可编程控制器原理.ppt

1、6.1 概述 6.2 可编程控制器的基本构成 6.3 可编程控制器的工作原理及编程语言 6.4 FX2N系列可编程控制器的编程器件及基本指令 6.5 FX2N系列步进指令 6.6 FX2N功能指令的使用 6.7 PLC控制系统的设计 小结 习题与思考题,6.1.1 可编程控制器的产生与发展 1. 可编程控制器的产生 20世纪20年代出现了将接触器、各种继电器、定时器、其他电器及其触头按一定逻辑关系连接的继电接触器控制系统。其结构简单、价格便宜、便于掌握，在一定范围内能满足控制要求，曾一度在工业控制中占有主导地位。但它也存在着设备体积大、动作速度慢、功能少而固定、可靠性差、难于实现较复杂的控制的

2、缺点。特别是，它是靠硬连线逻辑构成的系统，接线繁杂，当生产工艺改变时，原有的接线和控制盘就要更换，缺乏通用性和灵活性。,6.1 概 述,20世纪60年代，随着小型计算机的出现和大规模生产及多机群控的需要，人们曾试图用小型计算机来实现工业控制的要求，但由于价格高，输入、输出电路不匹配和编程技术复杂等原因，一直未能得到推广应用。 20世纪60年代末期，美国汽车制造业竞争激烈，各生产厂家的汽车型号不断更新，这必然要求加工生产线的随之改变，整个控制系统需重新配置。为了适应生产工艺不断更新的需要，寻求一种比继电器更可靠，功能更齐全，响应速度更快的新型工业控制器势在必行。,1968年，美国最大的汽车制造商

3、美国通用汽车公司(GM)公开招标，并从用户角度提出了新一代控制器应具备的十大条件，引起了开发热潮。这十大条件是： (1) 编程简单，可在现场修改程序。 (2) 维护方便，最好是插件式。 (3) 可靠性高于继电器控制柜。 (4) 体积小于继电器控制柜。,(5) 可将数据直接送入管理计算机。 (6) 在成本上可与继电器控制柜竞争。 (7) 输入可以是交流115 V。 (8) 在扩展时，原有系统只需做很小变更。 (9) 输出为交流115 V、2 A以上，能直接驱动电磁阀。 (10) 用户程序存储器容量至少能扩展到4 KB。,这些要求实际上提出了将继电接触器的简单易懂、使用方便、价格低的优点，与计算机

4、的功能完善、通用性和灵活性好的优点结合起来，将继电接触器控制的硬连线逻辑变为计算机操控的软件逻辑编程的设想，采取程序修改方式改变控制功能。这是从接线逻辑向存储逻辑进步的重要标志，是由接线程序控制向存储程序控制的转变。 1969年，美国数字设备公司(DEC)研制出了第一台可编程控制器PDP-14，并在GM公司汽车生产线上试用成功，取得了满意的效果，可编程控制器由此诞生。 可编程控制器是生产力发展的必然产物。,2. 可编程控制器的发展 可编程控制器自问世以来，发展极其迅速。1971年，日本开始生产可编程控制器；1973年，欧洲开始生产可编程控制器。到现在，世界各国的一些著名电器厂家几乎都在生产可编

5、程控制器，可编程控制器已作为一个独立的工业设备进行生产，并成为当代电控装置的主导。,可编程控制器一直处在发展之中，到目前为止，还未能对其下一个十分确切的定义。 国际电工委员会(IEC)曾于1982年11月颁发了可编程控制器标准草案第一稿，1985年1月颁发了第二稿，1987年2月颁发了第三稿。草案中对可编程控制器的定义是：“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。它采用了可编程序的存储器，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 指令，并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。可编程控制器及其有关外围设备，都按易于与

6、工业系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计”。,早期的可编程控制器主要由分立元件和中小规模集成电路组成，它采用了一些计算机技术，但简化了计算机的内部电路，对工业现场环境适应性较好，指令系统简单，一般只具有逻辑运算的功能。人们把它称之为可编程(序)逻辑控制器(Programmable Logic Controller), 缩写为PLC。随着微电子技术和集成电路的发展，特别是微处理器和微计算机的迅速发展，在20世纪70年代中期，美国、日本、联邦德国等的一些厂家在可编程控制器中引入了微机技术、微处理器及其他大规模集成电路芯片等，构成其核心部件，使可编程控制器具有了自诊断功能，可靠性有了大幅度提高

7、。,国外工业界在1980年正式将其命名为可编程(序)控制器 (Programmable Controller)，缩写为PC。但由于这和个人计算机(Personal Computer)的简称容易混淆，故仍把可编程控制器缩写为PLC。 进入20世纪80年代，可编程控制器都采用了微处理器(CPU)、只读存储器(ROM)、随机存储器(RAM)或单片机作为其核心，处理速度大大提高，增加了多种特殊功能，体 积进一步减小。20世纪90年代末，PLC几乎完全计算机化，速度更快，功能更强，各种智能模块不断被开发出来，使其不断扩展着它在各类工业控制过程中的作用。,现在，PLC不仅能进行逻辑控制，在模拟量闭环控制、

