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（一）PLC的基本概念
1．PLC产生
在60年代，汽车生产流水线的自动控制系统基本上都是由继电器控制装置构成的。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。随着生产的发展，汽车型号更新的周期愈来愈短，这样，继电器控制装置就需要经常地重新设计和安装，十分费时，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，要求用新的控制装置取代继电器控制装置，并提出了十项招标指标，即：
(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）数据可直接送入管理计算机；
(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至少能扩展到4K。
   1969年，美国数字设备公司（DEC）研制出第一台PLC，在美国通用汽车自动装配线上试用，获得了成功。这种新型的工业控制装置以其简单易懂，操作方便，可靠性高，通用灵活，体积小，使用寿命长等一系列优点，很快地在美国其他工业领域推广应用。到1971年，已经成功地应用于食品，饮料，冶金，造纸等工业。这一新型工业控制装置的出现，也受到了世界其他国家的高度重视。1971日本从美国引进了这项新技术，很快研制出了日本第一台PLC。1973年，西欧国家也研制出它们的第一台PLC。我国从1974年开始 
2．PLC概念
   PLC问世以来，尽管时间不长，但发展迅速。为了使其生产和发展标准化，国际电工委员会(IEC)先后颁布了PLC标准的草案第一稿，第二稿,并在1987年2月通过了对它的定义：
“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。它采用一类可编程的存储器，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。”
为了避免与个人计算机PC（Personal Computer）相混淆，所以改为PLC（Programmable LogicController）即可编程逻辑控制器，但从功能上讲，现在的PLC早已不是原来意义上的“PLC”了。
可编程控制器是一台计算机，它是专为工业环境应用而设计制造的计算机。它具有丰富的输入、输出接口，并且具有较强的驱动能力。但可编程控制器产品并不针对某一具体工业应用，在实际应用时，其硬件需根据实际需要进行选用配置，其软件需根据控制要求进行设计编制。
研制。于1977年开始工业应用。
3.PLC特点
    (1)可靠性高，抗干扰能力强
工业生产一般对控制设备要求很高，应具有很强的抗干扰能力和高的可靠性，能在恶劣的环境中可靠地工作，平均故障间隔时间长，故障修复时间短。这是PLC控制优于微机控制的一大特点。例如日本的三菱公司F1、F2系列平均故障间隔时间长达30万h，而A系列的可靠性比F1、F2系列更高。
   PLC控制系统的故障通常有两种：一种是偶发性故障，即由于恶劣环境（电磁干扰、超高温、过电压、欠电压）引起的，这类故障只要不引起系统部件的损坏，一旦环境条件恢复正常，系统本应随之恢复正常，但因PLC受外界影响后，内部存储的信息被破坏，必须从初始状态重新起动。另一类是性故障，是由于元器件不可恢复的损坏引起的。
   在PLC设计中，可以从硬件和软件两方面采取措施，防止以上故障的发生，以提高其可靠性。主要措施有：
①硬件措施有：
屏蔽:对电源变压器、CPU编程器等主要部件，采用导电、导磁良好的材料进行屏蔽，以防外界干扰。
滤波:对供电系统及输入/输出线路采用多种形式的滤波，如LC式π型滤波网络，以消除高频干扰和削弱各种模块之间的相互影响。
电源的调整与保护:对微处理器这个核心部件所需的+5V电源，采用多级滤波，并用集成电压调整器进行调整，以适应交流电网的波动和过电压、欠电压影响。
隔离:在微处理器与输入/输出电路之间，采用光电隔离，有效地隔离输入/输出间电的联系，减少故障和误动作的可能。
联锁:所有输出模块都受开门信号控制，而这个信号只在规定的各种条件都满足时才有效，这样就有效地防止了产生不正常输出的可能性。
