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3 可编程控制器及其应用 可编程控制器是以中央处理器为核心，综合计算机和自动控制等先进技术而发展起来的一种工业控制器。
早期的可编程控制器是为代替继电器逻辑顺序控制（机械触点多，通用性差，功耗高）而设计的，因此被称为可编程逻辑控制器（ Programmable Logic Controller），简称PLC。后因其功能已超出逻辑控制范围，故改称为PC（Programmable Controller）。为了避免与个人计算机（Personal Computer，简称PC）混淆，仍沿用PLC作为可编程控制器的简称。
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3.1 PLC的定义 1968年，美国通用汽车公司（GM）为适应汽车型号的不断翻新，提出了一种新型电子化的程控器来代替继电器控制的设想。
1969年，美国数字设备公司（DEC）率先研制出PDP-14可编程控制器，成功地用在GM公司的自动装配线上。
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1987年，国际电工委员会（IEC）对它作了如下定义： “可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统装置，专为在工业现场应用而设计。它采用可编程序的存储器，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，并通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关设备都应按易于与工业控制器系统联成一个整体和易于扩充其功能的原则进行设计。”
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3.2 PLC的结构和工作原理 PLC的结构 主机（CPU和存储器） 输入/输出接口 I/O扩展接口 编程器 外部设备接口 电源
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图3.1 PLC的硬件系统结构图
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1）中央处理器（CPU）：它是PLC的核心，主要用来运行用户程序，监控输入/输出接口状态，作出逻辑判断和进行数据处理。
1. 主机 1）中央处理器（CPU）：它是PLC的核心，主要用来运行用户程序，监控输入/输出接口状态，作出逻辑判断和进行数据处理。 2）存储器： ◆ 系统程序存储器——主要存放系统管理和监控程序，以及对用户程序作编译处理的程序，系统程序已由厂家固化在存储器中，用户不能更改。 ◆ 用户程序及数据存储器——主要存放用户编制的应用程序，以及各种暂存数据和中间结果。
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2. I/O接口 它是CPU与I/O设备之间的联接部件。 输入接口接受输入设备（如：按钮、行程开关、传感器等）的控制信号。 输出接口将主机处理过的结果通过输出电路驱动输出设备（如：指示灯、电磁阀、接触器等）。 I/O接口电路一般采用光电耦合电路，减少电磁干扰，提高PLC可靠性。 3. I/O扩展接口 它把扩充外部输入/输出端子数的扩展单元与基本单元（主机）联接在一起。
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4. 编程器 它是PLC的重要外部设备，用于手持编程。用户可以用下列两种方式进行编程和监控。 ◆ 手持编程器 ◆ 将PLC和计算机相联，用专用的工具软件 编程器分为简易型和智能型两类。前者只能联机编程；后者可联机编程，也可脱机编程。功能完整的编程器本身就是一个微机系统。 5. 外部设备接口 它把外部设备（如：编程器、打印机、条码扫描仪等）与主机联接起来。 6. 电源 它是为CPU、存储器、I/O接口等内部电子电路工作而配备的直流开关稳压电源。
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3.2.2 PLC的工作原理 PLC运行时，CPU对存于用户存储器中的程序，按指令步顺序作周期性的循环扫描。 PLC的扫描过程（图3.2）：
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l 输入采样阶段 PLC以扫描方式顺序读入输入端子的通断状态（ON/OFF），并写入相应的输入状态寄存器中，即刷新输入，接着转入程序执行阶段。 l 程序执行阶段 PLC按先左后右，自上而下的顺序对每条指令进行扫描，并将相应的运算和处理结果写入输出状态寄存器中。 l 输出刷新阶段 在所有指令执行完毕后，输出状态寄存器的通断状态转写入输出锁成器中，驱动相应的输出设备，产生PLC的实际输出。 经过这三个阶段，PLC完成一个扫描周期。 “顺序扫描、不断循环”
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这是一项重要技术指标。它是指PLC的外部输入和输出端子数。小型机有几十个点，而大型机超过千点。
1．I/O点数 这是一项重要技术指标。它是指PLC的外部输入和输出端子数。小型机有几十个点，而大型机超过千点。 2．用户程序存储容量 指PLC存储用户程序的多少。程序指令按 “步” 存储，一 “步” 占一个地址单元，一个地址单元占两个字节，如：一个内存容量为1000步的PLC，其内存为2k字节。 3．扫描速度 指扫描1000步用户程序所需的时间，单位为ms/千步，或us/步。
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4. 指令系统条数 5. 编程元件的种类和数量 衡量PLC软件功能的强弱。指令系统包括基本指令和高级指令。 衡量PLC硬件功能的强弱。
以FP1系列PLC为例，常见的编程元件有： 输入继电器（X） 输出继电器（Y） 辅助继电器（R） 定时器（T） 计数器（C） 通用 “字” 寄存器（WR）
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注：PLC 内部的继电器不是 “硬” 继电器，而是 “软” 继电器，就是PLC 存储器的存储单元。