8、数字量的智能控制、数据采集、监控、通信联网及集散控制系统等各方面都得到了广泛的应用。如今，大、中型甚至小型PLC都配有A/D、D/A转换及算术运算功能，有的还具有PID功能。这些功能使PLC在模拟量闭环控制、运动控制、速度控制等方面具有了硬件基础；许多PLC具有输出和接收高速脉冲的功能，配合相应的传感器及伺服设备，PLC可实现数字量的智能控制；PLC配合可编程终端设备，可实时显示采集到的现场数据及分析结果，为系统分析、研究工作提供依据，利用PLC的自检信号可以实现系统监控；PLC具有较强的通信功能，可以与计算机或其他智能装置进行通信及联网，从而方便地实现集散控制。功能完备的PLC不仅能满足控制

9、要求，还能满足现代化大生产管理的需要。,近年来，可编程控制器的发展更为迅速，更新换代周期缩短为3年左右。展望未来，可编程控制器在规模和功能上将向两大方向发展： 一是大型可编程控制器向高速、大容量和高性能方向发展。如有的机型扫描速度高达0.1 ms/KB(0.1 s/步)，可处理几万个开关量I/O信号和多个模拟量I/O信号，用户程序存储器达十几兆字节。 二是发展简易、经济、超小型可编程控制器，以适应单机控制和小型设备自动化的需要。,另外，不断增强PLC工业过程控制的功能，研制采用工业标准总线，使同一工业控制系统中能连接不同的控制设备，增强可编程控制器的联网通信功能，便于分散控制与集中控制的实现，

10、大力开发智能I/O模块，增强可编程控制器的功能等，都是其发展方向。,6.1.2 可编程控制器的用途与特点 1. 可编程控制器的用途 PLC产生的初期，由于其价格高于继电器控制装置，使其应用受到限制。 随着微处理器芯片及有关元件价格的大大下降，使PLC成本下降，同时又由于PLC的功能大大增强，使得PLC的应用越来越广泛。PLC广泛应用于钢铁、水泥、石油、化工、采矿、电力、机械制造、汽车、造纸、纺织、环保等行业。,PLC的应用通常分为五种类型： (1) 顺序控制。这是PLC应用最广泛的领域，用以取代传统的继电器顺序控制。PLC可应用于单机控制、多机群控、生产自动线控制等，如注塑机、印刷机械、订书机

11、械、切纸机械、组合机床、磨床、装配生产线、电镀流水线及电梯控制等。,(2) 运动控制。PLC制造商目前已提供了拖动步进电动机或伺服电动机的单轴或多轴位置控制模块。在多数情况下，PLC把描述目标位置的数据送给模块，其输出移动一轴或数轴到目标位置； 每个轴移动时，位置控制模块保持适当的速度和加速度，确保运动平滑。相对来说，位置控制模块比计算机数值控制(CNC)装置体积更小，价格更低，速度更快，操作更方便。,(3) 闭环过程控制。PLC能控制大量的物理参数，如温度、压力、速度和流量等。 PID(Proportional Integral Derivative)模块的提供使PLC具有闭环控制功能，即一

12、个具有PID控制能力的PLC可用于过程控制。当过程控制中某一个变量出现偏差时，PID控制算法会计算出正确的输出，把变量保持在设定值上。,(4) 数据处理。在机械加工中，出现了把支持顺序控制的PLC和计算机数值控制(CNC)设备紧密结合的趋势。著名的日本FANUC公司推出的System10、System11和System12系列，已将CNC控制功能作为PLC的一部分。为了实现PLC和CNC设备之间内部数据自由传递，该公司采用了窗口软件，通过窗口软件，用户可以独自编程，由PLC送至CNC设备使用。美国GE公司的CNC设备新机种也同样使用了具有数据处理的PLC；东芝的TOSNUC600也将CNC和P

13、LC组合在一起。预计今后几年，CNC系统将变成以PLC为主体的控制和管理系统。,(5) 通信和联网。为了适应国外近几年来兴起的工厂自动化(FA)系统、柔性制造系统(FMS)及集散控制系统(DCS)等发展的需要，必须发展PLC之间、PLC和上级计算机之间的通信功能，作为实时控制系统，不仅对PLC的数据通信速率要求高，而且要考虑出现停电、故障时的对策等。,2. 可编程控制器的特点 (1) 抗干扰能力强，可靠性高。继电接触器控制系统虽有较好的抗干扰能力，但其使用了大量的机械触头，使设备连线复杂，又因器件的老化、脱焊、触头的抖动及触头在开闭时受电弧的损害等，大大降低了系统的可靠性。而PLC采用微电子技

