第七章可编程序控制器 可编程控制器pC( Programmable Controller)又称可编程逻辑控制器PLC ( Programmable Logic Controller),是微机技术与继电器常规控制技术相结合的产物,是 在顺序控制器的基础上发展起来的新型控制器,是一种以微处理器为核心用作数字控制的专 用计算机。 70年代初,由于计算机技术和集成电路的迅速发展,美国首先把计算机技术应用到控 制装置中。可编程控制器就是一种利用计算机技术设计的一种顺序控制装置,它采用了专门 设计的硬件,而它的控制功能则是通过存放在存贮器中的控制程序来确定的,因此若要对控 制功能作一些修改,只需改变一些软件即可 7.1可编程序控制器的基本结构和工作原理 可编程序控制器的基本结构 PLC的种类很多,大、中、小型PLC的功能也不尽相同,其结构也有所不同,但主体结 构形式大体上是相同的,由输入腧输出电路、中央控制、电源及编程器等构成。结构框图如图 71所示 本体部分 存储器 场输入信号 入 输入状态寄存器 CPU 输入状态寄存器 输出接口 现场执行 外部设备 编程器等) 图7.1可编程序控制器结构框图 1.中央控制单元 中央控制单元一般为微型计算机系统,包括微处理器、系统程序存储器、用户程序存储 器、计时器、计数器等。 微处理器是PLC的核心,其主要作用是 1)接受从编程器输入的用户程序,并存入程序存储器中;
第七章 可编程序控制器 可编程控制器 PC （ Programmable Controller ）又称可编程逻辑控制器 PLC （Programmable Logic Controller），是微机技术与继电器常规控制技术相结合的产物，是 在顺序控制器的基础上发展起来的新型控制器，是一种以微处理器为核心用作数字控制的专 用计算机。 70 年代初，由于计算机技术和集成电路的迅速发展，美国首先把计算机技术应用到控 制装置中。可编程控制器就是一种利用计算机技术设计的一种顺序控制装置，它采用了专门 设计的硬件，而它的控制功能则是通过存放在存贮器中的控制程序来确定的，因此若要对控 制功能作一些修改，只需改变一些软件即可。 7．1 可编程序控制器的基本结构和工作原理 一、可编程序控制器的基本结构 PLC 的种类很多，大、中、小型 PLC 的功能也不尽相同，其结构也有所不同，但主体结 构形式大体上是相同的，由输入/输出电路、中央控制、电源及编程器等构成。结构框图如图 7.1 所示： 图 7.1 可编程序控制器结构框图 1．中央控制单元 中央控制单元一般为微型计算机系统，包括微处理器、系统程序存储器、用户程序存储 器、计时器、计数器等。 微处理器是 PLC 的核心，其主要作用是： 1） 接受从编程器输入的用户程序，并存入程序存储器中；
2)用扫描方式采集现场输入状态和数据,并存入输入状态寄存器中; 3)执行用户程序,产生相应的控制信号去控制输出电路,实现程序规定的各种操作 4)通过故障诊断程序,诊断PLC的各种运行错误。 用户程序存储器可分为两大部分,一部分用来存储用户程序,另一部分则供监控和用户 程序作为缓冲单元。微处理器对这一部分缓冲单元的某些部分可以进行字操作,而对另一部 份可进行位操作。在PLC中,对可进行字操作的缓冲单元常称为字元件(也称数据寄存器), 对可进行位操作的缓冲单元常称为位元件(也称中间继电器)。 2.输入输出电路(JO) 1)输入电路 输入电路是PLC与外部连接的输入通道。输入信号(如按钮、行程开关以及传感器输出 的开关信号或模拟量)经过输入电路转换成中央控制单元能接受和处理的数字信号 2)输出电路 输出电路是PLC向外部执行部件输出相应控制信号的通道。