§3 可编程序控制器

一、概 述一、概 述

可编程逻辑控制器

Programmable Logical Controller

PLCPLC

可编程序控制器

Programmable Controller

PC

11 、 、 PLCPLC 的产生的产生 在 PLC 问世以前，继电器控制在顺序控制领域中占有主导地位，但由继电器构成的控制系统对生产工艺多变的适应性极差： 需要使用大量的继电器，继电器间通过硬 接线相连接。 一旦工艺发生变化或控制要求变化，需要 改变控制柜内继电器系统的硬件结构，甚 至需要重新设计系统。

原动力原动力： 60 年代末期，美国汽车工业迅速发展，开发新的可编程序的控制设备取代继电器控制系统已十分迫切。

起源起源：美国数字设备公司 DEC于 1969 年根据通用汽车的要求，研制出了世界上第一台可编程序控制器 PDP-14 ，并在的汽车生产线上获得成功应用

早期的 PLC 虽然采用了计算机的设计思想，但实际上它只能完成顺序控制，仅有逻辑运算、定时、计数等顺序控制功能。在经历了 30 年的发展，现代 PLC 产品已经成为了名符其实的多功能控制器，如逻辑控制、过程控制、运动控制、数据处理等功能都得到了很大的加强和完善。与此同时， PLC 的网络通信功能也得到飞速发展， PLC及 PLC 网络成为了工厂企业中不可或缺的一类工业控制装置。 PLC与 DCS 逐步渗透和熔合。

22 、、 PLCPLC 的特点的特点

可靠性高、抗干扰能力强 功能完善，通用、灵活编程简单、使用方便 此外， PLC 还具有接线简单、系统设计周期短、体积小、重量轻、易于实现机电一体化等特点，使得 PLC 在设计、结构上具有其它许多控制器所无法相比的优越性。

33 、、 PLCPLC 的分的分类类

按 I/O 点数

超小型超小型 <64<64小型 小型 65-12865-128中型 中型 128-128-512512大型 大型 >512>512

按结构 一体化

模块化

一体化一体化 PLCPLC

图 10－ 7 Siemens S7-200 一体化 PLC

模块式模块式 PLCPLC

图 10－ 8 Siemens S7-300 模块式 PLC

二、 二、 PLCPLC 的组成的组成

系统总线

CPU

主机

图 10.9 PLC 组成的原理框图

RAM

EPROM

E2PROM

通信接口

外设接口

PIO 接口

PLC 、 IPC 、OP……

编 程 器 、 打 印机……

变送器、现场仪表等

图 10.10 模块化 PLC 结构原理示意图

电源模块

CPU模块

通信接口模块

I/O模块

I/O模块

智能I/O模块

……

系统总线

电源线

编程器、 PLC、 IPC、 OP 等

中央处理单元 CPU

存储器电源模块智能模块和通信模块 接口和扩展接口模块I/O 接口

模拟量输入模块 模拟量输出模块 开关量输入模块 开关量输出模块

11 、、 CPU —PLCCPU —PLC 的核心的核心

基本功能： 通过输入装置读入外设外设的信号和状态，用户程序根据输入信号、状态进行处理，处理结果通过输出装置去控制外设。 外设包括： I/O 模块、编程器等。

例如：三菱 FX 系列—串口 (19.2kbps、 38.4kbps等 )

Q 系列－ USB 接口， RS232串口AB ControlLogix—串口、 Ethernet

Siemens S7 CPU315－ 2DP

Profibus-DP(≤12Mbps)

其它功能— 网络 (通信 )功能

22 、存储器、存储器

PLC常用的存储器主要有：EPROM、 E2PROM、 RAM 等几种，多数都直接集成在 CPU 单元内部。用于存放：系统程序系统程序用户程序用户程序工作数据工作数据

用户程序：指用户根据系统功能编制的应用程序，在正式投运之前往往需要经常调试和改动，多存放于 RAM 中，并配有后备电池以

防止电源断电丢失程序；调试完毕，可以将其转存于 EPROM或 E2PROM之中，以免用户

程序被随意改动。

系统程序：指 PLC 的操作系统，用户不能直

接访问或修改，一般存储在只读存储器ROM、 EPROM或 E2PROM 中。

工作数据：指 PLC 在工作过程中经常变化、需

要经常存取的数据，如：参数测量结果、运算结果、设定值等，这部分数据一般存放在 RAM之中。这些数据包括不同的类型。

33 、、 I/OI/O 接口接口I/O 模块的主要类型包括：

模拟量输入模块 AI模拟量输出模块 AO开关量输入模块 DI开关量输出模块 DO

（（ 11 ）直流电压输入）直流电压输入 DIDI

+

K

R2

R1

C

R

DW

D1+5V

滤波

数据锁存器

数据总线

T

图 10－ 11 DI 模块原理图

⒈ ⒈ 当开关当开关 KK 闭合以后，输入现场信号“闭合以后，输入现场信号“ 1”1”