采用模块式结构:这种结构有助于故障情况下短时修复。
设置环境检测和诊断电路:这种分电路与软件配合，可以实现灵活保护与故障指示等功能。

 ②软件措施有：
故障检测:软件定期地检测外界环境，对诸如掉电、强干扰信号等情况能及时进行处理。
信息保护和恢复:对偶发性故障只要故障条件出现时，不破坏PLC内部的信息，一旦故障条件消失，就可恢复正常，继续原来的工作。
设置了警戒时钟WDT:如果程序每循环执行时间超过了WDT规定时间，预示了程序进入死循环，立即报警。
加强对程序的检查和检验:一旦程序有错，立即报警并停止执行。
对程序及动态数据进行电池后备:停电后，利用后备电池供电，有关状态及信息就不会因此而丢失。
这样，PLC的可靠性、抗干扰能力大大提高。例如美国通用电气公司制成的PC控制模块平均无故障率可达1千万小时之多，组成系统后的平均无故障率可达4至5千万小时。
   （2）编程简单，使用方便
这是PLC优于微机的另一个特点。目前大多数PLC采用继电控制形式的“梯形图编程方式”，即有传统控制线路的清晰直观，又适合电气技术人员的读图习惯和微机应用水平，易于接受，与常用的汇编语言相比，更受欢迎。
   这了进一步简化编程，当今的PLC还针对具体问题设计了诸如步进梯形指令、功能指令等。PLC是为车间操作人员而设计的，一般只要很短时间的训练即能学会使用。而微电脑控制系统则要求具有一定知识的人员操作。当然，PLC的功能开发，需要有软件专家的帮助。
   （3）控制程序可变，具有很好的柔性
在生产工艺流程改变或生产线设备更新的情况下，不必改变PLC的硬设备，只要改变程序就可以满足要求。所以PLC取代继电器控制，而且具有继电器所不具备的无可比拟的优点。因此PLC除应用于单机控制外，在柔性制造单元（FMC）、柔性制造系统（FMS），以至工厂自动化（FA）中也被大量采用。
   （4）功能完善
现代PLC具有数字和模拟量输入输出、逻辑和算术运算、定时、计数、顺序控制、功率驱动、通信、人机对话、自检、记录和显示功能，使用设备水平大提高。
   （5）扩充方便，组合灵活
PLC产品具有各种扩充单元，可以方便地适应不同工业控制需要的不同输入输出点及不同输入输出方式的系统。
   （6）减少了控制系统设计及施工的工作量
   由于PLC采用软件编程来达到控制功能，而不同于继电器控制采用接线来达到控制功能，同时PLC又能率先进行模拟调试，并且操作化功能和监视化功能很强，这些都减少了许多的工作量。
   （7）体积小、重量轻，是“机电一体化”特有的产品
   一台收录机大小的PLC具有相当于1.8m高的继电器控制柜的功能，一般节电50％以上。由于PLC是工业控制的专用计算机，其结构紧密、坚固、体积小巧，并由于具备很强的抗干扰能力，使之易于装入机械设备内部，因而成为实现“机电一体化”较理想的控制设备。
   由于PLC具备了以上特点，它把微计算机技术与继电器控制技术很好地融合在一起，新发展的PLC产品，还把直接数字控制（DDC）技术加进去，并具有监控计算机联网的功能。因而它的应用几乎覆盖了所有的工业企业，既能改造传统机械产品成为机电一体化的新一代产品，又适用于生产过程控制，实现工业生产的优质、高产、节能与降低成本。
   PLC技术代表了当前电气控制的世界先进水平，PLC与数控技术和工业机器人已成为机械工业自动化的三大支柱。
4．PLC的发展与应用
（1）PLC的发展大体上可分为3个阶段：
①形成期（1970―1974年）
在这一期间PLC以准计算的面貌与用户见面。在软件上采用机器码和汇编语言编写应用程序，在硬件上采用中小规模集成电路构成系统。其功能于开关逻辑控制，且价格昂贵，只在一些大型生产设备和自动生产线上使用。
②成熟期（1973―1978年）
在这一时期，一方面随着大规模集成电路的出现，出现了以微处理器为核心的新一代PLC，另一方面采用了梯形图语言，通俗易懂。由此称为PLC，且技术也日趋完善。
③大发展时期（1977――至今）
由于PLC技术的发展始终保持两个特点：一是继承继电器控制系统的特点，二是应用了计算机技术。所以随着PLC应用的扩大，全面促进了PLC的生产和研究，产品的品种也越来越多，需求量也越来越大，而且很受欢迎，PLC也成为工业控制领域中占主导地位的基础自动化设备。国家已形成为重要产业。据不完全统计，世界PLC总销售额1987年为25亿美元，1988年为31亿美元，比前一年增长24％。1989年为36亿美元，比上一年增长16％。而且新的生产家不断涌现，产量产值大幅度增加，价格也普遍下降。
