可编程序控制器原理与应用(汪志锋)电子教案.ppt

第1章 概 述,1.1 可编程序控制器的由来1.2 可编程序控制器的定义、分类及特点1.3 可编程序控制器的功能和应用1.4 可编程序控制器与其他工业控制系统的比较1.5 可编程序控制器的发展趋势思考与练习题,1.1 可编程序控制器的由来,在可编程序控制器问世以前，工业控制领域中是以继电器控制占主导地位的。这种由继电器构成的控制系统有着明显的缺点：体积大、耗电多、可靠性差、寿命短、运行速度不高，尤其是对生产工艺多变的系统适应性更差，一旦生产任务和工艺发生变化，就必须重新设计，并改变硬件结构，这造成了时间和资金的严重浪费。1968年，美国通用汽车公司(GM公司)为了在每次汽车改型或改变工艺流程时不改动原有继电器柜内的接线，以便降低生产成本，缩短新产品的开发周期，而提出了研制新型逻辑顺序控制装置，并提出了该装置的研制指标要求，即10项招标技术指标。其主要内容如下：,(1)在使用者的工厂里，能以最短的中断服务时间，迅速方便地对其控制的硬件和设备进行编程，并重新进行程序设计。(2)所有系统单元必须能在工厂内无特殊支持的设备、硬件及环境条件下运行。(3)系统的维修必须简单易行。在系统中应设计有状态指示器和插入式模块，以便在最短的停车时间内使维修和故障诊断变得简单易行。(4)装置的体积应小于原有继电器控制柜的体积，它的能耗也应比较少。,(5)必须能与中央数据收集处理系统进行通信，以便监视系统的运行状态和运行情况。(6)输入开关量可以是已有的标准控制系统的按钮和限位开关的交流115 V电压信号。(7)输出的驱动信号必须能驱动以交流运行的电动机启动器和电磁阀线圈，每个输出量将设计为可开停和连续操纵具有115 V、2 A以下容量的电磁阀等负载设备。(8)具有灵活的扩展能力。在扩展时必须能以系统最小的变动及最短的更换和停机时间，使原有装置从系统的最小配置扩展到系统的最大配置。,(9)在购买和安装费用上，应有与原有继电器控制和固态逻辑控制系统的竞争力，即具有较高的性能价格比。(10)用户存储器容量至少在4 KB以上(根据当时的汽车装配过程的要求提出)。,从上述10项指标可以看出，它实际上就是当今可编程序控制器最基本的功能。将它们归纳一下，其核心为以下四点：(1)用计算机代替继电器控制盘。(2)用程序代替硬件接线。(3)输入/输出电平可与外部装置直接连接。(4)结构易于扩展。,1.可编程序控制器(PLC)发展的几个阶段 可编程序控制器的发展与计算机技术、半导体集成技术、控制技术、数字技术、通信网络技术等高新技术的发展息息相关。这些高新技术的发展推动了可编程序控制器的发展，而可编程序控制器的发展又对这些高新技术提出了更高、更新的要求，促进了它们的发展。从控制功能来分，可编程序控制器的发展经历了下列四个阶段：第一阶段，从第一台可编程序控制器问世到20世纪70年代中期，是可编程序控制器的初创阶段。这一阶段的产品主要用于逻辑运算和定时、计数，它的CPU由中小规模的数字集成电路组成，它的控制功能比较简单。这一阶段的典型产品有MODICON公司的084、ALLEN-BRADLEY(AB)公司的PDQII、DEC的PDP-14、日立公司的SCY-022等。,第二阶段，从20世纪70年代中期到末期，是可编程序控制器的扩展阶段。这一阶段产品的主要控制功能得到了较大的发展。它的发展主要来自两方面，一是从可编程序控制器发展而来的控制器，它的主要功能是逻辑运算，同时扩展了其他运算功能；二是从模拟仪表发展而来的控制器，其主要功能是模拟运算，同时扩展了逻辑运算功能。这一阶段的产品有MODICON公司的184、284、384，西门子公司的SYMATIC S3系列，富士电机公司的SC系列等。,第三阶段，从20世纪70年代末期到80年代中期，是PLC通信功能的实现阶段。与计算机通信的发展相联系，PLC也在通信方面有了很大的发展，初步形成了分布式的通信网络体系，但是，由于制造企业各自为政，通信系统自成系统，因此，各产品互相通信是较困难的。在该阶段，由于生产过程控制的需要，对PLC的需求大大增加，产品的功能也得到了发展，数学运算的功能得到了较大的扩充，产品的可靠性进一步提高。这一阶段的产品有西门子公司的SYMATIC S6系列、富士电机公司的MI-CREX和德州仪器公司的TI530等。,第四阶段，从20世纪80年代中期开始，是PLC的开放阶段。由于开放系统的提出，使PLC也得到了较大的发展。主要表现为通信系统的开放，使各制造企业的产品可以互相通信，通信协议的标准化使用户得到了好处。