可编程控制器培训PPT电厂化学仪表与程控(2).ppt
1可编程序控制器的产生及发展 2PLC的应用 3PLC的系统构成 4PLC的工作原理 5可编程序控制器的外部接线,可编程序控制器,1 可编程序控制器的产生及发展1.1 可编程序控制器的产生早期的自动化生产设备基本上都是采用继电接触器控制方式，系统复杂程度不高，自动化水平也很有限，这是由继电接触器控制方式自身特点决定的。（1）在设计开发周期、运行维护费用、产品调整能力等方面越来越不能满足工业生产自动化水平不断提高的要求。（2）对于复杂的控制系统，虽然它也可以实现控制目的，但控制逻辑由硬连线构成，接线复杂，电器之间关系千丝万缕，生产设备功能单一，产品规格单一，生产任务不能快速适应市场变化，并因此导致系统在可靠性、故障排除、改造费用等方面存在问题。研制既具有继电接触器控制系统的优点，又能作到可靠性高、易于维护、开发周期短且能满足控制功能和产品的多样化要求的控制器就显得极为迫切。,电子技术和计算机技术的发展为这种需求提供了可能。在美国通用汽车公司提出了10项可编程序控制器的基本指标后不久，1969年，美国数字设备公司研制出了世界上第一台可编程序控制器（Programmable Logic Controller），并在生产中得到应用。这10项基本指标也成为PLC的基本特点：编程容易，并可在现场修改程序；维修方便，采用插件式结构；可靠性高于继电器控制柜；体积小于继电器控制柜；,成本可与继电器控制柜竞争；具有通讯功能，可将数据直接送入管理计算机；可以使用115 V交流输入电压；输出采用115 V交流电压，能直接驱动电磁阀；通用性好，易于扩展；用户程序存储器容量至少能扩展到4KB。由于PLC的技术指标是由使用者提出的，因此它在工业生产中的应用具有其他工业控制设备难以兼具的独一无二的特性，是最贴近工业生产需求的控制装置。,早期的可编程序控制器由于技术的局限性，仅具备逻辑控制、定时、计数等功能，用以替代继电接触器控制方式。编程采用梯形图语言，编程元件近似于继电接触器控制系统的电器元件，极易为工厂电气人员所掌握。随着微处理器的出现和发展，可编程序控制器也经历了快速发展过程，从早期的单一逻辑控制功能，逐渐发展成为具有数学运算、数据处理、运动控制、PID控制、网络通信功能的多功能处理器；从单台设备的控制扩展到多级分布控制，也为实现工业生产过程的全局调度计算机集成制造系统(CIMS)提供了技术平台。,国际电工委员会(IEC)对可编程序控制器作了如下定义：“可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，是专门为在工业环境下应用而设计的工业控制器。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、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械设备和生产过程。可编程序及其相关设备都应按照易于与工业控制系统集成、易于扩展其功能的原则设计。”,目前PLC的主要品牌有德国的西门子(SIEMENS)、美国的A-B(Allen&Bradly)、通用电气(GE-FANUC)、法国的施耐德电气(Schneider Electric)、日本的三菱(MITSUBISHI)、欧姆龙(OMRON)、松下电工(Matsushita Electric)、光洋电子(KOYO)、韩国的LS产电(LS Industrial Systems)、台湾的台达(DELTA)等。我国也有不少厂家引进生产和自主研发PLC，由于起步较晚，目前市场份额还很有限。,1.2 可编程序控制器与其他工业控制系统的比较目前，工业控制系统主要有继电接触器控制系统、可编程序控制器控制系统、集散控制系统、单片机控制系统、微机控制系统等几种形式。它们在工业应用中各有特点、各有专长，同时也存在功能融合、应用领域互相交叉的趋势。,1PLC控制系统与继电接触器控制系统的比较可编程序控制器的产生同继电接触器控制系统有着很大的关系，二者均用于开关量逻辑控制。PLC最常用的编程语言梯形图沿用了继电接触器控制系统的电器元件符号和控制线路图风格，也是出于其在工业应用过程中能够更快地为工程设计人员掌握的目的，但PLC控制系统与继电接触器控制系统又有许多不同之处，使用过程中需加以重视。,(1)工作原理不同。