第一講：PLC的基本概念 可編程控制器(Programmable Controller)是計算機家族中的一員，是為工業控制應用而設計制造的。早期的可編程控制器稱作可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller)，簡稱PLC，它主要用來代替繼電器實現邏輯控制。隨著技術的發展，這種裝置的功能已經大大超過了邏輯控制的范圍，因此，今天這種裝置稱作可編程控制器，簡稱PC。但是為了避免與個人計算機(Personal Computer)的簡稱混淆，所以將可編程控制器簡稱PLC。
一. PLC的由來
在60年代，汽車生產流水線的自動控制系統基本上都是由繼電器控制裝置構成的。當時汽車的每一次改型都直接導致繼電器控制裝置的重新設計和安裝。隨著生產的發展，汽車型號更新的周期愈來愈短，這樣，繼電器控制裝置
就需要經常地重新設計和安裝，十分費時，費工，費料，甚至阻礙了更新周期的縮短。為了改變這一現狀，美國通用汽車公司在1969年公開招標，要求用新的控制裝置取代繼電器控制裝置，并提出了十項招標指標，即：
1. 編程方便，現場可修改程序；
2. 維修方便，采用模塊化結構；
3. 可靠性高于繼電器控制裝置；
4. 體積小于繼電器控制裝置；
5. 數據可直接送入管理計算機；
6. 成本可與繼電器控制裝置競爭；
7. 輸入可以是交流115V；
8. 輸出為交流115V，2A以上，能直接驅動電磁閥，接觸器等；
9. 在擴展時，原系統只要很小變更；
10. 用戶程序存儲器容量至少能擴展到4K。
1969年，美國數字設備公司(DEC) 研制出第一臺PLC，在美國通用汽車
自動裝配線上試用，獲得了成功。
這種新型的工業控制裝置以其簡單易懂，操作方便，可靠性高，通用靈活，體積小，使用壽命長等一系列優點，很快地在美國其他工業領域推廣應用
到1971年，已經成功地應用于食品，飲料，冶金，造紙等工業。
這一新型工業控制裝置的出現，也受到了世界其他國家的高度重視。1971
日本從美國引進了這項新技術，很快研制出了日本第一臺PLC。1973年，西歐國家也研制出它們的第一臺PLC。我國從1974年開始研制。于1977年開始工業應用。
二. PLC的定義
PLC問世以來，盡管時間不長，但發展迅速。為了使其生產和發展標準化，美國電氣制造商協會NEMA(National Electrical Manufactory Association) 經
過四年的調查工作，于1984年首先將其正式命名為PC(Programmable Controller),并給PC作了如下定義：
“PC是一個數字式的電子裝置，它使用了可編程序的記憶體儲存指令。用來執行諸如邏輯，順序，計時，計數與演算等功能，并通過數字或類似的輸入/輸出模塊，以控制各種機械或工作程序。一部數字電子計算機若是從事執行PC之功能著，亦被視為PC，但不包括鼓式或類似的機械式順序控制器。”
以后國際電工委員會(IEC)又先后頒布了PLC標準的草案第一稿，第二稿,
并在1987年2月通過了對它的定義：
“可編程控制器是一種數字運算操作的電子系統，專為在工業環境應用而設計的。它采用一類可編程的存儲器，用于其內部存儲程序，執行邏輯運算,
順序控制，定時，計數與算術操作等面向用戶的指令，并通過數字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機械或生產過程。可編程控制器及其有關外部設備，都按易于與工業控制系統聯成一個整體，易于擴充其功能的原則設計。”
總之，可編程控制器是一臺計算機，它是專為工業環境應用而設計制造的計算機。它具有豐富的輸入/輸出接口，并且具有較強的驅動能力。但可編程控制器產品并不針對某一具體工業應用，在實際應用時，其硬件需根據實際需要進行選用配置，其軟件需根據控制要求進行設計編制。
三. PLC的特點
一. PLC的主要特點
(一) 高可靠性
1. 所有的I/O接口電路均采用光電隔離，使工業現場的外電路與PLC內部電路之間電氣上隔離。
2. 各輸入端均采用R-C濾波器，其濾波時間常數一般為10~20ms.
