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PLC编程基础知识_百度文库
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京网文[0号 京ICP证100780号基本内容/PLC编程
可编程逻辑控制器可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller,PLC),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。
PLC编程简介/PLC编程
随着微 处理器、 计算机和 数字通信技术的飞速发展,计算机控制已扩展到了几乎所有的工业领域。现代社会要求制造业对市场需求作出迅速的反应,生产出小批量、多品种、多规格、低成本和高质量的产品,为了满足这一要求,生产设备和自动生产线的 控制系统必须具有极高的可靠性和灵活性,PLC编程正是顺应这一要求出现的,它是以微处理器为基础的通用工业控制装置。
工作原理/PLC编程
PLC编程PLC是采用“顺序扫描,不断循环”的方式进行工作的。即在PLC运行时,CPU根据用户按控制要求编制好并存于用户存储器中的程序,按指令步序号(或地址号)作周期性循环扫描,如无跳转指令,则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序,直至程序结束,然后重新返回第一条指令,开始下一轮新的扫描,在每次扫描过程中,还要完成对输入信号的采样和对输出状态的刷新等工作。PLC的一个扫描周期必经输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段。PLC在输入采样阶段:首先以扫描方式按顺序将所有暂存在输入锁存器中的输入端子的通断状态或输入数据读入,并将其写入各对应的输入状态寄存器中,即刷新输入,随即关闭输入端口,进入程序执行阶段。PLC在程序执行阶段:按用户程序指令存放的先后顺序扫描执行每条指令,经相应的运算和处理后,其结果再写入输出状态寄存器中,输出状态寄存器中所有的内容随着程序的执行而改变。输出刷新阶段:当所有指令执行完毕,输出状态寄存器的通断状态在输出刷新阶段送至输出锁存器中,并通过一定的方式(继电器、晶体管或晶间管)输出,驱动相应输出设备工作。
PLC编程特点/PLC编程
PLC编程的应用面广、功能强大、使用方便,已经成为当代工业自动化的主要装置之一,在工业生产的所有领域得到了广泛的使用,在其他领域(例如民用和家庭自动化)的应用也得到了迅速的发展。国际电工委员会(IEC)在1985年的PLC标准草案第3稿中,对PLC作了如下定义:“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的指令,并通过数字式、模拟式的输入和输出,控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备,都应按易于使工业控制系统形成一个整体,易于扩充其功能的原则设计。”从上述定义可以看出,PLC是一种用程序来改变控制功能的工业控制计算机,除了能完成各种各样的控制功能外,还有与其他计算机通信联网的功能。PLC编程的推广应用在我国得到了迅猛的发展,它已经大量地应用在各种机械设备和生产过程的电气控制装置中,各行各业也涌现出了大批应用PLC改造设备的成果。了解PLC的工作原理,具备设计、调试和维护PLC控制系统的能力,已经成为现代工业对电气技术人员和工科学生的基本要求。
PLC编程语言/PLC编程
PLC的用户程序,是设计人员根据控制系统的工艺控制要求,通过PLC编程语言的编制规范,按照实际需要使用的功能来设计的。只要用户能够掌握某种标准编程语言,就能够使用PLC在控制系统中,实现各种自动化控制功能。根据国际电工委员会制定的工业控制编程语言标准(IEC1131-3),PLC有五种标准编程语言:梯形图语言(LD)、指令表语言(IL)、功能模块语言(FBD)、顺序功能流程图语言(SFC)、结构文化本语言(ST)。这五标准编程语言,十分简单易学。梯形图语言梯形图语言是PLC程序设计中最常用的编程语言。它是与继电器线路类似的一种编程语言。由于电气设计人员对继电器控制较为熟悉,因此,梯形图编程语言得到了广泛的欢迎和应用。梯形图编程语言的特点是:与电气操作原理图相对应,具有直观性和对应性;与原有继电器控制相一致,电气设计人员易于掌握。梯形图编程语言与原有的继电器控制的不同点是,梯形图中的能流不是实际意义的电流,内部的继电器也不是实际存在的继电器,应用时,需要与原有继电器控制的概念区别对待。指令表语言指令表编程语言是与汇编语言类似的一种助记符编程语言,和汇编语言一样由操作码和操作数组成。在无计算机的情况下,适合采用PLC手持编程器对用户程序进行编制。同时,指令表编程语言与梯形图编程语言图一一对应,在PLC编程软件下可以相互转换。图3就是与图2PLC梯形图对应的指令表。指令表表编程语言的特点是:采用助记符来表示操作功能,具有容易记忆,便于掌握;在手持编程器的键盘上采用助记符表示,便于操作,可在无计算机的场合进行编程设计;与梯形图有一一对应关系。其特点与梯形图语言基本一致。功能模块图语言功能模块图语言是与数字逻辑电路类似的一种PLC编程语言。采用功能模块图的形式来表示模块所具有的功能,不同的功能模块有不同的功能。功能模块图编程语言的特点:功能模块图程序设计语言的特点是:以功能模块为单位,分析理解控制方案简单容易;功能模块是用图形的形式表达功能,直观性强,对于具有数字逻辑电路基础的设计人员很容易掌握的编程;对规模大、控制逻辑关系复杂的控制系统,由于功能模块图能够清楚表达功能关系,使编程调试时间大大减少。顺序功能流程图语言顺序功能流程图语言是为了满足顺序逻辑控制而设计的编程语言。编程时将顺序流程动作的过程分成步和转换条件,根据转移条件对控制系统的功能流程顺序进行分配,一步一步的按照顺序动作。每一步代表一个控制功能任务,用方框表示。在方框内含有用于完成相应控制功能任务的梯形图逻辑。这种编程语言使程序结构清晰,易于阅读及维护,大大减轻编程的工作量,缩短编程和调试时间。用于系统的规模校大,程序关系较复杂的场合。图5是一个简单的功能流程编程语言的示意图。 顺序功能流程图编程语言的特点:以功能为主线,按照功能流程的顺序分配,条理清楚,便于对用户程序理解;避免梯形图或其他语言不能顺序动作的缺陷,同时也避免了用梯形图语言对顺序动作编程时,由于机械互锁造成 用户程序结构复杂、难以理解的缺陷;用户程序扫描时间也大大缩短。结构化文本语言结构化 文本语言是用结构化的描述文本来描述程序的一种编程语言。它是类似于高级语言的一种编程语言。在大中型的PLC系统中,常采用结构化文本来描述控制系统中各个变量的关系。主要用于其他编程语言较难实现的用户程序编制。结构化文本编程语言采用计算机的描述方式来描述系统中各种变量之间的各种运算关系,完成所需的功能或操作。大多数PLC制造商采用的结构化文本编程语言与BASIC语言、PASCAL语言或C语言等高级语言相类似,但为了应用方便,在语句的表达方法及语句的种类等方面都进行了简化。结构化文本编程语言的特点:采用高级语言进行编程,可以完成较复杂的控制运算;需要有一定的计算机高级语言的知识和编程技巧,对工程设计人员要求较高。直观性和操作性较差。
PLC编程算法/PLC编程
PLC编程算法一 开关量的计算1、开关量也称逻辑量,指仅有两个取值,0或1、ON或OFF。它是最常用的控制,对它进行控制是 PLC的优势,也是 PLC最基本的应用。开关量控制的目的是,根据开关量的当前输入组合与历史的输入顺序,使PLC产生相应的开关量输出,以使系统能按一定的顺序工作。所以,有时也称其为顺序控制。而顺序控制又分为手动、半自动或自动。而采用的控制原则有分散、集中与混合控制三种。这是用OMRON的开关量编写的一个“单按钮启停”程序。2、 模拟量是指一些连续变化的物理量,如电压、电流、压力、速度、流量等。PLC是由继电控制引入微处理技术后发展而来的,可方便及可靠地用于开关量控制。由于模拟量可转换成数字量,数字量只是多位的开关量,故经转换后的模拟量,PLC也完全可以可靠的进行处理控制。由于连续的生产过程常有模拟量,所以模拟量控制有时也称过程控制。模拟量多是非电量,而PLC只能处理数字量、电量。所有要实现它们之间的转换要有传感器,把模拟量转换成数电量。如果这一电量不是标准的,还要经过变送器,把非标准的电量变成标准的电信号,如4—20mA、1—5V、0—10V等等。同时还要有模拟量输入单元(A/D),把这些标准的电信号变换成数字信号;模拟量输出单元(D/A),以把PLC处理后的数字量变换成模拟量——标准的电信号。