在继电接触器控制系统中，当电源接通后，继电器按一定控制逻辑依次动作，任一瞬间都处于相对稳定的动作状态(接通或断开)；当电源接通后，PLC采用特有的扫描工作方式工作，从工作机理上增强了抗干扰能力，运行时其输入输出的状态处于一种动态的刷新过程，在控制逻辑不发生变化时，这种刷新并不会导致元件状态的变化，所以从控制效果上看，也处于相对稳定的动作状态(接通或断开)。,(2)可靠性和可维护性不同。继电接触器控制系统采用硬接线逻辑，控制功能由硬件电器元件构成，接线复杂，体积大，功耗大，改动工作量大，触点存在抖动问题。PLC利用存储器的位元件替代了硬件继电器等元件，利用软件逻辑运算实现控制逻辑，这种由软元件、软接线构成的控制线路接线少、体积小，易于扩展，不会出现抖动问题，提高了抗干扰能力和可靠性。(3)控制功能不同。继电接触器控制系统以顺序控制为主，而PLC由于微处理器的使用，因而具有顺序控制、定时、计数、运动控制、数据处理、PID控制、联网通信的功能，应用领域优势明显。,(4)响应速度不同。继电接触器控制多利用电磁原理工作，触点动作存在机械延时，数量级在几十毫秒左右，响应速度和系统复杂程度关系明显。PLC的控制逻辑采用软件实现，运算时间只与指令的执行速度有关，系统响应速度受机械延时影响不大。(5)定时与计数功能不同。继电接触器控制系统采用的定时器体积大、精度低、调整困难，一般不具备计数功能；PLC则有大量的软定时器和计数器，精度高，范围宽，调整方便。,(6)设计与调试方式不同。继电接触器系统设计方法有限，对于复杂继电接触器系统缺少通用的解决办法，设计完成的线路硬件元件和连线众多，施工工作量大，调试过程发现问题修改周期长。PLC系统可以采用先进的顺序控制设计法，在解决复杂控制系统问题时，方法很多。由于采用了软件实现控制逻辑，因此接线施工工作量降低。调试时发现问题，通常只要修改软件指令即可,不需要调整硬件接线,周期缩短。此外,PLC的软件设计和硬件施工可以同步实施，离线调试，设计风险小。除了以上几个方面以外，PLC系统在灵活性、故障率和设备使用寿命等方面也较继电接触器系统更好，不过价格较后者初期投入更高。,2PLC控制系统与集散系统的比较集散系统(Distributed Control System，DCS)是由回路仪表控制发展而来的，因此它在回路调节、PID控制方面具有一定的优势，侧重于过程控制领域。可编程序控制器是由继电接触器系统发展而来的，因此在开关量处理、顺序控制方面具有一定的优势，侧重于开关量顺序控制为主的电力拖动领域。,PLC与集散系统都是在计算机技术的基础上发展起来的，随着CPU处理能力的提高，二者互为补充、相互渗透，差异越来越不明显。PLC增强了数据运算、PID调节功能、组网能力，支持组态功能，可以按照集中管理、分散控制的思想构成分级控制，实现集散系统的功能；DCS也加强了顺序控制功能，支持梯形图语言编程。由此可见，从趋势上看，二者将会相互融合，构成新型的计算机控制系统。,3PLC控制系统与单片机控制系统的比较单片机为自动控制提供了一种低成本的解决方案，应用领域广泛，功能强大，但是单片机的应用需要较扎实的专业理论知识和实践经验，硬件设计、制作和软件编程的工作量大，对设计者要求较高，在复杂的工业环境中，解决抗干扰问题尤为关键。采用单片机设计开发针对性强，可以根据系统需求优化控制系统结构，性价比高。而PLC则是针对工业现场应用环境设计的，突出的优点是可靠性高，易学易用，抗干扰能力强。单片机与PLC系统二者各有特点，但也是相辅相成的关系，部分中小型PLC就是以单片机为内核设计的，实际上就是一个单片机系统，底层大量的硬件设计、软件编程工作已经完成，用户只需在此基础上进行较为简单的二次开发，实现控制要求即可。,4PLC控制系统与微机控制系统的比较微机是计算机技术向着高速度、大容量、高性能方向上发展的结果，它在工业控制上的应用机型主要是工控机(Industrial Personal Computer)，抗干扰能力强，实时性强，易于维护，适合于具有快速要求、实时性强、功能复杂的控制系统，对设计人员要求较高。由于工控机也是专为工业环境设计的，因此价格较为昂贵，小规模系统不易采用。在分级控制的思想下，二者有机地结合起来，工控机通常作为上位机从事监控、管理、调度工作，PLC则作为下位机执行具体的生产控制工作。,1.3 当前流行的PLC生产PLC的厂家很多，但每个厂家的PLC都自成系列，可根据点数、容量、功能上的需求作出不同选择。通常在选用PLC的过程中，应保持一定的连续性，就企业而言，这样可以减轻技术人员的学习负担和设备维护所需备品备件的数量；就设计者而言，可以减少开发周期，设计内容更易于优化。