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1、第四章可编程控制器概述,4.1 可编程控制器概述,1969年诞生时被称为可编程序逻辑控制器，简称PLC(Programmable Logic Controller)。70年代后期，随着微电子技术和计算机技术的迅猛发展，称其为可编程序控制器，简称 PC(Programmable Controller)但由于PC容易和个人计算机相混淆，故人们仍习惯地用PLC作为可编程控制器的缩写。,4.1.1 PLC 的定义,PLC 是微机技术与继电接触器常规控制概念相结合的产物，即采用了微型计算机的基本结构和工作原理，融合了继电接触器控制的概念构成的一种新型电控器。它专为在工业环境下应用而设计，采用可编程序的存
2、储器，用来存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字、模拟式的输入输出，控制各类机械或生产过程。可编程控制器的定义：（1987年，国际电工委员会IEC）可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用了可编程序的存储器，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，并通过数字的，模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。,三菱PLC外形图,2006-3-3,4,Q系列PLC,FX2N系列PLC,FX1N系列PLC,FX1S系列PLC,西门子PLC外形图,2006-3-3,5,S7-200系列PLC,S
3、7-300系列PLC,S7-400系列PLC,欧姆龙PLC外形图,C200H系列PLC,CPM1A、CPM2A系列PLC,4.1.2 可编程控制器的由来与发展,在可编程序控制器问世以前，工业控制领域中是以继电器控制占主导地位的。对生产工艺多变的系统适应性差，一旦生产任务和工艺发生变化，就必须重新设计，并改变硬件结构。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，降低成本，缩短开发周期，而提出了研制新型逻辑顺序控制装置，并提出了10项招标技术指标（GM10条）。,一、可编程控制器的由来,大型继电器逻辑电路异常复杂的配线，带来制造、使用和维护
4、的高成本,10 项 指 标：,1、在工厂里能迅速方便地对其控制系统进行编程。2、所有系统单元必须能在工厂内独立运行。3、系统的维修必须简单易行。4、装置的体积、能耗小于继电器控制系统。5、必须具有通信功能。6、输入开关量可以是已有的交流115 V电压信号。7、输出必须设计为能驱动具有115 V、2 A以下的负载。8、具有灵活的扩展能力。9、在购买和安装费用上，应具有较高的性能价格比。10、用户存储器容量至少在4 KB以上。,10项指标的核心内容：,用计算机代替继电器控制盘。能用于工业现场。用程序代替硬件接线，即能改变其控制“逻辑”，而不需要变动组成它的元件和修改内部接线。出现故障时易于诊断和维
5、修。输入/输出电平可与外部装置直接连接，结构易于扩展。,二、可编程控制器的发展,1968年，美国通用汽车公司（GM公司）提出设想。1969年，美国数字设备公司(DEC)研制出了世界上第一台可编程控制器PDP-14，在通用汽车公司的生产线上试用成功并取得了满意的效果，可编程控制器自此诞生。,第一阶段是初创阶段。主要用于逻辑运算和定时、计数，它的控制功能比较简单。第二阶段是扩展阶段。它的主要功能是逻辑运算，同时增加了模拟运算。第三阶段 是PLC通信功能的实现阶段。产品有西门子的SYMATIC S6系列等。第四阶段是PLC的开放阶段。通信协议的标准化使用户得到了好处。产品有SYMATIC S5和S7