据美国《控制工程》杂志统计，1984年美国注册生产的厂家有48家，其中的有AB（Allen bradly）公司、GM（Gould  Modicon）公司、TI仪器（Texas Instruments）公司、GE（General  Electric）公司、西屋（Westen House）电气公司等。
据日本《自动化》杂志统计，1982年日本有40家工厂生产PC，其中的有三菱、日立、立石、夏普、安川、东芝、富士等公司。
据德国《工业电气电子》杂志统计，1984年欧州有60家生产PLC的厂家，其中的有德国西门子公司、BBC公司、AEG公司及法国的TE公司等。
（2）随着国外PLC技术的日益发展，其应用也越来越广泛，其范围通常可分成五大类型
①顺序控制
这是现今PLC应用广泛的领域，可以取代传统的继电器顺序控制可以用于单机、多级制式生产自动线控制。如：注塑机、印刷机械、组合机床、装配生产线、包装生产线、电镀车间及电梯控制线路等等。
②运动控制
PLC制造商目前已提供了拖动步进电机式伺服电机的单轴式多轴位置控制模块。在多数情况下，PLC把描述目标位置的数据送给模块，模块移动一轴式数轴到目标位置。当每个轴移动时，位置控制模块保持适当的速度和加速度，确保运动平滑。运动的编程可用PLC的语言完成，通过编程器输入。
③过程控制
PLC能控制大量的物理参数。例如:温度、压力、速度和流量。PID（Proportional-Integral-Derivative）模块的提供使PLC具有了闭环控制的功能，即一个具有PID控制能力的PLC可用于过程控制。当由于控制过程中某个变量出现偏差时，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和计算数值控制（CNC）设备紧密结合的趋向。的日本FANUC公司推出的SYSTEM　10.11.12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自由编程，由PLC连至CNC设备使用。预计今后几年CNC系统将变成以PLC为主体的控制和管理体系。
⑤通信
为了适应国外近年来兴起的工厂自动化（FA）系统发展需要，发展了PLC之间、PLC与上级计算机之间的通信功能，它们都采用光纤通信多级传递。输入/输出模块按功能各自放置在生产现场分散控制，然后采用网络联结构成集中管理信息的分布式网络系统。
（二）PLC的组成及基本原理
1．PLC的硬件组成
可编程控制器的构成框图和计算机是一样的，都由中央处理器（CPU）、存贮器和输入/输出接口等构成。因此，从硬件结构来说，可编程控制器实际上就是计算机，图4-2是其硬件系统的简化框图。从图中可以看出PLC内部主要部件有:
（1）CPU（Central  Process  Unit）
CPU是PLC的核心组成部分，与通用微机的CPU一样，它在PLC系统中的作用类似于人体的神经中枢，故称为“电脑”。其功能是：
a、按PLC中系统程序赋予的功能，接收并存储从编程器输入的用户程序和数据。
b、用扫描方式接收现场输入装置的状态式数据，并存入映象寄存器或数据寄存器中。
c、诊断电源、PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误。
d、在PLC进入运行状态后，从存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令规定的任务，产生相应的信号，去启闭有关控制门电路。分时分渠道地去执行数据的存取、传送、组合、比较和变换等操作，完成用户程序中规定的逻辑式算术运算等任务。根据运算结果，更新有关标志位的状态和输出映象寄存器的内容，再由输出映象寄存器的位状态式数据寄存器的有关内容，实现输出控制、制表、打印式数据通讯等。
PLC常用的CPU主要采用通用微处理器、单片机或双极型位片式微处理器。通用的微处理器常用的是8位机和16位机，如Z80A、8085、8086、6502、M6800、M6809、M68000等。单片机常用的有8039、8049、8031、8051等。双极型位片式微处理器常用的有AMD2900、AMD2903等。
