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1、PLC基础知识PLC 的基本概念 可编程控制器(Programmable Controller)是计算机家族中的一员是为工业控制应用而设计制造的，早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器(Programmable LogicController) ，简称PLC 。它主要用来代替继电器实现逻辑控制，随着技术的发展这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围。因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC 。但是为了避免与个人计算机(Personal Computer)的简称混淆，所以将可编程控制器简称PLC。PLC 的由来 在60 年代汽车生产流水线的自动控制系统基本上都是由继电器控制装置构成的，当时

2、汽车的每一次改型都直接导致继电器控制装置的重新设计和安装，随着生产的发展汽车型号更新的周期愈来愈短，这样继电器控制装置就需要经常地重新设计和安装，十分费时费工费料，甚至阻碍了更新周期的缩短，为了改变这一现状，美国通用汽车公司在1969 年公开招标要求用新的控制装置取代继电器控装置，并提出了十项招标指标，即： 1. 编程方便现场可修改程序 2. 维修方便采用模块化结构 3. 可靠性高于继电器控制装置 4. 体积小于继电器控制装置 5. 数据可直接送入管理计算机 6. 成本可与继电器控制装置竞争 7. 输入可以是交流115V 8. 输出为交流115V 2A 以上能直接驱动电磁阀接触器等 9. 在扩

3、展时原系统只要很小变更 10. 用户程序存储器容量至少能扩展到4K 1969 年美国数字设备公司(DEC) 研制出第一台PLC ，在美国通用汽车自动装配线上试用获得了成功这种新型的工业控制装置，以其简单易懂操作方便、可靠性高、通用灵活、体积小、使用寿命长等一系列优点，很快地在美国其他工业领域推广应用。到1971 年已经成功地应用于食品饮料冶金造纸等工业。这一新型工业控制装置的出现也受到了世界其他国家的高度重视，1971 日本从美国引进了这项新技术很快研制出了日本第一台PLC ；1973 年西欧国家也研制出它们的第一台PLC ；我国从1974 年开始研制，于1977 年开始工业应用。PLC 的定

4、义问世以来尽管时间不长，但发展迅速，为了使其生产和发展标准化，美国电气制造商协会NEMA(National Electrical Manufactory Association)经过四年的调查工作，于1984年首先将其正式命名为PC(Programmable Controller),并给PC 作了如下定义： PC 是一个数字式的电子装置，它使用了可编程序的记忆体储存指令用来执行诸如逻辑顺序、计时、计数与演算等功能，并通过数字或类似的输入/输出模块，以控制各种机械或工作程序一部数字电子计算机；若是从事执行PC 之功能着亦被视为PC ，但不包括鼓式或类似的机械式顺序控制器。以后国际电工委员会(IE

5、C)又先后颁布了PLC 标准的草案第一稿、第二稿，并在1987 年2 月通过了对它的定义： 可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的，它采用一类可编程的存储器用于其内部存储程序执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/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外部设备都按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。 总之可编程控制器是一台计算机，它是专为工业环境应用而设计制造的计算机，它具有丰富的输入/输出接口，并且具有较强的驱动能力，但可编程控制器产品并不针对某一具体工业应用，在实际应用时其硬件

6、需根据实际需要进行选用、配置，其软件需根据控制要求进行设计编制。PLC 的主要特点(一) 高可靠性 1. 所有的I/O 接口电路均采用光电隔离使工业现场的外电路与PLC 内部电路之间电气上隔离 2. 各输入端均采用R-C 滤波器其滤波时间常数一般为1020ms. 3. 各模块均采用屏蔽措施以防止辐射干扰 4. 采用性能优良的开关电源 5. 对采用的器件进行严格的筛选 6. 良好的自诊断功能一旦电源或其他软硬件发生异常情况CPU立即采用有效措施以防止故障扩大 7. 大型PLC 还可以采用由双CPU 构成冗余系统或有三CPU 构成表决系统,使可靠性更进一步提高(二)丰富的I/O 接口模块 PLC针

