1、第1章 可编程序控制器概述,可编程序控制器是在继电器控制的基础上，以微处理器为核心，综合了计算机技术、自动控制技术及通信技术而发展起来的一种新型的高度集成化的通用工业自动控制装置。它具有体积小、功能强、灵活通用与维护方便等一系列优点，特别是它的高可靠性和较强的适应恶劣环境的能力备受青睐，是当今工业控制领域的一种高可靠性控制器。 早期的可编程序控制器发源于继电器控制系统，主要应用于开关量的逻辑控制，因此称为PLC（Programmable Logic Controller），即可编程逻辑控制器。如今，逻辑控制只是可编程序控制器的基本功能之一，故称为“Programmable Controller
2、”，简称PC。由于该简称容易与个人计算机PC相混淆，所以，仍然将可编程序控制器简称为PLC。当今，PLC已成为当代工业生产自动化的重要支柱之一。,1.1 PLC的由来和定义,一种新型的控制装置，一项先进的应用技术，总是根据工业生产的实际需要而产生的。 在可编程控制器产生以前，以各种继电器为主要元件的电气控制线路，承担着生产过程自动控制的艰巨任务。这种控制系统结构简单、价格便宜、易于掌握，占据着半个多世纪的生产过程自动控制的主导地位。但是，继电器控制系统的缺点是显而易见的，体积庞大、可靠性差、响应慢、功耗高、噪音大、功能简单、配线复杂而固定，不易检查和维修，如图1-1所示。这些缺点在20世纪60
3、年代的汽车生产工业凸显出来。,1.1.1 PLC的由来,1968年，美国最大的汽车制造商通用汽车公司(GM)为满足市场需求，适应汽车生产工艺不断更新的需要，将汽车的生产方式由大批量、少品种转变为小批量、多品种。为此要解决因汽车不断改型而重新设计汽车装配线上各种继电器的控制线路问题，寻求一种比继电器更可靠，响应速度更快、功能更强大的通用工业控制器。GM公司提出了著名的十条技术指标在社会上招标，要求控制设备制造商为其装配线提供一种新型的通用工业控制器，它应具有以下特点： （1）编程简单，可在现场方便地编辑及修改程序； （2）价格便宜，其性能价格比要高于继电器控制系统； （3）体积要明显小于继电器控
4、制柜； （4）可靠性要明显高于继电器控制系统； （5）具有数据通信功能； （6）输入可以是AC115V； （7）输出为AC115V，2A以上； （8）硬件维护方便，最好是插件式结构； （9）扩展时，原有系统只需做很小改动； （10）用户程序存储器容量至少可以扩展到4K。,从上述10项指标可以看出，它实际上就是当今可编程控制器最基本的功能。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。 根据以上指标，美国数字设备公司(DEC)在1969年研制出世界上第一台可编程控制器，型号为PDP-14，并在GM
5、公司的汽车生产线上首次应用成功，取得了显著的经济效益。当时人们把它称为可编程序逻辑控制器(Programmable Logic Controller，简称PLC)。 可编程控制器这一新技术的出现，受到国内外工程技术界的极大关注，纷纷投入力量研制。第一个把PLC商品化的是美国的哥德公司(GOULD)时间也是 1969年。1971年，日本从美国引进了这项新技术，研制出日本第一台可编程控制器。19731974年，德国和法国也都相继研制出自己的可编程控制器，德国西门子公司(SIEMENS)于1973年研制出欧洲第一台PLC。我国从1974年开始研制，1977年开始工业应用。早期的PLC主要由分立式电子
6、元件和小规模集成电路组成，二十世纪七十年代中期以来，由于大规模集成电路(LSI)和微处理器在PLC中的应用，使PLC的功能不断增强，使PLC更多地具有了计算机的功能。目前世界上著名的电气设备制造厂商几乎都生产PLC系列产品，并且使PLC作为一个独立的工业设备成为主导的通用工业控制器。,1.1.2 PLC的定义,可编程控制器这一名称最早是由美国电气制造商协会(NEMA)在1980年命名的，国际电工委员会(IEC)于1982年、1985年和1987年先后三次颁布了可编程控制器的标准草案。IEC的草案对可编程控制器作了如下定义：可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它