所以标准电信号、数字量之间的转换就要用到各种运算。这就需要搞清楚模拟量单元的分辨率以及标准的电信号。例如:PLC模拟单元的分辨率是1/32767,对应的标准电量是0—10V,所要检测的是温度值0—100℃。那么0—32767对应0—100℃的温度值。然后计算出1℃所对应的数字量是327.67。如果想把温度值精确到0.1℃,把327.67/10即可。模拟量控制包括:反馈控制、前馈控制、比例控制、模糊控制等。这些都是PLC内部数字量的计算过程。3、 脉冲量是其取值总是不断的在0(低电平)和1(高电平)之间交替变化的数字量。每秒钟脉冲交替变化的次数称为频率。PLC脉冲量的控制目的主要是位置控制、运动控制、轨迹控制等。例如:脉冲数在角度控制中的应用。步进电机驱动器的细分是每圈10000,要求步进电机旋转90度。那么所要动作的脉冲数值=10000/(360/90)=2500。PLC编程算法二 模拟量的计算1、 -10—10V。-10V—10V的电压时,在6000分辨率时被转换为F448—0BB8Hex(-);12000分辨率时被转换为E890—1770Hex(-)。2、 0—10V。0—10V的电压时,在12000分辨率时被转换为0—1770Hex(0—6000);12000分辨率时被转换为0—2EE0Hex(0—12000)。3、 0—20mA。0—20mA的电流时,在6000分辨率时被转换为0—1770Hex(0—6000);12000分辨率时被转换为0—2EE0Hex(0—12000)。4、 4—20mA。4—20mA的电流时,在6000分辨率时被转换为0—1770Hex(0—6000);12000分辨率时被转换为0—2EE0Hex(0—12000)。以上仅做简单的介绍,不同的PLC有不同的分辨率,并且您所测量物理量实现的量程不一样。计算结果可能有一定的差异。注:模拟输入的配线的要求1、使用屏蔽双绞线,但不连接屏蔽层。2、当一个输入不使用的时候,将V IN 和COM端子短接。3、模拟信号线与电源线隔离 (AC 电源线,高压线等)。4、当电源线上有干扰时,在输入部分和电源单元之间安装一个虑波器。5、确认正确的接线后,首先给CPU单元上电,然后再给负载上电。6、断电时先切断负载的电源,然后再切断CPU的电源。PLC编程算法三 脉冲量的计算脉冲量的控制多用于 步进电机、 伺服电机的角度控制、距离控制、位置控制等。以下是以步进电机为例来说明各控制方式。1、步进电机的角度控制。首先要明确步进电机的细分数,然后确定步进电机转一圈所需要的总脉冲数。计算“角度百分比=设定角度/360°(即一圈)”“角度动作脉冲数=一圈总脉冲数*角度百分比。”公式为:角度动作脉冲数=一圈总脉冲数*(设定角度/360°)。2、步进电机的距离控制。首先明确步进电机转一圈所需要的总脉冲数。然后确定步进电机滚轮直径,计算滚轮周长。计算每一脉冲运行距离。最后计算设定距离所要运行的脉冲数。公式为:设定距离脉冲数=设定距离/[(滚轮直径*3.14)/一圈总脉冲数]3、步进电机的位置控制就是角度控制与距离控制的综合。以上只是天天自动化简单的分析步进电机的控制方式,可能与实际有出入,仅供各位同仁参考。伺服电机的动作与步进电机的一样,但要考虑伺服电机的内部电子齿轮比与伺服电机的减速比。有些事情说起来比较简单,但实际应用就有难度了。请大家在实际的工作中领悟其中的道理
PLC编程入门/PLC编程
PLC是一种在工业中被广泛应用的自动控制元件。然而PLC应用与编程人才短缺已经成为制约我国自动控制领域发展的瓶颈。通过学习PLC可编程控制器程序设计使学员掌握可编程序控制器的工作原理和PLC控制系统硬件软件的设计方法,可编写复杂的PLC程序,为从事PLC控制系统的设计、调试和改造工作打下基础。可以独立承担相关项目的设计与开发。让您由一位电工升级为货真价实的工程师!随着现代工业设备自动化,越来越多的工厂设备将采用PLC人机界面等自动化器件来控制,因此设备自动化程度越来越高。对设备的维护人员的技术要求越来越严格。作为一名合格的技术员,需要掌握的技能也越来越多,越来越全面性,以此来满足自动化的发展及要求,学习PLC编程一点也不难。有的初学者在理论上花了很多功夫,结果半年下来还是没有把PLC搞懂,其实他们只是缺少了一些PLC的实践经验,只要再进行一些实际的梯形图编写、程序下载、调试等操作,增加对PLC的感性认识,很快就可以掌握PLC这项技术了。开始阶段可以先学习一种品牌的PLC,因为所有的PLC原理都是差不多的,掌握了一种PLC其它的只要翻阅一下手册也就能上手使用了。初学时可以编一些简单的梯形图,如触点的与、或、输出等,在PLC的机器里运行一下。成功了就会增加你学习的兴趣、和信心。然后再把PLC的主要功能逐个运用一次,比如高速计数器,你可以用PLC本身的脉冲输出端接到高速计数器的输入端,下载编好的梯形图,打开变量观察窗口,运行程序,观察计数的值是否正确。经过了这样的实践,你基本上知道PLC到底能做哪些事情了,在实际的工控应用中就能做到胸有成竹了。1. 电工原理和电机原理一定要懂,简单的就记背也要背下来,比如马达容量1KW2A,正反转,星三角接线,电线容量。电阻,电感,电容的特性等2. 液压和气动也要掌握,比如压力换算,压力和电流的比例换算,这在有压力控制上都要用到3. 电线截面要会看,线拿到手就知道几平方的,还有什么电器上该用什么线,比如马达就用4线的,3根主线1根接地。从变频器上出来的要用屏蔽线。4. 机修也要会做,特别是螺丝,一看就知道用几的内角扳手或外六角扳手(别小看了它,平常维修固定螺丝是少不了它的,这样能节约时间)5. PLC编程自己可以模拟编,简单的如红绿灯,控制小车走等6. 做人要会做,要谦虚,不可能你样样都会。7. 心态要好,保持一颗平常的心8. 平常要多干,就是在苦在累也要,这样技术才能学到手能解决实际问题,反之你只不过是纸上谈兵对于做项目的1. 四大常用PLC要会,基本指令和功能指令要熟2. 通讯接口要懂3. 电气市场行情要熟,好的和坏的要会区分,列如买到个2手40点的PLC怎么判断它是好的呢?4. 变频器和单片机要懂,变频调速和伺服控制要懂5. 常用电器元件和传感器要知道6. 要会CAD电气制图。入门学习方法初学PLC的时候,学校还没有PLC。我和企业的技术人员一起,做了一些PLC控制的项目,还为企业翻译过西门子的S5-135U的技术资料,对PLC有了比较深入的了解。对PLC基本上心里有数后,我准备在学校开设PLC课程。当时国内还没有一本PLC教材,只有自己编写。刚开始编写的时候心里完全没数,连教材大致应该有什么样的结构都不知道。我在工厂工作的时候,曾经阅读过一些非常复杂的继电器控制电路,里面的逻辑关系七拐八绕,就像一团乱麻,如果没有说明书,休想把它看懂。显然,复杂的继电器控制电路的设计更为困难。PLC当时主要用来替代继电器控制,PLC的梯形图与继电器电路图非常接近。如果还是沿用继电器电路的设计方法来设计梯形图,程序设计将会成为PLC推广应用的最大障碍。因此我在写教材的时候,重点放在PLC的程序设计方法上。我希望能找到继电器控制电路的设计方法,供PLC的程序设计参考。当时有关的书籍极少,我在学校图书馆只找到一本文革前出版的工厂电气控制的书籍,里面讲了一种继电器电路的“经验设计法”。经验设计法是在一些典型电路的基础上,根据被控对象对控制系统的具体要求,不断地修改和完善电路。有时需要多次反复地调试和修改电路,增加一些触点或中间继电器,最后才能得到一个较为满意的结果。这种设计方法没有普遍的规律可以遵循,具有很大的试探性和随意性,最后的结果不是惟一的,设计所用的时间、设计的质量与设计者的经验有很大的关系。这个所谓的设计方法只能意会、不能言传,没法推广普及。后来我阅读了多个厂家的PLC用户手册和大量的外文资料,一种先进的设计方法浮现在我的眼前,这就是顺序控制设计法。在美国的《Controlengineering》杂志上,找到一篇法国TE公司一个工程师写的介绍顺序控制的论文。一些PLC用户手册也介绍了使用专用指令或专用编程元件的顺序控制设计法。使用顺序控制设计法时,首先根据系统的工艺过程,画出顺序功能图,然后根据顺序功能图画出梯形图。我在图书馆找到了1986年颁布的顺序功能图的国家标准(GB),顺序功能图当时被翻译为功能表图(Functionchart)。在IEC的PLC编程语言标准(IEC61131-3)中,顺序功能图(Sequentialfunctionchart)被确定为PLC位居首位的编程语言。有的PLC有顺序功能图语言,例如S7-300/400的S7-Graph。但是有相当多的PLC(包括S7-200)没有配备顺序功能图语言,为此我开发了多种根据顺序功能图设计梯形图的编程方法,包括使用起保停电路的编程方法、使用置位/复位指令的编程方法、仿STL指令的编程方法、使用锁存继电器的编程方式和使用移位寄存器的编程方法,我的教材还介绍了使用S7-200的顺序控制继电器指令和使用三菱的STL指令的编程方法。