单。加之PLC或模块，故特别方便。可编程控制器的应用领域近年来，随着大规模集成电路技术的迅猛发展，功能更强大、规模不断扩大而价格日趋低廉的元器件不断涌现，促使PLC产品亦随之功能大增而成本下降。目前PLC的应用已经远远超越了早期仅用于开关量控制的局面，现将其应用领域简述于下。开关量逻辑控制这是PLCPLC控制开关量的能力是很强的，所控制的入、出点数有时多达几万点。由于可以联网，所以点数几乎不受限制。所控制的如组合的、时序的、要考虑延时的、需要进行高速计数等的逻辑问题都可以解决。运动控制目前很多厂商已经开发出大量运动控制模块。且功能是给步进电动机或伺服电动机等提供单轴或多轴的位置控制过程控制当前PLCI/OA/DD/A转换，还可以进一步构成闭环，实现PID一类的生产过程调节。而针对PID闭环调节，又有专门的模块，可以更方便地实施。这些产品，往往还引入了智能控制。数据处理现代的PLCPLC的数据处理功能与计算机数值控制设备的功能紧密结合在一起，开发了用于CNC的PLC产品。通信的网络化通信产品也在大量PLCPLCPLC与上级计算机之间或其他网络间的通信问题。更有一些公司，还为其PLC系统开发了专门的网络产品。这些网络产品包括有典型的如A-B公司的高速数据通道DHDH+SIEMENS公司的SINEC局域网等。通过这些产品，可将PLC环网与环网还可以桥接。网间的结点可直接或间接地通信、交换信息。联网、通信，适应了当今诸如计算机集成制造系统及智能化工厂等先进技术发Poin）到线Lin）再到面Aer生产线的控制和工厂管理层的管理及决策连成一体，甚至实现大范围、跨地域的控制与管理，以创造更高的境界。需要注意的是，并非所有PLC都具有上述全部功能，越小型的PLC，其功能相应也越少。PLC简介下面介绍一些常见的主流PLC参考。在选择PLC时，往往着眼于以下几个方面。重要技术参数及I/O规模如CPU主频大小、运算速度的快慢，又如内存容量和扩展存储等容量大小，再如I/O总数的多少以及通信传输速率等。功能除根据需要选择轴定位功能、PID过程控制功能、高速计数功能、CNC功能、操作员监控功能、通信功能等外，还应充分了解系统本身的中断功能、自诊断与容错功能、有无热备份功能等情况。结构首先，应弄清楚选用产品的结构是整体式（单元式）还是模块式的；其次，应根据需要考虑用不用本地扩展I/O及远程I/O等结构；再进一步，则应考虑用不用网络结构。编程语言及编程终端大多数产品都提供了语句表（即指令程序）和梯形图编程软件，一些较好的产品还额外提供了顺序功能图SFC以及诸如主控程序供了C语言等高级语言的编程软件工具。就编程终端（编程器）而言，通常是使用各公司配套的专用编程器，这种方式性价比较差。有鉴于此，一些卓有远见的公司现在已开始提供可用于普通个人计算机的编程软件，使得用