通过输出电路,PLC可对 外部执行部件(如接触器、电磁阀、继电器、指示灯、步进电机、伺服电机等)进行控 输入/输出电路根据其功能的不同可分为数字输入、数字输出、模拟量输入、模拟量输出、 位置控制、通讯等各种类型。 3.电源部件 电源部件能将交流电转换成中央控制单元、输入/输出部件所需要的直流电源;能适应 电网波动、温度变化的影响,对电压具有一定的保护能力,以防止电压突变时损坏中央控制 器。另外电源部件内还装有备用电池(锂电池),以保证在断电时存放在RAM中的信息不 至丢失。因此用户程序在调试过程中,可采用RAM贮存,便于修改程序。 4.编程器 编程器是PLC的重要外部设备。它能对程序进行编制、调试、监视、修改、编辑,最后 将程序固化在 EPROM中。它可分成简易型和智能型两种。 简易型编程器只能在线编程,通过一个专用接口与PLC连接。程序以软件模块形式输入 可先在编程器RM区存放,然后送入控制器的贮存器中。利用编程器可进行程序调试。可随 时插入、删除或更改程序,调试通过后转入 EPROM中贮存。 智能型编程器既可在线编程,又可离线编程,还可远离PLC插到现场控制站的相应接 口编程。可以实现梯形图编程、彩色图形显示、通讯联网、打卬输岀控制和事务管理等。编 程器的键盘采用梯形图语言键或指令语言键,通过屏幕对话进行编程。也可用通用计算机作
2） 用扫描方式采集现场输入状态和数据，并存入输入状态寄存器中； 3） 执行用户程序，产生相应的控制信号去控制输出电路，实现程序规定的各种操作； 4） 通过故障诊断程序，诊断 PLC 的各种运行错误。 用户程序存储器可分为两大部分，一部分用来存储用户程序，另一部分则供监控和用户 程序作为缓冲单元。微处理器对这一部分缓冲单元的某些部分可以进行字操作，而对另一部 份可进行位操作。在 PLC 中，对可进行字操作的缓冲单元常称为字元件（也称数据寄存器）， 对可进行位操作的缓冲单元常称为位元件（也称中间继电器）。 2．输入/输出电路（I/O） 1) 输入电路 输入电路是 PLC 与外部连接的输入通道。输入信号(如按钮、行程开关以及传感器输出 的开关信号或模拟量)经过输入电路转换成中央控制单元能接受和处理的数字信号。 2）输出电路 输出电路是 PLC 向外部执行部件输出相应控制信号的通道。通过输出电路，PLC 可对 外部执行部件(如接触器、电磁阀、继电器、指示灯、步进电机、伺服电机等)进行控制。 输入/输出电路根据其功能的不同可分为数字输入、数字输出、模拟量输入、模拟量输出、 位置控制、通讯等各种类型。 3．电源部件： 电源部件能将交流电转换成中央控制单元、输入/输出部件所需要的直流电源；能适应 电网波动、温度变化的影响，对电压具有一定的保护能力，以防止电压突变时损坏中央控制 器。另外电源部件内还装有备用电池（锂电池），以保证在断电时存放在 RAM 中的信息不 至丢失。因此用户程序在调试过程中，可采用 RAM 贮存，便于修改程序。 4．编程器 编程器是 PLC 的重要外部设备。它能对程序进行编制、调试、监视、修改、编辑，最后 将程序固化在 EPROM 中。它可分成简易型和智能型两种。 简易型编程器只能在线编程，通过一个专用接口与 PLC 连接。程序以软件模块形式输入。 可先在编程器 RAM 区存放，然后送入控制器的贮存器中。利用编程器可进行程序调试。可随 时插入、删除或更改程序，调试通过后转入 EPROM 中贮存。 智能型编程器既可在线编程，又可离线编程，还可远离 PLC 插到现场控制站的相应接 口编程。可以实现梯形图编程、彩色图形显示、通讯联网、打印输出控制和事务管理等。编 程器的键盘采用梯形图语言键或指令语言键，通过屏幕对话进行编程。也可用通用计算机作
