毕业设计（论文）-摇臂钻床控制PLC的设计.doc

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1、目 录 1. PLC 概述1 1.1 PLC 是什么 1 1.2 PLC 从何处来 2 1.2.1 可编程控制器的硬件发展2 1.2.2 可编程控制器的发展3 1.2.3 我国可编程控制器的发展4 1.2.4 可编程控制器的编程语言5 1.3 PLC 的基本结构 6 1.3.1 中央控制单元 CPU.6 1.3.2 I/O 模块.6 1.3.3 编程器设备 （或称编程终端） 7 1.3.4 电源7 1.4 PLC 的工作原理 .7 1.4.1 继电器基本控制7 1.4.2 PLC 的替代.9 1.4.3 PLC 的工作原理分析.9 1.4.4 输入/输出滞后时间11 1.5 PLC 的特点 1

2、2 1.6 PLC 的应用领域 15 1.7 PLC 的类型 17 2. 三菱 PLC 软件 FXGPWIN 使用介绍.20 2.1 FXGPWIN的使用.20 2.2 PLC 编程语言 23 3. 实训目的.23 4. 调试.24 4.1 任务描述 .24 4.2 控制要求 .24 4.3 PLC 接口的分配 24 4.4 外部接线图 .25 总 结.26 致 谢.27 参考文献.28 附 录.29 摇臂钻床控制 1 1. PLC 概述 主要讲述了 PLC 的产生和发展历史，讨论了从继电器控制系统到 PLC 系统变化的 原因。从构成 PLC 的基本部分入手，介绍了 PLC 在过程控制系统中的

3、应用，然后简单 介绍了各种不同类型的 PLC 的特点、分类 、及应用情况，最后简单介绍了 PLC 的编程 语言，并对现阶段 PLC 的前景应用进行了展望。 1.1 PLC 是什么 由于可编程控制器的不断发展，对它下一个确切定义是困难的。可编程控制器问 世后，美国电器制造（National Electrical Manufactures Association）于 1980 年 对可编程控制器有如下定义：可编程控制器是一种数字式电子装置。它使用可编程序 的存储器来存储指令，并实现逻辑运算、顺序运算计数、计时和算术运算等功能，实 现对各种机械或生产过程的控制。1982 年，国际电工委员会（Inte

4、rnational Electrical Committee，简称 IEC）办不了可编程序控制器标准草案，于 1985 年提交了第二版， 1987 年 2 月的第三版对可编程控制器做了如下定义：“可编程控制器是一种数字运算 操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用可编程的存储器，用于其内 部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令， 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。 ”可见，PLC 这个电子系统，也是靠存贮程序、执行指令，进行信息处理，

5、实现输入到 输出的变换。但它的目的是用以控制各种类型机械或生产过程。所以，从实质上讲， 它是一台工业环境应用的、满足实时控制要求的专用计算机。 PLC 与普通计算机所不同的主要是： (1)它没有键盘，代之为一个个输入电路，并用其获取控制命令或现场信号。同时， 此输入电路具有滤波能力的，与内部电路为电隔离，但通过光耦合建立联系； (2)它没有显示器，代之为一个个输出电路，并用其产生控制输出。由于此电路具 有驱动能力，故可以驱动一般的工业控制元器件，如电磁阀、接触器等。同时，此电 路与内部电路也是电隔离的，是用光或磁耦合建立联系；它没有硬盘，只有内存。但 可配备存贮卡，以为程序与数据建立备份； (

6、3)它配置有外设或通讯接口，可用以编程或下载程序、监控及联网通讯； 摇臂钻床控制 2 （4)它的结构为整体式或模块化，体积小，安装方便，比较坚固，具有很强的抗干 扰、抗冲击、抗震动特性。 总之，PLC 只是一台没有键盘、没有显示器、没有硬盘，但有很多输入、输出电路、 配有接口，可在工业现场实时使用的、模块化、小型化的特殊计算机。要指出的是， 随着技术进步，PLC 的性能在不断提高，应用在不断扩展，类型在不断增多。所以，它 的概念也在不断更新。工厂自动化的三大技术支柱PLC(可编程逻辑控制器)、 Robot(机器人)、CAD/CAM(计算机辅助设计与制造)，PLC 首当其冲，是领头羊。它已发 展

7、成为当今方方面面自动化、信息化的重要支柱。 1.2 PLC 从何处来 1.2.1 可编程控制器的硬件发展 可编程控制器的 10 项招标指标 1968 年，美国通用汽车公司（GM）根据多品种、 小批量、不断翻新汽车品牌的战略思想，以降低生产成本，缩短新产品开发周期为设 想，针对汽当时车生产线的自控系统现状：工装基本上由继电器控制装置构成。当时 汽车的每一次改型都直接导致继电器控制装置的重新设计和安装，因而继电器控制装 置就需要经常地重新设计和安装，这不仅费时、费工、费料，甚至阻碍了更新周期的 缩短。为了改变这一现状，美国通用汽车公司在 1969 年公开招标，希望用新的控制装 置来取代继电器控制装