⒉ ⒉ 外部电压经外部电压经 R1R1、、 R2R2 分压，稳压二极分压，稳压二极管管 DWDW 形成稳定的输入电压。形成稳定的输入电压。 ⒊ ⒊ 输入指示二极管输入指示二极管 D1D1 和光电耦合器 和光电耦合器 TT

的的 发光二极管点亮，并驱动光电三极管发光二极管点亮，并驱动光电三极管 导通，把现场开关量信号转换为导通，把现场开关量信号转换为 CPUCPU 需需 要的要的 TTLTTL 标准信号。标准信号。 ⒋ ⒋ 电容电容 CC和和 R2R2 构成了输入滤波电路，可构成了输入滤波电路，可以以 滤除输入信号的高频干扰滤除输入信号的高频干扰

（（ 22 ）继电器输出）继电器输出 DODO

数据锁存器数据

总线D1

R1J

负载

AC DC

图 10－ 12 继电器输出模块原理图

D1D1 是输出指示二极管，是输出指示二极管， JJ是小型直流继电器，是小型直流继电器，输出一对无源触点输出一对无源触点

11 、当输出状态为“、当输出状态为“ 1”1” 时，输出指示二时，输出指示二极极

管管 D1D1 点亮，继电器点亮，继电器 JJ 的线圈上电，继的线圈上电，继 电器触点吸合，负载回路闭合。电器触点吸合，负载回路闭合。 22 、输出状态为“、输出状态为“ 0”0” 时，时， D1D1 指示灯灭，指示灯灭， JJ

触点断开，负载回路断开 。触点断开，负载回路断开 。

（（ 33 ）晶体管输出）晶体管输出 DODO

数据锁存器

D1

数据总线

负载

TD2

D3T1R1

R2

R324VDC

图 10－ 13 晶体管输出模块原理图

D1D1 是输出指示二极管，是输出指示二极管， D2D2 是负载续流是负载续流二极管，二极管， D3D3 是保护二极管。是保护二极管。 11 、当输出状态为“、当输出状态为“ 1”1” 时，输出指示二时，输出指示二

极极 管管 D1D1 点亮，光电耦合器点亮，光电耦合器 TT 导通，三极导通，三极 管管 T1T1 饱和导通，负载电源接通。饱和导通，负载电源接通。 22 、当输出状态为“、当输出状态为“ 0”0” 时，时， D1D1 指示灯灭，指示灯灭， TT、、 T1T1 均截止，负载电源断开。 均截止，负载电源断开。

44 、电源模块 、电源模块 电源模块电源模块： PLC 一般配有开关式稳压电（ 24VDC） 供内部电路使用。与普通电源相比：开关电源的输入电压范围宽、稳定性好、体积小，重量轻，效率高，抗干扰能力强。说明：专用 24VDC 开关电源，可以给二线制变送器等现场仪表供电。 普通 24VDC 开关电源一般不可以给变送器供电。

55 、编程工具 、编程工具

专用编程器专用编程器：：由 PLC 生产厂家提供，只能适用于特定 PLC 的软件编程装置。专用编程器一般有简易型和图形编程器二种 ：简易编程器简易编程器：一般只能编辑语句表指令程序，不能直接编辑梯形图程序，多用于小型 PLC 的编程或用于 PLC 控制系统的现场调试和维修 。图形编程器图形编程器 ：本质上是一台便携式专用计算机系统，可以编制多种指令程序，功能强。

专用编程软件专用编程软件：：世界上各主要 PLC 生产厂家都提供了在个人计算机上运行的，借助于相应的通信接口装置，用户可以在个人计算机上通过专用编程软件进行程序编辑、调试等各种功能，而且专用编程软件一般可适用于一系列的 PLC 系统，专用编程软

件是多数用户首选的编程装置。

• 三菱： GX developer• A-B: Rslogix5000• Siemens: Step 7• Modicon:concept• Omron:CPT 为了方便离线测试和调试程序，

还有 PLC仿真软件。

编程软件编程软件

图 10－ 14 三菱 GX DeveloperPLC 编程软件

三、 三、 PLCPLC 的基本工作原理 的基本工作原理 工作方式工作方式：：周期扫描周期扫描 CPU从首条指令开始顺序逐条地执行，到用户程序结束，然后开始新一轮扫描。扫描过程扫描过程： (1)(1) 上电初始化上电初始化 (2) (2) 一般处理扫描一般处理扫描 (3) (3) 数据数据 I/OI/O操作操作 (4) (4) 用户程序的扫描用户程序的扫描 (5) (5) 外设端口服务外设端口服务