编程器,通过RS-232通讯口与PLC联接。在微机上进行梯形图编辑、调试和监控,可实现 人机对话、通信和打印等 二、可编程序控制器的结构形成 按结构形成的不同,PLC可分为整体式和模块式两种 整体式PLC将所有的电路都装入一个模块内,构成一个整体。因此,它的特点是结构 紧凑,体积小,质量轻。 模块式可编程控制器采用搭积木的方式组成系统,在一块基板上插上CPU、电源、IO 模块及特殊功能模块,构成一个总1O点数很多的大规模综合控制系统。这种结构形式的特 点是CPU模块、输入/输岀模块都是独立模玦。因此可以根据不同的系统规模选用不同档次 的CPU及各种O模块、功能模块。其模块尺寸统一、安装方便,对于O点数很多的大 型系统的选型、安装调试、扩展、维修等都非常方便。这种结构形式的PLC除了各种模块 以外,还需要用基板(主基板、扩展基板)将各模块联成整体;有多块基板时,则还要用电 缆将各基板联在一起。 图72为可编程控制器两种结构形式的外形图。 (a)整体式结构(b)模块式结构 图72可编程控制器结构外形图 、可编程序控制器的工作原理 PLC的输入电路是用来收集被控设备的输入信息或操作命令的:输出电路则是用来驱 动被控设备的执行机构。而执行机构与输入信号、操作命令之间的控制逻辑则靠微处理器执 行用户编制的控制程序来实现。 PLC一般采用对用户程序循环扫描的工作方式。扫描工作方式分五个阶段,如图7.3所
编程器，通过 RS-232 通讯口与 PLC 联接。在微机上进行梯形图编辑、调试和监控，可实现 人机对话、通信和打印等。 二、可编程序控制器的结构形成 按结构形成的不同，PLC 可分为整体式和模块式两种。 整体式 PLC 将所有的电路都装入一个模块内，构成一个整体。因此，它的特点是结构 紧凑，体积小，质量轻。 模块式可编程控制器采用搭积木的方式组成系统，在一块基板上插上 CPU、电源、I/O 模块及特殊功能模块，构成一个总 I/O 点数很多的大规模综合控制系统。这种结构形式的特 点是 CPU 模块、输入/输出模块都是独立模块。因此可以根据不同的系统规模选用不同档次 的 CPU 及各种 I/O 模块、功能模块。其模块尺寸统一、安装方便，对于 I/O 点数很多的大 型系统的选型、安装调试、扩展、维修等都非常方便。这种结构形式的 PLC 除了各种模块 以外，还需要用基板（主基板、扩展基板）将各模块联成整体；有多块基板时，则还要用电 缆将各基板联在一起。 图 7.2 为可编程控制器两种结构形式的外形图。 （a）整体式结构 （b）模块式结构 图 7.2 可编程控制器结构外形图 三、 可编程序控制器的工作原理 PLC 的输入电路是用来收集被控设备的输入信息或操作命令的；输出电路则是用来驱 动被控设备的执行机构。而执行机构与输入信号、操作命令之间的控制逻辑则靠微处理器执 行用户编制的控制程序来实现。 PLC 一般采用对用户程序循环扫描的工作方式。扫描工作方式分五个阶段，如图 7.3 所 示：
