1、項目一PLC的基礎知識 工作任務1PLC的產生、發展與特點工作任務2PLC的組成與工作原理工作任務3歐姆龍CP1E型PLC的規格工作任務4PLC編程軟件的使用工作任務5PLC控制系統的設計 工作任務1PLC的產生、發展與特點一、PLC的產生在可編程控制器產生以前，以各種繼電器為主要元件的電氣控制線路，承擔著生產過程自動控制的艱巨任務。可能由成百上千只各種繼電器構成的復雜控制系統，需要使用成千上萬根導線連接起來，安裝這些繼電器需要大量的繼電器控制柜，且占據龐大的空間。當這些繼電器運行時，又會產生很大的噪聲，消耗大量的電能。為保證控制系統的正常運行，需安排大量的電氣技術人員進行維護，有時某個繼電器

2、的損壞，甚至某個繼電器的觸點接觸不良，都將會影響整個系統的正常運行。如果系統出現故障，要進行檢查和排除故障是非常困難的，全靠現場電氣技術人員長期積累的經驗。尤其是當生產工藝發生變化時，可能需要增加很多的繼電器或繼電器控制柜，重新接線或改線的工作量極大，甚至可能需要重新設計控制系統。盡管如此，這種控制系統的功能也僅僅局限在能實現具有粗略定時、計數功能的順序邏輯控制。因此，人們迫切需要一種新的工業控制裝置來取代傳統的繼電器控制系統，使電氣控制系統工作更可靠、更容易維修、更能適應經常變化的生產工作要求。1968年，美國最大的汽車制造商通用汽車公司(GM)為滿足市場需求，適應汽車生產工藝不斷更新的需要

3、，將汽車的生產方式由大批量、少品種轉變為小批量、多品種。為此要解決因汽車不斷改型而重新設計汽車裝配線上各種繼電器的控制線路問題，要尋求一種比繼電器更可靠、響應速度更快、功能更強大的通用工業控制器，GM公司提出了著名的十條技術指標在社會上招標，要求控制設備制造商為其裝配線提供一種新型的通用工業控制器。GM公司提出的十條技術指標如下：(1) 編程簡單，可在現場方便地編輯及修改程序。(2) 價格便宜，其性價比要高于繼電器控制系統。(3) 體積要明顯小于繼電器控制柜。(4) 可靠性要明顯高于繼電器控制系統。(5) 具有數據通信功能。(6) 輸入可以是115 V AC(美國電壓標準)。(7) 輸出量為1

4、15 V AC、2 A以上，可以直接驅動電磁閥、接觸器等。(8) 硬件維護方便，最好采用插件式結構。(9) 當需要擴展時，原有系統只需做很小的改動即可。(10) 用戶程序存儲器容量至少可以擴展到4 KB。于是可編程控制器應運而生。1969年，美國數字設備公司(DEC)根據上述要求研制出世界上第一臺可編程控制器，型號為PDP-14，并在GM公司的汽車生產線上首次應用成功，取得了顯著的經濟效益。當時人們把它稱為可編程序邏輯控制器(Programmable Logic Controller，PLC)。可編程控制器這一新技術的出現，受到工程技術界的極大關注，各大廠商紛紛投入力量進行研制。第一個把PLC

5、商品化的是美國哥德公司(GOULD)，日本和德國相繼從美國引進了這項新技術，研制出了各自的可編程控制器。我國從1974年開始研制，1977年開始工業應用。早期的PLC主要由分立式電子元件和小規模集成電路組成，它采用了計算機的相關技術，指令系統簡單，一般只具有邏輯運算的功能，但它簡化了計算機的內部結構，使之能夠很好地適應惡劣的工業現場環境。隨著微電子技術的發展，20世紀70年代中期以來，大規模集成電路(LSI)和微處理器在PLC中得到了應用，使PLC的功能不斷增強，使其不僅能執行邏輯控制、順序控制、計時及計數控制，還增加了算術運算、數據處理、通信等功能，具有處理分支、中斷、自診斷的能力，使PLC

6、更多地具有了計算機的功能。目前世界上著名的電氣設備制造廠商幾乎都生產PLC系列產品。可編程控制器從產生到現在，盡管只有四十幾年的時間，但由于其具有編程簡單、可靠性高、使用方便、維護容易、價格適中等優點，因而得到了迅猛的發展，在冶金、機械、石油、化工、紡織、輕工、建筑、運輸、電力等領域得到了廣泛的應用。二、PLC的定義1980年，美國電氣制造商協會(National Electronic Manufacture Association, NEMA)JP將可編程控制器正式命名為Programmable Controller，簡稱為PLC或PC。1980年，NEMA將可編程控制器定義為：“可編程控制

7、器是一個帶有指令存儲器，數字的或模擬的輸入/輸出接口，以位運算為主，能實現邏輯、順序、定時、計數和算術運算等功能，用于控制機器或生產過程的自動控制裝置。”1985年1月，國際電工委員會(International Electro-technical Commission, IEC)在頒布可編程控制器標準草案第二稿時，又對PLC作了明確定義：“可編程控制器是一種數字運算操作的電子系統，專為在工業環境下應用而設計。它采用可編程序的存儲器，用來在其內部存儲執行邏輯運算和順序控制、定時、計數和算術運算等操作的指令，并通過數字的或模擬的輸入和輸出接口，控制各種類型的機器設備或生產過程。可編程控制器及其有