8、置，并提出了以下 10 项招标指标： 在使用者的工厂里，能以最短的中断服务时间，迅速、方便地对其控制的硬件 和设备进行编程及重新进行程序的设计。 所有的系统组件必须能在工厂内无特殊支持的设备、硬件及环境条件下进行。 系统的维修必须简单易行。在系统中应设计有状态指示器及插入式模块，以便在最 短的停车时间内使维修和故障诊断变得简单易行； 装置的体积应小于原继电器控制柜的体积，它的能耗也应较小； 必须能与中央数据采集处理系统进行通信，以便监视系统的运行状态和运行情 况。 输入开关量可以是已有的标准控制系统的按钮和限位开关的交流 115V(注：美国 电网电压为 115V，我们中国是 AC220V)。

9、输出的驱动信号都必须能驱动以交流运行的电动机驱动器和电磁阀线圈，每个 输出量将设计为可开停和连续操纵具有交流 115V，2A 以下容量的电磁阀等负载设备。 具有灵活的扩展能力。在扩展时，必须能以最小的系统变动及最短的更换、停 顿时间，使原有装置从系统的最小配置扩展到系统的最大配置。 摇臂钻床控制 3 在购买和安装费用上应有与原有继电器控制和固态逻辑控制系统的竞争力，即 有高的性价比。 用户存储器容量至少在 4KB1 以上（根据当时汽车装配厂的要求）。 美国数字设备公司(DEC)中标后，在 1969 年，研制出第一台 PLC（PDP-14），应用 于美国通用汽车自动装配线上试用，获得了成功。其后

10、，美国 Modicon 公司也推出了 同名的 084 控制器。这种新型的工控装置，以其体积小、可变性好、可靠性高、使用 寿命长、简单易懂、操作维护方便等一系列优点，很快就在美国的许多行业里得到推 广应用。到 1971 年，已经成功地应用于食品、饮料、冶金、造纸等行业 。这一新型 的工控装置的出现，受到世界上许多国家的高度重视。1971 年，日本从美国引进了这 项新技术，很快研制出了他们的第 1 台 PLC（DSC-8 控制器）。1973 年，西欧国家也研 制出他们的第 1 台 PLC。我国从 1974 年始研制，到 1977 年开始应用于工控领域。 1.2.2 可编程控制器的发展 初创阶段，从

11、第一台可编程控制器问世到 20 世纪 70 年代中期。这个阶段的 PLC，一般称为“可编程逻辑控制器”(Programmable Logic Controller)。这时的 PLC 基本上是(硬)继电器控制装置的替代物，主要用于实现原先由继电器完成的顺序控制、 定时、计数等功能。它在硬件上以“准计算机”的形式出现，在 I/O 接口电路上做了 改进以适应工控现场要求。装置中的器件主要采用分立元件和中小规模集成电路，并 采用磁芯存储器。另外，还采取了一些措施，以提高抗干扰能力。在软件编程上，采 用类似于电气工程师所熟悉的继电器控制线路的方式梯形图(Ladder)语言。因此， 早期的 PLC 的性能

12、要优于继电器控制装置，其优点是简单易懂、便于安装、体积小、 能耗低、有故障显示、能重复使用等。其中 PLC 特有的编程语言梯形图语言一直 沿用至今。这一阶段的产品主要用于逻辑运算、计数、计时控制。 扩展阶段，从 20 世纪 70 年代中期到 70 年代末期，微处理器的出现使 PLC 发生 了巨变。美国、日本、德国等一些厂家先后开始采用微处理器作为 PLC 的 CPU(中央处 理单元)，这样使 PLC 的功能大大增强。除了保持原有的逻缉运算、计时、计数等功能 以外，还增加了算术运算、数据处理、模拟量的运算、网络通信、自诊断等功能。 通信阶段，从 20 世纪 70 年代末到 20 世纪 80 年代

13、中期，由于超大规模集成电 路技术的迅速发展，微处理器价格大幅度下跌，使得各种类型的 PLC 所采用的微处理 器的档次普遍提高。早期的 PLC 一般采用 8 位的 CPU，现在的 PLC 一般采用 16 位或 32 位的 CPU。另外，为了进一步提高 PLC 的处理速度，各制造厂还纷纷研制开发出专用的 逻辑处理芯片，这就使得 PLC 的软、硬件功能有了巨变。这一阶段的产品与计算机通 摇臂钻床控制 4 信系统的发展有关，并形成了分布式网络通信体系，但由于各制造厂商的各自为政， 通信系统也各自称为独立的系统，使各制造厂商的产品较难实现互通。 开放阶段，从 20 世纪 80 年代中期到 90 年代中期