前3种方法可用于任意型号的PLC。实际上只要掌握了一种通用的编程方法就可以了。我比较喜欢使用置位/复位指令的编程方法,这种编程方法的规则简单,形象直观,容易掌握。我在德国发现德国的教授编写的教材也使用这种编程方法。具有多种工作方式的顺序控制程序是设计中的难点,在我编写的教材里用实例介绍了这种系统的编程方法。此外我还用组态软件和西门子的SIMIT软件开发了PLC的被控对象的仿真画面和程序,可用于调试PLC的顺序控制程序。顺序控制设计法是一种先进的设计方法,很容易被初学者接受,对于有经验的工程师,也会提高设计的效率,程序的调试、修改和阅读也很方便。某企业有经验的电气工程师用经验设计法设计某控制系统的梯形图,花了两周的时间。我改用顺序控制设计法,只用了不到半天的时间,就完成了梯形图的设计和模拟调试,现场试车一次成功。有个技校的老师告诉我,他用我的教材中的顺序控制设计法来指导参数市里的电工技能竞赛的学生的培训,学生经培训后基本上能保证拿到冠军。实际上在PLC出现之前,就有顺序控制器产品。我在一个轮胎厂看到过一种用来实现顺序控制的脉冲继电器。它有点像万用表的换挡开关,其线圈每接收到一个脉冲电流,继电器的活动触点移动一个档的位置。每一档就是顺序控制中的一步,一共有25档。圆周上的固定触点上下有4层,每一步可以控制4个不同的负载。用顺序控制中的转换条件的并联电路来产生脉冲,实现步的活动状态的转换。这种产品有两个问题:1)容易出现触点接触不良的故障。2)采用焊接的接线方式,更换脉冲继电器非常麻烦。在上世纪70年代,我看到过重庆某仪表厂生产的顺序控制器,它由小规模数字集成电路和分立元件组成,可以用锥形孔和锥形插头实现简单的“编程”。80年代初我在一个汽车厂看到在他们在机床上使用这类控制器。PLC出现后,上述两种顺序控制器自然成了文物。
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plc是什么?什么是plc?plc编程入门学习必看
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一 、什么是可编程控制器(Programmble&&Controller)简称PC或PLC。它是在电器控制技术和计算机技术的基础上开发出来的,并逐渐发展成为以微处理器为核心,把自动化技术、计算机技术、通讯技术融为一体的新型工业控制装置。目前,PLC已被广泛应用于各种生产机械和生产过程的自动控制中,成为一种最重要、最普及、应用场合最多的工业控制装置,被公认为现代工业自动化的三大支柱(PLC、机器人、CAD/CAM)之一。 国际电工委员会(IEC)于1987年颁布了可编程控制器标准草案第三稿。在草案中对可编程控制器定义如下:“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的指令,并通过数字式和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,都应按易于与工业系统联成一个整体,易于扩充其功能的原则设计”。& & 定义强调了PLC应直接应用于工业环境,必须具有很强的抗干扰能力、广泛的适应能力和广阔的应用范围,这是区别于一般微机控制系统的重要特征。同时,也强调了PLC用软件方式实现的“可编程”与传统控制装置中通过硬件或硬接线的变更来改变程序的本质区别。&&近年来,可编程控制器发展很快,几乎每年都推出不少新系列产品,其功能已远远超出了上述定义的范围。 二 、PLC的产生与发展 在可编程控制器出现前,在工业电气控制领域中,继电器控制占主导地位,应用广泛。但是电器控制系统存在体积大、可靠性低、查找和排除故障困难等缺点,特别是其接线复杂、不易更改,对生产工艺变化的适应性差。&&1968年美国通用汽车公司(G.M)为了适应汽车型号的不断更新,生产工艺不断变化的需要,实现小批量、多品种生产,希望能有一种新型工业控制器,它能做到尽可能减少重新设计和更换电器控制系统及接线,以降低成本,缩短周期。于是就设想将计算机功能强大、灵活、通用性好等优点与电器控制系统简单易懂、价格便宜等优点结合起来,制成一种通用控制装置,而且这种装置采用面向控制过程、面向问题的“自然语言”进行编程,使不熟悉计算机的人也能很快掌握使用。1969年美国数字设备公司(DEC)根据美国通用汽车公司的这种要求,研制成功了世界上第一台可编程控制器,并在通用汽车公司的自动装配线上试用,取得很好的效果。从此这项技术迅速发展起来。 早期的可编程控制器仅有逻辑运算、定时、计数等顺序控制功能,只是用来取代传统的继电器控制,通常称为可编程逻辑控制器(Programmable LogicController)。随着微电子技术和计算机技术的发展,20世纪70年代中期微处理器技术应用到PLC中,使PLC不仅具有逻辑控制功能,还增加了算术运算、数据传送和数据处理等功能。 20世纪80年代以后,随着大规模、超大规模集成电路等微电子技术的迅速发展,16位和32位微处理器应用于PLC中,使PLC得到迅速发展。PLC不仅控制功能增强,同时可靠性提高,功耗、体积减小,成本降低,编程和故障检测更加灵活方便,而且具有通信和联网、数据处理和图象显示等功能,使PLC真正成为具有逻辑控制、过程控制、运动控制、数据处理、联网通信等功能的名符其实的多功能控制器。&&自从第一台PLC出现以后,日本、德国、法国等也相继开始研制PLC,并得到了迅速的发展。目前,世界上有200多家PLC厂商,400多品种的PLC产品,按地域可分成美国、欧洲、和日本等三个流派产品,各流派PLC产品都各具特色,如日本主要发展中小型PLC,其小型PLC性能先进,结构紧凑,价格便宜,在世界市场上占用重要地位。著名的PLC生产厂家主要有美国的A-B(Allen-Bradly)公司、GE(General Electric)公司,日本的电机(Mitsubishi Electric)公司、欧姆龙(OMRON)公司,德国的AEG公司、(Siemens)公司,法国的TE(Telemecanique)公司等。 我国的PLC研制、生产和应用也发展很快,尤其在应用方面更为突出。在20世纪70年代末和80年代初,我国随国外成套设备、专用设备引进了不少国外的PLC。此后,在传统设备改造和新设备设计中,PLC的应用逐年增多,并取得显著的经济效益,PLC在我国的应用越来越广泛,对提高我国工业自动化水平起到了巨大的作用。目前,我国不少科研单位和工厂在研制和生产PLC,如辽宁无线电二厂、无锡华光电子公司、上海香岛电机制造公司、厦门A-B公司等。从近年的统计数据看,在世界范围内PLC产品的产量、销量、用量高居工业控制装置榜首,而且市场需求量一直以每年15%的比率上升。PLC已成为工业自动化控制领域中占主导地位的通用工业控制装置。&&三、PLC的特点与应用领域 (一)PLC的特点& & PLC技术之所以高速发展,除了工业自动化的客观需要外,主要是因为它具有许多独特的优点。它较好地解决了工业领域中普遍关心的可靠、安全、灵活、方便、经济等问题。主要有以下特点:& & 1.可靠性高、抗干扰能力强&&可靠性高、抗干扰能力强是PLC最重要的特点之一。PLC的平均无故障时间可达几十万个小时 ,之所以有这么高的可靠性,是由于它采用了一系列的硬件和软件的抗干扰措施:(1)硬件方面&&I/O通道采用光电隔离,有效地抑制了外部干扰源对PLC的影响;对供电电源及线路采用多种形式的滤波,从而消除或抑制了高频干扰;对CPU等重要部件采用良好的导电、导磁材料进行屏蔽,以减少空间电磁干扰;对有些模块设置了联锁保护、自诊断电路等。(2)软件方面&&PLC采用扫描工作方式,减少了由于外界环境干扰引起故障;在PLC系统程序中设有故障检测和自诊断程序,能对系统硬件电路等故障实现检测和判断;当由外界干扰引起故障时,能立即将当前重要信息加以封存,禁止任何不稳定的读写操作,一旦外界环境正常后,便可恢复到故障发生前的状态,继续原来的工作。& & 2.编程简单、使用方便 目前,大多数PLC采用的编程语言是梯形图语言,它是一种面向生产、面向用户的编程语言。梯形图与电器控制线路图相似,形象、直观,不需要掌握计算机知识,很容易让广大工程技术人员掌握。当生产流程需要改变时,可以现场改变程序,使用方便、灵活。同时,PLC编程器的操作和使用也很简单。这也是PLC获得普及和推广的主要原因之一。许多PLC还针对具体问题,设计了各种专用编程指令及编程方法,进一步简化了编程。& & 3.功能完善、通用性强 现代PLC不仅具有逻辑运算、定时、计数、顺序控制等功能,而且还具有A/D和D/A转换、数值运算、数据处理、PID控制、通信联网以等许多功能。