当前PLC的主要品牌见表5-1所示。,1.4 可编程序控制器的发展趋势1多用途、高速度、大存储容量趋势为了拓宽PLC的应用领域，PLC朝着多用途、高速度、大容量的趋势发展是必然的。使用高性能CPU，多CPU并行处理技术，发展智能模块实现分级处理等方法。另外，在数字量输入/输出点数、模拟量输入/输出点数及各类模块的数量上都朝着大容量发展。,2微型化、多功能化趋势微型化、多功能化可以使控制系统体积减小、成本下降、结构趋于模块化，配置灵活，易于改造。目前，超小型PLC的I/O点数少则几个点，多则数百点，甚至个别的超小型PLC可以扩展到上千点。,3标准化趋势为了使不同品牌的PLC在通信协议、总线结构、编程语言等方面能够遵循一个统一的标准，提高兼容性。国际电工委员会(IEC)为此制定了国际标准IEC61131。该标准由总则、设备性能和测试、编程语言、用户手册、通信、模糊控制的编程、可编程序控制器的应用和实施指导等八部分和两个技术报告组成，其中，IEC61131-3是PLC编程语言标准。,4模块智能化趋势分级控制、分布控制思想是增强PLC控制功能、提高处理速度的一个有效办法，也是控制系统的一个发展方向。智能I/O模块是以微处理器和存储器为基础的功能部件，它们可以独立于主CPU工作，自成系统，分担主CPU的处理任务，这有利于提高PLC的处理速度，主CPU可以随时访问智能模块，修改控制参数。这样既可以提高控制效率，简化设计和编程工作量，也可以提高动作可靠性、实时性，满足复杂控制的要求。这也是分级控制思想在PLC应用中的体现。,目前，大、中、小型PLC都有自己相应的智能I/O模块，如模拟量调节(PID控制)、运动控制(步进、伺服、凸轮控制)、高速计数、中断输入、热电偶输入、热电阻输入、模糊控制器、通信等智能模块。有了这些模块，复杂的控制任务(如运动控制)对PLC的CPU而言处理起来如同继电器触点的通断操作一样方便。,5网络化趋势加强PLC的联网能力是实现分布式控制、适应工厂自动化系统和计算机集成制造系统发展的需要，是实现网络级三电一体化的需要。从物理关系上看，联网包括PLC与PLC之间，PLC与远程I/O之间、PLC与计算机之间的信息交换。从技术层面上看，网络结构采用三级通信网络：底层为设备网络，用来实现PLC与现场设备之间的通信，又称为远程I/O网络，如RS232、RS485、RS422等协议；中间层是控制网络，用来实现PLC与计算机之间的通信，如Profibus、Modbus、CAN等现场总线标准；上层为信息网络，负责传递生产管理信息，如TCP/IP协议。,1.5 PLC的特点(1)可靠性高，抗干扰能力强。工业现场环境恶劣，干扰源众多，而PLC“是专门为在工业环境下应用而设计的工业控制器”，具有极强的环境适应性，能够长期可靠地工作。PLC的平均无故障时间在1050万小时，有些甚至更高，这一指标已远远超过了大多数设备的使用寿命。高可靠性是PLC得到广泛应用的重要原因之一，从PLC的设计理念到具体的软硬件措施都是高可靠性的保证。,首先，PLC采用扫描机制的工作原理对许多干扰源具有一定的免疫性。干扰信号只有在扫描周期的输入处理阶段才可能被CPU采样到，改变控制逻辑，而通常的干扰源都是窄脉冲形式，脉宽不能维持一个扫描周期的时间，即使干扰信号串入PLC并造成输出值错误，但由于输出通道及执行器存在的动作时延往往大于PLC的扫描时间，这意味着干扰还未造成危害就被下一个扫描周期纠正过来。,其次，PLC采用软逻辑控制方式，用大量的软继电器取代传统继电接触器控制中的硬继电器，电路及连线都得到大量的简化，故障率降低。此外，PLC还采取了一系列硬件和软件的抗干扰措施，来保证PLC超强的抗干扰能力。硬件方面主要是优选器件、设备冗余、多级滤波、隔离、屏蔽及先进的电源电路；软件方面主要是采用数字滤波、求和检查、指令复执、掉电保护等抗干扰措施和故障诊断技术。即使在输入采样阶段有干扰信号串入，经过以上软硬件措施后也会得到有效抑制。,(2)编程容易，简单易学。PLC的编程采用的是类似传统继电接触器控制线路的梯形图语言，充分考虑了电气技术人员的看图习惯和设计风格，因此很容易被企业技术人员掌握。这也是PLC能够迅速普及推广的原因之一，在国际电工委员会(IEC)制定的IEC61131-3标准中对编程语言做了规定，其中包括梯形图语言。,(3)功能完善，使用方便。