7、对不同的工业现场信号如 交流或直流 开关量或模拟量 电压或电流 脉冲或电位 强电或弱电等 有相应的I/O 模块与工业现场的器件或设备如 按钮 行程开关 接近开关 传感器及变送器 电磁线圈 控制阀 直接连接另外为了提高操作性能它还有多种人-机对话的接口模块; 为了组成工业局部网络它还有多种通讯联网的接口模块等等。(三) 采用模块化结构 为了适应各种工业控制需要除了单元式的小型PLC 以外，绝大多数PLC 均采用模块化结构，PLC 的各个部件包括CPU 电源I/O 等均采用模块化设计，由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。(四) 编程简单易学 PLC的编程大多采用

8、类似于继电器控制线路的梯形图形式，对使用者来说不需要具备计算机的专门知识，因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。(五) 安装简单维修方便 PLC不需要专门的机房可以在各种工业环境下直接运行，使用时只需将现场的各种设备与PLC 相应的I/O 端相连接即可投入运行，各种模块上均有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障，由于采用模块化结构，因此一旦某模块发生故障用户可以通过更换模块的方法使系统迅速恢复运行。PLC 的功能1、逻辑控制2、定时控制3、计数控制4、步进(顺序)控制5、PID 控制6、数据控制，PLC 具有数据处理能力7、通信和联网8、其它PLC还有许多特殊功能模块，适用于

9、各种特殊控制的要求，如定位控制模块、CRT 模块PLC 的发展阶段 虽然PLC 问世时间不长，但是随着微处理器的出现，大规模超大规模集成电路技术的迅速发展和数据通讯技术的不断进步，PLC 也迅速发展其发展过程大致可分三个阶段： 一. 早期的PLC(60 年代末70 年代中期) 早期的PLC ，一般称为可编程逻辑控制器，这时的PLC 多少有点继电器控制装置的替代物的义，其主要功能只是执行原先由继电器完成的顺序控制定时等，它在硬件上以准计算机的形式出现，在I/O 接口电路上作了改进，以适应工业控制现场的要求。装置中的器件主要采用分立元件和中小规模集成电路，存储器采用磁芯存储器；另外还采取了一些措施

10、以提高其抗干扰的能力；在软件编程上采用广大电工程技术人员所熟悉的继电器控制线路的方式梯形图。因此早期的PLC 的性能要优于继电器控制装置，其优点包括：简单易懂、便于安装、体积小、能耗低、有故障指示，能重复使用等。其中PLC 特有的编程语言梯形图一直沿用至今。 二. 中期的PLC(70 年代中期80 年代中后期) 在70 年代微处理器的出现，使PLC 发生了巨大的变化。美国、日本、德国等一些厂家先后开始采用微处理器作为PLC 的中央处理单元(CPU)，这样使PLC 得功能大大增强，在软件方面除了保持其原有的逻辑运算计时、计数等功能以外，还增加了算术运算数据处理和传送通讯自诊断等功能；在硬件方面除

11、了保持其原有的开关模块以外，还增加了模拟量模块、远程I/O模块，各种特殊功能模块，并扩大了存储器的容量，使各种逻辑线圈的数量增加，还提供了一定数量的数据寄存器，使PLC 得应用范围得以扩大。 三. 近期的PLC(80 年代中后期至今) 进入80 年代中后期，由于超大规模集成电路技术的迅速发展，微处理器的市场价格大幅度下跌，使得各种类型的PLC 所采用的微处理器的档次普遍提高。而且，为了进一步提高PLC 的处理速度，各制造厂商还纷纷研制开发了专用逻辑处理芯片，这样使得PLC 软硬件功能发生了巨大变化。PLC 的分类(一) 小型PLC小型PLC 的I/O 点数一般在128 点以下，其特点是体积小、

12、结构紧凑，整个硬件融为一体，除了开关量I/O以外，还可以连接模拟量I/O 以及其他各种特殊功能模块。它能执行包括逻辑运算、计时、计数、算术、运算数据处理和传送通讯联网以及各种应用指令。(二) 中型PLC中型PLC 采用模块化结构，其I/O 点数一般在2561024 点之间，I/O 的处理方式除了采用一般PLC 通用的扫描处理方式外，还能采用直接处理方式即在扫描用户程序的过程中直接读输入刷新输出，它能联接各种特殊功能模块，通讯联网功能更强，指令系统更丰富，内存容量更大，扫描速度更快。(三) 大型PLC一般I/O 点数在1024 点以上的称为大型PLC， 大型PLC 的软硬件功能极强，具有极强的自