3. 各模塊均采用屏蔽措施，以防止輻射干擾。
4. 采用性能優良的開關電源。
5. 對采用的器件進行嚴格的篩選。
6. 良好的自診斷功能，一旦電源或其他軟，硬件發生異常情況，CPU立即采用有效措施，以防止故障擴大。
7. 大型PLC還可以采用由雙CPU構成冗余系統或有三CPU構成表決系統,使可靠性更進一步提高。
(二)豐富的I/O接口模塊
PLC針對不同的工業現場信號，如：
· 交流或直流；
· 開關量或模擬量；
· 電壓或電流；
· 脈沖或電位；
· 強電或弱電等。
有相應的I/O模塊與工業現場的器件或設備，如：
· 按鈕
· 行程開關
· 接近開關
· 傳感器及變送器
· 電磁線圈
· 控制閥
直接連接。另外為了提高操作性能，它還有多種人-機對話的接口
模塊; 為了組成工業局部網絡，它還有多種通訊聯網的接口模塊，等等。
(三) 采用模塊化結構
為了適應各種工業控制需要，除了單元式的小型PLC以外，絕大多數PLC均采用模塊化結構。PLC的各個部件，包括CPU，電源，I/O等均采用模塊化設計，由機架及電纜將各模塊連接起來，系統的規模和功能可根據用戶的需要自行組合。
(四) 編程簡單易學
PLC的編程大多采用類似于繼電器控制線路的梯形圖形式，對使用者來說，不需要具備計算機的專門知識，因此很容易被一般工程技術人員所理解和掌握。
(五) 安裝簡單，維修方便
PLC不需要專門的機房，可以在各種工業環境下直接運行。使用時只需將現場的各種設備與PLC相應的I/O端相連接，即可投入運行。各種模塊上均有運行和故障指示裝置，便于用戶了解運行情況和查找故障。
由于采用模塊化結構，因此一旦某模塊發生故障，用戶可以通過更換模塊的方法，使系統迅速恢復運行。
二. PLC的功能
(一) 邏輯控制
(二) 定時控制
(三) 計數控制
(四) 步進(順序)控制
(五) PID控制
(六) 數據控制
PLC具有數據處理能力。
(七) 通信和聯網
(八) 其它
PLC還有許多特殊功能模塊，適用于各種特殊控制的要求，如：定位控制模塊，CRT模塊。
四. PLC的發展階段
雖然PLC問世時間不長，但是隨著微處理器的出現，大規模，超大規模集成電路技術的迅速發展和數據通訊技術的不斷進步，PLC也迅速發展，其發展過程大致可分三個階段：
一. 早期的PLC(60年代末—70年代中期)
早期的PLC一般稱為可編程邏輯控制器。這時的PLC多少有點繼電器控制裝置的替代物的含義，其主要功能只是執行原先由繼電器完成的順序控制，定時等。它在硬件上以準計算機的形式出現，在I/O接口電路上作了改進以適應工業控制現場的要求。裝置中的器件主要采用分立元件和中小規模集成電路，存儲器采用磁芯存儲器。另外還采取了一些措施，以提高其抗干擾的能力。在軟件編程上，采用廣大電氣工程技術人員所熟悉的繼電器控制線路的方式—梯形圖。因此，早期的PLC的性能要優于繼電器控制裝置，其優點包括簡單易懂，便于安裝，體積小，能耗低，有故障指使，能重復使用等。其中PLC特有的編程語言—梯形圖一直沿用至今。
二. 中期的PLC(70年代中期—80年代中，后期)
在70年代，微處理器的出現使PLC發生了巨大的變化。美國，日本，德國等一些廠家先后開始采用微處理器作為PLC的中央處理單元(CPU)。
這樣，使PLC得功能大大增強。在軟件方面，除了保持其原有的邏輯運算、計時、計數等功能以外，還增加了算術運算、數據處理和傳送、通訊、自診斷等功能。在硬件方面，除了保持其原有的開關模塊以外，還增加了模擬量模塊、遠程I/O模塊、各種特殊功能模塊。并擴大了存儲器的容量，使各種邏輯線圈的數量增加，還提供了一定數量的數據寄存器，使PLC得應用范圍得以擴大。