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1. 主要功能 3.2.4 PLC的主要功能和特点 l 开关逻辑控制（基本功能） l 定时/计数控制 l 步进控制 l 数据处理
l 过程控制（PID控制） 自动调节非电量参数（如：温度、压力、流量、速度等）。 l 运动控制 通过高速计数模块和位置控制模块进行单轴或多轴控制（如：数控机床、机器人）。 l 通信联网 l 监控 l 数字量与模拟量的转换
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l 功能完善，编程简单，组合灵活，扩展方便 l 体积小，重量轻，功耗低
2．主要特点 l 可靠性高，抗干扰能力强 l 功能完善，编程简单，组合灵活，扩展方便 l 体积小，重量轻，功耗低
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3.3 PLC的程序编制 PLC的程序：系统程序（已固定）； 用户程序。 所谓编程就是编制用户程序。程序编制是通过特定的编程语言将一个控制要求描述出来的过程。 PLC的编程语言 1. 梯形图 梯形图是一种从继电接触器控制电路图演变而来的图形语言。 通常用 、 图形符号分别表示PLC编程元件的常开和常闭触点；用 [ ] （或 ）表示它们的线圈。编程元件的种类用图形符号及标注的字母或数字加以区别。
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注：热继电器FR（常闭触点）起过载保护作用。
鼠笼式电动机直接起动控制电路图见图9.3（a），则相应的梯形图如图9.4（a）所示。 X1 输入继电器的常闭触点（停止按钮SB1）； X2 输入继电器的常开触点（起动按钮SB2）； Y1 输出继电器的线圈和常开触点（接触器KM）。 注：热继电器FR（常闭触点）起过载保护作用。
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图3.3 （a）电动机直接起动控制
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图3.4 鼠笼式电动机直接起动控制 (a) 梯形图； (b) 指令语句表
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（1）梯形图中的继电器是一个存储单元，其逻辑状态为 “1” 时，表示相应继电器的线圈接通，常开触点闭合，常闭触点断开。
注意： （1）梯形图中的继电器是一个存储单元，其逻辑状态为 “1” 时，表示相应继电器的线圈接通，常开触点闭合，常闭触点断开。 （2）每一逻辑行（或梯级）开始于左母线，接着是触点的串、并联，最后是线圈与右母线联接。 （3）流过每一梯级的是 “概念电流” ，只用来描述线圈接通。 （4）输入继电器不能由PLC 内部继电器直接驱动，所以图中只有其触点，而没有相应的线圈；输出继电器的线圈接通只表示有信号输出，但不直接驱动输出设备。
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指令语句表是一种用指令助记符来编制PLC程序的语言。它类似于计算机的汇编语言。但比汇编语言容易理解。
2．指令语句表（指令助记符） 指令语句表是一种用指令助记符来编制PLC程序的语言。它类似于计算机的汇编语言。但比汇编语言容易理解。 鼠笼式电动机直接起动控制的指令语句表如图9.4（b）所示。 ST 起始指令（取指令） OR 触点并联指令（ “或” 指令） AN/ 触点串联反指令（ “与非” 指令） OT 输出指令 ED 程序结束指令
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1. 编程原则 3.3.2 PLC的编程原则和方法 1）在编制程序时，编程元件的触点使用次数没有限制。
2）梯形图的每一梯级起始于左母线，终止于右母线。线圈直接与右母线联接。 3）尽量做到 “左重右轻，上重下轻” 以符合 “从左到右，自上而下” 的顺序。 4）应避免同一继电器的线圈在程序中重复输出。 5）应避免将触点画在垂直线上。 6）外部输入设备常闭触点的处理（在外部接线时，应尽可能接成常开形式，则在梯形图中仍是常闭触点；而热继电器FR的触点只能接成常闭形式，不作为输入信号）。
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鼠笼式电动机直接起动控制的外部接线图如图3.5（c）所示。
图3.5 电动机直接起动控制
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以鼠笼式电动机正反转控制电路为例介绍PLC的编程方法。
2. 编程方法 以鼠笼式电动机正反转控制电路为例介绍PLC的编程方法。 1）确定I/O点数及分配（图9.6） 2）编制梯形图和指令语句表（图9.7）
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图3.6 电动机正反转控制的外部接线图
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图3.7 电动机正反转控制的梯形图和指令语句表
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——由基本指令和高级指令组成。 最常见的基本指令如下： 3.3.3 PLC的指令系统 1. 起始指令（ST, ST/）与输出指令（OT）
说明：ST, ST/指令的使用元件是X，Y，R，T，C（可与左母线相联）；OT指令的使用元件是Y，R（不能直接与左母线相联）。 2. 触点串联指令（AN, AN/）与触点并联指令（OR, OR/） 说明：这些指令的使用元件是X，Y，R，T，C（串、并联次数无限制）。 3. 块串联指令（ANS）与块并联指令（ORS） 说明：每一指令块以ST（或ST/）开始，ANS和ORS指令不带使用元件。
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每个定时器只使用一次，其触点可多次使用。