14、。由于国际标准化组织提出了 开放互连参考模型，使可编程控制器在通信系统的开放获得较大发展，使各制造厂商 产品可以互通，甚至大中型产品开始采用 CRT 屏幕显示功能，并且采用标准化软件系 统，增加高级编程语言，并完成编程语言的标准化工作。 标准和集成阶段，从 20 世纪 90 年代中期开始。IEC 发布了可编程控制器的标准 草案，尤其是标准编程语言的颁布，使可编程控制器获得飞跃发展。软件模型的颁布 是该阶段的重要标志。采用标准编程语言的软件使第三方的软件移植变得方便。系统 的集成化和扁平化是该阶段的另一个特点，将各种软件集成在一个软件平台，采用一 个数据库等。 目前，世界上约有 200 家 PL

15、C 生产厂商，其中，美国的 Rockwell、GE，德国的西 门子(Siemens)，法国的施耐德(Schneider)，日本的三菱、欧姆龙(Omron)，他们掌控 着全世界 80%以上的 PLC 市场份额，他们的系列产品从只有几十个点(I/O 总点数)的微 型 PLC 到有上万个点的巨型 PLC，应有尽有。 1.2.3 我国可编程控制器的发展 我国从 1974 年始仿制美国的第二代 PLC 产品，但因元器件质量和技术问题等原因， 未能推广。指导 1977 年，我国才研制出第一台具有实用价值的可编程控制器，并开始 批量生产和应用于工业过程控制。由于使用单片一位处理器，因此应用规模小，主要 控制

16、方式为开关量控制。随着改革开放，1982 年开始后雨美国、德国、日本等厂商进 行合资或引进技术、生产流水线等，使 PLC 获得了较大发展。这一阶段的主要特点是 以产品的引进、技术的消化、应用的普及为目标。应用的产品以 8 位处理器为主，应 用规模在 1000 点以下。经过多年的发展，国内 PLC 生产厂家约有三十家，但尚未形成 颇具规模的生产能力，国内 PLC 应用市场仍然以国外产品为主，如：Siemens 的 S7- 200 小系列、S7-300 中系列、S7-400 大系列，三菱的 FX 小系列、Q 中大系列，0mron 的 CPM 小系列、C200H 中大系列等。值得一提的是，湖北黄石的

17、科威自控公司 ()的创新产品“嵌入式 PLC”。小系统用户希望在数据处理上像 DCS、可靠性上像 PLC、价格上像单片机嵌入系统。嵌入式 PLC 正好满足用户的这些愿 望。嵌入式 PLC 是指“将支持 PLC(梯形图)编程语言的内核 EasyCore 以小板芯的形式” 嵌入到特定的控制装置中，使该装置除了具有自身的专用功能之外，还具有 PLC 的基 本功能；开发人员能够在该 PLC 编程语言平台上，轻而易举地设计出通用型 PLC、客户 型 PLC、以及各种特型控制板。嵌入式 PLC 是科威公司立足原有的自动化仪表技术、现 摇臂钻床控制 5 场总线技术和 10 多年的自动化工程项目经验，在华中科

18、技大学、武汉理工大学的协作 下，经过 3 年多的努力攻关，首创成功的。由于嵌入式 PLC 的社会及经济价值十分巨 大，2005 年被列为国家攻关计划。迄今为止，科威公司的嵌入式 PLC 产品通用型 PLC、(按照客户要求定制的)客户型 PLC、特型控制板，已在纺织机械、工业窑炉、塑 料机械、印刷包装机械、食品机械、数控机床、恒压供水设备、环保设备等行业中成 功应用，并且在窑炉自动化系统的应用中占有明显的技术优势。长期以来，PLC 始终是 工业自动化的主角，它与是 SCADA（监控和数据采集）、DCS(集散控制系统)及 IPC(工 控机)、FCS(现场总线控制系统)等相互集成，互相影响。同时也承

19、受着来自其它技术 产品的冲击。 1.2.4 可编程控制器的编程语言 可编程控制器编程语言的发展 可编程控制器的应用需要用可编程控制编程语言进行编程（即所谓的二次开发）， 各制造商开发了各自的编程语言，形成了各自为政的自动化孤堡。不同的可编程控制 器程序不能移植，不能相互通信等。为此，用户和制造商都希望有标准化的编程语言， 使可编程控制器成为开放系统的组成部分。标准化编程语言的发展来自下列三方面的 发展。传统可编程控制器语言。例如常用的梯形图语言脱胎于电气逻辑图，指令表 语言是汇编语言的发展。工控软件公司开发的编程语言。如德国 KW Software（科维） 软件公司的 Multiprog、In