同时,由于PLC产品的系列化、模块化,有品种齐全的各种硬件装置供用户选用,可以组成满足各种要求的控制系统。& & 4.设计安装简单、维护方便& &由于PLC用软件代替了传统电气控制系统的硬件,控制柜的设计、安装接线工作量大为减少。PLC的用户程序大部分可在实验室进行模拟调试,缩短了应用设计和调试周期。在维修方面,由于PLC的故障率极低,维修工作量很小;而且PLC具有很强的自诊断功能,如果出现故障,可根据PLC上指示或编程器上提供的故障信息,迅速查明原因,维修极为方便。& & 5.体积小、重量轻、能耗低由于PLC采用了集成电路,其结构紧凑、体积小、能耗低,因而是实现机电一体化的理想控制设备。& &(二)PLC的应用领域目前,在国内外PLC已广泛应用冶金、石油、化工、建材、机械制造、电力、汽车、轻工、环保及文化娱乐等各行各业,随着PLC性能价格比的不断提高,其应用领域不断扩大。从应用类型看,PLC的应用大致可归纳为以下几个方面:1.开关量逻辑控制利用PLC最基本的逻辑运算、定时、计数等功能实现逻辑控制,可以取代传统的继电器控制,用于单机控制、多机群控制、生产自动线控制等,例如:机床、注塑机、印刷机械、装配生产线、电镀流水线及电梯的控制等。这是PLC最基本的应用,也是PLC最广泛的应用领域。 2.运动控制大多数PLC都有拖动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。这一功能广泛用于各种机械设备,如对各种机床、装配机械、机器人等进行运动控制。3.过程控制大、中型PLC都具有多路模拟量I/O模块和PID控制功能,有的小型PLC也具有模拟量输入输出。所以PLC可实现模拟量控制,而且具有PID控制功能的PLC可构成闭环控制,用于过程控制。这一功能已广泛用于锅炉、反应堆、水处理、酿酒以及闭环位置控制和速度控制等方面。& &4.数据处理 现代的PLC都具有数学运算、数据传送、转换、排序和查表等功能,可进行数据的采集、分析和处理,同时可通过通信接口将这些数据传送给其它智能装置,如计算机数值控制(CNC)设备,进行处理。 5.通信联网PLC的通信包括PLC与PLC、PLC与上位计算机、PLC与其它智能设备之间的通信,PLC系统与通用计算机可直接或通过通信处理单元、通信转换单元相连构成网络,以实现信息的交换,并可构成“集中管理、分散控制”的多级分布式控制系统,满足工厂自动化(FA)系统发展的需要。& & 四、PLC的分类& & PLC产品种类繁多,其规格和性能也各不相同。对PLC的分类,通常根据其结构形式的不同、功能的差异和I/O点数的多少等进行大致分类。& & 1.按结构形式分类&&根据PLC的结构形式,可将PLC分为整体式和模块式两类。(1)整体式PLC&&整体式PLC是将电源、CPU、I/O接口等部件都集中装在一个机箱内, 具有结构紧凑、体积小、价格低的特点。小型PLC一般采用这种整体式结构。整体式PLC由不同I/O点数的基本单元(又称主机)和扩展单元组成。基本单元内有CPU、I/O接口、与I/O扩展单元相连的扩展口,以及与编程器或EPROM写入器相连的接口等。扩展单元内只有I/O和电源等,没有CPU。基本单元和扩展单元之间一般用扁平电缆连接。整体式PLC一般还可配备特殊功能单元,如模拟量单元、位置控制单元等,使其功能得以扩展。(2)模块式PLC&&模块式PLC是将PLC各组成部分,分别作成若干个单独的模块,如CPU模块、I/O模块、电源模块(有的含在CPU模块中)以及各种功能模块。模块式PLC由框架或基板和各种模块组成。模块装在框架或基板的插座上。这种模块式PLC的特点是配置灵活,可根据需要选配不同规模的系统,而且装配方便,便于扩展和维修。大、中型PLC一般采用模块式结构。 还有一些PLC将整体式和模块式的特点结合起来,构成所谓叠装式PLC。叠装式PLC其CPU、电源、I/O接口等也是各自独立的模块,但它们之间是靠电缆进行联接,并且各模块可以一层层地叠装。这样,不但系统可以灵活配置,还可做得体积小巧。& & 2.按功能分类 根据PLC所具有的功能不同,可将PLC分为低档、中档、高档三类。(1)低档PLC具有逻辑运算、定时、计数、移位以及自诊断、监控等基本功能,还可有少量模拟量输入/输出、算术运算、数据传送和比较、通信等功能。主要用于逻辑控制、顺序控制或少量模拟量控制的单机控制系统。(2)中档PLC 除具有低档PLC的功能外,还具有较强的模拟量输入/输出、算术运算、数据传送和比较、数制转换、远程I/O、子程序、通信联网等功能。有些还可增设中断控制、PID控制等功能,适用于复杂控制系统。(3)高档PLC除具有中档机的功能外,还增加了带符号算术运算、矩阵运算、位逻辑运算、平方根运算及其它特殊功能函数的运算、制表及表格传送功能等。高档PLC机具有更强的通信联网功能,可用于大规模过程控制或构成分布式网络控制系统,实现工厂自动化。3.按I/O点数分类 根据PLC的I/O点数的多少,可将PLC分为小型、中型和大型三类。(1)小型PLC& &I/O点数为256点以下的为小型PLC。其中,I/O点数小于64点的为超小型或微型PLC。(2)中型PLC&&I/O点数为256点以上、2048点以下的为中型PLC。(3)大型PLC&&I/O点数为2048以上的为大型PLC。其中,I/O点数超过8192点的为超大型PLC。在实际中,一般PLC功能的强弱与其I/O点数的多少是相互关联的,即PLC的功能越强,其可配置的I/O点数越多。因此,通常我们所说的小型、中型、大型PLC,除指其I/O点数不同外,同时也表示其对应功能为低档、中档、高档。五、PLC控制系统与电器控制系统的比较& & 1、电器控制系统与PLC控制系统& & 1. 电器控制系统的组成通过第一章的学习可知,任何一个电器控制系统,都是由输入部分、输出部分和控制部分组成,如图1所示。
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图1&&电器控制系统的组成其中输入部分是由各种输入设备,如按钮、位置开关及传感器等组成;控制部分是按照控制要求设计的,由若干继电器及触点构成的具有一定逻辑功能的控制电路;输出部分是由各种输出设备,如接触器、电磁阀、指示灯等执行元件组成。电器控制系统是根据操作指令及被控对象发出的信号,由控制电路按规定的动作要求决定执行什么动作或动作的顺序,然后驱动输出设备去实现各种操作。由于控制电路是采用硬接线将各种继电器及触点按一定的要求连接而成,所以接线复杂且故障点多,同时不易灵活改变。2. PLC控制系统的组成由PLC构成的控制系统也是由输入、输出和控制三部分组成,如图2所示。
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图2 PLC控制系统的组成从图中可以看出,PLC控制系统的输入、输出部分和电器控制系统的输入、输出部分基本相同,但控制部分是采用“可编程”的PLC,而不是实际的继电器线路。因此,PLC控制系统可以方便地通过改变用户程序,以实现各种控制功能,从根本上解决了电器控制系统控制电路难以改变的问题。同时,PLC控制系统不仅能实现逻辑运算,还具有数值运算及过程控制等复杂的控制功能。2、PLC的等效电路从上述比较可知,PLC的用户程序(软件)代替了继电器控制电路(硬件)。因此,对于使用者来说,可以将PLC等效成是许许多多各种各样的“软继电器”和“软接线”的集合,而用户程序就是用“软接线”将“软继电器”及其“触点”按一定要求连接起来的“控制电路”。 为了更好的理解这种等效关系,下面通过一个例子来说明。如图3所示为三相异步电动机单向起动运行的电器控制系统。其中,由输入设备SB1、SB2、FR的触点构成系统的输入部分,由输出设备KM构成系统的输出部分。
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图3 三相异步电动机单向运行电器控制系统a)主电路& && && &b)控制电路 &&如果用PLC来控制这台三相异步电动机,组成一个PLC控制系统,根据上述分析可知,系统主电路不变,只要将输入设备SB1、SB2、FR的触点与PLC的输入端连接,输出设备KM线圈与PLC的输出端连接,就构成PLC控制系统的输入、输出硬件线路。而控制部分的功能则由PLC的用户程序来实现,其等效电路如图4所示。