上电

初始化

元件状态的清零或复位、检查 I/O 单元的连接等

复位监视定时器

检查存储器、硬件单元

正确？Y

执行用户程序

数据 I/O 操作

置位故障标志、显示故障指示灯

性质？

N

报警

错误

外设端口服务

图 10－ 15 PLC 程序扫描过程

监视定时器监视定时器 监视定时器也称“看门狗”WDT(Watch-Dog Timer)，它是用来监视程序执行是否正常的。正常时，执行完用户程序所用的时间不会超过 T1 。在程序执行前复位 WDT ，然后执行程序并计时。执行完用户程序后再立即复位 WDT ，表示程序执行正常。当程序执行过程中因某种干扰使扫描失控或进入死循环，则WDT会发出超时报警，使系统重新开始执行。若是偶然因素，重新启动后系统会正常工作；若是不可恢复性故障，系统自动停止执行程序并切断外部负载、报警。

扫描周期扫描周期：每一次扫描所用的时间每一次扫描所用的时间 PLC扫描周期与 PLC 的硬件特性和用户程序长短有关，典型值一般为几十 ms 。功能越强大的 PLC 其扫描周期越短。

I/OI/O刷新刷新 I/O刷新包括两种操作：采样输入信号和送出处理结果，该过程如图 10－ 16 所示。 PLC 的存储器中，有专门区域存放 I/O数据，称为 I/O映像存储区。只有在采样时刻，输入映像区中的内容才与输入信号一致。 PLC 处理的结果放在输出映像区中，在程序执行结束或下次扫描用户程序前，才将输出映像区中的内容通过锁存寄存器输出到端子上。

输入端子

光电隔离

输入缓冲区

输入映像存储区

执行用户程序

输出映像存储区

输出锁存器

输出驱动电路

输出端子

现场输出信号

现场设备

图 10－ 16 PLC I/O 处理示意图

用户程序的扫描用户程序的扫描 用户程序扫描机制： PLC 根据先左后右、先上后下的顺序扫描执行 ,也可以有条件地利用各种跳转指令来决定程序的走向，直到执行 END指令才结束对用户程序的扫描。 在第 n次扫描时，所依据的输入数据是该次扫描前的值 Xn-1 ，输出数据是 Yn-1及本次扫描的结果 Yn ，送往输出端子的是本次扫描的结果 Yn ，但执行过程中它并不输出。。

四、四、 PLCPLC 的程序设计语言的程序设计语言

IECIEC（国际电工委员会）在（国际电工委员会）在 19941994年年 55月公布了月公布了 PLCPLC 标准标准 IECIEC－－ 11311131 ，鼓励不，鼓励不同的同的 PLCPLC 制造商提供在外观和操作上相似制造商提供在外观和操作上相似的指令，其中的第三部分就是编程语言标的指令，其中的第三部分就是编程语言标准。并定义了准。并定义了 55 种编程语言的句法、语义种编程语言的句法、语义及表达方式。及表达方式。

顺序功能图（顺序功能图（ SFCSFC ））梯形图（梯形图（ LADLAD ））功能块图（功能块图（ FBDFBD ））指令表（指令表（ SLSL ），也称语句表），也称语句表结构文本（结构文本（ STST ）） 其中其中 LDLD和和 FBDFBD 是图形编程，而是图形编程，而ILIL、、 STST 是文字语言，而是文字语言，而 SFCSFC 是一种是一种结构块控制顺序流程图。结构块控制顺序流程图。

是在继电控制系统电气原理图基础上开发出来的一种图形编程语言，沿用了继电器、接点、串并联等术语和类似的图形符号，是多数PLC 的第一用户语言。 PLC梯形图的编程元素主要有： 、 、 等， 分别表示 : 常开触点、常闭触点、继电器线圈等 ,PLC梯形图按从左到右、自上而下的顺序排列，左起起始母线，右至结束母线。

11 、梯形图、梯形图

C

SB1 SB2 SB3

C

（ A ）电气控制梯形图

电源线

I0.0Q0.0

Q0.0

I0.1 I0.2

并联

串联

（ B） PLC 梯形图

起始母线 结束母线

图 10－ 17 梯形图编程

22 、顺序功能图、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SFC 中的三个主要元件。可以用 SFC来描述系统的功能，根据它可以很容易地画出梯形图。

33 、功能块图、功能块图

功能块图是在数字逻辑电路基础上开发出的一种图形编程语言，它采用了数字电路的图符，用“与”、“或”、“非”等逻辑方框组合来描述控制功能。方框的左侧为逻辑运算的输入，右侧为输出，输入和输出端的圆点表示“非”。方框被“导线”连接在一起，信号从左向右流动。SIEMENS 的 LOGO 用此方法编程，其他用的很少。