8、關設備的設計原則是它應按易于與工業控制系統連成一個整體和具有擴充功能。”該定義強調了可編程控制器是“數字運算操作的電子系統”，它是“專為工業環境下應用而設計”的工業控制計算機。雖然可編程控制器簡稱為PC，但它與近年來人們熟知的個人計算機(Personal Computer, PC)是完全不同的概念。為了加以區別，國內外很多雜志，以及在工業現場的工程技術人員，仍然把可編程控制器稱為PLC。為了照顧到這種習慣，在本書中，我們仍稱可編程控制器為PLC。三、PLC的發展1. PLC的發展過程PLC從誕生至今，大體經歷了四次更新換代，其發展過程大致如下：19691972年是第一代PLC發展和應用時期。此

9、時期PLC的特點是CPU多采用1位微處理器，采用磁芯存儲器存儲，機種單一，沒有形成系列，功能簡單，僅具有邏輯控制、定時、計數功能。19731975年是第二代PLC發展時期。此時期PLC的特點是使用了8位微處理器及半導體存儲器，產品逐步系列化，功能也有所增加，增加了數字運算、傳送、比較等功能，并能完成模擬量的控制。19761983年是第三代PLC發展時期。此時期PLC的特點是采用了高性能微處理器及位片式CPU，工作速度大幅度提高，同時向多功能和聯網方向發展，并具有較強的自診斷功能。1984年至今是第四代PLC發展時期。此時期PLC的特點是CPU不僅全面使用了16位、32位微處理器，內存容量也有了

10、較大的增加，可直接用于一些規模較大的復雜控制系統，編程語言除了使用傳統的梯形圖、流程圖外，還可以使用高級語言，而且外設也更加多樣化。2. PLC的發展趨勢PLC技術的發展與微電子技術和計算機技術密切相關，隨著PLC技術越來越廣泛的應用，PLC技術應用領域的不斷擴大以及工業生產對自動控制系統需求的多樣性，它本身也在不斷發展。目前，PLC主要朝著三個方向發展。一是朝著小型化的方向發展。小型的PLC結構緊湊，外形體積較小，CPU和I/O部件組裝在一個箱體內，價格低廉，經濟可靠，而且功能也大有提高。過去一些大型PLC才有的功能，如模擬量的處理、通信、PID調節運算等，均可以被移植到這種小型機上，從而使

11、它真正成為繼電器控制系統的替代產品，可以應用于單機控制和小型生產線的控制等。二是朝著大型化的方向發展。這種類型的PLC采用了高性能的微處理器，存儲容量大，處理速度快，響應時間短，功能強大，各種功能模塊種類齊全，使各種規模的自動化系統功能更強、更可靠，組成和維護更加靈活、方便，使PLC的應用范圍更廣。三是PLC產品更加規范化、標準化。PLC廠家在使硬件及編程工具換代頻繁、豐富多樣、功能提高的同時，日益向MAP(制造自動化協議)靠攏，并使PLC基本部件，如輸入/輸出模塊、接線端子、通信協議、編程語言和工具等方面的技術規格規范化、標準化，使不同產品間能相互兼容、易于組網，以方便用戶真正利用PLC實現

12、工廠生產的自動化。四、PLC的分類可編程控制器具有多種分類方式，了解這些分類方式有助于PLC的選型及應用。1. 根據控制規模分類PLC的控制規模是以所配置的輸入/輸出點數來衡量的。PLC的輸入/輸出點數表明了PLC可從外部接收多少個輸入信號和向外部發出多少個輸出信號，實際上也就是PLC的輸入、輸出端子數。根據I/O點數的多少可將PLC分為小型機、中型機和大型機。一般來說，點數多的PLC功能也相應較強。1) 小型機I/O點數(總數)在256點以下的PLC稱為小型機。小型PLC一般只具有邏輯運算、定時、計數和移位等功能，適用于小規模開關量的控制，可用它實現條件控制、順序控制等功能。有些小型PLC(

13、例如立石的C系列，三菱的F1系列，西門子的S5-100US7-200系列等)也增加了一些算術運算和模擬量處理等功能，可以適應更廣泛的需要。目前的小型PLC一般也具有數據通信等功能。小型機的特點是價格低、體積小，適用于控制自動化單機設備，開發機電一體化產品。2) 中型機I/O點數在2561024點之間的PLC稱為中型機。中型PLC除了具備邏輯運算功能外，還增加了模擬量輸入/輸出、算術運算、數據傳送、數據通信等功能，可完成既有開關量又有模擬量的復雜控制。中型機的軟件比小型機豐富，在已固化的程序內，一般還具有PID(比例、積分、微分)調節、整數/浮點運算等功能模板。中型機的特點是功能強、配置靈活，適