6、系列等,1.可编程序控制器(PLC)发展的几个阶段,第一代：从第一台可编程控制器诞生到70年代初期。其特点是：CPU由中小规模集成电路组成，存储器为磁芯存储器；第二代：70年代初期到70年代末期。其特点是：CPU采用微处理器，存储器采用EPROM；第三代：70年代末期到80年代中期。其特点是：CPU采用8位和16位微处理器，有些还采用多微处理器结构，存储器采用EPROM、EAROM、CMOSRAM等；第四代：80年代中期到90年代中期。PC全面使用8位、16位微处理芯片的位片式芯片，处理速度也达到1us/步；第五代：90年代中期至今。PC使用16位和32位的微处理器芯片，有的已使用RISC芯片
7、。,美国从 1971 年开始输出这种技术，1973 年以后，西德、日本、英国、法国相继开发了各自的 PLC，并广泛应用。廿余年来，PLC 的发展迅猛异常，它的应用领域可谓是各行各业。PLC 的出现和发展，是工业控制技术上的一个飞跃。PLC 的应用在工业界产生了巨大的影响，它与监控和数据采集(Supervisory Control and Data Acquisition，SCADA)和集散控制系统(Distribution Control System，DCS)相互集成、相互补充、综合应用，将对工业控制各领域产生巨大的影响。,2.我国PLC的发展,1974年我国开始仿制美国的第二代PLC产品，
8、直到1977年，我国才研制出第一台具有实用价值的PLC，主要的控制方式是开关量控制。从1982年开始，由于合资或引进技术、生产流水线等，使我国PLC的应用有了较大的发展。同时也促进了PLC的发展。这一阶段的主要特点是以产品的引进、技术的消化、应用的普及为目标。规模在1000点以下。近年来，我国PLC的应用也取得了可喜的成果。PLC 在我国机械、冶金、化工、轻工的大多数工业部门已开始得到广泛应用。,PLC 的主要生产厂家,当今世界上 PLC 生产厂家按地域可分为 三大流派：美国、欧洲和日本。美国和欧洲以大中型 PLC 而闻名，但产品的差异性很大，这是由于它们是在相互隔离的情况下独立开发出来的；日
9、本以小型 PLC 著称，它的技术是从美国引进的，因此对美国的产品有一定的继承性。美国是 PLC 生产大国，有 100 多家 PLC 厂商，著名的有 A-B 公司、通用电气（GE）公司、莫迪康（MODICON）公司、德州仪器（TI）公司、西屋电气公司等。欧洲著名的 PLC 生产厂商有德国的西门子（SIEMENS）公司、AEG 公司，法国的 TE 公司等。日本有许多 PLC 制造商，如：三菱、欧姆龙、松下、富士、日立、东芝等。我国的 PLC 生产厂家规模一般不大，主要有无锡华光电子工业有限公司、上海香岛机电制造有限公司、杭州机床电器厂、天津中环自动化仪表公司等。,4.1.3 可编程控制器的特点,通
10、用性、灵活性强，控制系统具有良好的柔性和可扩展性：由于采用了微型计算机的基本结构和工作原理，而且接口电路考虑了工业控制的要求，输出接口能力强，因而对不同的控制对象，可以采用相同的硬件，只需编制不同的软件，就可实现不同的控制；PLC 一般采用模块结构，只需要增加模块，就可以实现系统功能的强化和升级。编程简单，使用方便，控制系统易于实现，开发工作量少，周期短：一般使用与继电接触器控制电路原理图相似的梯形图或用面向工业控制的简单指令形式编程。因而编程语言形象直观，容易掌握，具有一定的电工和工艺知识的人员可在短时间学会并应用自如。,接线简单，安装、调试工作量少：只要将用于控制的接线、限位开关和光电开关
11、等接入控制器的输入端，将被控制的电磁铁、电磁阀、接触器和继电器等功率输出元件的线圈接至控制器的输出端，就完成了全部的接线任务。抗干扰能力强、可靠性高，维修方便：PLC 的输入输出采取了隔离措施，并应用大规模集成电路，故它能适应各种恶劣的环境，能直接安装在机器设备上运行。PLC 一般采用模块结构，又具有自诊断功能，判断故障迅速方便，维修时只需更换插入式模块，因而维修十分方便。性能价格比高、体积小、重量轻、能耗低、成本低、容量大、功能强：例如一台具有 128 个输入输出点的小型 PLC，其尺寸为 216 127 110mm 3，重约 2.3Kg，空载功耗为 1.2W，它可以完成相当于 400 80
