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1、第1讲 可编程逻辑控制器概述可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC），是一种在工业自动化控制领域中使用较为广泛的、具有微处理器的数字逻辑控制器。在其使用过程中，使用者可以随时将控制指令加载到PLC存储器存储并执行，从而实现使用者所需的控制功能。PLC主要由中央处理单元CPU、存储器、输入/输出单元以及电源组成。本讲内容î PLC的基础知识î PLC的基本结构î PLC的工作原理î PLC的性能指标î PLC的编程语言1.1 PLC的基础知识在工业自动化控制领域，由于生产上对电气控制系统的要求越来越高
2、，原有的继电器-接触器控制系统由于系统修改困难和维护不方便等缺点已经很难满足使用者的要求，为了更好地实现工业自动化控制的要求，自20世纪60年代以来，人们迅速发展了可编程控制器，至今已成为工业自动化控制领域中重要的一员。1.1.1 PLC的产生与发展美国汽车工业生产技术要求的发展促进了PLC的产生，20世纪60年代，美国通用汽车公司在对工厂生产线调整时，发现继电器-接触器控制系统修改难、体积大、噪声大、维护不方便以及可靠性差，于是提出了著名的“通用十条”招标指标。（1）编程方便，现场可修改程序。（2）维修方便，采用模块化结构。（3）可靠性高于继电器控制装置。（4）体积小于继电器控制装置。（5）
3、数据可直接送入计算机。（6）成本可与继电器控制装置竞争。（7）输入可以是交流115V。（8）输出为交流115V、2A以上，能直接驱动电磁阀、接触器等。（9）在扩展时，原系统只要很小变更。（10）用户程序存储器容量能扩展。为了满足上述招标标准，1969年，美国数字化设备公司研制出第一台可编程控制器（PDP-14），在通用汽车公司的生产线上试用后，效果显著；1971年，日本研制出第一台可编程控制器（DCS-8）；1973年，德国研制出第一台可编程控制器；1974年，我国开始研制可编程控制器；1977年，我国在工业应用领域推广PLC。PLC发展到现在，出现了上百家生产厂商，其中著名的厂商有德国的西门
4、子（SIEMENS）公司、AEG公司，日本的欧姆龙（OMRON）公司、三菱电机（Mitsubishi Electric）公司，美国的A-B（Allen-Bradley）公司和法国的施耐德（SCHNEIDER）公司等，这几家公司的产品多种多样并且功能相对齐全，占据全球PLC市场的大部分份额，我国也有不少厂家研制生产PLC，但产品竞争力和市场份额都有所欠缺。1.1.2 PLC的定义1987年，国际电工委员会（IEC）在其标准中将PLC定义为：可编程逻辑控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计。它采用一类可编程的存储器，用于内部存储程序、执行逻辑运算、顺序控制、定时、计
5、数与算术操作等面向使用者的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。可编程逻辑控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。根据IEC标准，PLC可以被看作一种工业计算机，使用者可以通过编写自己的控制程序来改变其控制功能，PLC不仅能完成使用者需要的各种自动化控制任务，还能与其他设备进行通信联网。由于PLC具有可靠性高、抗干扰能力强、编程简单、使用方便、灵活性强、体积小和重量轻等优点，在我国，其应用推广得到了迅猛发展，被用于石油化工、机械制造、汽车装配制造等各个行业的自动控制系统中。设计、安装、调试和维护PLC控制系统已经成为电气技
6、术人员和工科学生的基本技能之一。1.1.3 PLC的分类和应用领域PLC发展到现在，形式和功能多种多样并各有区别，目前，一般按以下原则对其进行分类。1按PLC的I/O点数PLC按I/O点数的多少可分为小型、中型和大型3类。u 小型PLC的I/O点数一般小于256，处理器一般为8位或16位，如德国西门子公司的S7-200 PLC。u 中型PLC的I/O点数一般在2562048之间，如德国西门子公司的S7-300 PLC。u 大型PLC的I/O点数一般大于2048，处理器一般为16位或者32位，如德国西门子公司的S7-400 PLC。2按PLC的结构形式根据PLC的结构形式，可分为模块式和整体式两