20、foteam（一方梯队）软件公司的 PDAT 等为代表开发的编程 语言吸取了各科编程控制器制造商的编程语言的特点，在开发中形成了一套新的国际 编程语言标准。基于工业 PC 的软逻辑 PLC。软逻辑 PLC 是在 PC 平台运行 Windows 操 作环境下，用软件实现 PLC 控制功能。它构成开放的应用系统，能够方便地与来自不 同厂商的各种输入/输出设备、现场总线、PC 和控制网络实现无缝集成。 可编程控制器的编程语言因地域不同，大致可分为三大地域：北美、欧洲和日本。 而可编程控制器标准编程语言 IEC 61131-3 的制定是美国、加拿大、欧洲（主要是德、 法）以及日本等 7 家国际性工业控

21、制企业的专家和学者的结晶，它浓缩了数十年工控 方面的实践经验（包含：北美和日本等使用的梯形图语言实践经验、欧洲各国使用的 顺序功能表图和功能快图编程语言实践经验、德国和日本等使用的指令表编程语言实 践经验等。 1993 年 3 月，国际电工委员会（International Electrical Committee，简称 IEC）正式颁布了可编程控制器标准编程语言 IEC 1131（前面加 6 后作为国际标准的编 号，即成为可编程控制器标准编程语言(IEC 61131）第一版，可编程控制器标准编程 语言 IEC 61131-3 为第二版，于 2000 年下半年表决通过。IEC 61131 标准

22、将软件工程、 摇臂钻床控制 6 结构化编程、模块化编程、面向对象的思想及网络通信技术等引入工业控制领域，弥 补和克服了传统 PLC 和 DCS 等控制系统的弱点。然而，标准语言的发展仍在进行中， 传统的编程语言仍然在广泛使用之中。 可编程控制器编程语言标准化的国际化组织 PLCopen 是 1992 年成立的致力于可编程控制器编程语言标准化的非营利国际化组 织，总部设在荷兰。我国于 1999 年正式成为 PLCopen 组织的一员，挂靠在中国机电一 体化技术应用协会。我国可编程控制器硬件的开发和应用并不早，但对国际标准编程 语言跟得比较紧。IEC 61131-3 标准不仅适用于可编程设备，而且

23、适用于运动控制产品、 DCS 和基于工业 PC 的的软逻辑 PLC、SCADA 等。采用或应用符合 IEC 61131-3 标准的产 品，已成为工业领域发展的趋势。在我国，正在进行 IEC 61131-3 标准及有关产品的 推广工作。许多技术人员还不知道编程语言的国际标准，一些厂商仍在推广和抛售不 符合 IEC 61131-3 标准的编程语言和相关产品。 可编程控制器的标准编程语言 IEC 61131-3 的编程语言部分定义了两大类编程语言：文本类编程语言和图形类编 程语言。文本类编程语言包括指令表编程语言（IL:Imstruction List）和结构化文本 编程语言(ST：Structur

24、ed Text)，图形类编程语言包括梯形图编程语言 （LD：Ladder Digram）和功能块图编程语言（FBD：Function Block Digram）。标准 中定义的顺序功能表图编程语言（SFC：Sequence Function Chart）既没有归入文本 类编程语言，也没有归入图形类编程语言，而是作为公用元素被定义。这表示 SFC 可 以使用两类语言进行编程。 1.3 PLC 的基本结构 PLC 主要由中央控制单元（CPU）、存储器（RAM 或 ROM 或 ）输入输出模块 （I/O）部分、电源和编程设备组成(见图 1-1），有的 PLC 还可以配备特殊功能模块， 用来完成某些特殊

25、的任务。术语“体系结构”是指 PLC 的硬件，或软件，或者二者的 结合。开放式的体系结构，是指系统使用现成的标准组件，能方便的与其它生产厂家 的设备和程序兼容。封闭的体系结构是指该系统为专用的并且与其他系统不兼容。目 前，大多数 PLC 系统从本质上讲都是封闭的系统，所以使用时必须确定所选用的硬件 和软件与所使用的 PLC 是兼容的。 1.3.1 中央控制单元 CPU 摇臂钻床控制 7 CPU 是 PLC 的“大脑”，通常由一个微处理器和一个存储器组成。微处理器实现 逻辑处理和控制各模块间通信的功能，不断地采集输入信号，执行用户程序，刷新系 统的输出；存储器用来储存由微处理器完成的逻辑操作的结