13、诊断功能、通讯联网功能强，有各种通讯联网的模块可以构成三级通讯网实现工厂生产管理自动化，大型PLC 还可以采用冗余或三CPU 构成表决式系统使机器的可靠性更高。PLC 的基本结构 PLC 实质是一种专用于工业控制的计算机其硬件结构基本上与微型计算机相同如图所示：一. 中央处理单元(CPU) 中央处理单元(CPU)是PLC 的控制中枢，它按照PLC 系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据、检查电源、存储器I/O以及警戒定时器的状态；并能诊断用户程序中的语法错误。当PLC 投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O 映象区，然后从用户程序存储器

14、中逐条读取用户程序，经过命令解释后，按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O 映象区或数据寄存器内，等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O 映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行直到停止运行。 为了进一步提高PLC 的可靠性近年来对大型PLC 还采用双CPU 构成冗余系统或采用三CPU 的表决式系统，这样即使某个CPU 出现故障整个系统仍能正常运行。二. 存储器 存放系统软件的存储器称为系统程序存储器； 存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。 (一) PLC 常用的存储器类型 1. RAM (Random Assess Memory)，这是一种读/

15、写存储器(随机存储器) ，其存取速度最快，由锂电池支持。 2. EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory)，这是一种可擦除的只读存储器，在断电情况下存储器内的所有内容保持不变(在紫外线连续照射下可擦除存储器内容)。 3. EEPROM(Electrical Erasable Programmable Read Only Memory)，这是一种电可擦除的只读存储器，使用编程器就能很容易地对其所存储的内容进行修改。 (二) PLC 存储空间的分配 虽然各种PLC 的CPU 的最大寻址空间各不相同，但是根据PLC 的工作原理其存储空间一般包括以下三

16、个区域： 系统程序存储区； 系统RAM 存储区(包括I/O 映象区和系统软设备等)； 用户程序存储区。 1. 系统程序存储区 在系统程序存储区中存放着相当于计算机操作系统的系统程序，包括监控程序、管理程序、命令解释程序、功能子程序、系统诊断子程序、等由制造厂商将其固化在EPROM 中，用户不能直接存取，它和硬件一起决定了该PLC 的性能。 2. 系统RAM 存储区 系统RAM 存储区包括I/O 映象区以及各类软设备如：逻辑线圈、数据寄存器、计时器、计数器、变址寄存器、累加器、等存储器。 (1) I/O 映象区，由于PLC 投入运行后只是在输入采样阶段才依次读入各输入状态和数据在输出刷新阶段才将

17、输出的状态和数据送至相应的外设，因此它需要一定数量的存储单元(RAM)以存放I/O 的状态和数据，这些单元称作I/O 映象区，一个开关量I/O 占用存储单元中的一个位(bit)，一个模拟量I/O 占用存储单元中的一个字(16 个bit)， 因此整个I/O 映象区可看作两个部分组成：开关量I/O 映象区，模拟量I/O 映象区。 (2) 系统软设备存储区 除了I/O 映象区区以外，系统RAM 存储区还包括PLC 内部各类软设备(逻辑线圈、计时器、计数器、数据寄存器和累加器等)的存储区，该存储区又分为具有失电保持的存储区域和无失电保持的存储区域，前者在PLC 断电时由内部的锂电池供电，数据不会遗失，

18、后者当PLC 断电时数据被清零。 1) 逻辑线圈 与开关输出一样，每个逻辑线圈占用系统RAM 存储区中的一个位，但不能直接驱动外设，只供用户在编程中使用，其作用类似于电器控制线路中的继电器，另外不同的PLC 还提供数量不等的特殊逻辑线圈，具有不同的功能。 2) 数据寄存器 与模拟量I/O 一样，每个数据寄存器占用系统RAM 存储区中的一个字(16bits) ，另外PLC 还提供数量不的特殊数据寄存器，具有不同的功能。 3) 计时器 4) 计数器 3. 用户程序存储区 用户程序存储区存放用户编制的用户程序，不同类型的PLC 其存储容量各不相同。三. 电源 PLC 的电源在整个系统中起着十分重要得作用。如果没有一个良好的可靠得电源系统是无法正常工作的，因此PLC 的制造商对电源的设计和制造也十分重视，一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内可以不采取其它措施，而将PLC 直接连接到交流电网上去。