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1、報告主題PLC及模組的簡介,報告單位 CCT20技朮士報告人姓名李劍靈報告時間 2004/07/30,一、PLC 的工作原理,二、PLC 的分類及使用,報 告 內 容,三、PLC 的選用,一.PLC 的工作原理,最初研制生产的PLC主要用于代替传统的由继电器接触器构成的控制装置，但这两者的运行方式是不相同的：（1）继电器控制装置采用硬逻辑并行运行的方式，即如果这个继电器的线圈通电或断电，该继电器所有的触点（包括其常开或常闭触点）在继电器控制线路的哪个位置上都会立即同时动作。（2）PLC的CPU则采用顺序逻辑扫描用户程序的运行方式，即如果一个输出线圈或逻辑线圈被接通或断开，该线圈的所有触点(包括
2、其常开或常闭触点)不会立即动作，必须等扫描到该触点时才会动作。,为了消除二者之间由于运行方式不同而造成的差异，考虑到继电器控制装置各类触点的动作时间一般在100ms以上，而PLC扫描用户程序的时间一般均小于100ms，因此，PLC采用了一种不同于一般微型计算机的运行方式-扫描技术。这样在对于I/O响应要求不高的场合，PLC与继电器控制装置的处理结果上就没有什么区别了。1、扫描技术当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。,（1）输入采样阶段在输
3、入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入（2）用户程序执行阶段在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，
4、刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。即，在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。,（1）输出刷新阶段当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映象区内
5、对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是PLC的真正输出。比较下二个程序的异同：,程序1：,程序2：,这两段程序执行的结果完全一样，但在PLC中执行的过程却不一样。程序1只用一次扫描周期，就可完成对%M4的刷新；程序2要用四次扫描周期，才能完成对%M4的刷新。这两个例子说明：同样的若干条梯形图，其排列次序不同，执行的结果也不同。另外，也可以看到：采用扫描用户程序的运行结果与继电器控制装置的硬逻辑并行运行的结果有所区别。当然，如果扫描周期所占用的时间对整个运行来说可以忽略，那么二者之间就没有什么区别了。,一般来说，PLC的扫描周期包括自诊断、通讯等，如下图所
6、示，即一个扫描周期等于自诊断、通讯、输入采样、用户程序执行、输出刷新等所有时间的总和。,2、PLC的I/O响应时间为了增强PLC的抗干扰能力，提高其可靠性，PLC的每个开关量输入端都采用光电隔离等技术。为了能实现继电器控制线路的硬逻辑并行控制，PLC采用了不同于一般微型计算机的运行方式（扫描技术）。,以上两个主要原因，使得PLC得I/O响应比一般微型计算机构成的工业控制系统满的多，其响应时间至少等于一个扫描周期，一般均大于一个扫描周期甚至更长。所谓I/O响应时间指从PLC的某一输入信号变化开始到系统有关输出端信号的改变所需的时间。其最短的I/O响应时间与最长的I/O响应时间如图所示：最短I/O