在这一阶段，产品的规模增大，功能不断完善，大中型产品多数有CRT屏幕的显示功能，产品的扩展也因通信功能的改善而变得方便，此外，还采用了标准的软件系统，增加了高级编程语言等。这一阶段的产品有西门子公司的SYMATIC S5和S7系列、AB公司的PLC-5等。,2.我国PLC的发展 1974年我国开始仿制美国的第二代PLC产品，但因元器件质量和技术问题等原因未能推广。直到1977年，我国才研制出第一台具有实用价值的PLC，并开始批量生产和应用于工业过程的控制。由于使用单片1位处理器，因此，应用的规模较小，主要的控制方式是开关量控制。,随着我国改革开放政策的贯彻和落实，从1982年开始，先后有天津、厦门、无锡、大连、上海、北京等地的仪表厂、无线电厂和研究所等单位与美国、德国、日本等PLC的制造企业进行了合资或引进技术、生产流水线等，使我国PLC的应用有了较大的发展。一些大中型的工程项目采用PLC以后，取得了明显的经济效益，也反过来促进了PLC的发展。这一阶段的主要特点是以产品的引进、技术的消化、应用的普及为目标。应用的产品以 8位处理器为主，应用的规模在1000点以下。,近年来，为了促进我国PLC的发展，相关部门组织进行了工业控制计算机机型的优选工作。参照国际上IEC的有关标准，评选出了若干个首选的我国PLC产品。这些产品在硬件和软件上与国外的产品兼容，从而为这些产品的应用提供了广阔的前景。另外，由于各级领导的重视，以及人们对科学是生产力的认识不断深化，我国PLC的应用也取得了可喜的成果。在机电、冶金、轻工、纺织、化工、医药、交通等行业的成功应用经验表明，PLC是大有发展前途的工业控制装置，它与监控和数据采集(Supervisory Control and Data Acquisition，SCADA)和集散控制系统(Distribution Control System，DCS)相互集成、相互补充、综合应用，将对我国的工业过程控制领域产生巨大的影响。,3.PLC发展的特征 PLC的发展与其他高新技术的发展是分不开的。PLC发展的特征表现在下列几方面：(1)功能的发展。PLC从简单的逻辑运算功能，发展到数据传送、数据比较、数据运算，直到通信功能，功能的不断发展使PLC能适应各种工业生产过程控制的要求，从而在工业生产过程控制领域中成为主流产品之一。功能的发展与PLC在硬件上的更新发展有关，PLC从1位处理器发展到8位，直到16位、32位，存储容量也有相应的扩展，适应了过程控制的需求。通信功能的自成封闭到系统的开放是产品走向世界的基础。因此，从PLC的发展可以看到，国产PLC要占领市场，必须不断发展，适应工业生产过程控制的需求，正如前述的PLC 10项招标技术指标中所要求的要能适应发展的需求。,(2)适应控制要求。PLC的发展适应了工业生产过程控制的要求。在初创期，产品的目标是按10项招标技术指标开发的。随着控制要求的提高，对控制的精度和功能的要求也有了提高，采用简单的逻辑运算已不能满足过程控制的要求，从而开发了运算功能较强的数字运算等功能。随着对运算速度的要求提高，对处理器的运算速度和存储器容量也提出了更高的要求，推动了计算机技术的发展，同时又得益于计算机技术的发展，使PLC上了一个台阶。它的发展是高新科学技术发展的产物，同时，也推动了其他科学技术的发展。,(3)适应工业环境的要求。计算机是一种通用的数字电子设备。为了适应工业生产的要求，尤其是恶劣工业环境的要求，对通用的计算机必须进行更可靠的设计。美国电气制造商协会(National Electric Manufacturer Association,NEMA)提出了对设备环境的一些标准，即NEMA标准。PLC与通用计算机的一个重要的区别就是PLC能应用在恶劣的工业环境中。也正是由于它的环境适应性强，使得它在工业中得到了广泛的应用。,1.2 可编程序控制器的定义、分类及特点,1.2.1 可编程序控制器的定义 由于PLC在不断发展，因此，对它进行确切的定义是比较困难的。美国电气制造商协会(NEMA)经过四年的调查工作，于1980年正式将可编程序控制器命名为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来存储指令，用以执行诸如逻辑、顺序、定时、计数与演算等功能，并通过数字或类似的输入/输出模件来控制各种机械或工作程序。一部数字电子计算机若是用来执行PC的功能，亦被视同为PC，但不包括鼓式或类似的机械式顺序控制器。