12、0 个继电器组成的系统的控制功能，而其成本仅相当于相同功能继电器系统的（10 20）；,PLC与其他工业控制系统的比较,PLC与继电器比较 继电器控制采用硬接线方式装配而成，只能完成既定的功能。PLC控制只要改变程序并改动少量的接线端子，就可适应生产工艺的改变。从适应性、可靠性及设计、安装、维护等各方面进行比较。传统的继电器控制大多数将被PLC所取代。,与工业计算机比较工业控制机控制要求开发人员具有较高的计算机专业知识和微机软件编程的能力。PLC采用了工厂技术人员熟悉的梯形图语言编程，易学易懂，便于推广应用。PLC是专为工业现场应用而设计的，具有更高的可靠性。在模型复杂、计算量大且较难、实时性
13、要求较高的环境中，工业控制机则更能发挥其专长。,小型PLC I/O点数在256点以下，用户程序存储器容量在2K步以下。其中I/O点数小于64点的PLC又称为超小型或微型PLC。型号有日本松下电工FP1型、日本三菱FX系列和日本欧姆龙C40P等。中型PLC I/O点数在2562048点之间，用户程序存储器容量在2K8K步之间。型号有日本三菱的A1系列、日本日立公司的H-200、美国A-B公司的PLC2/80等。大型PLC I/O点数在2048点之上，用户程序存储器容量达8K步之上。型号有美国A-B公司的PLC-3，I/O点数有8192个；德国西门子公司S5-155U，I/O点数有10000个，具
14、有多个处理器。,按I/O点数分和存储器容量分,一、可编程控制器的分类,4.1.4 PLC的分类与性能指标,模块式PLC 将PLC各组成部分分别作成若干个单独的模块，如CPU模块、I/O模块、电源模块（有的含在CPU模块中）以及各种功能模块。,叠装式PLC 还有一些PLC将整体式和模块式的特点结合起来。,整体式PLC 将电源、CPU、I/O接口等部件都集中装在一个机箱内，具有结构紧凑、体积小、价格低等特点。,按结构形式分,整体式PLC,模块式PLC,模块式PLC,按功能分低档PLC 具有逻辑运算、定时、计数、移位以及自诊断、监控等基本功能，还可有少量模拟量输入输出、算术运算、数据传送和比较、通信
15、等功能。中档PLC 具有低档PLC功能外，增加模拟量输入/输出、算术运算、数据传送和比较、数制转换、远程I/O、子程序、通信联网等功能。有些还增设中断、PID控制等功能。高档PLC 具有中档机功能外，增加带符号算术运算、矩阵运算、位逻辑运算、平方根运算及其它特殊功能函数运算、制表及表格传送等。高档PLC机具有更强的通信联网功能。,二、可编程控制器的性能指标,各厂家的PLC产品虽然各有特色，但是总体来讲均可用以下几项指标来衡量对比其性能：,I/O点数；存储器容量；扫描速度；内部寄存器；指令系统；特殊功能及模块；工作环境。,4.1.5 可编程序控制器的应用,开关逻辑和顺序控制：开关量的逻辑控制使P
16、C的最基本控制功能。目前，PC首用的目标，就是用于开关量的控制。模拟控制：PLC具有A/D、D/A转换及算术运算等功能，因此可以实现模拟量控制。数据采集与监控：利用PLC能接受和输出高速脉冲的功能，在配备了相应的传感器（如旋转编码器）或脉冲伺服装置（如环型分配器、功放、步进电机）就能实现数字量的智能控制。,随着微电子技术的快速发展，PLC 的制造成本不断下降，而功能却不断增强。目前在先进工业国家 PLC 已成为工业控制中的标准设备，应用的领域已覆盖工业各领域。概括起来主要应用在以下几个方面：,运动控制：如电机等设备的控制，提供步进电机和伺服电机的单轴和多轴运动控制模块。过程控制：大型化工企业等
17、的生产过程控制，过程控制指对温度、压力、流量和速度等模拟量的闭环控制。数据处理：目前，现代PLC具有强大的数据处理功能，能实现复杂工业控制过程中的数据处理功能，实现与计算机数控（CNC）设备相结合，使PLC系统的生产控制功能和信息管理功能融为一体。通信联网及集散控制：利用PLC的强大的通信联网功能，把PLC分布到控制现场，并实现各站间的通信，上、下层间的通信，达到分散控制、集中管理的目的。,应用例子.,包裹运输,工厂自动化,停车场,农场,可编程控制器的应用领域,向小型化和大型化两个方向发展小型PLC由整体结构向小型模块化结构发展，使配置更加灵活，为了市场需要已开发了各种简易、经济的超小型微型P