4. 反指令（/） 5. 定时器指令（TM） TMR：定时单位为0.01s的定时器； TMX：定时单位为0.1s的定时器； TMY：定时单位为1s的定时器。 如：“ TMX 100 ” 、 “ TMX ” K （定时器T编号为1，定时设置值K为100，则定时时间为10s） 说明：定时器为减1计数，可以自复位； 每个定时器只使用一次，其触点可多次使用。
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图3.8 长延时电路的梯形图和动作时序图
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6. 计数器指令（CT） 如：“ CT ” 100 （计数器C编号为100，计数设置值K为150） 说明： 计数器为减1计数； 计数器有两个输入端：计数脉冲端C和复位端R（输入复位信号使计数器复位）； 每个计数器只使用一次，其触点可多次使用。 注：TM、CT指令的用法如图9.8所示（长延时电路）。
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7. 堆栈指令（PSHS, RDS, POPS） PSHS指令（压入堆栈）； RDS指令（读出堆栈）； POPS指令（弹出堆栈）。 说明：堆栈指令用于多条联接于同一点的支路； 它是一种组合指令，不能单独使用。 8. 微分指令（DF, DF/） DF：当检测到触发信号上升沿（接通）时，线圈接通一个扫描周期。 DF/：当检测到触发信号下降沿（断开）时，线圈接通一个扫描周期。 说明：这些指令仅在触发信号处于通断状态时有效。
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9. 置位、复位指令（SET, RST） 它们的用法如图9.9所示。 SET：触发信号X0闭合时，线圈Y0接通。 RST：触发信号X1闭合时，线圈Y0断开。 说明：这些指令的使用元件是Y，R。
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图3.9 SET,RET指令的用法
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它的用法如图9.10所示。S和R分别为置位和复位输入端。
10. 保持指令（KP） 它的用法如图9.10所示。S和R分别为置位和复位输入端。 触发信号X0闭合时，线圈Y0接通并保持； 触发信号X1闭合时，线圈Y0断开复位。 说明： KP指令的使用元件是Y，R； 置位、复位触发信号同时接通，则复位触发信号优先； 对同一继电器Y（或R）一般只使用一次KP指令。
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图3.10 KP指令的用法
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说明：NOP指令占一步，插入该指令便于阅读。
12. 移位指令（SR） 说明： SR指令的使用元件是WR； 用该指令时，应有数据输入端（IN）、移位脉冲输入端（C）和复位输入端 （CLR），其中复位信号优先。 13. 程序结束指令（ED）
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3. 4 PLC的应用举例 3.4.1 控制系统设计原则 3.4.2 控制系统设计步骤
控制系统设计原则 在满足控制功能要求的前提下，保证系统安全可靠、使用简单、维护方便及经济性好。 控制系统设计步骤 控制系统设计的流程框图见图3.11。
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图3.11 PLC应用控制系统设计流程框图
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1. 分析控制对象，确定控制方案 2. PLC机型选择 1）确定I/O点数 2）确定用户程序存储器的存储容量 3）响应速度 4）输入输出方式及负载能力 3. 硬件设计（包括外部接线图） 4. 软件设计（包括梯形图） 5. 系统调试与运行 对用户程序进行模拟调试（输入端接开关模拟输入信号，输出端接指示灯模拟被控对象的动作）。
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1. 控制电路（图3.12） 2. I/O点分配（表3.1） 3. 外部接线图（图3.13a） 4. 梯形图（图3.13b）
加热炉自动上料控制 1. 控制电路（图3.12） 2. I/O点分配（表3.1） 3. 外部接线图（图3.13a） 4. 梯形图（图3.13b） 5. 指令语句表（图3.13c）
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图3.12 加热炉自动上料控制线路
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输 入 输 出 SB1 X1 SB2 X2 STa X3 STb X4 STc X5 STd X6 KMF1 Y1 KMR1 Y2
表3.1 加热炉自动上料控制的I/O点分配 输 入 输 出 SB X1 SB X2 STa X3 STb X4 STc X5 STd X6 KMF Y1 KMR Y2 KMF Y3 KMR Y4
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（a）外部接线图；(b)梯形图；(c)指令语句表
图3.13 加热炉自动上料控制 （a）外部接线图；(b)梯形图；(c)指令语句表
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作业：试画出下列指令语句表所对应的梯形图。
（a） （b） 指 令 ST X0 AN/ Y1 OT Y0 ST X1 AN/ Y0 OT Y1 ST Y0 ST Y1 KP Y2 ED 指 令 ST X0 DF OR R0 AN/ T0 PSHS OT R0 RDS AN X1 OT Y0 POPS TMX K ST R0 SET Y1 ST T0 DF/ RST Y1 ED
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