PLC不仅具有逻辑运算、定时、计数等顺序控制功能，而且还具有数据处理、模拟量控制、运动控制、通信联网等功能，既能控制简单设备，也可以实现非常复杂的控制功能，并能进一步通过联网实现分布式控制。同时，由于PLC产品都采用了系列化、标准化、模块化的设计理念，可以根据系统不同的控制要求和控制规模灵活方便地进行硬件配置。当系统的生产工艺或控制规模发生变化时，由此出现的设备改造、调整等硬件方面的工作量同样会变得非常轻松。完善的功能及模块化的结构也可以简化硬件的安装接线工作，减小系统的维护工作量。,(4)设计、安装、调试工作量小。电气控制系统设计与施工可以同步进行，设计周期缩短。应用PLC及组件可以减少系统元器件数量，控制逻辑则由软件实现，硬件采用积木式安装，从而简化了控制柜的设计、安装、接线的工作量。PLC的程序设计一般采用顺序控制设计法，根据生产工艺很容易完成程序编写工作，适应复杂的控制系统。调试过程通常经过离线调试和在线联调两个步骤，设计初期可以在实验室模拟调试，借助PLC的输入/输出信号指示或观察示波器波形等手段来检验程序执行情况。当硬件施工安装完毕后进行联调，由于程序的控制流程已基本无误，调试任务主要是工艺参数的优化调整，因此调试风险降低，安全快捷，调试周期短。,(5)体积小，质量轻，能耗低。随着工艺水平的提高和集成电路技术的发展，在性能越来越高的前提下，PLC的体积越来越小，结构越来越紧凑，功耗越来越低。综上所述，PLC具有如此优越的特性，使它不仅在工业上得到迅速普及，也广泛应用到家庭、建筑、电力、交通、商业等许多领域。,2 PLC的应用2.1 PLC的性能指标PLC的主要性能指标包括指令执行速度、硬件连接方式、输入/输出点数及最大扩展容量、用户程序存储器容量、输入/输出方式、编程方式、指令条数、常用的编程元件个数、掉电保护方式等。表5-2为三菱FX2N系列PLC性能规格，表5-3为西门子S7-200系列性能规格。,2.2 PLC的标准IEC61131开放的平台IEC61131-3是第一个为工业自动化控制系统的软件设计提供标准化编程语言的国际标准，对当代工业控制器中种类繁多的概念及语言进行了标准化，在工业控制领域中产生了重要的影响，被全球越来越多的制造商和客户所接受，并且成为DCS、PLC、FCS、IPC、CNC及SCADA等编程系统的标准。,在IEC 61131-3标准中定义了5种PLC编程语言：指令表IL(Instruction list)；结构文本 ST(Structured text)；顺序功能图SFC(Sequential function chart)；功能块图FBD(Function block diagram)；梯形图LD(Ladder diagram)。,国际上各大PLC厂商都宣布其产品符合该标准的规范，在推出其编程软件新产品时，都遵循该标准的各种规定。根据美国的控制工程杂志2005年一份调查报告中关于PLC编程语言使用的百分比统计，IEC61131-3中所规范的5 种语言使用的比例很高。此外，DCS厂商在控制策略的组态方面也都遵照IEC 61131-3的规范，提供以功能块图语言以及由SFC演变而来的CFC(连续功能图)为主的DCS的编程语言。我国根据IEC标准制定的中华人民共和国可编程序控制器(Programmable Controller)的国家标准，标准号为GB/T15969.1-15969.4，于1995 年底发布，从1996 年10 月1 日起开始实施。,因为IEC 61131-3标准的制定，才真正出现了一种开放式的可编程控制器的编程软件包，如加拿大ICS Triplex公司的IsaGraf、德国KW的MULTIPROG、德国Infoteam的openPCS、德国3S公司的CoDeSys。这些软件不依赖于特定的PLC硬件产品，为数众多的PLC和DCS生产厂商(包括像西门子、横河电机、欧姆龙、三菱电机、ABB等)都在这些商品化的基本编程软件系统的基础上，再进行工作量不大的二次开发，并据此再将其高附加值的诀窍和控制算法嵌入其中。例如，西门子的编程软件STEP 7，就是在上述openPCS软件平台的基础上二次开发的；欧姆龙的CX编程软件是以MULTIPROG软件平台为基础二次开发的。同时，这种软件的开发方式也为PLC的程序在不同机型之间的移植提供了可能，推动了不同生产厂商、不同品牌PLC的技术融合。,IEC 61131-3标准除了对工控编程语言的改造和发展产生直接的影响，起着指导规范的作用之外，它对PLC技术的发展也发挥了重要的指导作用。