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1、,1.1 可编程序控制器概述,1.1.1 PLC的由来,1968年，美国通用汽车公司(GM公司)为了在每次汽车改型或改变工艺流程时不改动原有继电器柜内的接线，以便降低生产成本，缩短新产品的开发周期，而提出了研制新型逻辑顺序控制装置，并提出了该装置的研制指标要求，即10项招标技术指标，这10指标实际上就是当今可编程序控制器最基本的功能。将它们归纳一下，其核心为以下四点：(1)用计算机代替继电器控制盘。(2)用程序代替硬件接线。(3)输入/输出电平可与外部装置直接连接。(4)结构易于扩展,美国数字设备公司（DEC）中标并于1969年研出了世界上第一台可编程序控制器，并应用于通用汽车公司的生产线上。
2、当时叫可编程逻辑控制器PLC（Programmable Logic Controller），目的是用来取代继电器，以执行逻辑判断、计时、计数等顺序控制功能。紧接着，美国MODICON公司也开发出同名的控制器，1971年，日本从美国引进了这项新技术，很快研制成了日本第一台可编程控制器。1973年，西欧国家也研制出他们的第一台可编程控制器。,1.1.2 可编程序控制器的定义、分类及特点,1.可编程序控制器的定义 由于PLC在不断发展，因此，对它进行确切的定 义是比较困难的。1982年，国际电工委员会(International Electrical Committee，IEC)颁布了PLC标准草案
3、，1985年提交了第2版，并在1987年的第3版中对PLC作了如下的定义：PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的进行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、定时、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按照易于与工业控制系统形成一个整体和易于扩展其功能的原则而设计。,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按照易于与工业控制系统形成一个整体和易于扩展其功能的原则而设计。上述的定义表明，PLC是一种能直接应用于工业环境的数字电子装置，是以
4、微处理器为基础，结合计算机技术、自动控制技术和通信技术，用面向控制过程、面向用户的“自然语言”编程的一种简单易懂、操作方便、可靠性高的新一代通用工业控制装置。2.可编程序控制器的分类（1）PLC硬件结构的类型 可编程序控制器发展很快，目前，全世界有几百家工厂正在生产几千种不同型号的PLC。为了便于在工业现场安装，便于扩展，方便接线，其结构与普通计算机有很大区别。通常从组成结构形式上将这些PLC分为两类：一类是一体化整体式PLC，另一类是结构化模块式PLC。,（2）PLC的分类 为了适应不同工业生产过程的应用要求，可编程序控制器能够处理的输入/输出信号数是不一样的。一般将一路信号叫做一个点，将输
5、入点数和输出点数的总和称为机器的点。按照I/O点数的多少，可将PLC分为超小(微)、小、中、大、超大等五种类型。如表1-1所示。表1-1 按I/O点数分类 按功能分类可分为低档机、中档机、高档机。如表1-2所示表1-2 按功能分类,表1-2 按功能分类3.可编程序控制器的特点 PLC能如此迅速发展的原因，除了工业自动化的客观需要外，还有许多独特的优点。它较好地解决了工业控制领域中普遍关心的可靠、安全、灵活、方便、经济等问题。其主要特点如下：（1）编程方法简单易学,（2）功能强，性能价格比高（3）硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强.（4）可靠性高，抗干扰能力强（5）系统的设计、安装、调试工作量
6、少（6）维修工作量小，维修方便（7）体积小，能耗低,1.1.3 可编程序控制器的功能和应用,1.开关逻辑和顺序控制 这是PLC应用最广泛、最基本的场合。它的主要功能是完成开关逻辑运算和进行顺序逻辑控制，从而可以实现各种简单或十分复杂的控制要求。2.模拟控制 在工业生产过程中，许多连续变化的需要进行控制的物理量，如温度、压力、流量、液位等，这些都属于模拟量。为了实现工业领域对模拟量控制的广泛要求，目前大部分PLC产品都具备处理这类模拟量的功能。特别是当系统中模拟量控制点数不多，同时混有较多的开关量时，PLC具有其他控制装置所无法比拟的优势。另外，某些PLC产品还提供了典型控制策略模块，如PID模
7、块，从而可实现对系统的 PID等反馈或其他模拟量的控制运算。,3.定时控制 PLC具有很强的定时、计数功能，它可以为用户提供数十甚至上百个定时器与计数器。如果需要对频率较高的信号进行计数，则可以选择高速计数器。4.数据处理 新型PLC它不仅具有算术运算、数据传送的能力，而且还能进行数据比较、数据转换、数据显示打印等功能，有的PLC还可以进行浮点运算和函数运算。5.通信联网 把PLC作为下位机，与上位机或同级的可编程序控制器进行通信，可完成数据的处理和信息的交换，实现对整个生产过程的信息控制和管理，因此PLC是实现工厂自动化的理想工业控制器。6.信号联锁系统 信号联锁是安全生产所必需的。,1.1