14、术，大量的开关动作由无触点的电子存储器件来完成，大部分继电器和繁杂的连线被软件程序所取代，故寿命长，可靠性大大提高。,微机虽然具有很强的功能，但抗干扰能力差，工业现场的电磁干扰、电源波动、机械振动、温度和湿度的变化，都可能使一般通用微机不能正常工作。而PLC在电子线路、机械结构以及软件结构上都吸取了生产控制经验，主要模块均采用了大规模与超大规模集成电路，I/O系统设计有完善的通道保护与信号调理电路；在结构上对耐热、防潮、防尘、抗震等都有精确考虑；在硬件上采用隔离、屏蔽、滤波、接地等抗干扰措施；在软件上采用数字滤波等抗干扰和故障诊断措施。所有这些使PLC具有较高的抗干扰能力。目前各生产厂家生产的

15、PLC，平均无故障时间都大大超过了IEC规定的10万小时，有的甚至达到了几十万小时。,(2) 控制系统结构简单、通用性强、应用灵活。PLC产品均为系列化生产，品种齐全，外围模块品种也多，可由各种组件灵活组合成大小和要求不同的控制系统。在PLC构成 的控制系统中，只需在PLC的端子上接入相应的输入、输出信号线即可，不需要诸如继电器之类的物理电子器件和大量而又繁杂的硬接线线路。当控制要求改变，需要变更控制系统功能时，可以用编程器在线或离线修改程序，修改接线的工作量是很小的。同一个PLC装置可用于不同的控制对象，只是输入、输出组件和应用软件不同而已。,(3) 编程方便，易于使用。PLC是面向用户的设

16、备，PLC的设计者充分考虑到现场工程技术人员的技能和习惯，PLC程序的编制采用了梯形图或面向工业控制的简单指令形式。梯形图与继电器原理图相类似，直观易懂，容易掌握，不需要专门的计算机知识和语言，深受现场电气技术人员的欢迎。近年来又发展了面向对象的顺控流程图语言，也称功能图，使编程更加简单方便。,(4) 功能完善，扩展能力强。PLC中含有数量巨大的用于开关量处理的继电器类软元件，可轻松地实现大规模的开关量逻辑控制，这是一般的继电器控制所不能实现的。PLC内部具有许多控制功能，能方便地实现D/A、A/D转换及PID运算，实现过程控制、数字控制等功能。PLC具有通信联网功能，它不仅可以控制一台单机、

17、一条生产线，还可以控制一个机群、许多条生产线。它不但可以进行现场控制，还可以用于远程控制。,(5) PLC控制系统设计、安装、调试方便。PLC中相当于继电接触器系统中的中间继电器、时间继电器、计数器等“软元件”数量巨大，硬软件齐全，且为模块化积木式结构，并已商品化，故可按性能、容量(输入、输出点数，内存大小)等选用组装。又由于用软件编程取代了硬接线实现控制功能，使安装接线工作量大大减小，设计人员只要有一台PLC就可进行控制系统的设计，并可在实验室进行模拟调试。而继电接触器系统需在现场调试，工作量大且繁难。,(6) 维修方便，维修工作量小。PLC具有完善的自诊断、履历情报存储及监视功能，对于其内

18、部工作状态、通信状态、异常状态和I/O点的状态，均有显示。工作人员通过它可查出故障原因，便于迅速处理，及时排除。 (7) 结构紧凑、体积小、重量轻，易于实现机电一体化。 由于PLC具有上述特点，使得PLC获得了极为广泛的应用。,6.2.1 PLC的控制功能 目前PLC已经广泛应用于冶金、石油、化工、建材、电力、矿山、机械制造、汽车、交通运输、轻纺、环保等各行各业。可以说，凡是有控制系统存在的地方就有PLC。 概括起来，PLC的应用主要有以下五个方面。,6.2 可编程控制器的基本构成,1. 开关量控制 这是PLC最基本的应用领域，可用PLC取代传统的继电器控制系统，实现逻辑控制和顺序控制。在单机

19、控制、多机群控和自动生产线控制方面都有很多成功的应用实例，如机床电气控制，起重机、皮带运输机和包装机械的控制，注塑机的控制，电梯的控制，饮料灌装生产线、家用电器(电视机、冰箱、洗衣机等)自动装配线的控制，汽车、化工、造纸、轧钢自动生产线的控制等。,2. 模拟量控制 目前，很多PLC都具有模拟量处理功能，通过模拟量I/O模块可对温度、压力、速度、流量等连续变化的模拟量进行控制，而且编程和使用都很方便。大、中型的PLC还具有PID闭环控制功能，运用PID子程序或使用专用的智能PID模块，可以实现对模拟量的闭环过程控制。随着PLC规模的扩大，控制的回路已从几个增加到几十个甚至上百个，可以组成较复杂的