,1982年，国际电工委员会(International Electrical Committee，IEC)颁布了PLC标准草案，1985年提交了第2版，并在1987年的第3版中对PLC作了如下的定义：PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的进行数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、定时、计数和算术运算等操作的指令，并能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。PLC及其有关的外围设备都应按照易于与工业控制系统形成一个整体和易于扩展其功能的原则而设计。上述的定义表明，PLC是一种能直接应用于工业环境的数字电子装置，是以微处理器为基础，结合计算机技术、自动控制技术和通信技术，用面向控制过程、面向用户的“自然语言”编程的一种简单易懂、操作方便、可靠性高的新一代通用工业控制装置。,1.2.2 可编程序控制器的分类 1.按硬件的结构类型分类 可编程序控制器发展很快，目前，全世界有几百家工厂正在生产几千种不同型号的PLC。为了便于在工业现场安装，便于扩展，方便接线，其结构与普通计算机有很大区别。通常从组成结构形式上将这些PLC分为两类：一类是一体化整体式PLC，另一类是结构化模块式PLC。,1)整体式结构 从结构上看，早期的可编程序控制器是把CPU、RAM、ROM、I/O接口及与编程器或EPROM写入器相连的接口、输入/输出端子、电源、指示灯等都装配在一起的整体装置。一个箱体就是一个完整的PLC。它的特点是结构紧凑，体积小，成本低，安装方便，缺点是输入/输出点数是固定的，不一定能适合具体的控制现场的需要。这类产品有OMRON公司的C20P、C40P、C60P，三菱公司的Fl系列，东芝公司的EX20/40系列等。,2)模块式结构 模块式结构又叫积木式。这种结构形式的特点是把PLC的每个工作单元都制成独立的模块，如CPU模块、输入模块、输出模块、电源模块、通信模块等。另外，机器上有一块带有插槽的母板，实质上就是计算机总线。把这些模块按控制系统需要选取后，都插到母板上，就构成了一个完整的PLC。这种结构的PLC的特点是系统构成非常灵活，安装、扩展、维修都很方便，缺点是体积比较大。常见产品有OMRON公司的C200H、C1000H、C2000H，西门子公司的S5-115U、S7-300、S7-400系列等。,2.按应用规模及功能分类 为了适应不同工业生产过程的应用要求，可编程序控制器能够处理的输入/输出信号数是不一样的。一般将一路信号叫做一个点，将输入点数和输出点数的总和称为机器的点。按照点数的多少，可将PLC分为超小(微)、小、中、大、超大等五种类型。(1)超小型PLC：I/O点数小于64点，内存容量为256 B1 KB。(2)小型PLC：I/O点数为65128点，内存容量为13.6 KB。小型及超小型PLC在结构上一般是一体化整体式的，主要用于中等容量的开关量控制，具有逻辑运算、定时、计数、顺序控制、通信等功能。,(3)中型PLC：I/O点数范围为129512点，内存容量为3.613 KB。中型PLC除具有小型、超小型PLC的功能外，还增加了数据处理能力，适用于小规模的综合控制系统。(4)大型PLC：I/O点数范围为513896点，内存容量为13 KB以上。(5)超大型PLC：I/O点数为896点以上，内存容量为13 KB以上。上述划分方式并不十分严格，也不是一成不变的。随着PLC的不断发展，划分标准已有过多次的修改。,可编程序控制器还可以按功能分为低档机、中档机和高档机。低档机以逻辑运算为主，具有定时、计数、移位等功能。中档机一般有整数及浮点运算、数制转换、PID调节、中断控制及联网功能，可用于复杂的逻辑运算及闭环控制场合。高档机具有更强的数字处理能力，可进行矩阵运算、函数运算，完成数据管理工作，有更强的通信能力，可以和其他计算机构成分布式生产过程综合控制管理系统。可编程序控制器的按功能划分及按点数规模划分是有一定联系的。一般来说，大型机、超大型机都是高档机。机型和机器的结构形式及内部存储器的容量一般也有一定的联系，大型机一般都是模块式机，都有很大的内存容量。,1.2.3 可编程序控制器的特点 PLC能如此迅速发展的原因，除了工业自动化的客观需要外，还有许多独特的优点。它较好地解决了工业控制领域中普遍关心的可靠、安全、灵活、方便、经济等问题。其主要特点如下：1.