7、采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算和顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的或模拟的输入和输出接口，控制各种类型的机器设备或生产过程。可编程控制器及其有关外围设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。” 该定义强调了可编程控制器是“数字运算操作的电子系统”，它是一种计算机，它是“专为工业环境下应用而设计”的工业控制计算机。,1.2 PLC的分类及特点,1.2.1 PLC的分类,1. 根据控制规模分类PLC的控制规模是以所配置的输入/输出（I/O）点数来衡量的。根据I/O点数的多少可将PLC分为小型机、中型机和大型机。一般来说，点数多的
8、PLC，功能也相应较强。 一般I/O点总数在256点以下的，称为小型机，例如立石的C系列，三菱的F1系列，西门子的S5-100U，S7-200系列等，目前的小型PLC一般也具有数据通信等功能；I/O点数在2561024点之间的，称为中型机，可完成既有开关量又有模拟量的复杂控制，例如S7-300系列；I/O点数在1024点以上的，称为大型机。大型PLC的功能更加完善，可用于大规模的过程控制，构成分布式控制系统，或整个工厂的集散控制系统。, 2. 根据结构形式分类,从结构上看，PLC可分为整体式、模板式和分散式三种形式，其外观结构示意图如图1-2所示。,图1-2 可编程控制器外观结构示意图,一般的
9、小型机多为整体式结构，例如S7-200系列。这种结构PLC的电源、CPU、I/O部件都集中配置在一个箱体中，有的甚至全部装在一块印刷电路板上。整体式PLC的缺点是主机的I/O点数固定，使用不够灵活，维修也较麻烦。模板式的PLC各部分以单独的模板分开设置，如电源模板PS、CPU模板、输入/输出模板SM、功能模板FM及通信模板CP等。这种PLC一般设有机架底板，在底板上有若干插座，使用时，各种模板直接插入机架底板即可。这种结构的PLC配置灵活，装备方便，维修简单，易于扩展，可根据控制要求灵活配置所需模板，构成功能不同的各种控制系统。一般大、中型PLC均采用这种结构。分散式的PLC就是将可编程控制器
10、的CPU、电源、存储器集中放置在控制室，而将各I/O模板分散放置在各个工作站，由通信接口进行通信连接，由CPU集中指挥。,3. 根据功能分类, 按功能的强弱，PLC可分为高、中、低档机三类。低档机具有逻辑运算、定时、计数、移位、自诊断、监控等功能，有的还具有模拟量输入/输出（AI/AO）、数据传送、运算、通信等功能。中档机除具备上述功能外，还有数码转换、子程序调用、通信联网功能，有的还具备中断控制、PID控制等功能。高档机除具备上述所有功能外，还有较强的数据处理能力、模拟量调节、函数运算、监控、智能控制等功能。目前，一些小型（微型）PLC都已经具备了高档机所具有的功能。例如，西门子S7-200
11、系列PLC虽然属于小型机的范畴，但是，它具备了中断控制、PID控制、通信联网等等高级功能。,4. 根据生产厂家分类,PLC的生产厂家很多，每个厂家生产的PLC，其点数、容量、功能各有差异，但都自成系列，指令及外设向上兼容，因此在选择PLC时若选择同一系列的产品，则可以使系统构成容易、操作人员使用方便，备品配件的通用性及兼容性好。 （1）西门子公司的可编程控制器德国西门子公司是世界上生产PLC的主要厂商之一。其产品涵盖了微型、小型、中型和大型等各种类型的PLC。西门子的产品不断推陈出新，目前主要流行SIMATIC S7-200、SIMATIC S7-300和 SIMATIC S7-400等三大系