8、.4可编程序控制器的发展趋势,1增强网络通信功能2发展智能模块3外部诊断功能4编程语言、编程工具标准化、高级化5软件、硬件的标准化6组态软件的迅速发展,工业控制计算机，其硬件系统都大体相同，主要由中央处理器模块、存储器模块、输入输出模块、编程器和电源等几部分构成，如图1-1所示。,1中央处理器（CPU）CPU是PLC的核心部件，主要用来运行用户程序、监控输入/输出接口状态以及进行逻辑判断和数据处理。CPU用扫描的方式读取输入装置的状态或数据，从内存逐条读取用户程序，通过解释后按指令的规定产生控制信号，然后分时、分渠道地执行数据的存取、传送、比较和变换等处理过程，完成用户程序所设计的逻辑或算术运
9、算任务，并根据运算结果控制输出设备响应外部设备的请求以及进行各种内部诊断。2存储器 可编程控制器的存储器由只读存储器ROM、随机存储器RAM和可电擦写的存储器EEPROM三大部分构成，只读存储器ROM用以存放系统程序，可编程控制器在生产过程中将系统程序固化在ROM中的。用户程序和中间运算数据存放的随机存储器RAM中，RAM存储器是一种高密度、低功耗、价格便宜的半导体存储器，可用锂电池做备用电源。,3电源 PLC的电源是指为CPU、存储器和I/O接口等内部电子电路工作所配备的直流开关电源。电源的交流输入端一般都有脉冲吸收电路，交流输入电压范围一般都比较宽，抗干扰能力比较强。电源的直流输电压多为直
10、流5V和直流24V。直流5V电源供PLC内部使用，直流24V电源除供内部使用外还可以供输入/输出单元和各种传感器使用。4输入/输出接口 PLC内部输入电路作用是将PLC外部电路（如行程开关、按钮、传感器等）提供的符合PLC输入电路要求的电压信号，通过光电耦合电路送至PLC内部电路。输入电路有直流输入电路、交流输入电路和交直流输入电路。输入电路通常以光电隔离和阻容滤波的方式提高抗干扰能力，根据输入信号形式的不同，可分为模拟量I/O单元、数字量I/O单元两大类。根据输入单元形式的不同，可分为基本I/O单元、扩展I/O单元两大类。,PLC内部输出电路作用是将输出映像寄存器的结果通过输出接口电路驱动外
11、部的负载（如接触器线圈、电磁阀、指示灯等）。输出电路用于把用户程序的逻辑运算结果输出到PLC外部，输出电路具有隔离PLC内部电路和外部执行元件的作用，还具有功率放大的作用。输出电路有晶体管输出型、可控硅输出型和继电器输出型三种。功能模块是一些智能化的输入/输出电路。如温度检测模块、位置检测模块、位置控制模块和PID控制模块等。（1）输入接口电路 由于生产过程中使用的各种开关、按钮、传感器等输入器件直接接到PLC输入接口电路上，为防止由于触点抖动或干扰脉冲引起错误的输入信号，输入接口电路必须有很强的抗干扰能力。以直流输入电路为例，如图1-2所示，输入接口电路提高抗干扰能力的方法主要有利用光电耦合
12、器提高抗干扰能力和利用滤波电路提高抗干扰能力。,图1-2 直流输入电路（2）输出接口电路 根据驱动负载元件不同可将输出接口电路分为3种：小型继电器输出形式。如图1-3所示。这种输出形,式既可驱动交流负载，又可驱动直流负载。驱动负载的能力在2A左右。图1-3所示电路工作原理是：当内部电路的状态为1时，使继电器K的线圈通电，产生电磁吸力，触点闭合，则负载得电，同时点亮LED，表示该路输出点有输出。当内部电路的状态为0时，使继电器K的线圈无电流，触点断开，则负载断电，同时LED熄灭，表示该路输出点无输出。,图1-3 小型继电器输出形式电路,大功率晶体管或场效应管输出形式。如图1-4所示。这种输出形式
13、只可驱动直流负载。驱动负载的能力：每一个输出点为零点几安培左右。它的优点是可靠性强，执行速度快，寿命长。缺点是过载能力差。适合在直流供电、输出量变化快的场合选用。图1-4所示电路工作原理是：当内部电路的状态为1时，光电耦合器T1导通，使大功率晶体管VT饱和导通，则负载得电，同时点亮LED，表示该路输出点有输出。当内部电路的状态为0时，光电耦合器T1断开，大功率晶体管VT截止，则负载失电，LED熄灭，表示该路输出点无输出。VD为保护二极管，可防止负载电压极性接反或高电压、交流电压损坏晶体管。FU的作用是：防止负载短路时损坏PLC。当负载为电感性负载，VT关断时会产生较高的反电势所以必须给负载并联
14、续流二极管，为其提供放电回路，避免VT承受过电压。,图1-4 大功率晶体管输出形式电路,双向晶闸管输出形式。如图1-5所示。这种输出形式适合驱动交流负载。由于双向可控硅和大功率晶体管同属于半导体材料元件，所以优缺点与大功率晶体管或场效应管输出形式的相似，适合在交流供电、输出量变化快的场合选用。图1-5所示电路工作原理是：当内部电路的状态为1时，发光二极管导通发光，相当于双向晶闸管施加了触发信号，无论外接电源极性,图1-5 双向可控硅输出形式电路,如何，双向晶闸管T均导通，负载得电，同时输出指示LED点亮，表示该输出点接通；当对应T的内部继电器的状态为0时，双向晶闸管施加了触发信号，双向晶闸管关断，此时LED不亮，负载失电。这种输出接口电路驱动负载的能力为1A左右。（3）I/O电路的常见问题 用三极管等有源元件作为无触点开关的输出设备，与PLC输入单元的连接时，由于三极管自身有漏电流存在，或者电路不能保证三极管可靠截止而处于放大状态，就可能引起PLC输入电路发生误动作。可在PLC输入端并联一个旁路电阻来分漏流，使流入PLC的电流小于1.3mA。应在输出回路串联保险丝，避免负载电流过大，会损坏输出元件或电路板。由于晶体管、双向晶闸管型输出端子漏电流和残余电压的存在，当驱动不同类型的负载时，需要考虑电平匹配和误动等问题。,