编程方法简单易学 梯形图是可编程序控制器使用最多的编程语言，其电路符号和表达方式与继电器电路原理图相似。梯形图语言形象直观，易学易懂，熟悉继电器电路图的电气技术人员只要花几天时间就可以熟悉梯形图语言，并用来编制用户程序。梯形图语言实际上是一种面向用户的高级语言，可编程序控制器在执行梯形图程序时，应先用解释程序将它“翻译”成汇编语言后再去执行。,2.功能强，性能价格比高 一台小型可编程序控制器内有成百上千个可供用户使用的编程元件，可以实现非常复杂的控制功能。与相同功能的继电器系统相比，它具有很高的性能价格比。可编程序控制器可以通过通信联网，实现分散控制与集中管理。,3.硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强 可编程序控制器产品已经标准化、系列化、模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，用户能灵活方便地进行系统配置，组成不同功能、不同规模的系统。可编程序控制器的安装接线也很方便，一般用接线端子连接外部接线。可编程序控制器有较强的带负载能力，可以直接驱动一般的电磁阀和交流接触器。硬件配置确定后，可以通过修改用户程序，方便快速地适应工艺条件的变化。,4.可靠性高，抗干扰能力强 传统的继电器控制系统中使用了大量的中间继电器、时间继电器。由于触点接触不良，容易出现故障。可编程序控制器用软件代替大量的中间继电器和时间继电器，仅剩下与输入和输出有关的少量硬件，接线可减少到继电器控制系统的1/101/100，因触点接触不良造成的故障大为减少。可编程序控制器采取了一系列硬件和软件抗干扰措施，具有很强的抗干扰能力，平均无故障时间达到数万小时以上，可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场。可编程序控制器已被广大用户公认为是最可靠的工业控制设备之一。,5.系统的设计、安装、调试工作量少 可编程序控制器用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，使控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少。可编程序控制器的梯形图程序一般采用顺序控制设计法。这种编程方法很有规律，容易掌握。对于复杂的控制系统，梯形图的设计时间比继电器系统电路图的设计时间要少得多。可编程序控制器的用户程序可以在实验室模拟调试，输入信号用小开关来模拟，通过可编程序控制器上的发光二极管可观察输出信号的状态。完成了系统的安装和接线后，在现场的统调过程中发现的问题一般通过修改程序就可以解决，系统的调试时间比继电器系统要少得多。,6.维修工作量小，维修方便 可编程序控制器的故障率很低，且有完善的自诊断和显示功能。可编程序控制器或外部的输入装置和执行机构发生故障时，可以根据可编程序控制器上的发光二极管或编程器提供的信息迅速地查明产生故障的原因，用更换模块的方法迅速地排除故障。,7.体积小，能耗低 对于复杂的控制系统，使用可编程序控制器后，可以减少大量的中间继电器和时间继电器，小型可编程序控制器的体积仅相当于几个继电器的大小，因此可将开关柜的体积缩小到原来的1/21/10。可编程序控制器的配线比继电器控制系统的配线少得多，故可以省下大量的配线和附件，减少大量的安装接线工时，加上开关柜体积的缩小，可以节省大量的费用。,1.3 可编程序控制器的功能和应用,1.开关逻辑和顺序控制 这是PLC应用最广泛、最基本的场合。它的主要功能是完成开关逻辑运算和进行顺序逻辑控制，从而可以实现各种简单或十分复杂的控制要求。,2.模拟控制 在工业生产过程中，许多连续变化的需要进行控制的物理量，如温度、压力、流量、液位等，这些都属于模拟量。为了实现工业领域对模拟量控制的广泛要求，目前大部分PLC产品都具备处理这类模拟量的功能。特别是当系统中模拟量控制点数不多，同时混有较多的开关量时，PLC具有其他控制装置所无法比拟的优势。另外，某些PLC产品还提供了典型控制策略模块，如PID模块，从而可实现对系统的PID等反馈或其他模拟量的控制运算。,3.定时控制 PLC具有很强的定时、计数功能，它可以为用户提供数十甚至上百个定时器与计数器。对于定时器，其定时间隔可以由用户加以设定。对于计数器，如果需要对频率较高的信号进行计数，则可以选择高速计数器。4.数据处理 新型PLC都具有数据处理的能力，它不仅能进行算术运算、数据传送，而且还能进行数据比较、数据转换、数据显示打印等功能，有些PLC还可以进行浮点运算和函数运算。