7、类。u 模块式是指PLC将PLC系统分为若干个功能单一的模块，使用时将这些功能模块插在机架上，各模块之间功能不同，外形尺寸统一，使用者可根据需要灵活配置，大中型PLC一般为模块式结构，如德国西门子公司的S7-300 PLC和S7-400 PLC。u 整体式结构是将PLC电源、CPU、存储器和输入/输出接口等集合在一个基本单元内，基本单元可以通过扩展电缆与扩展单元相连。整体式PLC体积较小、成本低廉并且安装方便，小型PLC一般均为整体式结构，如德国西门子公司的S7-200 PLC。3按PLC的功能根据PLC的功能不同，可将PLC分为低档、中档和高档3类。u 低档PLC具有计数、定时和逻辑运算等基
8、本功能，输入/输出模块数量比较少，主要用于单机控制系统，如德国西门子公司的S7-200 PLC。u 中档PLC除具有低档PLC的功能外，还具有较强的控制功能和运算功能，输入/输出模块的数量和种类也比较多，适用于复杂控制系统，如德国西门子公司的S7-300 PLC。u 高档PLC除具有中档PLC的功能外，还增加了矩阵运算以及其他特殊功能函数运算等更强大的控制功能和运算能力。此外，高档PLC输入/输出模块数量很多并且种类全面，还具有更强的通信联网功能，可用于大规模控制任务，如德国西门子公司的S7-400 PLC。目前，PLC不仅广泛应用于石油化工、机械制造、汽车装配制造等各个行业，还应用于开关量控
9、制、模拟量控制、运动控制、过程控制和通信联网等领域。1.2 PLC的基本结构PLC的基本结构主要由CPU、存储器、输入/输出模块、电源和编程器等组成，如图1-1所示。图1-1 PLC基本结构1CPUPLC工作的核心是中央处理单元（CPU），工作时，CPU通过循环扫描方式接收现场输入元件传送的数据，并存入输入/输出映像区，同时，CPU逐条读取存储器中的用户程序指令，经分析后产生相应指令的控制信号，去控制相关外部负载。此外，CPU还可以诊断电源、内部运行状态和程序错误等。 2存储器存储器是PLC系统中重要的组成部分，主要用于存储程序及数据，也可以使用RAM（Random Access Memory
10、）或EEPROM（Electrical Erasable Programmable Read Only Memory）等专用内存卡扩充，不同品牌、不同型号的PLC的存储器扩充能力各不相同，存储器容量的大小关系到程序容量的大小和内部器件的多少，是反映PLC性能的重要指标之一。3输入/输出模块PLC通过输入模块读取现场输入元件的数据，并通过内部总线将数据送进存储器，经由CPU处理驱动程序指令，然后通过输出模块控制相应输出元件。输入模块的信号范围涵盖 ±10mV±10V，与选用的输入元件的种类有关，输出模块则用来驱动指示灯、电磁线圈和报警器等输出元件。4电源PLC中的电源有两种形
11、式，一种是电源与CPU模块分开；另一种是电源与CPU模块集成在一起。电源主要为PLC提供工作电源，为交流时，电源通常为220VAC或110VAC；为直流时，电源通常为24V。5编程器编程器用于编程、监控以及控制PLC系统的运行，是PLC进行编程、监测和控制时必不可少的重要部分。它有手持编程器和图形编程器两种，手持编程器一般使用专用编程电缆与PLC相连或者直接插在PLC编程接口上，一般用来给小型PLC编程，只能直接输入和编辑语句表（IL）指令；图形编辑器可直接输入和编辑梯形图（LAD）指令，既可以在线编程也可以离线编程。此外，PLC生产厂家还向使用者提供编程软件和编程硬件，使用者可以在PC机上对
12、PLC进行编程，STEP7 V11编程软件是西门子公司提供的用于S7-300/400和S7-1200系列PLC的编程软件。6外部设备接口PLC集成多种外部设备接口，可以与计算机、触摸屏、PLC设备或者其他通信设备通信联网。1.3 PLC的工作原理PLC以循环扫描的工作方式来执行梯形图程序，整个扫描过程包括三大阶段，即输入采样阶段、程序执行阶段和输出刷新阶段。1输入采样阶段PLC逐个扫描每个输入元件的状态，并将所有输入元件的状态保存到输入映像区。2程序执行阶段没有跳转指令时，CPU按从上到下、从左到右的顺次扫描执行程序；执行指令时，刷新相应的输出映像区；程序出现死循环或者错误时，发出报警。若出现
13、不可恢复的确定性故障，CPU自动停止执行程序，切断负载，发出故障信号。3输出刷新阶段阶段2中的输出状态经输出接口驱动外部负载，并返回阶段1。输入采样阶段、程序执行阶段和输出刷新阶段又被称为PLC扫描周期，完成扫描周期所需的时间称为PLC反应时间。PLC工作时，每次程序执行后与下一次程序执行前，输入与输出状态都会被刷新一次。1.4 PLC的性能指标1存储容量可以使用存储器容量来衡量PLC可存储用户程序的多少，PLC的存储容量通常以字为单位。2I/O点数可以使用I/O点数来衡量PLC输入/输出性能，PLC输入/输出信号分为数字量和模拟量两种，数字量一般用最大I/O点数表示，模拟量一般用最大I/O通