26、果（程序产生的数据）。 1.3.2 I/O 模块 I/O 系统构成了现场设备与控制器连接的接口，作用就是从使现场接收到的信号 或送到现场的信号达到处理器的要求。输入(1nput)模块和输出(Output)模块简称为 IO 模块，它们是系统的眼、耳、手、脚，是联系外部现场设备和 CPU 模块的桥梁。 输入模块用来接收和采集输入信号。开关量输入模块用来接收从按钮、选择开关、数 字拨码开关、限位开关、接近开关、光电开关、压力继电器等过来的开关量输入信号； 模拟量输入模块用来接收电位器、测速发电机和各种变送器提供的连续变化的模拟量 电流、电压信号. 开关量输出模块用来控制接触器、电磁阀、电磁铁、指示灯

27、、数字 显示装置和报警装置等输出设备，模拟量输出模块用来控制调节阀、变频器等执行装 置。CPU 模块的工作电压一般是 5V，而 PLC 的输入输出信号电压一般较高，如直流 24V 和交流 220V。从外部引入的尖峰电压和干扰噪声可能损坏 CPU 模块中的元器件， 或使 PLC 不能正常工作。在 IO 模块中，用光耦合器、光电晶闸管、小型继电器等器 件来隔离 PLC 的内部电路和外部的 IO 电路，IO 模块除了传递信号外，还有电平转 换与隔离的作用。 1.3.3 编程器设备 （或称编程终端） 编程设备用来向存储器中写入程序，并用它进行编辑、检查、修改和监视用户程 序的执行情况。手持式编程器不能

28、直接输入和编辑梯形图，只能输入和编辑指令表程 序，因此又叫做指令编程器。它的体积小，价格便宜，一般用来给小型 PLC 编程，或 者用于现场调试和维护。 个人计算机（PC）是最常用的编程设备。使用编程软件可以在计算机的屏幕上直 接生成和编辑梯形图、指令表、功能块图和顺序功能图程序，并可以实现不同编程语 言的相互转换。程序被编译后下载到 PLC，也可以将 PLC 中的程序上传到计算机。程序 可以存盘或打印，通过网络，还可以实现远程编程和传送。 1.3.4 电源 PLC 一般使用 220V 交流电源或 24V 直流电源。内部的开关电源为各模块 DC 5V，12V，24V 等直流电源。小型 PLC 一

29、般都可以为输入电路和外部的电子传感器 (如接近开关)提供 24V 直流电源，驱动 PLC 负载的直流电源一般由用户提供。 摇臂钻床控制 8 1.4 PLC 的工作原理 1.4.1 继电器基本控制 PLC 是从继电器控制系统发展而来的，它的梯形图程序与继电器系统电路图相似， 梯形图中的某些编程元件也沿用了继电器这一名称，如输入继电器、输出继电器等等。 这种用计算机程序实现的“欺继电器”，与继电器系统中的物理继电器在功能上有某 些相似之处。由于以上原因，在介绍 PLC 的工作原理之前，首先简要介绍物理继电器 的结构和工作原理。 继电器主要由电磁线圈、铁心、触点和复位弹簧组成。继电器有两种不同的触点

30、， 在线圈断电时处于断开状态的触点称为常开触点，处于闭合状态的触点称为常闭触点。 当线圈通电时，电磁铁产生磁力，吸引衔铁，使常闭触点断开，常开触点闭合。线圈 电流消失后，复位弹簧使衔铁返回原来的位置，常开触点断开，常闭触点闭合。一只 继电器可能有若干对常开触点和常闭触点。在继电器电路图中，一般用相同的由字母、 数字组成的文字符号(如 KA2)来标注同一个继电器的线圈和触点。 常用交流接触器控制异步电动机的主电路、控制电路和有关的波形图。接触器的 结构和工作原理与继电器的基本相同，区别仅在于继电器触点的额定电流较小，而接 触器是用来控制大电流负载的，例如它可以控制额定电流为几十安至几千安的异步电

31、 动机。按下起动按钮 SBl，它的常开触点接通，电流经过 SBl 的常开触点和停止按钮 SB2、作过载保护用的热继电器 FR 的常闭触点，流过交流接触器 KM 的线圈，接触器的 衔铁被吸合，使主电路中的 3 对常开触点闭合，异步电动 M 的三相电源被接通，电动 机开始运行，控制电路中接触器 KM 的辅助常开触点同时接通。放开起动按钮后，SBl 的常开触点断开，电流经 KM 的辅助常开触点和 SB2、FR 的常闭触点流过 KM 的线圈， 电动机继续运行。KM 的辅助常开触点实现的这种功能称为“自锁”或“自保持”，它 使继电器电路具有类似于 R-S 触发器的记忆功能。在电动机运行时按停止按钮 SB