7、响应时间：,最长I/O响应时间：,以上是一般的PLC的工作原理，但在现代出现的比较先进的PLC中，输入映像刷新循环、程序执行循环和输出映像刷新循环已经各自独立的工作，提高了PLC的执行效率。在实际的工控应用之中，编程人员应当知道以上的工作原理，才能编写出质量好、效率高的工艺程序。,分類:,二.PLC 的分類及使用,PLC组成：中央处理单元（CPU）、存储器、输入/输出单元（I/O单元）、电源、编程器等；PLC分类：按照结构形成分为整体式和模块式；按照输入/输出（I/O）点数分为小、中和大型。,使用:,1、选型在PLC选型是时主要是根据所需功能和容量进行选择，并考虑维护的方便性，备件的通用性，是
8、否易于扩展，有无特殊功能要求等。PLC输入/输出点确定：I/O点数选择时要留出适当余量；PLC存储容量：系统有模拟量信号存在或进行大量数据处理时容量应选择大一些；存储维持时间：一般存储约保持13年（与使用次数有关）。若要长期或掉电保持应选用EEPROM存储（不需备用电源），也可选外用存储卡盒；PLC的扩展：可通过增加扩展模块、扩展单元与主单元连接的方式。扩展模块有输入单元、输出单元、输入/输出一体单元。扩展部分超出主单元驱动能力时应选用带电源的扩展模块或另外加电源模块给以支持；,PLC的联网：PLC的联网方式分为PLC与计算机联网和PLC之间相互联网两种。与计算机联网可通过RS232C接口直接
9、连接、RS422+RS232C/422转换适配器连接、调制解调通讯连接等方式；一台计算机与多台PLC联网，可通过采用通讯处理器、网络适配器等方式进行连接，连接介质为双绞线或光缆；PLC之间互联时可通过专用通讯电缆直接连接、通讯板卡或模块+数据线连接等方式。2、充分合理利用软、硬件资源不参与控制循环或在循环前已经投入的指令可不接入PLC；多重指令控制一个任务时，可先在PLC外部将它们并联后再接入一个输入点；尽量利用PLC内部功能软元件，充分调用中间状态，使程序具有完整连贯性，易于开发。同时也减少硬件投入，降低了成本；条件允许的情况下最好独立每一路输出，便于控制和检查，也保护其它输出回路；当一个输
10、出点出现故障时只会导致相应输出回路失控；输出若为正/反向控制的负载，不仅要从PLC内部程序上联锁，并且要在PLC外部采取措施，防止负载在两方向动作；PLC紧急停止应使用外部开关切断，以确保安全。3、使用注意事项接地端子应独立接地，不与其它设备接地端串联，接地线裁面不小于2mm2；,辅助电源功率较小，只能带动小功率的设备（光电传感器等）；一般PLC均有一定数量的占有点数（即空地址接线端子），不要将线接上；输出有继电器型，晶体管型（高速输出时宜选用），输出可直接带轻负载（LED指示灯等）；PLC输出电路中没有保护，因此应在外部电路中串联使用熔断器等保护装置，防止负载短路造成损坏PLC;输入、输出信
11、号线尽量分开走线，不要与动力线在同一管路内或捆扎在一起，以免出现干扰信号，产生误动作；信号传输线采用屏蔽线，并且将屏蔽线接地；为保证信号可靠，输入、输出线一般控制在20米以内；扩展电缆易受噪声电干扰，应远离动力线、高压设备等。输入/断开的时间要大于PLC扫描时间；PLC存在I/O响应延迟问题，尤其在快速响应设备中应加以注意。4、故障检查与排除（1）故障显示设计时可使每一个故障点均有信号表示。优点是直观便于检查，缺点是程序复杂且输出单元占用较多，投资较大；设计时也可将所有故障点均由一个信号表示。优点是节约成本，减少了对输出单元的占有，缺点是具体故障回路不能直接判断出；设计时还可将性质类似的一组故
12、障点设成一个输出信号表示。,以上三种方案各有利弊，在条件允许、并且每个回路均很重要，要求必须快速准确判断出故障点时采用第一种方案较好；一般情况下采用第三种方案比较好，由于故障分类报警显示，就可直接判断出故障性质，知道会对设备或工业过程造成何种影响，可立即采取相应措施加以处理，同时再结合其它现象、因素、另一组或几组报警条件将具体故障点从此类中划分出来。整个PLC内部程序、外部输出点及接线增加不多，性能价格比较高。（2）输入、输出故障的排除一般PLC均有LED指示灯可以帮助检查故障是否由外部设备引起。不论在模拟调试还是实际应用中，若系统某回路不能按照要求动作，首先应检查PLC输入开关电接触点是否可