三. 近期的PLC(80年代中、后期至今)
進入80年代中、后期，由于超大規模集成電路技術的迅速發展，微處理器的市場價格大幅度下跌，使得各種類型的PLC所采用的微處理器的當次普遍提高。而且，為了進一步提高PLC的處理速度，各制造廠商還紛紛研制開發了專用邏輯處理芯片。這樣使得PLC軟、硬件功能發生了巨大變化。
五. PLC的分類
(一) 小型PLC
小型PLC的I/O點數一般在128點以下，其特點是體積小、結構緊湊，整個硬件融為一體，除了開關量I/O以外，還可以連接模擬量I/O以及其他各種特殊功能模塊。它能執行包括邏輯運算、計時、計數、算術運算、數據處理和傳送、通訊聯網以及各種應用指令。
(二) 中型PLC
中型PLC采用模塊化結構，其I/O點數一般在256~1024點之間。I/O的處理方式除了采用一般PLC通用的掃描處理方式外，還能采用直接處理方式，即在掃描用戶程序的過程中，直接讀輸入，刷新輸出。它能聯接各種特殊功能模塊，
通訊聯網功能更強，指令系統更豐富，內存容量更大，掃描速度更快。
(三) 大型PLC
一般I/O點數在1024點以上的稱為大型PLC。大型PLC的軟、硬件功能極強。具有極強的自診斷功能。通訊聯網功能強，有各種通訊聯網的模塊，可以構成三級通訊網，實現工廠生產管理自動化。大型PLC還可以采用三CPU構成表決式系統，使機器的可靠性更高。
六. PLC的基本結構
PLC實質是一種專用于工業控制的計算機，其硬件結構基本上與微型計算機相同，如圖所示：
一. 中央處理單元(CPU)
中央處理單元(CPU)是PLC的控制中樞。它按照PLC系統程序賦予的功能接收并存儲從編程器鍵入的用戶程序和數據；檢查電源、存儲器、I/O以及警戒定時器的狀態，并能診斷用戶程序中的語法錯誤。當PLC投入運行時，首先它
以掃描的方式接收現場各輸入裝置的狀態和數據，并分別存入I/O映象區，然后從用戶程序存儲器中逐條讀取用戶程序，經過命令解釋后按指令的規定執行邏輯或算數運算的結果送入I/O映象區或數據寄存器內。等所有的用戶程序執行完畢之后，最后將I/O映象區的各輸出狀態或輸出寄存器內的數據傳送到相應的輸出裝置，如此循環運行，直到停止運行。
為了進一步提高PLC的可靠性，近年來對大型
PLC還采用雙CPU構成冗余系統，或采用三CPU的表決式系統。這樣，即使某個CPU出現故障，整個系統仍能正常運行。
二. 存儲器
存放系統軟件的存儲器稱為系統程序存儲器。
存放應用軟件的存儲器稱為用戶程序存儲器。
(一) PLC常用的存儲器類型
1. RAM (Random Assess Memory)
這是一種讀/寫存儲器(隨機存儲器)，其存取速度最快，由鋰電池支持。
2. EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory)
這是一種可擦除的只讀存儲器。在斷電情況下，存儲器內的所有內容保
持不變。(在紫外線連續照射下可擦除存儲器內容)。
3. EEPROM(Electrical Erasable Programmable Read Only Memory)
這是一種電可擦除的只讀存儲器。使用編程器就能很容易地對其所存儲的內容進行修改。
(二) PLC存儲空間的分配
雖然各種PLC的CPU的最大尋址空間各不相同，但是根據PLC的工作原理
其存儲空間一般包括以下三個區域：
Ø 系統程序存儲區
Ø 系統RAM存儲區(包括I/O映象區和系統軟設備等)
Ø 用戶程序存儲區
1. 系統程序存儲區
在系統程序存儲區中存放著相當于計算機操作系統的系統程序。包括監控程序、管理程序、命令解釋程序、功能子程序、系統診斷子程序等。由制造