它主要是通过提出的软件模型，为PLC技术的发展开创了前所未有的新路。特别要强调的是，它为PLC的体系结构从单一的封闭系统提升为多CPU结构的开放式系统，奠定了理论基础。IEC 61131-3的出现是传统PLC和现代PLC的分水岭。在IEC 61131-3正式发布的几年之后，PLC的市场逐渐出现了结合多CPU技术、网络技术、微电子技术发展起来的PLC，为PLC在工控市场上继续立于不败之地创造了技术条件。如表5-4所示为传统PLC与现代PLC的主要区别。随着标准的不断修正、发展和完善，PLC的能力也将得到持续的发展和进步，并在工业控制领域发挥越来越大的作用。,2.3 PLC的应用领域PLC作为现代工业自动化的主要支柱，已在工业中得到越来越广泛的应用，并逐渐延伸到其他行业。根据控制类型的不同，应用领域大致划分如下。1)开关量逻辑控制PLC采用逻辑控制取代传统的继电接触器控制，适用于单台设备或自动化生产线，如机床电气、冲压、铸造、传输、包装、电梯、泵体、电磁阀、各类家电和饮料生产线等，是PLC最基本的应用领域。,2)运动控制越来越多的生产设备对定位机构提出了位置、速度和轨迹控制的要求，针对这一需求，PLC产品都有专门的运动控制模块，可以实现单轴/双轴/多轴的位置、速度控制和轨迹规划，将运动控制和顺序控制有机地结合起来，从而将PLC的应用领域拓展到许多精密机械加工、生产制造设备的控制中。3)闭环过程控制目前，PLC都具有模拟量输入/输出功能及PID控制功能，可以对温度、压力、流量等模拟量实现闭环控制。解决方案也非常灵活，既可以采用软件PID指令实现控制功能，也可以采用硬件PID模块，后者通过增加硬件成本的开销减轻了软件设计工作量，实时性好，更适合对象比较复杂的生产设备。,4)数据处理微处理器性能不断提高，PLC具备了数学运算、数据比较、传送、位处理等功能，利用这些功能可以完成数据采集和处理，既可以直接用于控制，改变控制逻辑，也可以将监控参数上传至监控系统。如一些没有PID指令的PLC可以用软件编写PID算法同样可以实现过程控制。5)分布控制系统PLC的三级通信网络可以将PLC与智能模块、智能仪器、远程I/O之间、多台PLC之间、PLC与上位机之间紧密联系在一起，构成“集中管理、分散控制”的分布式控制系统，将集散系统的优点引入PLC控制系统中。,3 PLC的系统构成PLC的结构同计算机类似，由中央处理器(CPU)、存储器(RAM/ROM)、输入/输出单元、电源和编程器等几部分组成。本节将主要介绍PLC的基本组成和结构形式。3.1 PLC系统的基本组成PLC的结构如图5-1所示，同计算机类似，包括中央处理器(CPU)、存储器(RAM/ROM)、输入/输出单元、电源和编程器等几部分。,图1 可编程序控制器系统的基本组成,1)中央处理单元CPUCPU是PLC的核心，CPU的主要任务是接受现场输入信号、执行用户程序、刷新系统输出、完成自诊断操作和通信处理操作。,2)存储器、存储空间的分配PLC的存储器从功能上分为两种：系统程序存储器和用户程序存储器。系统程序存储器存放系统的监控程序，包括系统管理、程序解释、功能子程序和系统参数等内容，由生产厂家编写并固化在非易失存储器中，用户不能直接读取。用户程序存储器用来存放用户编写的程序(用户存储区)和I/O及内部编程元件的状态(数据存储区)，该存储器一般容量固定，用户应根据控制规模选用合适的型号。用户程序存储器类型通常是RAM或EEPROM，前者需要后备电池或电容进行数据保护。存储器的容量一般以K为单位，随着目前集成电路制造技术的发展，PLC的存储容量也在不断增加，发展较快。,3)输入/输出模块输入模块是接收、采集被控对象或被控生产过程的各种变量，一类是来自按钮、转换开关、限位开关、接近开关、光电开关等开关量的信号；另一类是由温度、流量、液位、压力传感器等各类传感器或变送器反馈的模拟量信号。输出模块是将运算处理产生的控制信号输出，控制执行机构动作，如指示灯、报警器、继电器、接触器、调节阀、伺服电机等负载，针对不同负载控制特性，输出模块也分为开关量输出和模拟量输出两类。,4)网络通信模块网络通信模块用于实现PLC与PLC、其他智能设备和上位机之间的通信，可以构成三级控制网络。设备网络层由PLC的CPU模块提供通信手段，如西门子的RS-485通信端口、三菱的RS-422通信端口，也提供RS232的扩展模板；控制网络层采用专门的通信模块实现，如西门子S7-200的EM 277模块是基于PROFIBUS协议的通信模块，可用作与其他设备通信的通信口；信息网络层也有相应的模块实现信息交互，如S7-300通信处理器CP 343-1通过100Mbit/s工业以太网，直接集成到复杂系统中。