13、靠（一般可通过查看输入LED指示灯或直接测量输入端），若输入信号未能传到PLC，则应去检查输入对应的外部回路；若输入信号已经采集到，则再看PLC是否有相应输出指示，若没有，则是内部程序问题或输出LED指示灯问题；若输出信号已确信发出，则应去检查外部输出回路（从PLC输出往后检查）。在输出回路中，由于短路或其它原因造成PLC输出点在内部粘滞，只需将其接线换至另一予留的空接线点上，同时修改相应程序，将原输出标号改为新地址号即可。PLC虽然适合工业现场，使用中也应注意尽量避免直接震动和冲击、阳光直射、油雾、雨淋等；不要在有腐蚀性气体、灰尘过多、发热体附近应用；避免导电性杂物进入控制器。,三.PLC
14、的選用,机型的选择,机型选择的基本原则是，在功能满足要求的前提下，选择最可靠、维护使用最方便以及性能价格比的最优化机型。在工艺过程比较固定、环境条件较好（维修量较小）的场合，建议选用整体式结构的；其它情况则最好选用模块式结构的。对于开关量控制以及以开关量控制为主、带少量模拟量控制的工程项目中，一般其控制速度无须考虑，因此，选用带转换、转换、加减运算、数据传送功能的低档机就能满足要求。而在控制比较复杂，控制功能要求比较高的工程项目中（如要实现运算、闭环控制、通信联网等），可视控制规模及复杂程度来选用中档或高档机。其中高档机主要用于大规模过程控制、全的分布式控制系统以及整个工厂的自动化等。根据不同
15、的应用对象，表列出了的几种功能选择。表1 PLC的功能及应用场合,对于一个大型企业系统，应尽量做到机型统一。这样，同一机型的模块可互为备用，便于备品备件的采购和管理；同时，其统一的功能及编程方法也有利于技术力量的培训、技术水平的提高和功能的开发；此外，由于其外部设备通用，资源可以共享，因此，配以上位计算机后即可把控制各独立系统的多台联成一个多级分布式控制系统，这样便于相互通信，集中管理。输入输出的选择是一种工业控制系统，它的控制对象是工业生产设备或工业生产过程，工作环境是工业生产现场。它与工业生产过程的联系是通过接口模块来实现的。通过接口模块可以检测被控生产过程的各种参数，并以这些现场数据作为
16、控制信息对被控对象进行控制。同时通过接口模块将控制器的处理结果送给被控设备或工业生产过程，从而驱动各种执行机构来实现控制。从现场收集的信息及输出给外部设备的控制信号都需经过一定距离，为了确保这些信息的正确无误，的接口模块都具有较好的抗干扰能力。根据实际需要，一般情况下，都有许多接口模块，包括开关量输入模块、开关量输出模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块以及其它一些特殊模块，使用时应根据它们的特点进行选择。确定点数,根据控制系统的要求确定所需要的点数时应再增加的备用量，以便随时增加控制功能。对于一个控制对象，由于采用的控制方法不同或编程水平不同，点数也应有所不同。表列出了典型传动设备及常用电气元
17、件所需的开关量的点数。表2 典型传动设备及常用电气元件所需的开关量的I/O点数,开关量输入输出通过标准的输入输出接口可从传感器和开关（如按钮、限位开关等）及控制（开关）设备（如指示灯、报警器、电动机起动器等）接收信号。典型的交流输入输出信号为，直流输入输出信号为。尽管输入电路因制造厂家不同而不同，但有些特性是相同的。如用于消除错误信号的抖动电路；免于较大瞬态过电压的浪涌保护电路等。此外，大多数输入电路在高压电源输入和接口电路的控制逻辑部分之间都设有可选的隔离电路。在评估离散输出时，应考虑熔丝、瞬时浪涌保护和电源与逻辑电路间的隔离电路。熔丝电路也许在开始时花费较多，但可能比在外部安装熔丝耗资要少