,5.信号联锁系统 信号联锁是安全生产所必需的。在信号联锁系统中，采用高可靠性的PLC是安全生产的要求。对安全要求高的系统还可采用多重的检出元件和联锁系统，而对其中的逻辑运算等，可采用冗余的PLC实现。6.通信联网 把PLC作为下位机，与上位机或同级的可编程序控制器进行通信，可完成数据的处理和信息的交换，实现对整个生产过程的信息控制和管理，因此PLC是实现工厂自动化的理想工业控制器。,1.4 可编程序控制器与其他工业控制系统的比较,1.PLC与继电器控制系统的比较 传统的继电器控制系统被PLC所取代已是必然趋势。继电器控制柜是针对一定的生产机械、固定的生产工艺设计的，采用硬接线方式装配而成，只能完成既定的逻辑控制、定时、计数等功能，一旦生产工艺过程改变，则控制柜必须重新设计、重新配线。而PLC由于应用了微电子技术和计算机技术，各种控制功能都是通过软件来实现的，因此只要改变程序并改动少量的接线端子，就可适应生产工艺的改变。从适应性、可靠性、方便性及设计、安装、维护等各方面进行比较，PLC都有显著的优势。因此在用微电子技术改造传统产业的过程中，传统的继电器控制系统大多数将被PLC所取代。,2.PLC与工业控制计算机的比较 工业控制计算机是通用微型计算机适应工业生产控制要求发展起来的一种控制设备。硬件结构方面总线标准化程度高、兼容性强，并且软件资源丰富，特别是有实时操作系统的支持，故对要求快速、实时性强、模型复杂、计算工作量大的工业对象的控制占有优势。但是，使用工业控制机控制生产工艺过程，要求开发人员具有较高的计算机专业知识和微机软件编程的能力。PLC最初是针对工业顺序控制应用发展而来的，硬件结构专用性强，通用性差，很多优秀的微机软件也不能直接使用，必须经过二次开发。但是，PLC采用了工厂技术人员熟悉的梯形图语言编程，易学易懂，便于推广应用。,从可靠性方面看，PLC是专为工业现场应用而设计的，结构上采用整体密封或插件组合型，并采取了一系列抗干扰措施，具有很高的可靠性。而工控机虽然也能够在恶劣的工业环境下可靠运行，但毕竟是由通用机发展而来的，在整体结构上要完全适应现场生产环境，还要做不少工作。另一方面，PLC用户程序是在PLC监控程序的基础上运行的，软件方面的抗干扰措施在监控程序里已经考虑得很周全，而工控机用户程序则必须考虑抗干扰问题，一般的编程人员很难考虑周全。这也是工控机应用系统比PLC应用系统可靠性低的原因。尽管现代PLC在模拟量信号处理、数值运算、实时控制等方面有了很大提高，但在模型复杂、计算量大且较难、实时性要求较高的环境中，工业控制机则更能发挥其专长。,3.PLC与集散控制系统的比较 集散控制系统又称分散控制系统，它是专门为工业过程控制设计的过程控制装置。它的主要应用场合是连续量的模拟控制，而PLC的主要应用场合是开关量的逻辑控制。因此，它们在设计思想上是有一定区别的。,PLC是按扫描方式工作的，而集散控制系统是按用户的程序指令工作的。因此，PLC对每个采样点的采样速度是相同的；而在集散控制系统中，可根据被检测对象的特性采用不同的采样速度，例如，对流量点的采样周期是1 s，对温度点的采样周期是20 s等。此外，在集散控制系统中，可有多级优先级中断的设置，而PLC通常不采用中断方式。在存储器的容量上，由于PLC所需的运算大多是逻辑运算，因此，所需的存储器容量较小，而集散控制系统需进行大量的数学运算，所以存储器容量较大。在运算速度方面，模拟量的运算速度可较低，而开关量的运算需要有较高的速度。,除了部分分散过程控制装置安装在现场，需要按现场的工作环境设计外，集散控制系统是按照安装在控制室设计的，而PLC是按照现场工作环境的要求设计的，对元器件的可靠性方面有专门的考虑，在可靠性方面两者都有较高的要求。,1.5 可编程序控制器的发展趋势,在短短的20多年中，PLC得到了如此飞速的发展，并在各行各业得到了广泛的应用，这些事实说明，PLC具有强大的生命力。PLC将在工业控制领域发挥越来越大的作用，并将成为工业控制领域的主要控制设备。PLC将向两个方面发展：一方面向着大型化的方向发展，另一方面则向着小型化的方向发展。,PLC向大型化方向发展，主要表现在下列几个方面：(1)与DCS、SCADA相互渗透，出现你中有我、我中有你的情况。为了在工业过程控制领域中有较大的应用市场，各制造企业纷纷学习其他企业产品的优点，取长补短，从而使产品的适用范围扩大，应用的规模从几十点扩展到成百上千点，功能也从单一的逻辑运算扩展到几乎能满足所有的用户需求。