12、列PLC产品。,S7-200系列PLC是紧凑型可编程控制器，系统由CPU模板（主机）和各种功能丰富的扩展模块组成。CPU模块包括CPU221、CPU222、CPU224、CPU226和CPU226XM。S7-200系列PLC功能强大，应用领域极为广泛，适用于各行各业，各种场合中的检测、监控及控制的自动化，是各种小型控制任务理想的解决方案。S7-200PLC已经成为小型PLC中的佼佼者。 S7-300系列PLC具有紧凑的、无槽位限制的模块化、无排风扇结构，它能满足中等性能要求的应用。系统基本组成为：电源模块PS、CPU模块、接口模块IM、信号模块SM、通信处理器CP、功能模块FM等，各种单独的模
13、块之间可以广泛组合以满足不同的控制要求。 S7-400PLC是用于中、高档性能范围的PLC。由于采用冗余技术，可靠性极高；模块化无风扇的设计，坚固耐用；易于扩展和具有强大的通信能力，容易实现分布式结构 以及简洁友好的操作，使其成为中、高档性能控制领域中首选的理想解决方案。 总之，西门子的PLC以其极高的性价比在我国占据着最大的市场份额。,（2）AB公司的可编程控制器在国际自动控制领域中享有盛名的AB（ALLEN BRADLEY）公司是世界上最大的PLC生产商之一。20世纪90年代初期，AB公司就占领了美国国内PLC市场销售总额的50%。丰富的指令集和强大的软件功能以及灵活方便的扩展功能是AB公
14、司PLC的显著特点。 （3）通用电气公司的可编程控制器美国通用电气公司是世界上最早研制和生产PLC的主要厂商之一。其PLC产品的主要系列有：90-MICRO PLC（小型PLC）、Field Control IO 、Genius IO 系统、90-30PLC(中型PLC)和 90-70PLC（大型PLC）等等。Field Control IO 、Genius IO 系统,可增加CPU成为独立控制器，最大可扩展8个模块，支持多种网络接口，可以通过手持编程器组态，使用灵活。,（4）施耐德公司的可编程控制器法国施耐德电气（Schneider）公司也是世界上最早研制和生产PLC的主要厂商之一。具有16
15、0多个世界发明专利，其产品包括小型、中型和大型PLC。最大I/O点数的范围为243100点。 （5）三菱公司的可编程控制器日本三菱公司是世界上生产PLC产品的主要厂商之一。该公司所研制的PLC在产品微型化及低成本方面具有特色，早在1981年就推出了F系列PLC，陆续推出了功能更强的F1、F2系列PLC，K系列PLC和A系列PLC，FX系列PLC等产品。 （6）立石公司的可编程控制器日本立石（OMRON）公司是世界上生产PLC的著名企业之一,其销售额在日本仅次于三菱公司而位居第二。该公司生产的SYSMAC系列的PLC产品有微型（如C20、C40P）、小型（如C120、C200H）、中型（如C50
16、0、C1000H）和大型（如C2000H）四大类十几种型号。控制点数从微型的十几点，到大型系统的最大控制点数可达2048点。,1.2.2 PLC的特点,可编程控制器的种类虽然千差万别，但为了在恶劣的工业环境中使用，它们都有许多共同的特点： 1抗干扰能力强，可靠性极高PLC是专为工业控制设计的，能适应工业现场的恶劣环境。PLC的平均无故障时间MTBF通常在10万小时以上，有些PLC的平均无故障时间可以达到几十万小时以上。PLC设计通过在硬件和软件两方面均采取多重措施，使PLC能够在具有很强的电磁干扰、机械震动以及极强温度和湿度的环境下安全工作. 2功能完善、使用方便现代PLC既能完成开关量控制，
17、也能完成模拟量控制；既可以控制一台生产机械、一条生产线，也可控制一个生产过程。其通信联网的功能，使PLC能与上位机构成分布式控制系统，以实现全厂的自动控制。 3 编程方法简单、容易掌握PLC最基本的编程语言都是采用源于继电器控制线路的梯形图语言，这种梯形图语言既继承了传统的表达形式(如线圈、触点、动合、动断)，又考虑到工业企业中的电气技术人员的看图习惯和微机应用水平，极易被一般电气工程技术人员所理解和掌握。通过梯形图入门后，也就容易掌握其他编程语言和方法了。,4设计、安装容易、维护方便由于PLC产品的系列化、标准化和通用化，选用PLC组成控制系统时，设计和安装的过程类似于“搭积木”，由于前期可