18、LC，最小配置的I/O点数为816点，以适应单机及小型自动控制的需要。大型化是指大中型PLC 向大容量、智能化和网络化发展，使之能与计算机组成集成控制系统，对大规模、复杂系统进行综合性的自动控制。现已有I/O点数达14336点的超大型PLC，其使用32位微处理器，多CPU并行工作和大容量存储器，功能强。,4.1.6 PLC技术发展动向,高性能、高速度、大容量发展为了提高PLC的处理能力，要求PLC具有更好的响应速度和更大的存储容量。目前，有的PLC的扫描速度可达0.1ms/k步左右。PLC的扫描速度已成为很重要的一个性能指标。在存储容量方面，有的PLC最高可达几十兆字节。为了扩大存储容量，有的
19、公司已使用了硬盘。,编程语言多样化向、标准化靠拢在PLC系统结构不断发展的同时，PLC的编程语言也越来越丰富，功能也不断提高。除了大多数PLC使用的梯形图、语句表语言外，为了适应各种控制要求，出现了面向顺序控制的步进编程语言、面向过程控制的流程图语言、与计算机兼容的高级语言（BASIC、C语言等）等。多种编程语言并存、互补与发展是PLC进步的一种趋势。,IEC1131-3标准中规定了五种标准语言梯形图（Ladder diagram）和功能块图（Function block diagram）为图形语言；指令表（Instruction list）和结构文本（Struction text）为文字语言
20、；顺序功能图（Sequential function chart）,大力开发智能模块，加强联网与通信能力为满足各种控制系统的要求，不断开发出许多功能模块，如高速计数模块、温度控制模块、远程I/O模块、通信和人机接口模块等。PLC的联网与通信有两类：PLC之间联网通信，各PLC生产厂家都有自己的专有联网手段；PLC与计算机之间的联网通信。为了加强联网与和通信能力，PLC生产厂家也在协商制订通用的通信标准，以构成更大的网络系统。,增强外部故障的检测与处理能力据统计资料表明：在PLC控制系统的故障中，CPU占5%，I/O接口占15%，输入设备占45%，输出设备占30%，线路占5%。前二项共20%故障
21、属于PLC的内部故障，它可通过PLC本身的软、硬件实现检测、处理。而其余80%的故障属于PLC的外部故障。PLC生产厂家都致力于研制、发展用于检测外部故障的专用智能模块，进一步提高系统的可靠性。,控制与管理功能一体化在一台控制器上同时实现控制功能和信息处理功能。PLC产品广泛采用计算机信息处理技术、网络通信技术和图形显示技术，使得PLC系统的生产控制功能和信息管理功能融为一体，进一步提高了PLC的功能，更好地满足了现代化大生产的控制与管理的需要。美国A-B公司的新产品PYRAMID INTEGRATOR，首次将PLC、机器视觉和信息处理器结合在一起，具有基础自动化、过程自动化以及信息管理等多层
22、次功能，适用于工业自动化系统。,4.2 可编程控制器的组成,PLC的基本组成部件如下图所示：,返回,可编程控制器由哪几部分组成？,硬件,软件,存储器,CPU,I/O口,编程器,电源,系统程序,用户程序,FX 系列PLC的硬件配置图,FX 系列PLC的网络通信能力,4.2.1 中央处理单元（CPU）,中央处理单元是PLC的核心部件，采用8位、16位或更高级的单片机或通用微处理器，负责完成逻辑运算、数字运算以及协调系统内各部分的工作。它在系统程序的管理下运行，主要功能有：,接受并存储由编程器键入的用户程序和数据；诊断电源故障以及用户程序的语法错误；读取输入状态和数据并存储到相应的存储区；读取用户程
23、序指令，解释执行用户程序，完成逻辑运算、数字运算、数据传递等任务，刷新输出映像，将输出映像内容送至输出单元。,4.2.2 存储器单元,PLC的存储器单元分成两个部分：,系统程序存储器（ROM）；用于存放PLC生产厂家编写的系统程序，系统程序在出厂时已经被固化在PROM或EPROM中。用户程序存储器（RAM）。可分为程序存储区和数据存储区，程序存储器用于存放用户编写的控制程序，数据存储区存放的是程序执行过程中所需要的或者所产生的中间数据。这类存储器一般由低功耗的CMOS-RAM构成，其中的存储内容可读出并更改。掉电会丢失存储的内容，一般用锂电池来保持。注意：PLC产品手册中给出的“存储器类型”和