廠商將其固化在EPROM中，用戶不能直接存取。它和硬件一起決定了該PLC的性能。
2. 系統RAM存儲區
系統RAM存儲區包括I/O映象區以及各類軟設備，如：
Ø 邏輯線圈
Ø 數據寄存器
Ø 計時器
Ø 計數器
Ø 變址寄存器
Ø 累加器
等存儲器。
(1) I/O映象區 由于PLC投入運行后，只是在輸入采樣階段才依次讀入各輸入狀態和數據，在輸出刷新階段才將輸出的狀態和數據送至相應的外設。
因此，它需要一定數量的存儲單元(RAM)以存放I/O的狀態和數據，這些單元稱作I/O映象區。
一個開關量I/O占用存儲單元中的一個位(bit)，一個模擬量I/O占用存儲單元中的一個字(16個bit)。因此整個I/O映象區可看作兩個部分組成：
Ø 開關量I/O映象區
Ø 模擬量I/O映象區
(2) 系統軟設備存儲區
除了I/O映象區區以外，系統RAM存儲區還包括PLC內部各類軟設備(邏輯線圈、計時器、計數器、數據寄存器和累加器等)的存儲區。該存儲區又分為具有失電保持的存儲區域和無失電保持的存儲區域，前者在PLC斷電時，由內部的鋰電池供電，數據不會遺失；后者當PLC斷電時，數據被清零。
1) 邏輯線圈
與開關輸出一樣，每個邏輯線圈占用系統RAM存儲區中的一個位，但
不能直接驅動外設，只供用戶在編程中使用，其作用類似于電器控制線路中的繼電器。 另外，不同的PLC還提供數量不等的特殊邏輯線圈，具有不同的功能。
2) 數據寄存器
與模擬量I/O一樣，每個數據寄存器占用系統RAM存儲區中的一個字(16 bits)。 另外，PLC還提供數量不等的特殊數據寄存器，具有不同的功能。
3) 計時器
4) 計數器
3. 用戶程序存儲區
用戶程序存儲區存放用戶編制的用戶程序。不同類型的PLC，其存儲容量各不相同。
三. 電源
PLC的電源在整個系統中起著十分重要得作用。如果沒有一個良好的、
可靠得電源系統是無法正常工作的，因此PLC的制造商對電源的設計和制造也十分重視。
一般交流電壓波動在+10%(+15%)范圍內，可以不采取其它措施而將PLC直接連接到交流電網上去。
七. PLC的工作原理
最初研制生產的PLC主要用于代替傳統的由繼電器接觸器構成的控制裝置，但這兩者的運行方式是不相同的：
Ø 繼電器控制裝置采用硬邏輯并行運行的方式，即如果這個繼電器的線圈通電或斷電，該繼電器所有的觸點(包括其常開或常閉觸點)在繼電器控制線路的哪個位置上都會立即同時動作。
Ø PLC的CPU則采用順序邏輯掃描用戶程序的運行方式，即如果一個輸出線圈或邏輯線圈被接通或斷開，該線圈的所有觸點(包括其常開或常閉觸點)不會立即動作，必須等掃描到該觸點時才會動作。
為了消除二者之間由于運行方式不同而造成的差異，考慮到繼電器控制裝置各類觸點的動作時間一般在100ms以上，而PLC掃描用戶程序的時間一般均小于100ms，因此，PLC采用了一種不同于一般微型計算機的運行方式---掃描技
術。這樣在對于I/O響應要求不高的場合，PLC與繼電器控制裝置的處理結果上就沒有什么區別了。
一. 掃描技術
當PLC投入運行后，其工作過程一般分為三個階段，即輸入采樣、用戶程序執行和輸出刷新三個階段。完成上述三個階段稱作一個掃描周期。在整個運行期間，PLC的CPU以一定的掃描速度重復執行上述三個階段。
(一) 輸入采樣階段
在輸入采樣階段，PLC以掃描方式依次地讀入所有輸入狀態和數據，并將它們存入I/O映象區中的相應得單元內。輸入采樣結束后，轉入用戶程序執行和輸出刷新階段。在這兩個階段中，即使輸入狀態和數據發生變化，I/O映象區中的相應單元的狀態和數據也不會改變。因此，如果輸入是脈沖信號，則該脈沖信號的寬度必須大于一個掃描周期，才能保證在任何情況下，該輸入均能被讀入。
