§3 可编程序控制器

一、概 述 可编程逻辑控制器 可编程序控制器 Programmable Logical Controller PLC 一、概 述 可编程逻辑控制器 Programmable Logical Controller PLC 可编程序控制器 Programmable Controller PC

1、 PLC的产生 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：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：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。 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。

2、PLC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。

3、PLC的分类 按I/O点数 超小型<64 小型 65-128 中型 128-512 大型 >512 按结构 一体化 模块化

一体化PLC 图10－7 Siemens S7-200一体化PLC

模块式PLC 图10－8 Siemens S7-300模块式PLC

二、 PLC的组成 图10.9 PLC组成的原理框图 PLC、IPC、OP…… 系统总线 CPU RAM 编程器、打印机…… 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 通信接口模块 I/O 智能I/O 系统总线 电源线 …… 系统总线 电源线 编程器、 PLC、IPC、OP等 图10.10 模块化PLC结构原理示意图

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

1、CPU —PLC的核心 基本功能： 通过输入装置读入外设的信号和状态，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。

其它功能— 网络(通信)功能 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)

2、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 用户程序 工作数据

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。 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。

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。

3、I/O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

（1）直流电压输入DI 图10－11 DI模块原理图 D1 K R1 +5V T + 数 C 据 锁 数据 存 总线 器 滤 DW 波 R2

⒈ 当开关K闭合以后，输入现场信号“1” ⒉ 外部电压经R1、R2分压，稳压二极管 DW形成稳定的输入电压。 ⒊ 输入指示二极管D1和光电耦合器 T 的 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CPU需 要的TTL标准信号。 ⒋ 电容C和R2构成了输入滤波电路，可以 滤除输入信号的高频干扰

（2）继电器输出DO 数 据 锁 存 器 数据总线 D1 R1 J 负载 AC DC 图10－12 继电器输出模块原理图

D1是输出指示二极管，J是小型直流继电器，输出一对无源触点 1、当输出状态为“1”时，输出指示二极 管D1点亮，继电器J 的线圈上电，继 电器触点吸合，负载回路闭合。 2、输出状态为“0”时，D1指示灯灭，J 触点断开，负载回路断开 。

（3）晶体管输出DO 图10－13 晶体管输出模块原理图 数 据 锁 存 器 T 数据总线 D2 负载 R2 D1 24VDC D3 T1 图10－13 晶体管输出模块原理图

D1是输出指示二极管，D2是负载续流二极管，D3是保护二极管。 1、当输出状态为“1”时，输出指示二极 管D1点亮，光电耦合器T导通，三极 管T1饱和导通，负载电源接通。 2、当输出状态为“0”时，D1指示灯灭， T、T1均截止，负载电源断开。

4、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。

5、编程工具 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：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 ：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。

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。 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。

编程软件 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。

图10－14 三菱GX DeveloperPLC编程软件

三、 PLC的基本工作原理 工作方式：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： (1) 上电初始化 (2) 一般处理扫描 (3) 数据I/O操作 (4) 用户程序的扫描 (5) 外设端口服务 30

图10－15 PLC程序扫描过程 元件状态的清零或复位、检查I/O单元的连接等 上电 初始化 检查存储器、硬件单元 N 正确？ Y 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：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/O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。

图10－16 PLC I/O处理示意图

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、PLC的程序设计语言 IEC（国际电工委员会）在1994年5月公布了PLC标准IEC－1131，鼓励不同的PLC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准。并定义了5种编程语言的句法、语义及表达方式。

顺序功能图（SFC） 梯形图（LAD） 功能块图（FBD） 指令表（SL），也称语句表 结构文本（ST） 其中LD和FBD是图形编程，而IL、ST是文字语言，而SFC是一种结构块控制顺序流程图。

1、梯形图 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。

图10－17 梯形图编程 C SB1 SB2 SB3 （A）电气控制梯形图 电源线 I0.0 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

2、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。

SIEMENS 的LOGO用此方法编程，其他用的很少。 3、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。

& >=1 I0.1 I0.2 图10－18 功能块图编程 I0.0 Q3.0 = C SB1 SB2 SB3 （A）电气控制梯形图 电源线 I0.0 Q3.0 I0.1 I0.2 >=1 & = 图10－18 功能块图编程

4、指令表 指令表是一种类似于汇编语言的助记符编程语言 A I0.0 O Q0.0 AN I0.1 AN I0.2 = Q0.0 C SB1 电源线 A I0.0 O Q0.0 AN I0.1 AN I0.2 = Q0.0 I0.0 Q0.0 I0.1 I0.2 并联 串联 （B）PLC梯形图 起始母线 结束母线

5、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 设计原则可以归纳为四点： ①最大限度地满足工业生产过程或机械设备的控制 要求——完整性原则； ②确保计算机控制系统的可靠性——可靠性原则； ③力求控制系统简单、实用、合理——经济性原 则； ④适当考虑生产发展和工艺改进的需要，在I/O接 口、通信能力等方面要留有余地——扩展性原 则。

1、PLC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 （a）CPU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

2、PLC系统的软件设计 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。 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

3、PLC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PC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PC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PC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