18、。模拟量输入输出模拟量输入输出接口一般用来感知传感器产生的信号。这些接口可用于测量流量、温度和压力，并可用于控制电压或电流输出设备。这些接口的典型量程为、或。一些制造厂家在上设计有特殊模拟接口，因而可接收低电平信号如、热电偶等。一般来说，这类接口模块可用于接收同一模块上不同类型的热电偶或混合信号。,特殊功能输人输出在选择一台时，用户可能会面临一些特殊类型且不能用标准实现的限定如定位、快速输入、频率等。此时用户应当考虑供销厂商是否提供有特殊的有助于最大限度减小控制作用的模块。有些特殊接口模块自身能处理一部分现场数据，从而使从耗时的任务处理中解脱出来。智能式输入输出当前，的生产厂家相继推出了一些智
19、能式的输入输出模块。一般智能式输入输出模块本身带有处理器，可对输入或输出信号作预先规定的处理，并将处理结果送入或直接输出，这样可提高的处理速度并节省存储器的容量。智能式输入输出模块有高速计数器（可作加法计数或减法计数）、凸轮模拟器（用作绝对编码输人）、带速度补偿的凸轮模拟器、单回路或多回路的调节器、处理器、接口模块等。表归纳了选择模块的一般规则。表3 选择PLC的I/O接口模块的一般规则,存储器类型及容量选择系统所用的存储器基本上由、-及三种类型组成，存储容量则随机器的大小变化，一般小型机的最大存储能力低于，中型机的最大存储能力可达，,大型机的最大存储能力可上兆字节。使用时可以根据程序及数据的
20、存储需要来选用合适的机型，必要时也可专门进行存储器的扩充设计。的存储器容量选择和计算的第一种方法是：根据编程使用的节点数精确计算存储器的实际使用容量。第二种为估算法，用户可根据控制规模和应用目的，按照表的公式来估算。为了使用方便，一般应留有的裕量，获取存储容量的最佳方法是生成程序，即用了多少字。知道每条指令所用的字数，用户便可确定准确的存储容量。表同时给出了存储器容量的估算方法。表4 控制目的估算存储器容量的方法,软件选择在系统的实现过程中，的编程问题是非常重要的。用户应当对所选择产品的软件功能有所了解。通常情况下，一个系统的软件总是用于处理控制器具备的控制硬件的。但是，有些应用系统也需要控制
21、硬件部件以外的软件功能。例如，一个应用系统可能包括需要复杂数学计算和数据处理操作的特殊控制或数据采集功能。指令集的选择将决定实现软件任务的难易程度。可用的指令集将直接影响实现控制程序所需的时间和程序执行的时间。支撑技术条件的考虑选用时，有无支撑技术条件同样是重要的选择依据。支撑技术条件包括下列内容：（）编程手段便携式简易编程器主要用于小型，其控制规模小，程序简单，可用简易编程器。编程器适用于大中型，除可用于编制和输入程序外，还可编辑和打印程序文本。,由于已得到普及推广，及其兼容机编程软件包是很好的编程工具。目前，厂商都在致力于开发适用自己机型的及其兼容机编程软件包，并获得了成功。（）进行程序文
22、本处理简单程序文本处理以及图、参量状态和位置的处理，包括打印梯形逻辑；程序标注，包括触点和线圈的赋值名、网络注释等，这对用户或软件工程师阅读和调试程序非常有用。图形和文本的处理。（）程序储存方式对于技术资料档案和备用资料来说，程序的储存方法有磁带、软磁盘或存储程序盒等方式，具体选用哪种储存方式，取决于所选机型的技术条件。（）通信软件包对于网络控制结构或需用上位计算机管理的控制系统，有无通信软件包是选用的主要依据。通信软件包往往和通信硬件一起使用，如调制解调器等。的环境适应性,由于通常直接用于工业控制，生产厂都把它设计成能在恶劣的环境条件下可靠地工作。尽管如此，每种都有自己的环境技术条件，用户在选用时，特别是在设计控制系统时，对环境条件要给予充分的考虑。一般及其外部电路（包括模块、辅助电源等）都能在表所列的环境条件下可靠工作。表5 PLC的工作环境,