,5)智能模块模块智能化是PLC的一个发展趋势，它们可以独立于主CPU而工作，自成系统，分担主CPU的处理任务，有利于提高PLC的处理速度，主CPU可以随时访问智能模块，修改控制参数。从结构上讲，智能模块都可以直接集成到PLC系统中，内部总线兼容，安装方便。主要类型有：(1)高速计数模块：不受CPU的扫描时间限制，独立工作，能够对几十kHz甚至上MHz频率的脉冲进行计数，如西门子S7-300系列的FM350最高计数频率为500 kHz。(2)快速响应模块：可以独立于CPU工作，能够对输入信号作出实时响应，如S7-300系列的FM352-5高速布尔处理器，循环扫描时间为1 s。,(3)运动控制模块：控制对象为电机、凸轮机构等，用于实现定位控制，如西门子S7-300系列的FM351为双轴定位控制模块，FM352为电子凸轮定位器。(4)闭环控制模块：用于实现温度、压力、流量、液位等过程变量的闭环控制。如西门子S7-300系列的FM355为4通道闭环控制模块，其在CPU停机或故障后仍能执行控制任务。此外，还有许多新的智能模块不断地推出，如超声波位置编码器、称重仪等，这些模块对于增强PLC的功能，扩大PLC的应用范围都是非常重要的。,6)电源模块PLC的工作电源由于不同国家工业用电标准不同，一般提供120V和220V两种类型，也有个别采用直流24 V供电。电源模块的选用应根据系统的控制规模决定。需要说明的是，输出端子上接的负载所需的工作电源必须由用户提供。,7)扩展模块扩展模块主要是指输入/输出(包括DI/DO、AI/AO)接口的扩展。扩展模块的形式一般有数字量输入模块、数字量输出模块、数字量输入/输出模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块、模拟量输入/输出模块等几类。根据使用场合的不同分为一般环境、特殊介质(如含氯、硫等介质)和防爆输入/输出模块。,8)编程平台编程器的作用是完成用户程序的输入、编辑、调试和监控系统程序的运行，既可以离线编程，也可以在线联机调试。根据系统开发方式不同，编程器通常分为专用编程器和计算机开发系统。专用编程器由可编程序控制器生产厂家提供，有简易编程器和图形编程器两类。(1)简易编程器。简易编程器由键盘、LED显示器或液晶显示器组成，只能输入和编辑指令表程序，不支持梯形图语言编程。它体积小、价格便宜，可以直接插在PLC的编程器插座上或使用通信电缆与PLC连接，一般用于PLC控制系统的现场调试和维护。,(2)图形编程器。图形编程器可以生成和编辑梯形图程序，使用液晶显示屏或CRT显示器显示。图形编程器使用直观、方便，但成本较高，随着移动PC或笔记本电脑的普及，图形编程器逐渐为计算机开发系统所替代。计算机开发系统是现在从事PLC控制系统设计开发的主要手段，只要在个人计算机或工控机上安装生产厂家提供的编程软件即可。计算机开发系统的主要功能包括：编写、修改PLC的控制程序；程序的上传、下载；监视系统运行；采集和分析实时数据；打印各类文件；对工业现场和系统仿真，强制输入、输出；作为网络管理器或分布式系统的工作站。,3.2 PLC的结构形式按硬件结构形式不同，PLC可分为整体式和模块式两种。1)整体式可编程序控制器整体式PLC是将CPU、存储器、I/O部件及电源等单元封装在一个箱体内，形成一个可独立工作的整体，其结构紧凑，体积小，价格低。小型PLC通常采用这种结构，如图5-2所示为S7-200的CPU模块结构示意图，其内集成了CPU、电源、I/O、存储器。,图2 整体式PLC结构示意图,2)模块式可编程序控制器模块式PLC是将CPU(含存储器)、I/O、电源等单元做成独立的模块，利用基板(或基座)采用搭积木的方式把各个模块组合在一起构成控制系统，如图5-3所示。模块式PLC主要适用于大、中型PLC。此类结构硬件组态灵活，可以根据用户需求配置，选择余地大，也有利于故障维修工作。由于采用分离模块，因此模块式PLC系统成本较高，常用于大规模复杂控制系统。,图3 模块式PLC结构示意图,4 PLC的工作原理4.1 可编程序控制器的工作方式1输入/输出编址和I/O映像寄存器可编程序控制器的编程元件仍然沿用了继电器的称谓，但同硬件继电器有本质区别，如图5-4所示。