24、“程序容量”是针对用户程序存储器而言的。,4.2.3 电源单元,电源单元将外界提供的电源转换成PLC的工作电源后，提供给PLC。PLC 一般采用 AC220V 电源，经整流、滤波、稳压后可变换成供 PLC 的 CPU、存储器等电路工作所需的直流电压，有的 PLC 也采用 DC24V 电源供电。为保证 PLC 工作可靠，大都采用开关型稳压电源。有的 PLC 还向外部提供 24V 直流电源。,电源单元还提供掉电保护电路和后备电池电源，以维持部分RAM存储器的内容在外界电源断电后不会丢失。在面板上通常有发光二极管（LCD）指示电源的工作状态，便于判断电源工作是否正常。,4.2.4 输入输出单元与接口
25、单元,PLC的输入、输出单元也叫I/O单元，对于模块式的PLC来说，I/O单元以模块形式出现，所以又称为I/O模块。I/O单元是PLC与工业现场的接口，现场信号与PLC之间的联系通过I/O单元实现。,工业现场的输入和输出信号包括数字量和模拟量两类，因此I/O单元也有数字I/O和模拟I/O两种，前者又称为DI/DO，后者又称为AI/AO。PLC的输入、输出单元还应包括一些功能模块，所谓功能模块就是一些智能化了的输入和输出模块。,输入单元带光电隔离电路多种辅助电源类型：AC电源DC24V输入 DC电源DC24V输入 DC电源DC12V输入接收开关量及数字量信号（数字量输入单元）；接收模拟量信号（模
26、拟量输入单元）；接收按钮或开关命令（数字量输入单元）；接收传感器输出信号。,不同的接口需求设计了不同的接口单元。主要有以下几种：,输入接口电路：作用：是把现场的开关量信号变成PLC内部处理的标准信号。接口接受的外信号电源有直流输入、交流输入和交流/直流输入。如图所示：,PLC开关量输入接口,输入接口中都有滤波电路及光耦合隔离电路，滤波有抗干扰的作用，耦合有抗干扰及产生标准信号的作用。,输出单元带光电隔离器及滤波器多种输出方式：晶体管 晶闸管 继电器驱动直流负载（晶体管输出单元）；驱动非频繁动作的交/直流负载（继电器输出单元）；驱动频繁动作的交/直流负载（晶闸管输出单元）。,输出接口电路：作用：
27、将PLC内部标淮信号转换成现场执行机构所需的开关量信号。分类：,继电器型：可用于交流及直流两种电源，但接通断开的频率低。晶体管型：输出接口有较高的接通断开频率，但只适用于直流驱动的场合。晶闸管型：仅适用于交流驱动场合。,各类输出接口中也都具有隔离耦合电路。特别注意：输出接口本身都不带电源，而且在考虑外驱动电源时，还需考虑输出器件的类型。,PLC开关量输出接口,输入/输出（I/O）点数：PLC的I/O点数是指PLC的I/O接口所能接受的输入信号个数和输出信号个数的总和。I/O点数是选择PLC的重要依据之一 当I/O点数不够时，可通过PLC的I/O扩展接口对系统进行扩展。,模拟量输入接口,作用：把
28、现场连续变化的模拟量标准信号转换成适合PLC内部处理的由若干位二进制数字表示的信号。模拟量输入接口只接受标准模拟信号。,符合国际标准的通用电压电流信号,如：420mA的直流电流信号，010V的直流电压信号等,模拟量输出接口 作用：将PLC运算处理后的若干位数字量信号转换为相应的模拟量信号输出。模拟量输出接口一般由光电隔离、D/A转换和信号驱动等环节组成。,PLC配有开关式稳压电源，以提供内部电路使用。与普通电源相比，PLC电源的稳定性好、抗干扰能力强。因此，对于电网提供的电源稳定度要求不高，一般允许电源电压在其额定值15%的范围内波动。PLC根据型号的不同，有的采用交流供电，有的采用直流供电。
29、交流一般为单相220V（有的型号采用交流100V，如FX2N48ERUA1），直流一般为24V。许多PLC还向外提供直流24V稳压电源，用于对外部传感 器供电。电源的容量,PLC中的电源及作用,4.2.5 外部设备,外部设备接口是在主机外壳上与外部设备配接的插座，通过电缆线可配接编程器、计算机、打印机、EPROM 写入器、触摸屏等。PLC的外部设备种类很多，可以概括为以下四类：,编程设备；编程器有简易编程器和智能图形编程器两种，用于编程、对系统作一些设定及监控 PLC 和 PLC 所控制系统的工作状况等。是 PLC 开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件，但它不直接参与现场控制运行。监控设