1.自诊断:首先执行自诊断程序,对输入输出点、 存储器和CPU进行自诊断 白诊断 2.通讯处理:如有通讯请求,在自诊断后就进行通 与编程器通信 讯处理 读入现场信号 3.输入采样阶段:当PLC开始工作时,微处理器 执行用户程序 首先以顺序读入所有输入端的信号状态,并逐一存入输 入状态寄存器中。在程序执行期间,即使输入状态变化 输出结果 输入状态寄存器的内容也不会改变。这些变化只能在下 图7.3循环扫描工作方式 个工作周期的输入采样阶段才被读入。 4.程序执行阶段:组成程序的每条指令都有顺序号,在PLC中称步号。指令按步号依 次存入贮存单元。程序执行期间,微处理器将指令顺序调出并执行。执行时,对输入和输出 状态进行“处理”,即按程序进行逻辑、算术运算,再将结果存入输出状态寄存器中。 5.输出刷新阶段:在所有的指令执行完毕后,输出状态寄存器中的状态通过输出锁存 电路转换成被控设备所能接收的电压或电流信号,以驱动被控设备 PLC经过这三个阶段的工作过程为一个扫描周期。可见全部输入、输出状态的改变需 一个扫描周期,也就是输入、输出状态的保持为一个扫描周期。扫描周期主要取决于可编程 控制器的速度和程序的长短。一般在几ms至几十ms之间。 7.2可编程序控制器的主要功能和特点 可编程控制器的功能 随着科学技术的不断发展,可编程控制技术日趋完善,其功能越来越强。它不仅可以代 替继电器控制系统,使硬件软化,提高系统的可靠性和柔性,还具有运算、计数、计时、调 节、连网等许多功能。可编程控制器与计算机系统也不尽相同,它省去了一些函数运算功能, 却大大増强了逻辑运算和控制功能,其中包括步进顺序控制、限时控制、条件控制、计数控 制等等,而且逻辑电路简单,指令系统也大大简化了,程序编制方法容易掌握,程序结构简 单直观。它还配有可靠的输入输出接口电路,可直接用于控制对象及外围设备,使用极其方 便,即使在很恶劣的工业环境中,仍能保持可靠运行。其主要功能如下: 1.逻辑控制 可编程控制器具有逻辑运算功能,它设置有“与”、“或”、“非”等逻辑指令,能够描述 继电器触点的串联、并联、串并联、并串联等各种连接。因此它可以代替继电器进行组合逻
图 7.3 循环扫描工作方式 1．自诊断：首先执行自诊断程序，对输入输出 点、 存储器和 CPU 进行自诊断。 2．通讯处理：如有通讯请求，在自诊断后就进行通 讯处理。 3．输入采样阶段：当 PLC 开始工作时，微处理器 首先以顺序读入所有输入端的信号状态，并逐一存入输 入状态寄存器中。在程序执行期间，即使输入状态变化， 输入状态寄存器的内容也不会改变。这些变化只能在下 一个工作周期的输入采样阶段才被读入。 4．程序执行阶段：组成程序的每条指令都有顺序号，在 PLC 中称步号。指令按步号依 次存入贮存单元。程序执行期间，微处理器将指令顺序调出并执行。执行时，对输入和输出 状态进行“处理”，即按程序进行逻辑、算术运算，再将结果存入输出状态寄存器中。 5．输出刷新阶段：在所有的指令执行完毕后，输出状态寄存器中的状态通过输出锁存 电路转换成被控设备所能接收的电压或电流信号，以驱动被控设备。 PLC 经过这三个阶段的工作过程为一个扫描周期。可见全部输入、输出状态的改变需 一个扫描周期，也就是输入、输出状态的保持为一个扫描周期。扫描周期主要取决于可编程 控制器的速度和程序的长短。一般在几 ms 至几十 ms 之间。 7．2 可编程序控制器的主要功能和特点 一、 可编程控制器的功能 随着科学技术的不断发展，可编程控制技术日趋完善，其功能越来越强。它不仅可以代 替继电器控制系统，使硬件软化，提高系统的可靠性和柔性，还具有运算、计数、计时、调 节、连网等许多功能。可编程控制器与计算机系统也不尽相同，它省去了一些函数运算功能， 却大大增强了逻辑运算和控制功能，其中包括步进顺序控制、限时控制、条件控制、计数控 制等等，而且逻辑电路简单，指令系统也大大简化了，程序编制方法容易掌握，程序结构简 单直观。它还配有可靠的输入输出接口电路，可直接用于控制对象及外围设备，使用极其方 便，即使在很恶劣的工业环境中，仍能保持可靠运行。其主要功能如下： 1．逻辑控制 可编程控制器具有逻辑运算功能，它设置有“与”、“或”、“非”等逻辑指令，能够描述 继电器触点的串联、并联、串并联、并串联等各种连接。因此它可以代替继电器进行组合逻