32、2，它 的常闭触点断开，使 KM 的线圈失电，KM 的主触点断开，异步电动机的三相电源被切断， 电动机停止运行 i 同时控制电路中 KM 的辅助常开触点断开。当停止按钮 SB2 被放开， 其常闭触点闭合后，KM 的线圈仍然失电，电动机继续保持停止运行状态。常用高电平 表示 1 状态(线圈通电、按钮被按下)，用低电平表示 0 状态(线圈断电、按钮被放开)。 “起动-保持-停止”电路，或简称为“起保停”电路控制电路在继电器系统和 PLC 的 梯形图中被大量使用。 摇臂钻床控制 9 使用继电器电路或 PLC 的梯形图可以实现开关量的逻辑运算。在 PLC 的梯形图， 梯形图中某些编程元件(如输出继电器

33、和辅助继电器)的线圈“通电”时，其常开触点 闭合，常闭触点断开，称该编程元件为 1 状态。当它们的线圈“断电“ 时，其常开触点断开，常闭触点闭合，称该编程元件为 0 状态。 X 为输入逻辑变量，Y 为输出逻辑变量。用继电器电路或梯形图可以实现基本逻辑 运算，触点的串联可实现“与”运算，触点的并联可实现“或”运算，用常闭触点控 制线圈可实现“非”运算。多个触点的串、并联电路可以实现复杂的逻辑运算，例如 继电器电路实现的逻辑运算可用逻辑代数表达式表示为 KM=(SBI+KM)*SB2*FR，式中的 加号表示逻辑或，乘号表示逻辑与，上画线表示“非”运算。 1.4.2 PLC 的替代 下面用一个简单的

34、例子来进一步说明 PLC 的替代实现。假如有一图中给出 了 PLC 的外部接线图和梯形图，起动按钮 SB1 停止按钮 SB2 和热继电器 FR 的常开触点 分别接在编号为 X0X2 的 PLC 的输入端，交流接触器 KM 的线圈接在编号为 Y0 的 PLC 的输出端。图中有 4 个输入输出变量对应的 IO 映像寄存器，图中有 PLC 的梯形图， 它应与所要求的继电器电路的功能相同。但是应注意，梯形图是一种软件，是 PLC 图 形化的程序。图中的 X0 等是梯形图中的编程元件，X0-X2 是输入继电器，Y0 是输出 继电器。梯形图中的编程元件 X0 与接在输入端子 X0 的 SBl 的常开触点和

35、输入映像寄 存器 X0 相对应，编程元件 Y0 与输出映像寄存器 Y0 和接在输出端子 Y0 的 PLC 内部的 输出电路相对应。梯形图以指令的形式储存在 PLC 的用户程序存储器中，图中的梯形 图与下面的 5 条指令相对应，“；”之后是该指令的注释。 LD X0 ：接在左侧母线上的 X0 的常开触点 OR Y0 ；与 X0 的常开触点并联的 Y0 的常开触点 ANI X1 ；与并联电路串联的 X1 的常闭触点 ANI X2 ；串联的 X2 的常闭触点 OUT Y0 ；Y0 的线圈 1.4.3 PLC 的工作原理分析 它的工作有两个要点：入出信息变换、可靠物理实现。入出信息变换主要由运行 存储

36、于 PLC 内存中的程序实现。既有系统程序（这程序又称监控程序，或操作系统）， 又有用户程序。系统程序为用户程序提供编辑与运行平台，同时，还进行必要的公共 处理，如自检，I/O 刷新，与外设、上位计算机或其它 PLC 通讯等处理。用户程序由用 户按照控制的要求进行设计。什么样的控制，就有什么样的用户程序。可靠物理实现 主要通过输入（I，INPUT）及输出（O，OUTPUT）电路。I/O 电路是很多的。一般讲， 摇臂钻床控制 10 每一输入点或输出点就要有一个 I 或 O 电路。而且，总是把若干个这些电路集成在一 个模块（或箱体）中，然后再由若干个模块（或箱体）集成为 PLC 完整的 I/O 系

37、统 （电路）。尽管这些模块相当多，占了 PLC 体积的大部分，但由于它们都是由高度集 成化的电路组成的，所以，PLC 的体积还是不太大的。 输入电路时刻监视着输入点的（通、ON 或断、OFF）状态，并将此状态暂存于它 的输入暂存器（还可能有别的称谓）中。每一输入点都有一个与其对应的输入暂存器。 输出电路有输出锁存器（还可能有别的称谓）。它也有两个状态，高、低电位状 态，并可锁存。同时，它还有相应的物理电路，可把这个高、低电位的状态传送给输 出点。每一输出点都有一个与其对应的输出锁存器。 这里的输入暂存器及输出锁存器实际是 PLC 的 I/O 电路的寄存器。它们与 PLC 内 存交换信息通过 P