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图4&&PLC的等效电路 图中,输入设备SB1、SB2、FR与PLC内部的“软继电器”X0、X1、X2的“线圈”对应,由输入设备控制相对应的“软继电器”的状态,即通过这些“软继电器”将外部输入设备状态变成PLC内部的状态,这类“软继电器”称为输入继电器;同理,输出设备KM与PLC内部的“软继电器”Y0对应,由“软继电器”Y0状态控制对应的输出设备KM的状态,即通过这些“软继电器”将PLC内部状态输出,以控制外部输出设备,这类“软继电器”称为输出继电器。因此,PLC用户程序要实现的是:如何用输入继电器X0、X1、X2来控制输出继电器Y0。当控制要求复杂时,程序中还要采用PLC内部的其它类型的“软继电器”,如辅助继电器、定时器、计数器等,以达到控制要求。要注意的是,PLC等效电路中的继电器并不是实际的物理继电器,它实质上是存储器单元的状态。单元状态为“1”,相当于继电器接通;单元状态为“0”,则相当于继电器断开。因此,我们称这些继电器为“软继电器”。3、PLC控制系统与电器控制系统的区别&&PLC控制系统与电器控制系统相比,有许多相似之处,也有许多不同。不同之处主要在以下几个方面: 1)从控制方法上看,电器控制系统控制逻辑采用硬件接线,利用继电器机械触点的串联或并联等组合成控制逻辑,其连线多且复杂、体积大、功耗大,系统构成后,想再改变或增加功能较为困难。(版权所有)另外,继电器的触点数量有限,所以电器控制系统的灵活性和可扩展性受到很大限制。而PLC采用了计算机技术,其控制逻辑是以程序的方式存放在存储器中,要改变控制逻辑只需改变程序,因而很容易改变或增加系统功能。系统连线少、体积小、功耗小,而且PLC所谓“软继电器”实质上是存储器单元的状态,所以“软继电器”的触点数量是无限的,PLC系统的灵活性和可扩展性好。& &2)从工作方式上看,在继电器控制电路中,当电源接通时,电路中所有继电器都处于受制约状态,即该吸合的继电器都同时吸合,不该吸合的继电器受某种条件限制而不能吸合,这种工作方式称为并行工作方式。而PLC的用户程序是按一定顺序循环执行,所以各软继电器都处于周期性循环扫描接通中,受同一条件制约的各个继电器的动作次序决定于程序扫描顺序,这种工作方式称为串行工作方式。&&3)从控制速度上看,继电器控制系统依靠机械触点的动作以实现控制,工作频率低,机械触点还会出现抖动问题。而PLC通过程序指令控制半导体电路来实现控制的,速度快, 程序指令执行时间在微秒级,且不会出现触点抖动问题。 4)从定时和计数控制上看,电器控制系统采用时间继电器的延时动作进行时间控制,时间继电器的延时时间易受环境温度和温度变化的影响,定时精度不高。而PLC采用半导体集成电路作定时器,时钟脉冲由晶体振荡器产生,精度高,定时范围宽,用户可根据需要在程序中设定定时值,修改方便,不受环境的影响,且PLC具有计数功能,而电器控制系统一般不具备计数功能。&&5)从可靠性和可维护性上看,由于电器控制系统使用了大量的机械触点,其存在机械磨损、电弧烧伤等,寿命短,系统的连线多,所以可靠性和可维护性较差。而PLC大量的开关动作由无触点的半导体电路来完成,其寿命长、可靠性高,PLC还具有自诊断功能,能查出自身的故障,随时显示给操作人员,并能动态地监视控制程序的执行情况,为现场调试和维护提供了方便。六、 PLC的基本组成PLC是微机技术和控制技术相结合的产物,是一种以微处理器为核心的用于控制的特殊计算机,因此PLC的基本组成与一般的微机系统类似。& & 1、PLC的硬件组成 PLC的硬件主要由中央处理器(CPU)、存储器、输入单元、输出单元、通信接口、扩展接口电源等部分组成。其中,CPU是PLC的核心,输入单元与输出单元是连接现场输入/输出设备与CPU之间的接口电路,通信接口用于与编程器、上位计算机等外设连接。对于整体式PLC,所有部件都装在同一机壳内,其组成框图如图5所示;对于模块式PLC,各部件独立封装成模块,各模块通过总线连接,安装在机架或导轨上,其组成框图如图6所示。无论是哪种结构类型的PLC,都可根据用户需要进行配置与组合。
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图5&&整体式PLC组成框图
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图6&&模块式PLC组成框图尽管整体式与模块式PLC的结构不太一样,但各部分的功能作用是相同的,下面对PLC主要组成各部分进行简单介绍。& & 1.中央处理单元(CPU)&&同一般的微机一样,CPU是PLC的核心。PLC中所配置的CPU随机型不同而不同,常用有三类:通用微处理器(如Z80、等)、单片微处理器(如等)和位片式微处理器(如AMD29W等)。小型PLC大多采用8位通用微处理器和单片微处理器;中型PLC大多采用16位通用微处理器或单片微处理器;大型PLC大多采用高速位片式微处理器。 目前,小型PLC为单CPU系统,而中、大型PLC则大多为双CPU系统,甚至有些PLC中多达8个CPU。对于双CPU系统,一般一个为字处理器,一般采用8位或16位处理器;另一个为位处理器,采用由各厂家设计制造的专用芯片。字处理器为主处理器,用于执行编程器接口功能,监视内部定时器,监视扫描时间,处理字节指令以及对系统总线和位处理器进行控制等。位处理器为从处理器,主要用于处理位操作指令和实现PLC编程语言向机器语言的转换。位处理器的采用,提高了PLC的速度,使PLC更好地满足实时控制要求。 在PLC中CPU按系统程序赋予的功能,指挥PLC有条不紊地进行工作,归纳起来主要有以下几个方面:1)接收从编程器输入的用户程序和数据。2)诊断电源、PLC内部电路的工作故障和编程中的语法错误等。3)通过输入接口接收现场的状态或数据,并存入输入映象寄有器或数据寄存器中。4)& & 从存储器逐条读取用户程序,经过解释后执行。5)& & 根据执行的结果,更新有关标志位的状态和输出映象寄存器的内容,通过输出单元实现输出控制。有些PLC还具有制表打印或数据通信等功能。&&2.存储器 存储器主要有两种:一种是可读/写操作的随机存储器RAM,另一种是只读存储器ROM、PROM、EPROM和EEPROM。在PLC中,存储器主要用于存放系统程序、用户程序及工作数据。& & 系统程序是由PLC的制造厂家编写的,和PLC的硬件组成有关,完成系统诊断、命令解释、功能子程序调用管理、逻辑运算、通信及各种参数设定等功能,提供PLC运行的平台。系统程序关系到PLC的性能,而且在PLC使用过程中不会变动,所以是由制造厂家直接固化在只读存储器ROM、PROM或EPROM中,用户不能访问和修改。用户程序是随PLC的控制对象而定的,由用户根据对象生产工艺的控制要求而编制的应用程序。为了便于读出、检查和修改,用户程序一般存于CMOS静态RAM中,用锂电池作为后备电源,以保证掉电时不会丢失信息。为了防止干扰对RAM中程序的破坏,当用户程序经过运行正常,不需要改变,可将其固化在只读存储器EPROM中。现在有许多PLC直接采用EEPROM作为用户存储器。工作数据是PLC运行过程中经常变化、经常存取的一些数据。存放在RAM中,以适应随机存取的要求。在PLC的工作数据存储器中,设有存放输入输出继电器、辅助继电器、定时器、计数器等逻辑器件的存储区,这些器件的状态都是由用户程序的初始设置和运行情况而确定的。根据需要,部分数据在掉电时用后备电池维持其现有的状态,这部分在掉电时可保存数据的存储区域称为保持数据区。由于系统程序及工作数据与用户无直接联系,所以在PLC产品样本或使用手册中所列存储器的形式及容量是指用户程序存储器。当PLC提供的用户存储器容量不够用,许多PLC还提供有存储器扩展功能。&&3.输入/输出单元&&输入/输出单元通常也称I/O单元或I/O模块,是PLC与工业生产现场之间的连接部件。 PLC通过输入接口可以检测被控对象的各种数据,以这些数据作为PLC对被控制对象进行控制的依据;同时PLC又通过输出接口将处理结果送给被控制对象,以实现控制目的。由于外部输入设备和输出设备所需的信号电平是多种多样的,而PLC内部CPU的处理的信息只能是标准电平,所以I/O接口要实现这种转换。I/O接口一般都具有光电隔离和滤波功能,以提高PLC的抗干扰能力。另外,I/O接口上通常还有状态指示,工作状况直观,便于维护。PLC提供了多种操作电平和驱动能力的I/O接口,有各种各样功能的I/O接口供用户选用。I/O接口的主要类型有:数字量(开关量)输入、数字量(开关量)输出、模拟量输入、模拟量输出等。常用的开关量输入接口按其使用的电源不同有三种类型:直流输入接口、交流输入接口和交/直流输入接口,其基本原理电路如图7所示。
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图7&&开关量输入接口a)直流输入& &b)交流输入& &c)交/直流输入常用的开关量输出接口按输出开关器件不同有三种类型:是继电器输出、晶体管输出和双向晶闸管输出,其基本原理电路如图8所示。继电器输出接口可驱动交流或直流负载,但其响应时间长,动作频率低;而晶体管输出和双向晶闸管输出接口的响应速度快,动作频率高,但前者只能用于驱动直流负载,后者只能用于交流负载。