30、备；将现场数据动态实时显示出来，以便操作人员随时掌握系统运行的情况。存储设备；用于保存用户数据，避免程序丢失。输入输出设备。用于接受信号和输出信号的专用设备。,作用：用于编辑、调试、输入用户程序，也可在线监控PLC内部状态和参数，与PLC进行人机对话。它是开发、应用、维护PLC不可缺少的设备。简易编程器 专用编程器 编程器 智能编程器 通用编程系统：PC上配专用编程软件包,PLC编程器及作用,扩展接口采用并行通讯方式扩展I/O模块；扩展位置控制模块（如F2-30GM）；扩展通讯模块（如FX-232AW等）；扩展模拟量控制模块（如FX-2DA、FX-4AD等）。,I/O 扩展接口：用来扩展输入、
31、输出点数。当用户输入、输出点数超过主机的范围时，可通过 I/O 扩展接口与 I/O 扩展单元相接，以扩充 I/O 点数。,智能输入输出接口 PID控制单元 高速计数器工作单元 温度控制单元等,特点：大多是独立的工作单元。一般带有单独的CPU。有专门的处理能力。,通讯及编程接口采用RS-485或RS-422串行总线连接专用编程器（FX-20P、FX-10P）；连接个人电脑（PC），实现编程及在线监控；连接工控机，实现编程及在线监控；连接网络设备（如调制解调器），实现远程通讯；连接打印机等计算机外设。,通信与扩展接口的连接实例,示例,主电路原理图,传统的继电接触控制原理图,可编程控制器控制电动机的
32、顺序启动：按下启动按钮，由可编程控制器控制电动机M1，M2先后启动运行，按下停止按钮，两个电动机停止工作。对于还可以通过改变程序改变两个电机的启动循序。,PLC控制原理图原理图,4.3 可编程控制器的软件基础,PLC是一种通用的、商业化的工业控制计算机，与个人计算机相仿，用户程序必须在系统程序的管理下才能运行。,两大部分,系统监控软件应用软件：又叫用户软件，是用户为达到某种控制目的、采用PLC厂家提供的编程语言自主编制的程序。,系统的管理程序用户指令的解释程序专用标准程序块、系统调用等,运行管理生产用户元件内部自检等,4.3.1 系统监控程序,一、系统管理程序：是监控程序中最重要的部分，它管理
33、了可编程控制器的运行。它包括：,1、运行管理：控制PLC的运行时间管理，如何时输入、输出、运算、自检和通信等；2、存储空间管理，即生成用户元件：它规定各种参数、程序的存放地址、将用户使用的数据参数地址转化为实际的数据格式及物理存放地址。它将有限的资源变为用户可以很方便地、实际使用的元件，例如，它可以将有限个数的时钟计数器扩展为几十上百个用户时钟和计数器。通过这部分程序，用户看到的就不是实际机器的存储地址、输入输出端口和时钟了。3、内部自检程序：包括系统出错检验、用户语法、句法检验、看门狗的监控和复位等。,二、用户指令解释程序：为了方便PLC用户的学习和掌握，以及便于用户更好地将PLC控制程序与
34、现场控制问题紧密结合，PLC一般采用梯形图或语句表来编程，再通过用户指令解释程序，将简单易懂的梯形图程序转变为机器能懂的语言，如机器语言，继而执行。这样就大大地降低了PLC用户的进入门槛，使得不懂计算机编程语言，但又熟悉电气控制的人可以迅速掌握PLC的编程。三、标准模块和系统调用：这部分由许多独立的程序模块组成，各自完成不同的功能，如输入、输出，特殊运算等。PLC的各种具体工作都是由这部分程序完成，它决定了PLC的性能。,返回,4.3.2 用户应用程序,用户程序：是由用户根据具体生产任务的要求二编写的，能够完成系统控制任务的指令序列。它存放于监控程序指定的存储区域，其最大容量由所使用的PLC设
35、备的具体型号，即监控程序所限制。,返回,4.3.3 PLC的几种编程语言与国际标准,PLC的设计和生产至今尚无国际统一标准，不同厂家的PLC所用指令集和符号不尽相同，但它们的基本编程元件和功能、梯形图语言的基本结构和编程形式有许多共同之处，大同小异。1994年5月，IEC颁布了可编程序控制器标准(IECll31)，包括：通用信息、设备与测试要求、编程语言、用户指南和通信等。,其中的第三部分(IECll31-3)为编程语言标准，标准中规定了五种标准语言：(1)梯形图(Ladder Diagram)。(2)指令表(Instrction List)。(3)顺序功能图(Sequential Funct