图5-4(a)为继电接触器系统控制线路，其中SB1、SB2、KA均为物理按钮和继电器，工作流程如下：当按钮SB2按下后，继电器KA通电，其常开触点接通自锁；当按钮SB1按下后，继电器KA断电，常开触点同时断开。,图4 继电器接触系统与PLC系统接线比较,该控制线路用PLC实现，如图5-4(b)所示，按钮SB1、SB2分别对应于PLC内部编程元件X0、X1，继电器KA对应于PLC内部编程元件Y0。PLC输入地址：外部输入信号与PLC内部元件唯一对应，该编程元件号即为输入地址，其状态同输入信号状态逻辑值一致，又称为输入继电器。PLC输出地址：被控负载与PLC内部元件唯一对应，该编程元件号即为输出地址，其状态逻辑值决定了被控负载的通断情况，又称为输出继电器。,存放PLC输入继电器和输出继电器状态的内部存储器称为输入映像寄存器和输出映像寄存器。如图5-4(b)中，若按钮SB1接通，则X0逻辑值为1，对应的输入映像寄存器内容为“1”；若按钮SB2接通，则X1逻辑值为1，对应的输入映像寄存器内容为“1”；若输出映像寄存器内容为“1”，则对应的继电器线圈接通。那么输入继电器的逻辑如何影响输出继电器的逻辑呢？答案当然是通过编写程序并执行得以实现。程序梯形图如图5-5所示。与继电接触器系统控制线路比较，我们发现它们非常相似，所以说PLC的梯形图语言继承了继电接触器系统的设计传统。通过上面的分析，该程序中的X0、X1、Y0的逻辑状态分别对应于物理开关SB1、SB2和物理继电器KA的通断状态。即控制逻辑由软件编程取代了硬件连线，控制元件由存储器的位元件替代了物理继电器。,图5 启、保、停程序示例,2循环扫描工作原理可编程序控制器有两种基本工作状态，即运行(RUN)状态和停止(STOP)状态。PLC上电后，即开始周而复始的循环扫描，如图5-7所示。当PLC工作在STOP状态下，扫描过程只包括内部处理和通信处理两个阶段；当PLC工作在RUN状态下，扫描过程还包括输入处理、程序执行、输出处理（输出刷新）阶段（输出刷新），共五个阶段。,(1)内部处理阶段：可编程序控制器检查CPU模块内部硬件是否正常，完成监控定时器复位等内部事务。如后备电池电压情况、存储器或存储卡的工作情况、用户程序检查、系统软件校验等工作。(2)通信处理阶段：可编程序控制器自动检测各通信接口的状态，处理通信请求，如响应编程器的键入、更新编程器的显示内容、与微机通信或与网络交换数据等工作。,(3)输入处理阶段：PLC把所有外部输入电路的通/断状态读入并保存在输入映像寄存器中。在每个扫描周期里输入映像寄存器的内容保持不变。现场信号状态若发生变化，并不会被CPU立即采样，只有在输入处理阶段才能通过输入端口被PLC读取并保存，这种方式使PLC从工作机制上对短脉冲干扰具有较强的“免疫”力，但也使其实时性变差，使用时应予以注意。对于实时性要求高的输入信号，应考虑采用快速响应模块。,(4)程序执行阶段：CPU从用户程序的第一条指令开始，逐条顺序执行(从上到下、从左到右原则)，直至“结束”指令，若用户程序未写入“结束”指令，将执行到用户存储区的最后一个字节。如果用户程序中有程序流控制指令，如跳转指令、子程序调用指令、中断指令等，那么程序执行期间执行顺序也按照指令功能做相应调整，具体情况视指令而定。程序执行期间，根据用户程序进行逻辑运算，并将结果写入对应的编程元件映像寄存器，该结果可以马上被后面的程序解算使用，因此各编程元件的映像寄存器(输入映像寄存器除外)的内容随着程序的执行而变化。,(5)输出刷新阶段：PLC将输出映像寄存器中的内容送到输出锁存器中，经隔离和功率放大后驱动外部负载，其状态一直保留到下一个扫描周期输出处理阶段。例如，输出映像寄存器为“1”状态，信号经输出模块隔离和功率放大后，输出通道接通，外部负载(如继电器、灯泡等)通电，反之断电。PLC的输出操作具有批处理的特点，编程时应注意。PLC的工作过程如图8所示。,图8 PLC工作过程示意图,3扫描工作方式产生的特点(1)由于采用周期性的扫描方式工作，因此扫描周期决定了对外部信号的实时响应能力。扫描周期是指完成整个扫描过程所需要的时间，通常PLC的扫描周期为几毫秒到几十毫秒。它是五个阶段处理时间的总和，可以通过提高CPU处理速度等方法得到改善，但不可能无限制地缩短。(2)PLC的输出操作是周期的动态刷新过程。,(3)设计程序时对编程元件应尽量避免多次执行输出操作，对输出编程元件的赋值操作更应保证在一个扫描周期内只能执行一次。