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图8&&开关量输出接口a)继电器输出& &b)晶体管输出& &c)晶闸管输出&&PLC的I/O接口所能接受的输入信号个数和输出信号个数称为PLC输入/输出(I/O)点数。I/O点数是选择PLC的重要依据之一。当系统的I/O点数不够时,可通过PLC的I/O扩展接口对系统进行扩展。 4.通信接口 PLC配有各种通信接口,这些通信接口一般都带有通信处理器。PLC通过这些通信接口可与监视器、打印机、其它PLC、计算机等设备实现通信。PLC与打印机连接,可将过程信息、系统参数等输出打印;与监视器连接,可将控制过程图像显示出来;与其它PLC连接,可组成多机系统或连成网络,实现更大规模控制。与计算机连接,可组成多级分布式控制系统,实现控制与管理相结合。远程I/O系统也必须配备相应的通信接口模块。5.智能接口模块智能接口模块是一独立的计算机系统,它有自己的CPU、系统程序、存储器以及与PLC系统总线相连的接口。它作为PLC系统的一个模块,通过总线与PLC相连,进行数据交换,并在PLC的协调管理下独立地进行工作。PLC的智能接口模块种类很多,如:高速计数模块、闭环控制模块、运动控制模块、中断控制模块等。6.编程装置编程装置的作用是编辑、调试、输入用户程序,也可在线监控PLC内部状态和参数,与PLC进行人机对话。它是开发、应用、维护PLC不可缺少的工具。编程装置可以是专用编程器,也可以是配有专用编程软件包的通用计算机系统。专用编程器是由PLC厂家生产,专供该厂家生产的某些PLC产品使用,它主要由键盘、显示器和外存储器接插口等部件组成。专用编程器有简易编程器和智能编程器两类。简易型编程器只能联机编程,而且不能直接输入和编辑梯形图程序,需将梯形图程序转化为指令表程序才能输入。简易编程器体积小、价格便宜,它可以直接插在PLC的编程插座上,或者用专用电缆与PLC相连,以方便编程和调试。有些简易编程器带有存储盒,可用来储存用户程序,如三菱的FX-20P-E简易编程器。智能编程器又称图形编程器,本质上它是一台专用便携式计算机,如三菱的GP-80FX-E智能型编程器。它既可联机编程,又可脱机编程。可直接输入和编辑梯形图程序,使用更加直观、方便,但价格较高,操作也比较复杂。大多数智能编程器带有磁盘驱动器,提供录音机接口和打印机接口。专用编程器只能对指定厂家的几种PLC进行编程,使用范围有限,价格较高。同时,由于PLC产品不断更新换代,所以专用编程器的生命周期也十分有限。因此,现在的趋势是使用以个人计算机为基础的编程装置,用户只要购买PLC厂家提供的编程软件和相应的硬件接口装置。这样,用户只用较少的投资即可得到高性能的PLC程序开发系统。基于个人计算机的程序开发系统功能强大。它既可以编制、修改PLC的梯形图程序,又可以监视系统运行、打印文件、系统仿真等。配上相应的软件还可实现数据采集和分析等许多功能。7.电源 PLC配有开关电源,以供内部电路使用。与普通电源相比,PLC电源的稳定性好、抗干扰能力强。对电网提供的电源稳定度要求不高,一般允许电源电压在其额定值±15%的范围内波动。许多PLC还向外提供直流24V稳压电源,用于对外部传感器供电。8.其它外部设备除了以上所述的部件和设备外,PLC还有许多外部设备,如EPROM写入器、外存储器、人/机接口装置等。EPROM写入器是用来将用户程序固化到EPROM存储器中的一种PLC外部设备。为了使调试好用户程序不易丢失,经常用EPROM写入器将PLC内RAM保存到EPROM中。PLC内部的半导体存储器称为内存储器。有时可用外部的磁带、磁盘和用半导体存储器作成的存储盒等来存储PLC的用户程序,这些存储器件称为外存储器。外存储器一般是通过编程器或其它智能模块提供的接口,实现与内存储器之间相互传送用户程序。人/机接口装置是用来实现操作人员与PLC控制系统的对话。最简单、最普遍的人/机接口装置由安装在控制台上的按钮、转换开关、拨码开关、指示灯、LED显示器、声光报警器等器件构成。(版权所有)对于PLC系统,还可采用半智能型CRT人/机接口装置和智能型终端人/机接口装置。半智能型CRT人/机接口装置可长期安装在控制台上,通过通信接口接收来自PLC的信息并在CRT上显示出来;而智能型终端人/机接口装置有自己的微处理器和存储器,能够与操作人员快速交换信息,并通过通信接口与PLC相连,也可作为独立的节点接入PLC网络。2、PLC的软件组成PLC的软件由系统程序和用户程序组成。系统程序由PLC制造厂商设计编写的,并存入PLC的系统存储器中,用户不能直接读写与更改。系统程序一般包括系统诊断程序、输入处理程序、编译程序、信息传送程序、监控程序等。 PLC的用户程序是用户利用PLC的编程语言,根据控制要求编制的程序。在PLC的应用中,最重要的是用PLC的编程语言来编写用户程序,以实现控制目的。由于PLC是专门为工业控制而开发的装置,其主要使用者是广大电气技术人员,为了满足他们的传统习惯和掌握能力,PLC的主要编程语言采用比计算机语言相对简单、易懂、形象的专用语言。 PLC编程语言是多种多样的,对于不同生产厂家、不同系列的PLC产品采用的编程语言的表达方式也不相同,但基本上可归纳两种类型:一是采用字符表达方式的编程语言,如语句表等;二是采用图形符号表达方式编程语言,如梯形图等。& & 以下简要介绍几种常见的PLC编程语言。 1.梯形图语言&&梯形图语言是在传统电器控制系统中常用的接触器、继电器等图形表达符号的基础上演变而来的。它与电器控制线路图相似,继承了传统电器控制逻辑中使用的框架结构、逻辑运算方式和输入输出形式,具有形象、直观、实用的特点。因此,这种编程语言为广大电气技术人员所熟知,是应用最广泛的PLC的编程语言,是PLC的第一编程语言。如图9所示是传统的电器控制线路图和PLC梯形图。
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图9 电器控制线路图与梯形图a)电器控制线路图& && &b)PLC梯形图&&从图中可看出,两种图基本表示思想是一致的,具体表达方式有一定区别。PLC的梯形图使用的是内部继电器,定时/计数器等,都是由软件来实现的,使用方便,修改灵活,是原电器控制线路硬接线无法比拟的。& & 2.语句表语言 这种编程语言是一种与汇编语言类似的助记符编程表达方式。在PLC应用中,经常采用简易编程器,而这种编程器中没有CRT屏幕显示,或没有较大的液晶屏幕显示。因此,就用一系列PLC操作命令组成的语句表将梯形图描述出来,再通过简易编程器输入到PLC中。虽然各个PLC生产厂家的语句表形式不尽相同,但基本功能相差无几。以下是与图2-9中梯形图对应的(FX系列PLC)语句表程序。& &步序号& && &指令& && &数据& & 0& && &LD& && & X1& & 1& && & OR& && & Y0& &&&2& && &ANI& && &X2& &&&3& && &OUT& && &Y0& & 4& && &LD& && & X3& &&&5& && &OUT& && &Y1& & 可以看出,语句是语句表程序的基本单元,每个语句和微机一样也由地址(步序号)、操作码(指令)和操作数(数据)三部分组成。3.逻辑图语言&&逻辑图是一种类似于数字逻辑电路结构的编程语言,由与门、或门、非门、定时器、计数器、触发器等逻辑符号组成。有数字电路基础的电气技术人员较容易掌握,如图10所示。