36、ion Chart)。(4)功能块图(Function Block Diagram)。(5)结构文本(structured Text)。,梯形图是在原继电器接触器控制系统的继电器梯形图基础上演变而来的一种图形语言。由触点、线圈和用方框表示的功能块所构成。它是目前用得最多的PLC编程语言。注意：梯形图表示的并不是一个实际电路而只是一个控制程序，其间的连线表示的是它们之间的逻辑关系，即所谓“软接线”。常用软器件：常开触点：常闭触点：线圈：或,一、梯形图语言(Ladder Diagram),1）沿用继电器这一名称，但不是真实继电器，而是软件中编程元件。所以称为“软器件”。每个“软继电器”仅对应PLC
37、存储单元中的一位。该位状态为“1”时，对应的继电器线圈接通，其常开触点闭合、常闭触点断开；状态为“0”时，对应的继电器线圈不通，其常开、常闭触点保持原态。,特点：,2）假想的“能流”(Power Flow)，从左向右流动。3）逻辑解算从左至右，从上至下。4）线圈放在最右边，触点可无限次使用。,助记符语言类似于计算机汇编语言。用一些简洁易记的文字符号表达PLC的各种指令。同一厂家的PLC产品，其助记符语言与梯形图语言是相互对应的，可互相转换。,二、指令助记符语言(Instrction List),助记符语言常用于手持编程器中，梯形图语言则多用于计算机编程环境中。,三、顺序功能图(SFC),这是一
38、种位于其他编程语言之上的图形语言，用来编制顺序控制程序。顺序功能图提供了一种组织程序的图形方法，在顺序功能图中可以用别的语言嵌套编程。步、转换和动作是顺序功能图中的三种主要元件。可以用顺序功能图来描述系统的功能。,四、功能块图(FBD),功能块图类似于数字电路中的逻辑电路的图形表示。,结构文本(sT)是为IECll313标准创建的一种专用的高级编程语言。与梯形图相比，它能实现复杂的数学运算，编写的程序非常简洁和紧凑。,五、结构文本(structured Text),一、扫描工作方式,4.4 可编程控制器的工作原理,当PLC运行时，需要进行众多的操作而PLC的CPU不可能同时 去执行多个操作，每
39、一刻只能执行一个操作。,解决的办法：采用分时操作原理。由于CPU的运算处理速度很快，所以从宏观上来看，PLC外部出现的结果似乎是同时完成的。PLC对许多需要处理的任务依次按规定顺序进行访问和处理的工作方式称为扫描工作方式。,扫描是从第一条程序开始，在无中断或跳转控制的情况下，按程序存储顺序的先后，逐条执行程序，直到程序结束。然后再从头开始扫描执行，并周而复始地重复进行。,可编程控制器是基于电子计算机的工业控制器，从PLC产生的背景来看，PLC系统与继电器控制系统有着极深的渊源，因此可以比照着继电器系统来学习PLC的工作原理。PLC控制系统由输入部分、逻辑部分和输出部分组成，各部分的功能为：,输
40、入部分：收集并保存被控对象实际运行的数据和信息。逻辑部分：处理输入部分取得的信息，并按照被控对象实际的动作要求作出反映。输出部分：提供正在被控制的许多装置中，哪几个设备需要实时操作处理。,输入部分,逻辑部分,输出部分,内部处理,通讯服务,输入刷新,程序执行,输出刷新,可编程控制器在开机后，完成内部处理、通信处理、输入刷新、程序执行、输出刷新五个工作阶段，称为一个扫描周期。完成一次扫描后，又重新执行上述过程，可编程控制器这种周而复始的循环工作方式称为扫描工作方式。可编程控制器有两种工作状态：停止（STOP）状态、和运行（RUN）状态；停止状态下，只进行内部处理和通信服务的循环；运行状态下，则进行