①用通用微处理器作CPU
    在低档PLC中，用Z80A做CPU较为普遍，Z80A用于PLC有如下长处：Z80（或Z80A）CPU及其配套的芯片廉价、普及、通用，用这套芯片制成的PC，给维修及推广普及带来方便。Z80有独立的输入/输出指令,而且指令格式较短，执行时间也较短，这样有利于扫描周期的缩短。Z80输入/输出指令格式较短，相应的输入/输出设备编码也较短，所以相应的译码硬件器较简单。由于Z80的信息是采用输入/输出映射方式，因而设计流程序时，对输入/输出与存储器寻址容易区别。
②用单片机作CPU
   自从1974年出现单片机以来，已有不少产品采用单片机做可编程序控制器。日本三菱F系列PLC就采用美国INTEL公司MES－48系列的单片机8049和8039做处理器，8039单片机在一块片子上集成了8位的CPU，128×8的数据存储器。27条输入/输出线，T0、T1、INT测试线及8位定时器/计数器，时钟振荡电路等。
   自80年代以来，出现了集成度更高。功能更强，并带有“布尔机”而又便于作数据通信的MCS-51系列单片机以及功能更高的16位单片机，大有取代MCS－48系列之势。日本三菱的F2系列PLC即采用CPU8031。MCS－51系列单片机是美国INTEL公司在MCS－48单片机基础上，于80年代初推出的产品，具有高集成度、高可靠性、高功能、高速度、低价格等特点。它有三个代表产品：8051、8751和8031，它们分别有不同的应用特性。8051是以4K字节EPR0M代替4K字节的R0M的8051；8031是内部无R0M8051。必须外接EPR0M；INTEL公司的96系列的单片机，字长为16，运算速度比51系列更高，这必将为高档次的PLC开发和应用带来美好的远景。用单片机制成的PLC有以下显著特点：为机电设备一体化创造了条件，因为由单片机制成PLC，体积更小。同时PLC逻辑功能很强，并且具有数值运算和通信接口。
③用位片式微处理器作CPU
位片式微处理器的主要特点是：速度快、灵活性强、效率高等特点。可以进行“级联”，易于“流水线”操作。
（2）系统程序存储器
它用以存放系统工作程序（监控程序）、模块化应用功能子程序、命令解释功能子程序的调用管理程序，以及对应定义（I/0、内部继电器、计时器、计数器、移位寄存器等存储系统）参数等功能。
（3）用户存储器
   用以存放用户程序即存放通过编程器输入的用户程序。PLC的用户存储器通常以字（16位/字）为单位来表示存储容量。同时，由于前面所说的系统程序直接关系到PLC的性能，不能由用户直接存取。因而通常PLC产品资料中所指的存储器型式或存储方式及容量，是对用户程序存储器而言。
   常用的用户存储方式及容量型式或存储方式有CM0SRAM，EPR0M和EEPR0M。信息储存常用盒式磁带和磁盘。
CM0SRAM存储器是一种中高密度、低功能、价格便宜的半导体存储器，可用锂电池作为备用电源。一旦交流电源停电，用锂电池来维持供电，可保存RAM内停电前的数据。锂电池寿命一般为1―5年左右。
   EPR0M存储器是一种常的只读存储器，定入时加高电平，擦除时用紫外线照射。PLC通过写入器可将RAM区的用户程序固化到R0M盒中的EPR0M中去。在PLC机中插入R0M盒，PLC则执行R0M盒中用户程序；反之，不插上R0M盒，PLC则执行RAM区用户程序。
EEPR0M存储器是一种可用电改写的只读存储器。
（4）输入输出组件（I/0模块）
   I/0模块是CPU与现场I/0装置或其它外部设备之间的连接部件。PLC提供了各种操作电平与驱动能力的I/0模块和各种用途的I/0组件供用户选用。如输入/输出电平转换、电气隔离、串/并行转换数据、误码较验、A/D或D/A转换以及其它功能模块等。I/0模块将外界输入信号变成CPU能接受的信号，或将CPU的输出信号变成需要的控制信号去驱动控制对象（包括开关量和模拟量），以确保整个系统正常工作。
输入的开关量信号接在IN端和0V端之间，PLC内部提供24V电源，输入信号通过光电隔离，通过R/C滤波进入CPU控制板，CPU发出输出信号至输出端。PLC输出有三种型式：继电器方式、晶体管方式和晶闸管方式。