辑和顺序逻辑控制 2.定时控制 可编程控制器具有定时控制功能。它为用户提供若干个定时器并设置了定时指令。定时 时间可由用户在编程时设定,并能在运行中被读出与修改,使用灵活,操作方便 3.计数控制 可编程控制器具有计数控制功能。它为用户提供若干个计数器并设置了计数指令。定数 值可由用户在编程时设定,并能在运行中被读出与修改,使用灵活,操作方便 4.AD、DA转换 大多数可编程控制器还具有模/数(AD)和数/模(D/A)转换功能,能完成对模拟量的 检测与控制 5.定位控制 有些可编程控制器具有步进电动机和伺服电动机控制功能,能组成开环系统或闭环系 统,实现位置控制。 6.通讯与联网 有些可编程控制器具有联网和通讯功能,可以进行远程υO控制,多台可编程控制器之 间可以进行同位链接,还可以与计算机进行上位链接。由一台计算机和多台可编程控制器可 以组成“集中管理、分散控制”的分布式控制网络,以完成较大规模的复杂控制 7.数据处理功能 大多数可编程控制器都具有数据处理功能,能进行数据并行传送、比较运算;BCD码 的加、减、乘、除等运算;还能进行字的按位“与”、“或”、“异或”、求反、逻辑移位、算 术移位、数据检索、比较、数制转换等操作。 随着科学技术的不断发展,可编程控制器的功能也会不断拓宽和増强 、编程控制器的特点 1.抗干扰能力强、可靠性高、环境适应性好。 可编程控制器是专门为工业控制而设计的,在设计和制造中均采用了诸如屏蔽、滤波、 隔离、无触点、精选元器件等多层次有效的抗干扰措施,因此可靠性很高。此外,可编程控 制器具有很强的自诊断功能,可以迅速方便地判断出故障,减少故障排除时间。可在各种恶 劣的环境中使用
辑和顺序逻辑控制。 2．定时控制 可编程控制器具有定时控制功能。它为用户提供若干个定时器并设置了定时指令。定时 时间可由用户在编程时设定，并能在运行中被读出与修改，使用灵活，操作方便。 3．计数控制 可编程控制器具有计数控制功能。它为用户提供若干个计数器并设置了计数指令。定数 值可由用户在编程时设定，并能在运行中被读出与修改，使用灵活，操作方便。 4．A/D、D/A 转换 大多数可编程控制器还具有模/数（A/D）和数/模（D/A）转换功能，能完成对模拟量的 检测与控制。 5．定位控制 有些可编程控制器具有步进电动机和伺服电动机控制功能，能组成开环系统或闭环系 统，实现位置控制。 6．通讯与联网 有些可编程控制器具有联网和通讯功能，可以进行远程 I/O 控制，多台可编程控制器之 间可以进行同位链接，还可以与计算机进行上位链接。由一台计算机和多台可编程控制器可 以组成“集中管理、分散控制”的分布式控制网络，以完成较大规模的复杂控制。 7．数据处理功能 大多数可编程控制器都具有数据处理功能，能进行数据并行传送、比较运算；BCD 码 的加、减、乘、除等运算；还能进行字的按位“与”、“或”、“异或”、求反、逻辑移位、算 术移位、数据检索、比较、数制转换等操作。 随着科学技术的不断发展，可编程控制器的功能也会不断拓宽和增强。 二、 编程控制器的特点 1．抗干扰能力强、可靠性高、环境适应性好。 可编程控制器是专门为工业控制而设计的，在设计和制造中均采用了诸如屏蔽、滤波、 隔离、无触点、精选元器件等多层次有效的抗干扰措施，因此可靠性很高。此外，可编程控 制器具有很强的自诊断功能，可以迅速方便地判断出故障，减少故障排除时间。可在各种恶 劣的环境中使用