20、闭环控制系统。PLC的模拟量控制功能已广泛应用于工业生产的各个行业，例如自动焊机控制、锅炉运行控制、连轧机的速度和位置控制等，都是典型的闭环过程控制的应用场合。,3. 运动控制 运动控制是指PLC对直线运动或圆周运动的控制，也称为位置控制。早期PLC通过开关量I/O模块与位置传感器和执行机构的连接来实现这一功能，现在一般都使用专用的运动 控制模块来完成。目前，PLC的运动控制功能广泛应用于金属切削机床、电梯、机器人等各种机械设备上，典型的如PLC和计算机数控装置(CNC)组合成一体，构成先进的数控 机床。,4. 数据处理 现代PLC都具有不同程度的数据处理功能，能够完成数学运算(函数运算、矩阵

21、运算、逻辑运算)，数据的移位、比较、传递，数值的转换和查表等操作，对数据进行采集、分析和处理。数据处理通常用在大、中型控制系统中，如柔性制造系统、机器人控制系统等。,5. 通信联网 通信联网是指PLC与PLC之间、PLC与上位计算机或其他智能设备间的通信。利用PLC和计算机的RS-232或RS-422接口、PLC的专用通信模块，用双绞线和同轴电缆或光缆 将它们联成网络，可实现相互间的信息交换，构成“集中管理、分散控制”的多级分布式控制系统，建立工厂的自动化网络。,6.2.2 PLC系统的组成及功能 PLC是一种以微处理器为核心的工业通用自动控制装置，其实质是一种工业控制用的专用计算机。因此，它

22、的组成与一般的微型计算机基本相同，也是由硬件系统和软件系统两大部分组成的。 1. PLC的硬件系统 PLC的硬件系统由基本单元、I/O扩展单元及外部设备组成。图6-1所示为PLC的硬件系统结构框图。,图 6-1 PLC的硬件系统结构框图,1) 微处理器(CPU) 与通用计算机一样，CPU是PLC的核心部件，在PLC控制系统中的作用类似于人体的神经中枢，整个PLC的工作过程都是在CPU的统一指挥和协调下进行的。它的主要功能有以下几点： (1) 接收从编程器输入的用户程序和数据，送入存储器存储； (2) 用扫描方式接收输入设备的状态信号，并存入相应的数据区(输入映像寄存器)；,(3) 监测和诊断电

23、源、PLC内部电路工作状态和用户程序编程过程中的语法错误； (4) 执行用户程序，完成各种数据的运算、传递和存储等功能； (5) 根据数据处理的结果，刷新有关标志位的状态和输出状态寄存器表的内容，以实现输出控制、制表打印或数据通信等功能。,PLC常用的CPU有通用微处理器、单片机和位片式微处理器。通用微处理器常用的是8位机和16位机，如8080、8086、M68000、80286和80386等。单片机常用的有8031、8051和8096等。位片式微处理器常用的有AMD2901和AMD2903等。 小型PLC大多采用8位微处理器或单片机，中型PLC大多采用16位微处理器或单片机，大型PLC大多采

24、用高速位片式微处理器。PLC的档次越高，所用的CPU的位数也越多， 运算速度也越快，功能越强。,2) 存储器 PLC配有两种存储器：系统存储器和用户存储器。系统存储器用来存放系统程序，用户存储器用来存放用户编制的控制程序。 CMOS RAM是一种可以进行读写操作的随机存储器，存放在其中的用户程序可方便地进行修改。它是一种高密度、低功耗、价格便宜的半导体存储器，可用锂电池作为备用电源，一旦失电，即可用锂电池供电，以保持RAM中的内容。锂电池的使用寿命一般为510年,若经常带负载，则可维持25年左右。,EPROM、EEPROM都是只读存储器，常用来存放系统程序和需要长久保存的用户程序。 EPROM

25、称为可擦除的可编程序只读存储器，在紫外线连续照射20 min后，就可将EPROM中的内容消除，加高电平(12.5 V或24 V)，可把程序写入EPROM中。EEPROM称为电 可擦除的可编程序只读存储器，除可用紫外线擦除外，还可用电擦除，是近年来广泛使用的一种只读存储器。它不需要专用写入器而只需用编程器就能方便地对所存储的内容实现“在线修改”，所写入的数据内容能在彻底断电的情况下保持不变。,因为系统程序用来管理PLC系统，不能由用户直接存取，所以，PLC产品样本或说明书所列的存储器类型及其容量，系指用户程序存储器而言。如FX2-24M的存储器为4 K步，即是指用户程序存储器的容量。 PLC所配