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图10 逻辑图语言编程& &4.功能表图语言& &功能表图语言(SFC语言)是一种较新的编程方法,又称状态转移图语言。它将一个完整的控制过程分为若干阶段,各阶段具有不同的动作,阶段间有一定的转换条件,转换条件满足就实现阶段转移,上一阶段动作结束,下一阶段动作开始。是用功能表图的方式来表达一个控制过程,对于顺序控制系统特别适用。& & 5.高级语言&&随着PLC技术的发展,为了增强PLC的运算、数据处理及通信等功能,以上编程语言无法很好地满足要求。近年来推出的PLC,尤其是大型PLC,都可用高级语言,如BASIC语言、C语言、PASCAL语言等进行编程。采用高级语言后,用户可以像使用普通微型计算机一样操作PLC,使PLC的各种功能得到更好的发挥。七、PLC的工作原理& & 1、扫描工作原理 当PLC运行时,是通过执行反映控制要求的用户程序来完成控制任务的,需要执行众多的操作,但CPU不可能同时去执行多个操作,它只能按分时操作(串行工作)方式,每一次执行一个操作,按顺序逐个执行。由于CPU的运算处理速度很快,所以从宏观上来看,PLC外部出现的结果似乎是同时(并行)完成的。这种串行工作过程称为PLC的扫描工作方式。用扫描工作方式执行用户程序时,扫描是从第一条程序开始,在无中断或跳转控制的情况下,按程序存储顺序的先后,逐条执行用户程序,直到程序结束。然后再从头开始扫描执行,周而复始重复运行。PLC的扫描工作方式与电器控制的工作原理明显不同。电器控制装置采用硬逻辑的并行工作方式,如果某个继电器的线圈通电或断电,那么该继电器的所有常开和常闭触点不论处在控制线路的哪个位置上,都会立即同时动作;而PLC采用扫描工作方式(串行工作方式),如果某个软继电器的线圈被接通或断开,其所有的触点不会立即动作,必须等扫描到该时才会动作。但由于PLC的扫描速度快,通常PLC与电器控制装置在I/O的处理结果上并没有什么差别。2、PLC扫描工作过程PLC的扫描工作过程除了执行用户程序外,在每次扫描工作过程中还要完成内部处理、通信服务工作。如图11所示,整个扫描工作过程包括内部处理、通信服务、输入采样、程序执行、输出刷新五个阶段。整个过程扫描执行一遍所需的时间称为扫描周期。扫描周期与CPU运行速度、PLC硬件配置及用户程序长短有关,典型值为1~100ms。
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图11&&扫描过程示意图在内部处理阶段,进行PLC自检,检查内部硬件是否正常,对监视定时器(WDT)复位以及完成其它一些内部处理工作。在通信服务阶段,PLC与其它智能装置实现通信,响应编程器键入的命令,更新编程器的显示内容等。当PLC处于停止(STOP)状态时,只完成内部处理和通信服务工作。当PLC处于运行(RUN)状态时,除完成内部处理和通信服务工作外,还要完成输入采样、程序执行、输出刷新工作。&&PLC的扫描工作方式简单直观,便于程序的设计,并为可靠运行提供了保障。当PLC扫描到的指令被执行后,其结果马上就被后面将要扫描到的指令所利用, 而且还可通过CPU内部设置的监视定时器来监视每次扫描是否超过规定时间,避免由于CPU内部故障使程序执行进入死循环。3、PLC执行程序的过程及特点 PLC执行程序的过程分为三个阶段,即输入采样阶段、程序执行阶段、输出刷新阶段,如图12所示。
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图12 PLC执行程序过程示意图& & 1.输入采样阶段
在输入采样阶段,PLC以扫描工作方式按顺序对所有输入端的输入状态进行采样,并存入输入映象寄存器中,此时输入映象寄存器被刷新。接着进入程序处理阶段,在程序执行阶段或其它阶段,即使输入状态发生变化,输入映象寄存器的内容也不会改变,输入状态的变化只有在下一个扫描周期的输入处理阶段才能被采样到。2.程序执行阶段&&在程序执行阶段,PLC对程序按顺序进行扫描执行。若程序用梯形图来表示,则总是按先上后下,先左后右的顺序进行。当遇到程序跳转指令时,则根据跳转条件是否满足来决定程序是否跳转。当指令中涉及到输入、输出状态时,PLC从输入映像寄存器和元件映象寄存器中读出,根据用户程序进行运算,运算的结果再存入元件映象寄存器中。对于元件映象寄存器来说,其内容会随程序执行的过程而变化。&&3.输出刷新阶段 当所有程序执行完毕后,进入输出处理阶段。在这一阶段里,PLC将输出映象寄存器中与输出有关的状态(输出继电器状态)转存到输出锁存器中,并通过一定方式输出,驱动外部负载。& &因此,PLC在一个扫描周期内,对输入状态的采样只在输入采样阶段进行。当PLC进入程序执行阶段后输入端将被封锁,直到下一个扫描周期的输入采样阶段才对输入状态进行重新采样。这方式称为集中采样,即在一个扫描周期内,集中一段时间对输入状态进行采样。&&在用户程序中如果对输出结果多次赋值,则最后一次有效。在一个扫描周期内,只在输出刷新阶段才将输出状态从输出映象寄存器中输出,对输出接口进行刷新。在其它阶段里输出状态一直保存在输出映象寄存器中。这种方式称为集中输出。对于小型PLC,其I/O点数较少,用户程序较短,一般采用集中采样、集中输出的工作方式,虽然在一定程度上降低了系统的响应速度,但使PLC工作时大多数时间与外部输入/输出设备隔离,从根本上提高了系统的抗干扰能力,增强了系统的可靠性。& & 而对于大中型PLC,其I/O点数较多,控制功能强,用户程序较长,为提高系统响应速度,可以采用定期采样、定期输出方式,或中断输入、输出方式以及采用智能I/O接口等多种方式。从上述分析可知,当PLC的输入端输入信号发生变化到PLC输出端对该输入变化作出反应,需要一段时间,这种现象称为PLC输入/输出响应滞后。对一般的工业控制,这种滞后是完全允许的。应该注意的是,这种响应滞后不仅是由于PLC扫描工作方式造成,更主要是PLC输入接口的滤波环节带来的输入延迟,以及输出接口中驱动器件的动作时间带来输出延迟,同时还与程序设计有关。滞后时间是设计PLC应用系统时应注意把握的一个参数。八、PLC的性能指标与发展趋势1、PLC的性能指标1.存储容量存储容量是指用户程序存储器的容量。用户程序存储器的容量大,可以编制出复杂的程序。一般来说,小型PLC的用户存储器容量为几千字,而大型机的用户存储器容量为几万字。2.I/O点数输入/输出(I/O)点数是PLC可以接受的输入信号和输出信号的总和,是衡量PLC性能的重要指标。I/O点数越多,外部可接的输入设备和输出设备就越多,控制规模就越大。3.扫描速度扫描速度是指PLC执行用户程序的速度,是衡量PLC性能的重要指标。一般以扫描1K字用户程序所需的时间来衡量扫描速度,通常以ms/K字为单位。PLC用户手册一般给出执行各条指令所用的时间,可以通过比较各种PLC执行相同的操作所用的时间,来衡量扫描速度的快慢。4.指令的功能与数量指令功能的强弱、数量的多少也是衡量PLC性能的重要指标。编程指令的功能越强、数量越多,PLC的处理能力和控制能力也越强,用户编程也越简单和方便,越容易完成复杂的控制任务。 5.内部元件的种类与数量在编制PLC程序时,需要用到大量的内部元件来存放变量、中间结果、保持数据、定时计数、模块设置和各种标志位等信息。这些元件的种类与数量越多,表示PLC的存储和处理各种信息的能力越强。6.特殊功能单元特殊功能单元种类的多少与功能的强弱是衡量PLC产品的一个重要指标。近年来各PLC厂商非常重视特殊功能单元的开发,特殊功能单元种类日益增多,功能越来越强,使PLC的控制功能日益扩大7.可扩展能力PLC的可扩展能力包括I/O点数的扩展、存储容量的扩展、联网功能的扩展、各种功能模块的扩展等。在选择PLC时,经常需要考虑PLC的可扩展能力。2、PLC的发展趋势& & 1.向高速度、大容量方向发展 为了提高PLC的处理能力,要求PLC具有更好的响应速度和更大的存储容量。目前,有的PLC的扫描速度可达0.1ms/k步左右。PLC的扫描速度已成为很重要的一个性能指标。 在存储容量方面,有的PLC最高可达几十兆字节。为了扩大存储容量,有的公司已使用了磁泡存储器或硬盘。& & 2.向超大型、超小型两个方向发展 当前中小型PLC比较多,为了适应市场的多种需要,今后PLC要向多品种方向发展,特别是向超大型和超小型两个方向发展。现已有I/O点数达14336点的超大型PLC,其使用32位微处理器,多CPU并行工作和大容量存储器,功能强。 小型PLC由整体结构向小型模块化结构发展,使配置更加灵活,为了市场需要已开发了各种简易、经济的超小型微型PLC,最小配置的I/O点数为8~16点,以适应单机及小型自动控制的需要,如三菱公司α系列PLC。& & 3.PLC大力开发智能模块,加强联网通信能力 为满足各种自动化控制系统的要求,近年来不断开发出许多功能模块,如高速计数模块、温度控制模块、远程I/O模块、通信和人机接口模块等。这些带CPU和存储器的智能I/O模块,既扩展了PLC功能,又使用灵活方便,扩大了PLC应用范围。加强PLC联网通信的能力,是PLC技术进步的潮流。PLC的联网通信有两类:一类是PLC之间联网通信,各PLC生产厂家都有自己的专有联网手段;另一类是PLC与计算机之间的联网通信,一般PLC都有专用通信模块与计算机通信。为了加强联网通信能力,PLC生产厂家之间也在协商制订通用的通信标准,以构成更大的网络系统,PLC已成为集散控制系统(DCS)不可缺少的重要组成部分。& & 4.增强外部故障的检测与处理能力& &&&根据统计资料表明:在PLC控制系统的故障中,CPU占5%,I/O接口占15%,输入设备占45%,输出设备占30%,线路占5%。前二项共20%故障属于PLC的内部故障,它可通过PLC本身的软、硬件实现检测、处理;而其余80%的故障属于PLC的外部故障。