38、LC I/O 总线及运行 PLC 的系统程序实现。把输入暂存器的信息读到 PLC 的内存中，称输入刷新。PLC 内存有专门开辟的存放输入信息的映射区。这个区的 每一对应位（bit）称为输入继电器，或称软接点，或称为过程映射输入寄存器 （the process-image input register）。这些位（bit）置成 1，表示接点通，置成 0 为接点断。由于它的状态是由输入刷新得到的，所以，它反映的就是输入点的状态。 输出锁存器与 PLC 内存中的输出映射区也是对应的。一个输出锁存器也有一个内 存位（bit）与其对应，这个位称为输出继电器，或称输出线圈，或称为过程映射输出 寄存器（the

39、 process-image output register）。通过 PLC I/O 总线及运行系统程序， 输出继电器的状态将映射给输出锁存器。这个映射的完成也称输出刷新。PLC 除了有可 接收开关信号的输入电路，有时，还有可接收模拟信号的输入电路（称模拟量输入单 元或模块）。只是后者先要进行模、数转换，然后，再把转换后的数据存入 PLC 相应 的内存单元中。如要产生模拟量输出，则要配有模拟输出电路（称模拟量输出模块或 单元）。靠它对 PLC 相应的内存单元的内容进行数、模转换，并产生输出。这样，用 户所要编的程序只是，PLC 输入有关的内存区到输出有关的内存区的变换。这是一个数 据及逻辑处理

40、问题。由于 PLC 有强大的指令系统，编写出满足这个要求的程序是完全 可能的。简单地说，PLC 工作过程是：输入刷新-运行用户程序-输出刷新，再输入 刷新-再运行用户程序-再输出刷新永不停止地循环反复地进行着。 有了上述过程，用 PLC 实现控制显然是可能的。因为：有了输入刷新，可把输入 电路监视得到的输入信息存入 PLC 的输入映射区；经运行用户程序，输出映射区将得 到变换后的信息；再经输出刷新，输出锁存器将反映输出映射区的状态，并通过输出 电路产生相应的输出。又由于这个过程是永不停止地循环反复地进行着，所以，输出 摇臂钻床控制 11 总是反映输入的变化的。只是响应的时间上，略有滞后。图 1

41、-7 所示的是简化的过程， 实际的 PLC 工作过程还要复杂些。除了 I/O 刷新及运行用户程序，还要做些其它的公 共处理工作。公共处理工作有：循环时间监视、外设服务及通讯处理等。监视循环时 间的目的是避免用户程序“死循环”，保证 PLC 能正常工作。为避免用户程序“死循 环”的办法是用“看门狗”（Watching dog）。具体的是设一个定时器，监测用户程 序的运行时间，只要循环超时，即报警，或作相应处理。外设服务是让 PLC 可接受编 程器对它的操作，或通过接口向输出设备输出数据。通讯处理是实现与计算机，或与 其它 PLC，或与智能操作器、传感器进行信息交换的。这也是增强 PLC 控制能力

42、的需要。 也就是说，实际的 PLC 工作过程总是：公共处理I/O 刷新运行用户程序再 公共处理反复不停地重复着。此外，PLC 上电后，也要进行系统自检及内存的初 始化工作，为 PLC 的正常运行做好准备。用这种不断地重复运行程序以实现控制，称 扫描方式工作。是 PLC 基本的工作方式。此外，为了应对紧急任务，PLC 还有中断工作 方式。在中断方式下，需处理的任务先申请中断，被响应后停止正运行的程序，转而 去处理中断工作（运行有关中断的服务程序）。待处理完中断，又返回运行原来程序。 哪个控制需要处理，哪个就去申请中断。哪个不需处理，将不被理睬。 PLC 的中断方 式的任务，或称事件，是分等级的。

43、同时出现两个或多个中断事件，则优先级高的先 处理，继而处理低的。直到全部处理完中断任务，再转为执行扫描程序。 PLC 对大量 控制都用扫描方式工作，而对个别急需的处理，则用中断方式。这样，既可做到所有 的控制都能照顾到，而个别应急的任务也能及时进行处理。当然，PLC 的实际工作过程 比这里讲的还要复杂一些，分析其基本原理，也还有一些理论问题。但如果能弄清上 面介绍的思路，也就好把握住 PLC 的基本原理了。以下是对图 1-5 的 PLC 工作原理的 分析：在输入处理阶段，CPU 将 SBl，SB2 和 FR 的常开触点的状态读入相应的输入映像 寄存器，外部触点接通时存入寄存器的是二进制数 l，

44、反之存入 0。执行第 l 条指令时， 从 X0 对应的输入映像寄存器中取出二进制数并保存起来。执行第 2 条指令时，取出 Y0 对应的输出映像寄存器中的二进制数，与 X0 对应的二进制数相“或”(电路的并联对 应“或”运算)。执行第 3 条或第 4 条指令时，分别取出 xl 或 X2 对应的输入映像寄存 器中的二进制数，因为是常闭触点，取反后与前面的运算结果相“与”(电路的串联对 应“与”运算)，然后存入运算结果寄存器。执行第 5 条指令时，将运算结果寄存器中 的二进制数送入 Y0 对应的输出映像寄存器。在输出处理阶段，CPU 将各输出映像寄存 器中的二进制数传送给输出模块并锁存起来，如果 Y