41、所有5个阶段的循环。,运行,停止,二、PLC的五个工作阶段,整个过程扫描执行一遍所需的时间称为扫描周期,扫描周期与CPU运行速度、PLC硬件配置及用户程序长短有关。,典型值为1100ms，现代高速PLC可以达到0.1ms或更高。,T=自检时间+读入一点时间输入点数+程序步数运算速度+输出一点时间输出点数。,PLC的五个工作阶段,内部服务包括：1、初始化程序：清零各标志接寄存器、输入/输出映像寄存器、各计数器，复位定时器等，为PLC开始正常工作做好准备；2、CPU自诊断：包括检查电源电压是否正常、I/O单元的连接是否正常、用户程序是否存在语法错误、对监控定时器（看门狗WDT）定期复位等；通信信息
42、处理：完成网络及总线上其它设备的通信，响应编程器的输入命令、更新编程器或显示器、以及监控设备的显示；,PLC的五个工作阶段,输入刷新；顺序读入所有输入端的状态，并将之存入输入映像寄存器（刷新），接着进入程序执行阶段。在程序执行时，如果输入映像寄存器与外界隔离，即使输入信号发生改变，其映像寄存器的内容也不会不会，只有在下一个扫描周期的输入处理阶段信息才能被读入，输入映像寄存器才被刷新；用户程序执行；按照从左至右，从上至下的原则，逐句扫描，执行程序，期间需要用到输入映像寄存器、输出映像寄存器的相应状态。；输出刷新；程序执行完毕后，将输出映像寄存器的状态转存到输出锁存器，通过隔离电路驱动功率放大电路
43、使输出端向外界输出控制信号，驱动外部负载。,我们常常将以上3个基本阶段称为PLC处于运行状态时的运行周期。,信号传递过程(从输入到输出),输入端,输入电路,输入映像寄存器,输入刷新阶段-CPU从输入电路的输出端读出各路状态，并将其写入输入映像寄存器；,b.程序执行阶段-CPU从输入映像寄存器和元 件映像寄存器中读出各继电器的状态，并根据 此状态执行用户程序，执行结果再写入元件映 像寄存器中；,c.紧接着的输出刷新阶段-将输出映像寄存器的状态写入输出锁存电路，再经输出电路传递输出端子，从而控制外接器件动作。,输出映像寄存器,读,写,输出锁存器,输出电路,输出端,读,写,PLC将输入信息采入PLC
44、内部,再执行逻辑部件组合后所达到的逻辑功能,最后输出达到控制要求,PLC扫描工作方式的特点(集中采样、集中输出的优点),提高了抗干扰能力，增强了系统可靠性 PLC工作时大多数时间与外部输入/输出设备隔离，串行工作避免了继电接触控制中的触点竞争和时序失配问题，从根本上提高了系统的抗干扰能力，增强了系统的可靠性。,降低了系统的响应速度,PLC输入输出响应滞后：当PLC输入端输入信号发生变化到PLC输出端对该输入变化作出反应，需要一段时间。对一般的工业控制，这种滞后是完全允许的。注意：这种响应滞后不仅是由于PLC扫描工作方式造成，更主要是PLC输入接口滤波环节带来的输入延迟和输出接口中驱动器件动作时
45、间带来输出延迟，还与程序设计有关。,集中采样、集中输出的缺点,对于小型PLC:I/O点数较少、用户程序较短，一般采用集中采样、集中输出的工作方式；,而对于大中型PLC:I/O点数较多，控制功能强，用户程序较长，为提高系统响应速度，采用定期采样、定期输出方式或中断输入、输出方式以及采用智能I/O接口等多种方式,PLC控制与继电器控制的区别,组成器件不同：继电器控制线路是许多真正的硬件继电器组成，而梯形图则由许多所谓“软继电器”组成。触点数量不同：硬继电器的触点数量有限，用于控制的继电器的触点数一般只有48对；而梯形图中每个“软继电器”供编程使用的触点数有无限对。实施控制的方法不同：在继电器控制线
46、路中，实现某种控制是通过各种继电器之间硬接线解决的。而PLC控制是通过梯形图即软件编程解决的。工作方式不同：在继电器控制线路中，采用并行工作方式；而在梯形图的控制线路中，采用串行工作方式。,PLC的控制结果有一定的特殊性：输入/输出滞后现象：与PLC的集中输入集中刷新、程序循环执行、输入滤波器造成的时间常数、输出继电器机械滞后以及程序设计不当的附加影响等有关。多重输出时的处理：关于步进梯形图多重输出的情况，将在后面具体讲述的PLC指令时予以介绍。,I/O滞后现象的原因,（1）输入滤波器有时间常数（2）输出继电器有机械滞后（3）PC循环操作时，进行公共处理、I/O刷新和执行用户程序等产生扫描周期（4）程序语句的安排，也影响响应时间,继电器控制电路,PLC控制电路,P124：4-2 4-4 4-5,第四章习题与思考题,