C

SB1 SB2 SB3

C

（ A ）电气控制梯形图

电源线

I0.0Q3.0

I0.1

I0.2

Q3.0>=1 &

=

图 10－ 18 功能块图编程

44 、指令表、指令表指令表是一种类似于汇编语言的助记符编程语言 C

SB1 SB2 SB3

C

（ A ）电气控制梯形图

电源线

I0.0Q0.0

Q0.0

I0.1 I0.2

并联

串联

（ B ） PLC 梯 形图

起始母线 结束母线

A I0.0

O Q0.0

AN I0.1

AN I0.2

= Q0.0

55 、结构文本、结构文本 ST是为 IEC1131-3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、可编程控制器应用系统设计五、可编程控制器应用系统设计 设计原则可以归纳为四点：设计原则可以归纳为四点：①①最大限度地满足工业生产过程或机械设备的控最大限度地满足工业生产过程或机械设备的控制 制 要求要求————完整性原则完整性原则；；②②确保计算机控制系统的可靠性确保计算机控制系统的可靠性————可靠性原则可靠性原则；；③③力求控制系统简单、实用、合理力求控制系统简单、实用、合理————经济性原经济性原 则则；；④④适当考虑生产发展和工艺改进的需要，在适当考虑生产发展和工艺改进的需要，在 I/OI/O 接接 口、通信能力等方面要留有余地口、通信能力等方面要留有余地————扩展性原扩展性原 则则。。

11 、、 PLCPLC 系统的硬件设计系统的硬件设计

（ 1 ）了解工艺过程，分析系统要求 （ 2 ）创建设计任务书 （ 3 ）硬件设备的选型 （（ aa ）） CPUCPU 的选型的选型 （ b） I/O 的配置 （ c） I/O站点的分配与通信接口模块的选择 （ d）电源模块和其它附属硬件的选择 （ 4 ）安全回路的设计

22 、、 PLCPLC 系统的软件设计系统的软件设计制定控制方案

制定抗干扰措施

编制 I/O 分配表

定义程序及数据结构

定义模块功能

编写指令程序

软件调试和投运

前期工作

开发调试

在软件设计过程中，前期工作内容往往会被设计人员所忽视，事实上这些工作对提高软件的开发效率、保证应用软件的可维护性、缩短调试周期都是非常必要的，特别是对较大规模的PLC 系统更是如此。

33 、、 PLCPLC 程序设计常用方法程序设计常用方法

• 经验法 根据具体要求，凭借经验设计。这种方法

对简单系统比较有效，但对设计人员经验要求高。对于复杂逻辑，采用这种方法很难设计出高质量的控制程序

• 逻辑设计法 当一个逻辑函数用逻辑变量的基本运算式

表达出来后，实现该逻辑的线路也确定了。采用该方法，首先要列出执行元件动作节拍表，绘制出电气控制系统的状态转移图，然后进行系统的逻辑设计，编写程序和调试。

• 状态分析法 先将要编程的控制功能分成若干个程序单

位，再从各程序单位中所要求的控制信号的状态关系分析出发，将输出信号置位 /复位的条件分类，然后结合其他控制条件确定输出信号的控制逻辑。在进行状态分析前，首先要绘制状态关系图。状态关系图就是用高、低电平信号线表示的控制信号之间的状态关系的曲线图。

图 10－ 19 电机启动、停止信号状态关系图

六、基于六、基于 PCPC 的控制的控制  随着 PC技术和网络技术的飞速发展， IPC(工业控制计算机 )以及基于 IPC的应用技术得到了突飞猛进的发展， IPC 越来越多地承担着 SCADA 的人机交互控制任务和协同下级小型控制器或智能现场设备的控制任务，随着 Internet/Intranet技术的发展，在某种程度上 IPC是最适合应用于自动化的控制平台。

  作为传统主流控制器的 PLC ，拥有稳定性好、可靠性高、逻辑顺序控制能力强等优点，在自动化控制领域具有不可替代的优势。 但 PLC 一大遗憾是：其封闭式架构、封闭式系统 (研发必须具备自己或 OEM的 CPU 、芯片组、 BIOS 、操作系统、梯形图编程软件 )、较差的开放性势必会造成其应用上的壁垒，也增加了用户维修的难度和集成成本。

基于基于 PCPC 的控制原理的控制原理 为了改善这种局面，传统 PLC 生产厂家正在逐步将 PLC 的功能 PC化 (如Siemens的WinAC)，而 IPC 厂家也逐步将 IPC 的逻辑控制功能 PLC 化，使其在功能和规格方面越来越接近 PLC ，由此就出现了具有 PLC和 IPC技术特性的基于 PC 的控制，其基本原理如图 10－ 20所示。

图 10－ 20 PLC 控制向 PC 控制转变

基于基于 PCPC 的控制特点的控制特点提高处理性能 满足实时性要求 简化通信接口，降低网络负担 易于集成用户控制要求 编程调试简单方便 节约投资成本