45、0 对应的输出映像寄存器存放的是 二进制数 1，外接的 KM 的线圈将通电，反之将断电。如果读入输入映像寄存器 X0X2 的均为二进制数 0，在程序执行阶段，经过上述逻辑运算过程之后，运算结果仍为 摇臂钻床控制 12 Y0=0，所以 KM 的线圈处于断电状态。按下起动按钮 SBl，X0 变为 l 状态，经逻辑运算 后 Y0 变为 1 状态，在输出处理阶段，将 Y0 对应的输出映像寄存器中的 1 送到输出模 块，PLC 内 Y0 对应的物理继电器的常开触点接通，接触器 KM 的线圈通电。 1.4.4 输入/输出滞后时间 输入/输出滞后时间又称系统响应时问，是指 PLC 部输入信号发生变化的时刻至

46、 它控制的有关外部输出信号发生变化的时刻之间的时间间隔，它由输入电路滤波时间、 输出电路的滞后时间和因扫描工作方式产生的滞后时间这三部分组成。 输入模块的 RC 滤波电路用来滤除由输入端引入的干扰噪声，消除因外接输入触点动作时产生的抖 动引起的不良影响，滤波电路的时间常数决定了输入滤波时间的长短，其典型值为 10ms 左右。输出模块的滞后时间与模块的类型有关，继电器型输出电路的滞后时间一 般在 10ms 左右；双向晶闸管型输出电路在负载通电时的滞后时间约为 1ms，负载由通 电到断电时的最大滞后时间为 10ms；晶体管型输出电路的滞后时间一般在 1ms 以下； 由扫描工作方式引起的滞后时间最长

47、可达两个多扫描周期。PLC 总的响应延迟时间一 般只有几十 ms，对于一般的系统是无关紧要的。要求输入输出信号之间的滞后时间尽 量短的系统，可以选用扫描速度快的 PLC 或采取其他措施。 1.5 PLC 的特点 从讨论 PLC 的工作原理知，PLC 的输入与输出在物理上是彼此隔开的，其间的联系 主要不是靠物理过程，不是用线路，而主要靠变换信息的程序实现。输入输出主要为 软联系，而不是硬联系。它的工作基础是信息流，而不是物流、能量流。信息不同于 物质与能量，有自身的规律。信息便于处理，便于传递，便于存储；信息可反复重用， 重用后自身还不消失，等等。正是由于信息的这些特点，决定了 PLC 的基本特

48、点。归 纳起来，除了功能丰富，PLC 还有以下特点： （1)工作可靠: 用 PLC 实现对系统的控制是非常可靠的。这是因为 PLC 在硬件与软件两个 方面都采取了很多非常有效的根本性措施： 在硬件方面： 对输入信号多作了滤波。而且，输入输出电路与内部 CPU 是电隔离。其信息靠光 耦器件或电磁器件传递。同时，CPU 板还有抗电磁干扰的屏蔽措施，可确保 PLC 程序的 运行不受外界的电与磁干扰。有很多这样的实例，原来是用计算机的采集卡采集数据， 因干扰大而无法正常工作，而改换用 PLC 后，则顿即可正常工作。PLC 使用的元器件多 为无触点的，而且为高度集成的，数量并不太多，也为其可靠工作提供了

49、物质基础。 摇臂钻床控制 13 而且，所用的元、器件都经严格监测、老化与筛选，质量是有可靠保证的。其输出用 的继电器虽为接点的，但它的接点是在密封的真空条件下，故其寿命也可达几十万次。 在机械结构设计与制造工艺上，为使 PLC 能安全可靠地工作，也采取了很多措施，可 确保 PLC 耐振动、耐冲击。使用环境温度可高达摄氏 50 多度，有的 PLC 可高达 100。 有的在低温，低到零下 40、50 度，还可正常工作。有的 PLC 的模块可热备，一个模块 工作，另一个模块也运转，但不参与控制仅作备份。一旦工作模块出现故障，热备份 的可自动接替其工作。还有更进一步冗余的，采用三取一的设计，CPU、I/O 模块、电 源模块都冗余或其中的部分冗余。三套同时工作，最终输出取决于三者中的多数决定 的结果。这可使系统出故障的机率几乎为零，做到万无一失。当然，这样的系统成本 是很高的，只用于特别重要的场合，如铁路车站的道叉控制系统。 在软件方面： PLC 的工作方式一般为扫描加中断，这既可保证它能有序地工作，其控制总是确 定的；而且又能应急处理急于处理的控制，保证了 PLC 对应急情况的及时响应，使 PL