18、以使用仿真软件进行调试，使现场的调试工作也变得更加容易。因此，与其他控制系统的设计、安装和调试相比，大大缩短了控制系统的组建周期。在维修方面，由于PLC的故障率很低，使维护成本大为降低。PLC的编程器不仅能对PLC控制程序进行写入、读出、检测、修改，还能对PLC的工作进行监控，使得PLC的操作及维护都很方便。PLC还具备硬件监控和显示功能，即使PLC系统发生故障，也能迅速查明原因，更换模块而排除故障。5 易于实现机电一体化因为可编程控制器的结构紧凑，体积小，重量轻，可靠性高，抗振防潮和耐热能力强，使之易于安装在机器设备内部，制造出机电一体化产品。随着集成电路制造水平的不断提高，可编程控制器体积
19、将进一步缩小，而功能却进一步增强，与机械设备有机的结合起来，在CNC和机器人的应用中必将更加普遍，以PLC 作为控制器的CNC设备和机器人装置将成为典型的机电一体化的产品。 6. 兼容性差由于各公司的PLC的软硬件体系结构是封闭而不是开放的，如硬件上，其专用总线、I/O模板、电源模板等各部相同，软件上，编程语言虽多数是梯形图，但组态、寻址方式、语言结构均不相同。因此，各公司的PLC互不兼容。,1.3 PLC的功能和应用,PLC是采用微电子技术来完成各种控制功能的自动化设备，可以在现场的输入信号作用下，按照预先输入的程序，控制现场的执行机构，按照一定规律进行动作。经过三十年的发展和工业应用，PL
20、C以其强大的功能渗透到了工业控制的各个领域。目前，在国内外已广泛应用于钢铁、采矿、水泥、石油、化工、电力、机械制造、汽车、装卸、造纸、纺织等行业。PLC的主要应用领域主要包括以下几个方面。 1顺序逻辑控制这是PLC最基本最广泛的应用领域，用来取代继电器控制系统，实现逻辑控制和顺序控制。它既可用于单机控制或多机控制，又可用于自动化生产线的控制。可以实现各种机床、电梯包装生产线、运输和检测等的控制。,2定时与计数控制定时与计数控制是用PLC为用户提供的定时器和计数器取代了传统的时间继电器等，实现某些操作的时间控制与计数控制。可按一定方式进行定时、计数的扩展。定时、计数的精度高，设定与修改方便、灵活
21、。同时PLC还提供了高精度的时钟脉冲，用于准确的实时控制。3数据处理大部分PLC都具有不同程度的数据处理功能，数据处理功能是用PLC的数据传送、比较、移位、转换、数学运算和逻辑运算等功能实现数据的采集、分析和处理。数据可以传送给其他智能装置或显示和打印输出。数据处理功能一般用于过程控制、数控机床、机器人控制等大中型控制系统中。4步进控制PLC为用户提供了一定数量的移位寄存器，用移位寄存器可方便地完成步进控制功能。在一道工序完成之后，自动进行下一道工序。一个工作周期结束后，自动进入下一个工作周期。有些PLC还专门设有步进控制指令，使得步进控制更为方便。,5模拟量控制通过A/D和D/A装换，用PL
22、C的PID指令（或PID模块）等对在过程控制中的温度、压力、流量、速度、位移、电流、电压等模拟量进行单回路或多回路的闭环控制。使这些物理量保持在设定值上。过程控制功能广泛应用于化工、轻工、建材、制药等诸多领域的生产过程控制以及加热炉等温度控制中。 6监控功能监控功能是指能够监控系统各部分的运行状态和进程，对系统运行中出现的异常情况进行报警或自动终止运行；通过人机界面可以实时显示系统状态，从而方便地在线修改控制程序或对I/O和内部某些存储器数据进行强制。 7. 通信及联网目前绝大多数PLC都具备了通信能力，能够实现PLC与计算机，PLC与PLC之间的通信。通过这些通信技术，使PLC更容易构成工厂
23、自动化(FA)系统。也可与打印机、监视器等外部设备相连，记录和监视有关数据。,1.4 PLC的与其他工业控制系统的比较,1.4.1. PLC与继电器控制系统的比较在PLC出现以前，继电器硬接线电路是逻辑控制、顺序控制的唯一执行者，它结构简单，价格低廉，一直被广泛应用。它们在实现逻辑控制、顺序控制、时间控制等开关量的控制方面功能是相同的，但继电器控制系统采用机械触点的硬接线实现逻辑控制 ，它与PLC控制相比有许多缺点，见表1-1。,表1-1 PLC与继电器逻辑控制系统的比较,1.4.2 PLC与其它工业控制器的比较,自从微型计算机诞生以后，工程技术人员就一直努力将微型计算机技术应用到工业控制领域