此外，采用通信和开放的策略，使优化、计划、调度等功能也能够在PLC内实现，不同产品通信的实施也使应用的范围趋向多元化。,(2)向CIMS、CIPS发展，成为它们的一个分支。制造业的发展离不开PLC的发展，CIMS和CIPS、机器人和FMS等的实施也离不开PLC的发展。因此，对PLC提出了功能、速度、通信、管理等方面的要求，这为PLC向大型化方向发展提供了用武之地。(3)向大型化方向发展的另一标志是产品硬件性能的发展。PLC产品的处理器已从早期的1位，向8位、16位，甚至向32位、64位发展。运算速度也大大提高，它的晶振频率从几兆赫，向几十兆赫发展。随着计算机技术的发展，晶振频率已可达到100 MHz到几百兆赫，并从单CPU的处理向多CPU的并行处理发展等。模块化的结构使得产品的适应性得到改善。存储器的容量也成倍增加，从几千字节发展到几万字节，直到几兆字节、几十兆字节等。总之，由于硬件性能的提高，使PLC向大型化方向有了很大的发展。,(4)软件功能的发展是PLC向大型化方向发展的重要标志。一些国外的PLC生产企业不仅对硬件的制造进行投资，而且，从两个方面对软件进行投资，一种方式是收购或兼并软件厂商，另一种方式是在公司内部成立软件开发部。对软件的大量投资，使用户在不增加投资费用的前提下能得到更多、更好、更实用的功能。近期推出的PLC产品大多数已采用Windows 98/2000或Windows NT作为编程和操作的平台，使用户可以很方便地学会操作和使用。,(5)PLC的应用领域越来越广。PLC的应用早已从机械制造行业的应用向各行各业的应用发展。例如，在食品加工、炼油、化工、冶金、纺织、制浆和造纸、废水处理、制药和电子等行业的应用正如雨后春笋，不断壮大。根据国外的估计，PLC目前的年销售量已超过2亿台。,PLC向小型化方向发展，主要表现在下列几个方面：(1)在设备级采用PLC。对一些工业过程的设备控制，采取化整为零的控制策略，采用配套的PLC，并配备了专用的控制柜、操作台和监视器等。例如，对锅炉设备而言，它有进水阀、蒸汽阀、燃料阀和空气阀，以及各种电动机和有关设备，采用配套的PLC可完成启动和熄火等顺序控制和回路控制，并可根据锅炉的规模，实现复杂的三冲量控制和双交叉限幅控制等。此外，可设置报警监视系统，在液位低、熄火或回火、蒸汽压力高或低时发出联锁或报警信号等。由于应用的专一性，使得控制质量大大提高。甚至有些公司还相继推出了能满足简单逻辑顺序控制要求的微可编程序控制单元，如西门子公司的Logo系列产品。,(2)向高性能的整体型发展。为了减小体积、降低成本，PLC的生产企业在向大型化发展的同时，也开发了小型、高性能的整体型系列产品，用于满足工业生产过程不同控制的需求。与此同时，也开发了多种类型的高性能模块型产品。当输入/输出点数增加时，可根据过程控制的需求，采用灵活的组合方式进行配套，完成所需的控制功能。例如，推出高速的定时/计数器模块、步进电动机控制模块、伺服电动机控制模块、温度控制模块、通信接口模块等。这些模块的灵活应用，使产品的成本下降，同时，它又有良好的扩展能力，满足了小型系统控制的需求，也为这些系统的发展留有余地。,(3)向小型化发展。在提高系统可靠性的基础上，产品的体积越来越小，功能越来越强。OMRON公司最新推出的CPMl可编程序控制器的体积很小，可连接10个输入/输出点，可以扩展到20点、30点，直到50点；输入的时间常数可在1128 ms之间设置，以适应输入信号的变化；基本指令的执行时间是0.72(s，特殊指令的执行时间也只有16.3(s，它可以使用91个指令进行编程。西门子公司在它传统的大中型PLC领域之外也着力推出小型PLC，如S7-200系列(由最初的21X系列已发展到目前的22X系列)。虽然这一系列属于小(微)型PLC，但其功能已具备了某些中型机的性能要求，特别是网络通信能力在各种小型PLC产品中表现十分突出。,PLC在软件方面也将有较大的发展。系统的开放使第三方的软件能方便地在符合开放系统标准的PLC上得到移植。除了采用标准化的硬件外，采用标准化的软件也能大大缩短系统开发周期；同时，标准化的软件由于经受了实际应用的考验，它的可靠性也明显提高。采用符合开放系统互联标准的通信协议，使PLC能成为计算机网络的一个成员，得到资源共享等优厚的收获。编程语言也越来越适应过程控制的要求，功能模块描述语言等高级的编程语言使用户能从中得到经济效益。例如，开发周期缩短，投产时间提前，维修时间缩短，对维修人员技能要求降低等。