26、的用户存储器的容量大小差别很大，通常中小型PLC的用户存储器存储容量在8 K步以下，大型PLC的存储容量可达到或超过256 K步。,3) 输入/输出(I/O)部件 图6-1中的输入部件和输出部件也称为输入/输出单元或输入/输出模块。实际生产过程中产生的输入信号多种多样，信号电平各不相同，而PLC所能处理的信号只能是标准电平，因此必须通过输入模块将这些信号转换成CPU能够接收和处理的标准电平信号。同样，外部执行元件如电磁阀、接触器、继电器等所需的控制信号电平也千差万别，亦必须通过输出模块将CPU输出的标准电平信号转换成这些执行元件所能接收的控制信号。所以，输入/输出模块实际上是CPU与现场输入/

27、输出设备之间的连接部件，起着PLC与被控对象间传递输入/输出信息的作用。 PLC输入/输出模块的电路框图如图6-2所示。,图 6-2 I/O接口电路结构框图 (a) 输入端；(b) 输出端,为提高抗干扰能力，一般的输入/输出模块都有光电隔离装置。在数字量I/O模块中广泛采用由发光二极管和光电三极管组成的光电耦合器，在模拟量I/O模块中通常采用隔离放 大器。 来自工业生产现场的输入信号经输入模块进入PLC，这些信号有的是数字量，有的是模拟量；有的是直流信号，有的是交流信号。使用时，要根据输入信号的类型选择合适的输入模块。,由PLC产生的输出控制信号经输出模块驱动负载，如电动机的启停和正、反转，阀

28、门的开闭，设备的移动、升降等。和输入模块相同，与输出模块相接的负载所需的控制信号有的是数字量，有的是模拟量，有的是交流，有的是直流，因此，同样需要根据负载性质选择合适的输出模块。 PLC具有多种I/O模块，常见的有数字量I/O模块和模拟量I/O模块，以及快速响应模块、高速计数模块、通信接口模块、温度控制模块、中断控制模块、PID控制模块和位置控制模块等种类繁多、功能各异的专用I/O模块和智能I/O模块。I/O模块的类型、品种与规格越多，PLC系统的灵活性越好；I/O模块的I/O容量越大，PLC系统的适应性越强。 ,4) 电源部件 PLC配有开关式稳压电源的电源模块，用来将外部供电电源转换成供P

29、LC内部的CPU、存储器和I/O接口等电路工作所需的直流电源。PLC的电源部件有很好的稳压措施，因此对外部电源的稳定性要求不高，一般允许外部电源电压的额定值在+10%-15%的范围内波动。小型PLC的电源往往和CPU单元合为一体，大中型PLC都有专用电源部件。,有些PLC的电源部件还能向外提供直流24 V稳压电源，用于对外部传感器供电，避免由于外部电源污染或不合格电源引起的故障。为防止在外部电源发生故障的情况下，PLC 内部程序和数据等重要信息的丢失，PLC还带有锂电池作为后备电源。 5) 编程器 编程器是PLC的最重要的外围设备，也是PLC不可缺少的一部分。它不仅可以写入用户程序，还可以对用

30、户程序进行检查、修改和调试，以及在线监视PLC的工作状态。它通 过接口与CPU联系，完成人机对话。,编程器一般分为简易编程器和图形编程器两类。 简易编程器功能较少，一般只能用语句表形式进行编程，通常需要联机工作。简易编程器直接与PLC的专用插座相连接，由PLC提供电源。它体积小，重量轻，便于携带，适合小型PLC使用。 图形编程器既可以用指令语句进行编程，又可以用梯形图编程；既可联机编程，又可脱机编程，操作方便，功能 强，有液晶显示的便携式和阴极射线式两种。图形编程器还可与打印机、绘图仪等设备连接，但价格相对较高。通常大中型PLC多采用图形编程器。,目前，很多PLC可利用微型计算机作为编程工具，

31、只要配上相应的硬件接口和软件包，就可以用包括梯形图在内的多种编程语言进行编程，同时还具有很强的监控功能。 6) 其他外部设备 PLC还配有生产厂家提供的一些外部设备。 (1) 外部存储器。 外部存储器是指磁带或磁盘，工作时可将用户程序或数据存储在盒式录音机的磁带上或磁盘驱动器的磁盘中，作为程序备份。当PLC内存中的程序被破坏或丢失时，可将外存中的程序重新装入。,(2) 打印机。 打印机用来打印带注释的梯形图程序或指令语句表程序以及打印各种报表等。在系统的实时运行过程中，打印机用来提供运行过程中发生事件的硬记录，如记录PLC系统运行过程中故障报警的时间等。这对于事故分析和系统改进是非常有价值的。