14、道数表示。在总I/O点数中，输入点数一般大于输出点数，且输入与输出不能互相替代。3扫描速度扫描速度是指PLC执行1000条指令所花费的时间，单位为毫秒/千步，一般在10毫秒/千步左右。4编程语言编程语言是PLC生产厂家为使用者设计的编程工具，使用者使用编程语言可以实现所需的自动化控制要求。编程语言有多种形式，常见的是梯形图语言（LAD）、指令语句表编程语言（IL）、功能块图编程语言（FBD）、顺序功能图编程语言（SFC）和结构化文本编程语言（ST）。5内部寄存器使用者在编写PLC控制程序时，会用到大量内部寄存器来存放中间变量、定时计数、模块参数设置等信息，通常使用内部寄存器的种类和数量来衡量P
15、LC的存储和处理各种信息的能力，内部寄存器的种类和数量越多，PLC存储和处理信息的能力越强。6通信能力通常采用PLC的通信能力来衡量PLC与PLC之间、PLC与其他通信设备之间的数据交换能力，为了实现工业控制自动化，各大生产厂家的PLC产品基本都会配有一至两个或者多个通信端口。7特殊功能模块可以采用特殊功能模块种类与功能来衡量PLC产品功能的强弱，近年来，各PLC生产厂商开发的特殊功能模块种类日益增多，功能越来越强，使得PLC的控制功能日益强大。8可扩展能力可以采用I/O点数的扩展、存储容量的扩展、联网功能的扩展和各种功能模块的扩展来衡量PLC的可扩展能力，使用者在选择PLC设备时，通常要考虑
16、PLC的可扩展能力。1.5 PLC的编程语言IEC 61131-3是由国际电工委员会（IEC）于1993年12月所制定IEC 61131标准的第3部分，用于规范可编程逻辑控制器（PLC）、DCS、IPC、CNC和SCADA的编程系统。应用IEC 61131-3标准已经成为工业控制领域的趋势，在PLC方面，编辑软件只需符合IEC 61131-3国际标准规范，便可借由符合各项标准的语言架构建立人人皆可了解的程序。IEC 61131-3标准规定PLC使用梯形图（LAD）、功能块图（FBD）、指令表（IL）、顺序功能图（SFC）和结构化文本（ST）5种编程语言。其中，梯形图（LAD）、功能块图（FBD
17、）和顺序功能图（SFC）是可视化编程语言，对于工程师和分析人员，梯形图（LAD）和功能块图（FBD）是图形语言，而顺序功能图（SFC）可以看作一种控制程序流程图；结构化文本（ST）和指令表（IL）编程语言则面向过程，适合程序员使用。1梯形图（LAD）梯形图（LAD）是PLC中使用最为广泛的图形编程语言，它由传统的继电器-接触器电路图简化符号演变而来，是一种以图形符号表示控制关系的编程语言，直观易懂，非常适合熟悉继电器-接触器电路的电气工程师学习掌握。电机M1的继电器-接触器自锁控制电路如图1-2所示，对应的PLC梯形图如图1-3所示。图1-2 电机M1自锁控制电路图1-3 PLC梯形图图1-2
18、所示的自锁控制电路与图1-3所示的PLC梯形图具有相同的逻辑含义，但表达方式上却有本质的区别。梯形图中的继电器是软器件，而非物理元件，图中的竖线类似于继电器-接触器控制线路中的电源线，被称为母线。一般梯形图由触点、线圈和指令框组成，触点代表外界输入条件，线圈代表逻辑运算结果，指令框用来表示跳转、定时器和计数器等指令。2功能块图（FBD）功能块图（FBD）编程语言使用图形逻辑符号来描述程序，功能块图使用方框来表示逻辑运算关系，方框的左侧为输入变量，右侧为输出变量。采用功能块图，控制系统被细分，系统操作含义明确，便于设计人员设计思想沟通，有数字电路基础的人员很容易掌握。电机M1自锁控制电路的功能块
19、图如图1-4所示。图1-4 PLC功能块图3指令表（IL）指令表（IL）编程语言由指令语句系列构成，类似于助记符汇编语言采用助记符表示操作功能，容易记忆，便于掌握，适合经验丰富的程序员使用。电机M1自锁控制电路的指令表如图1-5所示。图1-5 PLC指令表4顺序功能图（SFC）顺序功能图（SFC）编程语言类似于流程设计，常用来编制顺序控制程序，顺序功能图包含步、动作和转换3个要素。该编程方法将复杂控制过程分解，然后按一定顺序控制要求组合，详见7.5节。5结构化文本（ST）结构化文本（ST）编程语言是用结构化的描述语句来描述程序的一种编程语言，类似于高级编程语言，与梯形图相比，它简洁紧凑，能实现复杂的数学运算。