（5）编程器
   编程器是用于用户程序的编制、编辑、调试检查和监视等。还可以通过其键盘去调用和显示PLC的一些内部状态和系统参数。它通过通讯端口与CPU联系，完成人机对话连接。编程器上有供编程用的各种功能键和显示灯以及编程、监控转换开关。编程器的键盘采用梯形图语言键符式命令语言助记符，也可以采用软件指定的功能键符，通过屏幕对话方式进行编程。
编程器分为简易型和智能型两类。前者只能连机编程，而后者既可连机编程又可脱机编程。同时前者输入梯形图的语言键符，后者可以直接输入梯形图。根据不同档次的PLC产品选配相应的编程器。
（6）外部设备
一般PLC都配有盒式录音机、打印机、EPR0M写入器、高分辨率屏幕彩色图形监控系统等外部设备。
（7）电源
根据PLC的设计特点，它对电源并无特别要求，可使用一般工业电源。
2．PLC的软件组成
由图4-2可见，PLC实质上是一种工业控制用的专用计算机。PLC系统也是由硬件系统和软件系统两大部分组成。其软件主要有以下几个逻辑部件： 
（1）继电器逻辑
   为适应电气控制的需要，PLC为用户提供继电器逻辑，用逻辑与或非等逻辑运算来处理各种继电器的连接。PLC内部有储单元有“1”和“0”两种状态，对应于“0N”和“0FF”两种状态。因此PLC中所说的继电器是一种逻辑概念的，而不是真正的继电器，有时称为“软继电器”。这些“软继电器”与通常的继电器相比有以下特点：
①体积小、功耗低
②无触点、速度快、寿命长
③有无数个触点，使用中不必考虑接点的容量
PLC一般为用户提供以下几种继电器（以FX2N系列PLC为例）：
输入继电器（X）：把现场信号输入PLC，同时提供无限多个常开、常闭触点供用户编程使用。在程序中只有触点没有线圈，信号由外部信号驱动。编号采用八进制，分别为X000—X007，X010-X017等。
输出继电器（Y）：具备一对物理接点，可以串接在负载回路中，对应物理元件有继电器、晶闸管和晶体管。外部信号不能直接驱动，只能在程序中用指令驱动。编号采用八进制，分别为Y000—Y007，Y010-Y017等。
内部继电器（M）：与外界没有直接联系，仅作运算的中间结果使用。有时也称为辅助继电器或中间继电器。和输出继电器一样，只能由程序驱动。每个辅助继电器有无限多对常开、常闭触点，供编程使用。地址号按十进制分配，通用型辅助继电器有M0-M499共500点，保持型辅助继电器有M500-M1023共524点，特殊型辅助继电器有M8000-M8255共157点。
(2)定时器逻辑
PLC一般采用硬件定时中断，软件计数的方法来实现定时逻辑功能，定时器一般包括：
定时条件：控制定时器操作。
定时语句：指定所使用的定时器，给出定时设定值。
定时器的当前值：记录定时时间。
定时继电器：定时器达到设定的值时为“1“（0N）状态，未开始定时或定时未达到设定值时为“0”（0FF）状态。
a.功能：该元件是定时用的，范围为0.001～32.767（1ms定时器）秒、0.01～327.67秒（10ms定时器）、0.1～3276.7秒（100ms定时器）。元件范围按十进制分配如下：
                           T246～T249：1ms定时器
                           T200～T245：10ms定时器
                           T0～T199：100 ms定时器

(3)计数器逻辑
PLC为用户提供了若干计数器，它们是由软件来实现的，一般采用递减计数，一个计数器有以下几个内容：
计数器的复位信号R
计数器的计数信号（CP单位脉冲）
计数器设定值的记忆单元
计数器当前计数值单元
计数继电器，计数器计数达到设定值时为0N，复位或未到计数设定值时为0FF。

（4）计数器：C
a.功能：该元件完成记数功能。内部计数用的16位向上计数器（1～32767）和计数旋转编码器的输出等用的32位高速（向上、向下）计数器（-2，147，483648～+2，147，483，647）。该元件范围按十进制分配如下：
16位向上计数器：
C0～C99：一般用（非停电保持）；
C100～C199：保存用（停电保持）；
32位向上、向下高速计数器：
C200～C219：一般用（非停电保持）； C220～C234：保存用（停电保持）；