32、 (3) EPROM写入器。 EPROM写入器用于将用户程序写入EPROM中。同一PLC系统的各种不同应用场合的用户程序可分别写入不同的EPROM中，当系统的应用场合发生改变时，只需更换相应的EPROM芯片即可。,7) I/O扩展单元 I/O扩展单元用来扩展输入、输出点数。当用户所需的输入、输出点数超过PLC基本单元的输入、输出点数时，就需要加上I/O扩展单元来扩展，以适应控制系统的要求。 2. PLC的软件系统 PLC的软件系统是指PLC所使用的各种程序的集合，通常可分为系统程序和用户程序两大部分。 硬件系统和软件系统组成了一个完整的PLC系统，它们相辅相成，缺一不可。没有软件的PLC系统称

33、为裸机系统，不起任何作用。 反之，如果没有硬件系统， 则软件系统也失去了基本的外部条件，程序根本无法运行。,1) 系统程序 系统程序是每一个PLC成品必须包括的部分，由PLC厂家提供，用于控制PLC本身的运行。系统程序固化在EPROM中。 系统程序可分为管理程序、编译程序、标准程序模块和系统调用三部分。 管理程序是系统程序中最重要的部分。PLC的运行都由它控制，主要对PLC的输入、输出、运算等操作运行，进行时间上先后顺序的管理，规定各种数据、程序的存放地址，生成用户环境以及系统诊断等。 编译程序用来把梯形图程序、语句表程序等编程语言翻译成PLC能够识别的机器语言。,系统程序的第三部分是标准程序

34、模块和系统调用。这部分由许多独立的程序模块组成，每个程序模块完成一种单独的功能，如输入、输出及特殊运算等。PLC根据不同的控制要求，选用这些模块完成相应的工作。 2) 用户程序 顾名思义，用户程序就是由用户根据控制要求，用PLC的程序语言编制的应用程序，以实现所需的控制目的。用户程序存储在系统程序指定的存储区内，它的最大容量也是由系统程序限定的。,6.2.3 PLC的分类 目前，PLC应用广泛，国内外生产厂家众多，所生产的PLC产品更是品种繁多，其型号、规格和性能也各不相同。通常，可以按照结构形式的不同及功能的差异对PLC进行大致的分类。 1. 按结构形式分 按照结构形式的不同，PLC可分为整

35、体式和模块式两种。,1) 整体式 整体式PLC是将CPU、存储器、I/O部件等组成部分集中于一体，安装在一块或少数几块印刷电路板上，并连同电源一起装在一个金属或塑料的机壳内，形成一个整体，通常称 为主机或基本单元。输入/输出接线端子及电源进线分别在机箱的两侧，并有相应的发光二极管显示输入/输出状态。这种结构的PLC具有结构紧凑、体积小、重量轻、价格低的优点，易于装置在工业设备的内部，通常适合于单机控制。一般小型和超小型PLC多采用这种结构，如三菱FX系列PLC。,2) 模块式 模块式PLC是把各个组成部分做成独立的模块，如CPU模块、输入模块、输出模块、电源模块等。各模块做成插件式，然后以搭积

36、木的方式将它们组装在一个具有标准尺寸并带有若干插槽的机架内。PLC厂家备有不同槽数的机架供用户选择。用户可以根据需要选用不同档次的CPU模块、各种I/O模块和其他特殊模块，将其插入相应的机架底板的插槽中，组合成不同功能的控制系统。这种结构的PLC配置灵活，装配和维修方便，功能易于扩展。其缺点是结构较复杂，造价也较高。一般大、中型PLC都采用这种结构，如三菱公司的A1N、A2N、A3N系列，立石公司C系列的C500、C1000H及C2000H，通用电气公司的90TM-70、90TM-30。,2. 按功能、点数分 按功能、输入/输出点数和存储器容量的不同，PLC可分为小型、中型和大型三类。 1)

37、小型PLC 小型PLC又称为低档PLC。这类PLC的规模较小，它的输入/输出点数一般从20点到128点。其中输入/输出点数小于64点的PLC又称为超小型机。,小型PLC的用户程序存储器容量小于2 KB，具有逻辑运算、定时、计数、移位及自诊断、监控等基本功能，有些还有少量的模拟量I/O、算术运算、数据传送、远程I/O和通信等功能，可用于开关量控制、定时/计数控制、顺序控制及少量模拟量控制等场合，通常用来代替继电器接触器控制，在单机或小规模生产过程中使用。常见的小型PLC产品有三菱公司的F1、F2和FX0系列，欧姆龙SP20系列和西门子公司的S5-100U、S5-95U、S7200等。,2) 中型