采用的编程设备也从手持式编程器发展为近期清一色的微型计算机编程，使可操作性和组态性大大提高。,思考与练习题,1.简述可编程序控制器的定义。2.可编程序控制器有哪些主要特点?3.与一般的计算机控制系统相比，可编程序控制器有哪些优点?4.与继电器控制系统相比，可编程序控制器有哪些优点?5.可编程序控制器可以用在哪些领域?,第2章 可编程序控制器的结构和工作原理,2.1 可编程序控制器的组成与基本结构2.2 可编程序控制器的工作过程与工作原理2.3 可编程序控制器的编程语言和程序结构思考与练习题,2.1 可编程序控制器的组成与基本结构,PLC是微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物，是在程序控制器、1位微处理机控制器和微机控制器的基础上发展起来的新型控制器。从广义上讲，PLC是一种计算机系统，只不过它比一般计算机具有更强的与工业过程相连接的输入/输出接口，具有更适用于控制要求的编程语言，具有更适应于工业环境的抗干扰性能。因此，PLC是一种工业控制用的专用计算机，它的实际组成与一般微型计算机系统基本相同，也是由硬件系统和软件系统两大部分组成。,2.1.1 可编程序控制器的硬件系统PLC的硬件系统由主机系统、输入/输出扩展环节及外部设备组成。1.主机系统,图2.1 PLC结构示意图,(1)微处理器单元(Central Processing Unit，CPU)。CPU是PLC的核心部分，它包括微处理器和控制接口电路。微处理器是PLC的运算控制中心，由它实现逻辑运算，协调控制系统内部各部分的工作。它的运行是按照系统程序所赋予的任务进行的。CPU的具体作用如下：接受、存储用户程序。按扫描方式接收来自输入单元的数据和各状态信息，并存入相应的数据存储区。执行监控程序和用户程序，完成数据和信息的逻辑处理，产生相应的内部控制信号，完成用户指令规定的各种操作。响应外部设备的请求。,PLC常用的微处理器主要有通用微处理器、单片机或双极型位片式微处理器。通用微处理器按其处理数据的位数可分为4位、8位、16位和32位等。PLC大多用8位和16位微处理器。单片机是将微处理器、部分存储器、部分输入输出接口以及连接它们的控制接口电路等集成在一块芯片上的处理器，具有高集成度、高可靠性、高功能、高速度、低成本等优点。控制接口电路是微处理器与主机内部其他单元进行联系的部件，主要有数据缓冲、单元选择、信号匹配、中断管理等功能。微处理器通过它来实现与各个单元之间的可靠的信息交换和最佳的时序配合。,(2)存储器。存储器是PLC存放系统程序、用户程序和运行数据的单元。它包括只读存储器(ROM)和随机存取存储器(RAM)。只读存储器(ROM)在使用过程中只能取出不能存储，而随机存取存储器(RAM)在使用过程中能随时取出和存储。只读存储器(ROM)按照其编程方式不同，可分为ROM、PROM、EPROM和EEPROM等。ROM又称掩膜只读存储器，它存储的内容在其制造过程中确定，不允许再改变；PROM是可编程只读存储器，它的存储内容是由用户用编程器一次性写入的，不能再改变；EPROM是可擦除可编程只读存储器，它的存储内容也是由用户用编程器写入的，但是可以在紫外线灯的照射下擦除，因此，它允许反复多次地擦除和写入；EEPROM是电擦除可编程只读存储器，它的存储内容由用户写入，在写入新的内容时，原来存储的内容会自动清除，它允许反复多次写入。,只读存储器(ROM)是非挥发性的，即在断电状态下仍能保持所存储的内容，因此它被用作PLC的系统存储器，存放生产企业编制的系统管理程序。用户逻辑解释程序和标准程序模块等组成系统程序，系统程序对用户来说是透明的，不能被用户随意改变，它也常被生产企业存储在PROM或EPROM内，安装在PLC中一起供给用户。随机存取存储器(RAM)有两种类型：静态RAM(SRAM)和动态RAM(DRAM)。SRAM是用D型触发器来存储写入的内容的，除非写入新的内容或电源关断，它存储的内容可以保持不变；DRAM是用电容来存储写入的内容的，由于电容要放电，为了维持写入的内容不变，必须对它重复进行读出和写入操作，即要有刷新电路配合使用。,随机存取存储器(RAM)是一种挥发性的器件，即当供电电源关掉后，其存储的内容会丢失，因此在实际使用中，通常为其配备掉电保护电路，当正常电源关断后，由备用电池为它供电，保护其存储的内容不丢失。随机存取存储器(RAM)在PLC中用作用户程序的存储器和数据的存储器。