因此,PLC生产厂家都致力于研制、发展用于检测外部故障的专用智能模块,进一步提高系统的可靠性。& & 5.编程语言多样化&&在PLC系统结构不断发展的同时,PLC的编程语言也越来越丰富,功能也不断提高。除了大多数PLC使用的梯形图语言外,为了适应各种控制要求,出现了面向顺序控制的步进编程语言、面向过程控制的流程图语言、与计算机兼容的高级语言(BASIC、C语言等)等。多种编程语言的并存、互补与发展是PLC进步的一种趋势。九、国内外PLC产品介绍 & & 世界上PLC产品可按地域分成三大流派:一个流派是美国产品,一个流派是欧洲产品,一个流派是日本产品。美国和欧洲的PLC技术是在相互隔离情况下独立研究开发的,因此美国和欧洲的PLC产品有明显的差异性。而日本的PLC技术是由美国引进的,对美国的PLC产品有一定的继承性,但日本的主推产品定位在小型PLC上。美国和欧洲以大中型PLC而闻名,而日本则以小型PLC著称。1、美国PLC产品美国是PLC生产大国,有100多家PLC厂商,著名的有A-B公司、通用电气(GE)公司、莫迪康(MODICON)公司、德州仪器(TI)公司、西屋公司等。其中A-B公司是美国最大的PLC制造商,其产品约占美国PLC市场的一半。A-B公司产品规格齐全、种类丰富,其主推的大、中型PLC产品是PLC-5系列。该系列为模块式结构,CPU模块为PLC-5/10、PLC-5/12、PLC-5/15、PLC-5/25时,属于中型PLC,I/O点配置范围为256~1024点;当CPU模块为PLC-5/11、PLC-5/20、PLC-5/30、PLC-5/40、PLC-5/60、PLC-5/40L、PLC-5/60L时,属于大型PLC,I/O点最多可配置到3072点。该系列中PLC-5/250功能最强,最多可配置到4096个I/O点,具有强大的控制和信息管理功能。大型机PLC-3最多可配置到8096个I/O点。A-B公司的小型PLC产品有SLC500系列等。GE公司的代表产品是:小型机GE-1、GE-1/J、GE-1/P等,除GE-1/J外,均采用模块结构。GE-l用于开关量控制系统,最多可配置到112个I/O点。GE-1/J是更小型化的产品,其I/O点最多可配置到96点。GE-1/P是GE-1的增强型产品,增加了部分功能指令(数据操作指令)、功能模块(A/D、D/A等)、远程I/O功能等,其I/O点最多可配置到168点。中型机GE-Ⅲ,它比GE-1/P增加了中断、故障诊断等功能,最多可配置到400个I/O点。大型机GE-Ⅴ,它比GE-Ⅲ增加了部分数据处理、表格处理、子程序控制等功能,并具有较强的通信功能,最多可配置到2048个I/O点。GE-Ⅵ/P最多可配置到4000个I/O点。德州仪器(TI)公司的小型PLC新产品有510、520和TI100等,中型PLC新产品有TI300、5TI等,大型PLC产品有PM550、530、560、565等系列。除TI100和TI300无联网功能外,其它PLC都可实现通信,构成分布式控制系统。& & 莫迪康(MODICON)公司有M84系列PLC。其中M84是小型机,具有模拟量控制、与上位机通信功能,最多I/O点为112点。M484是中型机,其运算功能较强,可与上位机通信,也可与多台联网,最多可扩展I/O点为512点。M584是大型机,其容量大、数据处理和网络能力强,最多可扩展I/O点为8192。M884增强型中型机,它具有小型机的结构、大型机的控制功能,主机模块配置2个RS-232C接口,可方便地进行组网通信。2、欧州PLC产品德国的西门子(SIEMENS)公司、AEG公司、法国的TE公司是欧洲著名的PLC制造商。德国的西门子的电子产品以性能精良而久负盛名。在中、大型PLC产品领域与美国的A-B公司齐名。西门子PLC主要产品是S5、S7系列。在S5系列中,S5-90U、S-95U属于微型整体式PLC;S5-100U是小型模块式PLC,最多可配置到256个I/O点;S5-115U是中型PLC,最多可配置到1024个I/O点;S5-115UH是中型机,它是由两台SS-115U组成的双机冗余系统; S5-155U为大型机,最多可配置到4096个I/O点,模拟量可达300多路;SS-155H是大型机,它是由两台S5-155U组成的双机冗余系统。而S7系列是西门子公司在S5系列PLC基础上近年推出的新产品,其性能价格比高,其中S7-200系列属于微型PLC、S7-300系列属于于中小型PLC、S7-400系列属于于中高性能的大型PLC。3、日本PLC产品日本的小型PLC最具特色,在小型机领域中颇具盛名,某些用欧美的中型机或大型机才能实现的控制,日本的小型机就可以解决。在开发较复杂的控制系统方面明显优于欧美的小型机,所以格外受用户欢迎。日本有许多PLC制造商,如三菱、欧姆龙、松下、富士、日立、东芝等,在世界小型PLC市场上,日本产品约占有70%的份额。& & 三菱公司的PLC是较早进入中国市场的产品。其小型机F1/F2系列是F系列的升级产品,早期在我国的销量也不小。F1/F2系列加强了指令系统,增加了特殊功能单元和通信功能,比F系列有了更强的控制能力。继F1/F2系列之后,20世纪80年代末三菱公司又推出FX系列,在容量、速度、特殊功能、网络功能等方面都有了全面的加强。FX2系列是在90年代开发的整体式高功能小型机,它配有各种通信适配器和特殊功能单元。FX2N几年推出的高功能整体式小型机,它是FX2的换代产品,各种功能都有了全面的提升。近年来还不断推出满足不同要求的微型PLC,如FXOS、FX1S、FX0N、FX1N及α系列等产品。三菱公司的大中型机有A系列、QnA系列、Q系列,具有丰富的网络功能,I/O点数可达8192点。其中Q系列具有超小的体积、丰富的机型、灵活的安装方式、双CPU协同处理、多存储器、远程口令等特点,是三菱公司现有PLC中最高性能的PLC。欧姆龙(OMRON)公司的PLC产品,大、中、小、微型规格齐全。微型机以SP系列为代表,其体积极小,速度极快。小型机有 P型、H型、CPM1A系列、CPM2A系列、CPM2C、CQM1等。P型机现已被性价比更高的CPM1A系列所取代,CPM2A/2C、 CQM1系列内置RS-232C接口和实时时钟,并具有软PID功能,CQM1H是 CQM1的升级产品。中型机有C200H、C200HS、C200HX、C200HG、C200HE、CS1系列。C200H是前些年畅销的高性能中型机,配置齐全的I/O模块和高功能模块,具有较强的通信和网络功能。C200HS是C200H的升级产品,指令系统更丰富、网络功能更强。C200HX/HG/HE是C200HS的升级产品,有1148个I/O点,其容量是 C200HS的2倍,速度是C200HS的3.75倍,有品种齐全的通信模块,是适应信息化的PLC产品。CS1系列具有中型机的规模、大型机的功能,是一种极具推广价值的新机型。大型机有&&C1000H、C2000H、CV(CV500/CV1000/CV2000/CVM1)等。 C1000H、C2000H可单机或双机热备运行,安装带电插拔模块,C2000H可在线更换I/O模块;CV系列中除CVM1外,均可采用结构化编程,易读、易调试,并具有更强大的通信功能。& & 松下公司的PLC产品中,FPO为微型机,FP1为整体式小型机,FP3为中型机,FP5/FP10、FP10S(FP10的改进型)、FP20为大型机,其中FP20是最新产品。松下公司近几年PLC产品的主要特点是:指令系统功能强;有的机型还提供可以用FP-BASIC语言编程的CPU及多种智能模块,为复杂系统的开发提供了软件手段;FP系列各种PLC都配置通信机制,由于它们使用的应用层通信协议具有一致性,这给构成多级PLC网络和开发PLC网络应用程序带来方便。4、我国PLC产品我国有许多厂家、科研院所从事PLC的研制与开发,如中国科学院自动化研究所的PLC-0088,北京联想计算机集团公司的GK-40,上海机床电器厂的CKY-40,上海起重电器厂的CF-40MR/ER,苏州电子计算机厂的YZ-PC-001A,原机电部北京机械工业自动化研究所的MPC-00l/20、KB-20/40,杭州机床电器厂的DKK02,天津中环自动化仪表公司的DJK-S-84/86/480,上海自立电子设备厂的KKI系列,上海香岛机电制造有限公司的ACMY-S80、ACMY-S256,无锡华光电子工业有限公司(合资)的SR-10、SR-20/21等。
& & 从1982年以来,先后有天津、厦门、大连、上海等地相关企业与国外著名PLC制造厂商进行合资或引进技术、生产线等,这将促进我国的PLC技术在赶超世界先进水平的道路上快速发展。
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