38、PLC 中型PLC的I/O点数通常在120点至512点之间，用户程序存储器容量为2 8 KB，除具有小型机的功能外，还具有较强的模拟量I/O、数字计算、过程参数调节(如比例、积分、 微分(PID)调节)、数据传送与比较、数制转换、中断控制、远程I/O及通信联网功能。 其适用于既有开关量又有模拟量的较为复杂的控制系统，如大型注塑机控制、配料和秤重等中、小型连续生产过程控制。常见的机型有三菱公司的A1S系列，立石公司的(欧姆龙)C200H、C500，西门子公司的S5115U等。,3) 大型PLC 大型PLC又称为高档PLC，I/O点数在512点以上，其中I/O点数大于8192点的又称为超大型PLC

39、。 它的用户程序存储器容量在8 KB以上，除具有中型机的功能外，还具有较强的数据处理、模拟调节、特殊功能函数运算、监视、记录、打印，以及强大的通信联网、中断控制、智能控制和远程控制等功能。由于大型PLC具有比中小型PLC更强大的功能， 因此一般用于大规模过程控制、分布式控制系统和工厂自动化网络等场合。如三菱公司的A3M、A3N，立石公司的C100H、C2000H，AB公司的PLC-5以及西门子公司的S5-135U、S5-155U、S7-400等都属于大型PLC。,6.2.4 PLC的性能指标 PLC的主要性能可用以下六种指标表述。 1. 用户程序存储容量 用户程序存储容量是衡量PLC存储用户程

40、序的一项指标，通常以字为单位表示。每16位相邻的二进制数为一个字，1024个字为1 K字。对于一般的逻辑操作指令，每条指令占1个字；定时/计数、移位指令每条占2个字；数据操作指令每条占24个字。有些PLC是以编程的步数来表示用户程序存储容量的，一条指令包含若干步，一步占用一个地址单元，一个地址单元为两个字节。,2. I/O总点数 I/O总点数是PLC可接收输入信号和输出信号的数量。PLC的输入和输出量有开关量和模拟量两种。对于开关量，其I/O总点数用最大I/O点数表示；对于模拟量，其I/O总点数用最大I/O通道数表示。 3. 扫描速度 扫描速度是指PLC扫描1 K字，用户程序所需的时间，通常以

41、ms/K字为单位表示。有些PLC也以s/步来表示扫描速度。,4. 指令种类 指令种类是衡量PLC软件功能强弱的重要指标，PLC具有的指令种类越多，说明其软件功能越强。 5. 内部寄存器的配置及容量 PLC内部有许多寄存器用以存放变量状态、中间结果、定时计数等数据，其数量的多少、容量的大小，直接关系到用户编程时的方便灵活与否。因此，内部寄存器的配置及容量也是衡量PLC硬件功能的一个指标。,6. 特殊功能 PLC除了基本功能外，还有很多特殊功能，例如自诊断功能、通信联网功能、监控功能、高速计数功能、远程I/O和特殊功能模块等。不同档次和种类的PLC，其具有的特殊功 能相差很大，特殊功能越多，则PL

42、C系统配置、软件开发就越灵活，越方便，适应性也越强。 因此，特殊功能的强弱、 种类的多少是衡量PLC技术水平高低的一个重要指标。,6.2.5 PLC的发展趋势及对工业发展的影响 1. PLC的五个发展趋势 (1) 在系统构成规模上，向大、小两个方向发展。 近年来，随着微电子技术、计算机技术和通信技术的快速发展，PLC的结构和功能不断改进，应用范围迅速扩大。目前，PLC在规模上的发展有两个主要趋势：其一是向体积更小、速度更快、功能更强、价格更低的小型化或微型化PLC方向发展，以真正完全取代最小的继电器系统，适应复杂单机、数控机床和工业机器人等领域的控制要求；其二是向大容量、高速度、多功能的大型高

43、档PLC方向发展。,目前，开关量输入/输出点数达到8192点以上的大型PLC不在少数，随着控制系统规模的不断扩大，输入/输出点数还在快速增加，如莫迪康公司984780、984785型PLC的最大开关量输入/输出点数已达到16 384点。大型PLC不但运算速度快(如三菱公司的A3A型PLC的指令扫描速度可达0.15 s/步), 而且具有PID、多轴定位、高速计数、远程I/O、光纤通信等多种功能，能与计算机组成多级分布式控制系统，实现对工厂生产全过程的集中管理。,(2) 开发各种智能模块，不断增强过程控制能力。 为满足工业自动化各种控制系统的需要，国内外众多PLC生产厂家不断致力于开发各种新器件和

44、智能I/O模块。智能I/O模块是以微处理器为基础的功能部件，模块的CPU与 PLC的主CPU并行工作，可以大大减少占用主CPU的时间，有利于提高PLC的扫描速度；又可以使模块具有自适应、参数自整定等功能，使调试时间减少，控制精度得到提高，极大地增强了PLC的过程控制能力。智能I/O模块目前主要有模拟I/O模块、PID回路控制模块、机械运动控制(如轴定位、步进电动机控制等)模块，高速计数模块等。,(3) 向网络化发展，通信联网功能不断增强。 目前，几乎所有的PLC都具有通信联网功能，加强PLC的联网能力已成为PLC产品的发展趋势之一。PLC的通信联网功能可使PLC与PLC之间、PLC与计算机之间