用户程序存储器存放的是用户编制的应用程序。为了调试和修改的方便，总是先把用户程序存放在随机存取存储器(RAM)中，经过运行、考核、修改、完善、达到设计要求后，再把它固化到EPROM中，替代RAM使用。数据存储器存储的内容是PLC运行过程中产生的各种数据。由于这些数据是不断变化的，因此用随机存取存储器(RAM)来组成数据存储器。,(3)输入/输出模块单元。PLC的对外功能主要是通过各类接口模块的外接线，实现对工业设备和生产过程的检测与控制。通过各种输入/输出接口模块，PLC既可检测到所需的过程信息，又可将处理结果传送给外部过程，驱动各种执行机构，实现工业生产过程的控制。通过输入模块单元，PLC能够得到生产过程的各种参数；通过输出模块单元，PLC能够把运算处理的结果送至工业过程现场的执行机构实现控制。实际生产中的信号电平多种多样，外部执行机构所需电流也是多种多样，而PLC的CPU所处理的只能是标准电平，由于输入/输出模块单元与工业过程现场的各种信号直接相连，这就要求它有很好的信号适应能力和抗干扰性能。因此，在输入/输出模块单元中，一般均配有电子变换、光耦合器和阻容滤波等电路，以实现外部现场的各种信号与系统内部统一信号的匹配和信号的正确传递，PLC正是通过了这种接口实现了信号电平的转换。,为适应工业过程现场对不同输入/输出信号的匹配要求，PLC配置了各种类型的输入/输出模块单元。其中常用的有以下几种类型：开关量输入单元：它的作用是把现场各种开关信号变成PLC内部处理的标准信号。开关量输入单元按照输入端的电源类型不同，分为直流输入单元和交流输入单元，分别如图2.2和图2.3所示。,图2.2 直流开关量输入单元,图2.3 交流开关量输入单元,在直流输入单元中，电阻R1与R2构成分压器，电阻R2与电容C组成阻容滤波。二极管用于防止反极性电压输入，发光二极管(LED)指示输入状态。光耦合器隔离输入电路与PLC内部电路的电气连接，并使外部信号通过光耦合器变成内部电路接收的标准信号。当外部开关闭合后，外部直流电压经过电阻分压和阻容滤波后加到光耦合器的发光二极管上，经光耦合，光敏晶体管接收光信号，并输出一个对内部电路来说接通的信号，输出端的发光二极管(LED)点亮，指示现场开关闭合。在交流输入单元中，电阻R2与R3构成分压器。电阻R1为限流电阻，电容C为滤波电容。双向光耦合器起整流和隔离双重作用，双向发光二极管用作状态指示。其工作原理和直流输入单元基本相同，仅在正反向时导通的双向光耦合器不同。,开关量输出单元：它的作用是把PLC的内部信号转换成现场执行机构的各种开关信号。按照现场执行机构使用的电源类型的不同，开关量输出单元可分为直流输出单元(晶体管输出方式或继电器触点输出方式)和交流输出单元(晶闸管输出方式或继电器触点输出方式)。在继电器输出方式中，继电器作为开关器件，同时又是隔离器件。发光二极管(LED)构成输出状态显示器，当PLC输出一个接通信号时，内部电路使继电器线圈K通电，继电器触点闭合使负载回路的负载L接通得电，VD作为续流二极管以消除线圈的反电动势，同时状态指示发光二极管(LED)导通点亮。根据负载的需要，负载回路的电源既可选用交流电源，也可选用直流电源。,特别应指出的是，由于继电器模式具有实际断点，可以从物理上切断所控制的回路，同时这种模式既适合于直流情况又适合于交流情况，因此这种模式在开关频率不太高的情况下是首选的输出控制方案。图2.4给出了这种输出方案的原理图。,图2.4 继电器模式输出单元,在晶体管输出方式中，采用光敏晶体管作为开关器件。当PLC输出一个接通信号时，内部电路使光耦合器的发光二极管得电发光，光敏晶体管受光导通后，使晶体管导通，相应负载L得电。在晶闸管输出方式中，采用光耦合式双向晶闸管作为开关器件，因此它同时又是隔离器件。当PLC输出一个接通信号时，内部电路使固态继电器内输入电路中的发光二极管导通，通过光耦合使输出回路的双向晶闸管导通，负载得电。,模拟量输入单元：模拟量输入在过程控制中的应用很广，如常用的温度、压力、速度、流量、酸碱度、位移的各种工业检测都是对应于电压、电流的模拟量值，再通过一定运算(PID)后，控制生产过程达到一定的目的。模拟量输入电平大多是从传感器通过变换后得到的，模拟量的输入信号为420 mA的电流信号或15 V、-1010 V、010 V的直流电压信号。输入模块接收这种模拟信号之后，把它转换成二进制数字信号，送给中央处理器进行处理，因此模拟量输入模块又叫A/D转换输入模块。总之，模拟量输入单元的作用是把现场连续变化的模拟量标准信