(二) 用戶程序執行階段
在用戶程序執行階段，PLC總是按由上而下的順序依次地掃描用戶程序(梯形圖)。在掃描每一條梯形圖時，又總是先掃描梯形圖左邊的由各觸點構成的控制線路，并按先左后右、先上后下的順序對由觸點構成的控制線路進行邏輯運算，然后根據邏輯運算的結果，刷新該邏輯線圈在系統RAM存儲區中對應位的狀態；或者刷新該輸出線圈在I/O映象區中對應位的狀態；或者確定是否要執行該梯形圖所規定的特殊功能指令。
即，在用戶程序執行過程中，只有輸入點在I/O映象區內的狀態和數據不會發生變化，而其他輸出點和軟設備在I/O映象區或系統RAM存儲區內的狀態和數據都有可能發生變化，而且排在上面的梯形圖，其程序執行結果會對排在下面的凡是用到這些線圈或數據的梯形圖起作用；相反，排在下面的梯形圖，其被刷新的邏輯線圈的狀態或數據只能到下一個掃描周期才能對排在其上面的程序起作用。
(三) 輸出刷新階段
當掃描用戶程序結束后，PLC就進入輸出刷新階段。在此期間，CPU按照I/O映象區內對應的狀態和數據刷新所有的輸出鎖存電路，再經輸出電路驅動相應的外設。這時，才是PLC的真正輸出。
比較下二個程序的異同：
程序1：
程序2：
這兩段程序執行的結果完全一樣，但在PLC中執行的過程卻不一樣。
Ø 程序1只用一次掃描周期，就可完成對%M4的刷新；
Ø 程序2要用四次掃描周期，才能完成對%M4的刷新。
這兩個例子說明：同樣的若干條梯形圖，其排列次序不同，執行的結果也不同。另外，也可以看到：采用掃描用戶程序的運行結果與繼電器控制裝置的硬邏輯并行運行的結果有所區別。當然，如果掃描周期所占用的時間對整個運行來說可以忽略，那么二者之間就沒有什么區別了。
一般來說，PLC的掃描周期包括自診斷、通訊等，如下圖所示，即一個掃描周期等于自診斷、通訊、輸入采樣、用戶程序執行、輸出刷新等所有時間的總和。
二. PLC的I/O響應時間
為了增強PLC的抗干擾能力，提高其可靠性，PLC的每個開關量輸入端都采用光電隔離等技術。
為了能實現繼電器控制線路的硬邏輯并行控制，PLC采用了不同于一般微型計算機的運行方式(掃描技術)。
以上兩個主要原因，使得PLC得I/O響應比一般微型計算機構成的工業控制系統滿的多，其響應時間至少等于一個掃描周期，一般均大于一個掃描周期甚至更長。
所謂I/O響應時間指從PLC的某一輸入信號變化開始到系統有關輸出端信號的改變所需的時間。其最短的I/O響應時間與最長的I/O響應時間如圖所示：
最短I/O響應時間：
最長I/O響應時間：
八. PLC的I/O系統
一. I/O尋址方式
PLC的硬件結構主要分單元式和模塊式兩種。前者將PLC的主要部分(包括I/O系統和電源等)全部安裝在一個機箱內。后者將
PLC的主要硬件部分分別制成模塊，然后由用戶根據需要將所選用的模塊插入PLC機架上的槽內，構成一個PLC系統。
不論采取哪一種硬件結構，都必須確立用于連接工業現場的各個輸入/輸出點與PLC的I/O映象區之間的對應關系，即給每一個輸入/輸出點以明確的地址確立這種對應關系所采用得方式稱為I/O尋址方式。
I/O尋址方式有以下三種：
Ø 固定的I/O尋址方式
這種I/O尋址方式是由PLC制造廠家在設計、生產PLC時確定的，它的每一個輸入/輸出點都有一個明確的固定不變的地址。一般來說，單元式的PLC采用這種I/O尋址方式。
Ø 開關設定的I/O尋址方式
這種I/O尋址方式是由用戶通過對機架和模塊上的開關位置的設定來確定的。
Ø 用軟件來設定的I/O尋址方式
這種I/O尋址方式是有用戶通過軟件來編制I/O地址分配表來確定的。
滬公網安備31010802001143號