45、相互交换信息，实现近距离或远距离通信，形成一个统一的分散集中控制系统。由于历史的原因，各个厂家的PLC通信协议往往是专用的，因此，各厂家的PLC产品之间难以互相兼容。近年来，许多PLC生产厂家都在努力使自己的产品与制造自动化协议(MAP)兼容，这将使不同机型的PLC之间、PLC与计算机之间能方便地进行通信与联网，实现资源共享。,(4) 编程语言与编程工具向标准化和高级化发展。 PLC的编程语言主要有梯形图、流程图、专用语言指令等。其中最常用的是梯形图，因此深受用户的欢迎，得到了广泛的应用。目前，美国、法国、日本等生产的PLC产品在 基本控制方面的编程语言均采用梯形图，且已标准化。随着现代PLC

46、产品应用领域的急速扩展，尤其是PLC在一些复杂的大规模的控制系统以及通信联网方面的应用，仅靠梯形图 编程已经不够，因此，近年来PLC编程语言出现了向高级语言(如BASIC、Pascal、C、FORTRAN等)发展的趋势。,PLC的编程工具以往主要有简易编程器和图形编程器两种。目前个人计算机也用于PLC编程，只要配上相应的硬件接口及软件包，就可作为编程器使用，能用多种编程语言编制用户程序，使用简单方便，应用日益广泛。 (5) 发展容错技术。 国外一些主要的PLC生产厂家为适应大规模、复杂控制系统及高可靠性控制场合对PLC产品的要求，在其生产的PLC中增加了容错功能，如双机热备、自动切换I/O、双

47、机表决(当输出状态与PLC的逻辑状态相比较出错时，会自动断开该输出)和I/O三重表决(对I/O状态进行软硬件表决，取2个相同的)，以大幅提高PLC控制系统的可靠性。,2. PLC对工业发展的影响 从世界上第一台PLC诞生至今的时间里，PLC技术得到了迅猛的发展，获得了极其广泛的应用，对工业生产自动化程度的提高起到非常巨大的作用。PLC的应用领域从最初单一的逻辑控制发展到包括模拟量控制、数字控制、机器人控制以及多级分布式控制系统在内的各种工业控制场合，在工业自动控制应用中所占的比例越来越大，成为工业控制领 域中占主导地位的基础自动化设备。据有关资料报道，20世纪90年代中期美国工业部门对各种工业

48、自动化控制设备的需求列前几位的分别是：PLC、过程控制仪表、计算机、专用控制器和数据采集系统。,在我国，近年来PLC的研制、生产和应用也发展很快，尤其在应用方面更为突出。在一些大中型现代化工厂的成套设备引进的同时，也配套引进了不少PLC，如上海宝钢第一、二期工程共使用了近900台，又如武汉钢铁厂、首都钢铁厂、秦山核电站、上海别克汽车生产线、北京吉普车生产线等都大量采用PLC进行自动化控制，取得了显著的经济效益。,除了这些大型现代企业外，在许多工业行业PLC也得到广泛应用，如机械行业的全自动内圆磨床控制系统、卧式组合镗铣床控制系统、等离子弧喷焊控制系统，采矿冶金行业的矿山车场自控系统、彩色带钢涂

49、层生产线，化工行业的汽囊硫化机控制系统、煤气烧嘴控制系统等。总之，PLC在我国的应用越来越广泛，对提高我国的工业生产自动化水平起到了巨大作用。,目前，在美国、日本、德国和英国等世界先进工业国家，PLC成为工业自动控制的标准设备，它的应用几乎覆盖了机械、冶金、矿山、石油化工、轻工、交通运输等所有工业行业，成为工业自动化领域中最重要、应用最多的控制设备，并已跃居现代工业自动化三大支柱(PLC、机器人、CAD/CAM)的首位。应用PLC技术是当今世界的潮流，必将对生产、科研和社会生活等诸多领域产生巨大而深远的影响。,6.3.1 可编程控制器的等效电路 1. 存储程序控制与可编程控制器 在传统的继电器控制系统和电子逻辑控制系统中，控制任务的完成是通过电器、电子控制线路来实现的。这些控制线路将继电器、接触器、电子元件等若干分立器件用导线连接在一起，形成满足控制对象动作要求的控制“程序”。这样的控制系统称为接线程序控制系统。 因其程序就固定在接线中，所以又称为接线程序。在接线程序控制系统中，若要修改控制程序，就必须改变接线。,