因为输出处理是在程序执行结束后集中处理，只有最后一次赋值是有效的。只有准确地理解PLC的工作方式，才能更好地完成程序设计，尤其是初学者，在程序设计过程中应时刻牢记扫描的工作机制，才会少犯错误，发挥PLC在工业控制中的优势。,5 可编程序控制器的外部接线5.1 开关量输入/输出的外部接线方式外部输入/输出信号通过接线端子或前连接器直接或间接地接入PLC的输入/输出模块。设计、施工时应严格参照PLC型号的硬件手册。开关量I/O模块的点数一般是2的n次方，如4、8、16、32、64、128点，用户还可以通过扩展模块灵活配置系统I/O点数。电压等级有直流5 V、12 V、24 V、48 V、110 V和交流110 V、220 V等。I/O模块的外部接线方式有汇点式、分组式和分隔式三种，不同的接线方式带载能力不同，以三菱FX2N为例，其外部接线方式如图5-10所示。,图10 I/O模块的外部接线示意图,(1)汇点式模块的各I/O点有一个公共端，所有I/O点共用一个电源。(2)分组式模块的各I/O点分为若干组，每组I/O点有一个公共端，共用一个电源，各组之间是分隔开的，可分别使用不同的电源。(3)分隔式模块的各I/O点彼此互相隔离，每个I/O点都可以使用独立电源。若几个I/O点使用同一个电源，它们的公共端应该连接起来。对于直流输入/输出，应特别注意公共端的电源极性，不同厂家的PLC公共端极性不一定相同。,5.2 开关量输入模块电路结构不同类型的PLC开关量输入模块电路工作原理基本相同，都是由外部输入开关和输入工作电源串联后通过输入端子与PLC连接。为了提高抗干扰能力，电路中采用了滤波电路，会导致约10 ms的响应延时。1使用PLC内部电源的直流输入电路输入电路工作电源使用PLC内部电源，隔离电路采用光电耦合器，再经RC滤波电路送入CPU，可以防止外部干扰源和触点抖动等情况，电路中的D1是I/O指示灯，用以表明I/O的通断状态，如图5-11所示。有的PLC提供的COM端是+24V，工作原理基本相同。,图11 使用内部电源的直流输入电路,2使用外部电源的直流输入电路图5-12为使用外部电源的直流输入模块的电路，对比图5-11，只是外部开关工作电源不同。这类输入模块主要是考虑当内部电源驱动能力有限或电压等级不匹配的情况下，有效读取外部开关信号而准备的。,图12 使用外部电源的直流输入电路,3交流输入模块图5-13是交流输入模块的工作原理示意图，发光二极管和光耦均采用反并联结构，在交流输入的正负半波分别导通，C1起隔直作用，其他结构与直流输入模块基本相同。,图13 交流输入电路,5.3 开关量输出模块电路结构同输入模块类似，开关量输出模块是将外部负载和输出工作电源串联后通过输出端子同PLC相连。不同的输出模块由于采用了不同的隔离和放大措施，响应时间上有所差异，应根据负载特点选用，使用不当会造成输出模块的损坏。1继电器输出模块继电器输出模块既可驱动交流负载，又可驱动直流负载，使用继电器隔离，兼有放大作用，响应速度小于10 ms，主要是由于机械触点动作延时造成的。继电器输出模块的结构如图5-14所示，负载电源由外部提供，与触点并联的RC电路和压敏电阻用来消除触点断开时产生的电弧。,图14 继电器输出模块,2晶体管输出模块晶体管输出模块适用于直流负载，隔离采用光电耦合器，放大采用大功率晶体管或场效应管，响应速度小于1ms，结构如图5-15所示，晶体管工作在饱和导通状态和截止状态，图中稳压二极管用来抑制关断过电压和浪涌电压。,图15 晶体管输出模块,3晶闸管(可控硅)输出模块晶闸管输出模块用以驱动交流负载，隔离采用光电可控硅，放大采用双向可控硅，响应时间有两种情况：可控硅由关断变为导通的延迟时间小于1 ms，由导通变为关断延迟时间小于10 ms，使用时应注意。晶闸管输出模块的结构如图5-16所示，图中的RC电路和压敏电阻用以抑制可控硅的关断过电压和外部的浪涌电压。,图16 晶闸管输出模块,在输入、输出模块结构中除了上面介绍的几种典型电路以外，还有一些其他形式的电路结构，如将整流电路、双绕组变压器电路等结构用于输入、输出电路，但基本工作原理都不难理解，外部接线也基本相同，这里就不再展开讨论。图5-17为西门子S7-200系列CPU224模块的接线示意图。,图17 西门子S7-200系列CPU224 I/O接线图,思考与习题1 PLC有哪些主要特点？2 比较说明PLC系统与继电接触器控制系统的差异。3 构成PLC的主要部件有哪些？各部分的主要作用是什么？4