24、，这样，在工业控制领域就产生了几种有代表性的工业控制器,我们现将PLC与通用的微型计算机、集散控制系统、工业控制计算机分别做一下比较。1PLC与通用的微型计算机的比较采用微电子技术制作的作为工业控制器的可编程控制器，它也是由CPU、RAM、 ROM、I/O接口等构成的，与微机有相似的构造，但又不同于一般的微机，特别是它采用了特殊的抗干扰技术，有着很强的接口能力，使它更能适用于工业控制。PLC与微机各自的特点见表1-2。,表1-2 PLC与微型计算机的比较,2PLC与DCS（集散控制系统）的比较,可编程控制器与集散控制系统都是用于工业现场的自动控制设备，都是以微型计算机为基础的，都可以完成工业生
25、产中大量的控制任务。但是，它们之间又有一些不同：（1）发展基础不同可编程控制器是由继电器逻辑控制系统发展而来，所以它在开关量处理，顺序控制方面具有自己的绝对优势；DCS是由仪表过程控制系统发展而来，所以它在模拟量处理、回路调节方面具有一定的优势。（2）扩展方向不同随着微型计算机的发展，PLC增加了数值运算及闭环调节功能。运算速度不断提高，控制规模越来越大，并开始与网络或上位机相连，构成了以PLC为核心部件的分布式控制系统；DCS也逐渐的把顺序控制装置，数据采集装置，回路控制仪表，过程监控装置有机的结合在一起，构成了能满足各种不同控制要求的集散控制系统。（3）PLC与DCS的相互渗透PLC与DC
26、S从各自的基础出发，在发展过程中互相渗透，互为补偿，两者的功能越来越近，颇有殊路同归之感。目前，很多工业生产过程既可以用PLC实现控制，也可以用DCS实现控制。但是，由于PLC是专为工业环境下应用而设计的，其可靠性要比一般的小型计算机高得多，所以，以PLC为控制器的DCS必将逐步占领以小型计算机为控制器的中小型DCS市场。,1.5 PLC的的发展趋势,随着PLC技术的推广、应用，PLC将进一步向以下几个方向发展：1.系列化、模板化每个生产PLC的厂家几乎都有自己的系列化产品，同一系列的产品指令向上兼容，扩展设备容量，以满足新机型的推广和使用。要形成自己的系列化产品，以便与其它PLC生成厂家竞争
27、，就必然要开发各种模板，使系统的构成更加灵活、方便。 2.小型机功能强化 从可编程控制器出现以来，小型机的发展速度大大高于中、大型PLC。随着微电子技术的进一步发展，PLC的结构必将更为紧凑，安装和使用更为方便,很容易用其制成机电一体化产品。功能强化，可控制模拟量，可实现高速计数，高速脉冲输出，PWM输出，中断控制，PID控制等。一般都有通信功能，可联网运行。3.中、大型机高速度、高功能、大容量随着自动化水平的不断提高，对中、大型机处理数据的速度要求也越来越高，所谓高功能是指具有：函数运算和浮点运算，数据处理和文字处理，队列、矩阵运算，PID运算及超前、滞后补偿，故障搜索、自诊断等功能。,5网
28、络化随着PLC通信技术的发展，分散型I/O子系统（分散式PLC）和智能I/O使得过去由一台大型处理器完成的工作交给较小的PLC网络，或者分散到智能型I/O设备中。形成“分散控制，集中管理”，使得“危险分散，控制分散”，从而实现从最高决策层到最低设备层的综合管理和控制。 6低成本随着新型器件的不断涌现，主要部件成本的不断下降，在大幅度提高PLC功能的同时，也大幅度降低了PLC的成本。同时，价格的不断降低，也使PLC真正成为继电器的替代物。7.多功能PLC的功能进一步加强，以适应各种控制需要。同时，计算、处理功能的进一步完善，使PLC可以代替计算机进行管理、监控。智能I/O组件也将进一步发展，用来完成各种专门的任务：如位置控制、温度控制、中断控制、PID调节、远程通信、音响输出等。,习 题 一,1、可编程控制器的定义？ 2、梯形图与继电器控制线路图的差别是什么？3、说明当代可编程控制器的发展动向是什么,本章结束,谢谢,