14、用于具有諸如溫度、壓力、流量、速度、角度、位置等模擬量控制和大量開關量控制的復雜機械，以及連續生產過程控制的場合。3) 大型機I/O點數在1024點以上的PLC稱為大型機。大型PLC的功能更加完善，具有數據運算、模擬調節、聯網通信、監視記錄、打印等功能。大型機的內存容量超過640 KB，監控系統采用CRT顯示，能顯示表示生產過程的工藝流程、各種記錄曲線、PID調節參數選擇圖等。大型PLC能進行中斷控制、智能控制、遠程控制等。大型機的特點是I/O點數特別多，控制規模宏大，組網能力強，可用于大規模的過程控制，構成分布式控制系統，或者整個工廠的集散控制系統。2. 根據結構形式分類從結構上看，PLC可

15、分為整體式、模板式及分散式3種形式。1) 整體式一般小型機多為整體式結構。這種結構PLC的電源、CPU、I/O部件都集中配置在一個箱體中，有的甚至全部裝在一塊印刷電路板上。2) 模板式這種形式的PLC各部分以單獨的模板分開設置，如電源模板PS、CPU模板、輸入/輸出模板SM、功能模板FM及通信模板CP等。模板式PLC一般設有機架底板(也有的PLC為串行聯結，沒有底板)，在底板上有若干插座，使用時，將各種模板直接插入機架底板即可。這種結構的PLC配置靈活，裝備方便，維修簡單，易于擴展，可根據控制要求靈活配置所需模板，構成功能不同的各種控制系統。一般大、中型PLC均采用這種結構形式。模板式PLC的

16、缺點是結構較復雜，各種插件多，因而增加了造價成本。3) 分散式所謂分散式的結構，就是將PLC的CPU、電源、存儲器集中放置在控制室，而各I/O模板分散放置在各個工作站，由通信接口進行通信連接，由CPU集中指揮。3. 根據用途分類1) 用于順序邏輯控制早期的PLC主要用于取代繼電器控制電路，完成如順序、聯鎖、計時和計數等開關量的控制，因此順序邏輯控制是PLC最基本的控制功能，也是PLC應用最多的場合。比較典型的應用如自動電梯的控制、自動化倉庫的自動存取、各種管道上電磁閥的自動開啟和關閉、皮帶運輸機的順序啟動，或者自動化生產線的多機控制等，這些都是順序邏輯控制。要完成這類控制，不要求PLC有太多的

17、功能，只要有足夠數量的I/O回路即可，因此可選用低檔的PLC。2) 用于閉環過程控制對于閉環控制系統，除了要用開關量I/O點實現順序邏輯控制外，還要有模擬量的I/O回路，以供采樣輸入和調節輸出，實現過程控制中的PID調節，形成閉環過程控制系統。而中期的PLC由于具有數值運算和處理模擬量信號的功能，可以設計出各種PID控制器。現在隨著PLC控制規模的增大,可控制的回路數已從幾個增加到幾十個甚至幾百個，因此可實現比較復雜的閉環控制系統，可以實現對溫度、壓力、流量、位置、速度等物理量的連續調節。比較典型的應用如連軋機的速度和位置控制、鍋爐的自動給水、加熱爐的溫度控制等。3) 用于多級分布式和集散控制

18、系統在多級分布式和集散控制系統中，除了要求所選用的PLC具有上述功能外，還要求其具有較強的通信功能，以實現各工作站之間的通信、上位機與下位機的通信，最終實現全廠自動化，形成通信網絡。由于近期的PLC產品都具有很強的通信和聯網功能，建立一個自動化工廠已成為可能。能勝任這種工作的可編程控制器稱為高檔PLC。4) 用于機械加工的數字控制和機器人控制機械加工行業也是PLC廣泛應用的領域，PLC與CNC (Computer Number Control，計算機數值控制)技術有機地結合起來，可以進行數值控制。由于PLC的處理速度不斷提高和存儲器容量的不斷擴大，使CNC的軟件不斷豐富，用戶對機械加工的程序編

19、制越來越方便。隨著人工視覺等高科技技術的不斷完善，各種性能的機器人相繼問世，很多機器人制造公司也選用PLC作為機器人的控制器，因此PLC在這個領域的應用也將越來越多。在這類應用中，除了要有足夠的開關量I/O、模擬量I/O外，還要有一些特殊功能的模板，如速度控制、運動控制、位置控制、步進電機控制、伺服電機控制、單軸控制、多軸控制等特殊功能模板，以適應特殊工作的需要。五、PLC的特點及主要功能1. PLC的一般特點PLC的種類雖然千差萬別，但為了在惡劣的工業環境中使用，它們都有許多共同的特點。1) 抗干擾能力強，可靠性高工業生產對電氣控制設備的可靠性要求是非常高的，要求具有很強的抗干擾能力，能在很

20、惡劣的環境下(如溫度高,濕度大，金屬粉塵多，距離高壓設備近，有較強的高頻電磁干擾等)長期連續可靠地工作，平均無故障時間(MTBF)長，故障修復時間短。PLC是專為工業控制設計的，能適應工業現場的惡劣環境。可以說，沒有任何一種工業控制設備能夠達到PLC的可靠性。在PLC的設計和制造過程中，采取了精選元件及多層次抗干擾等措施，使PLC的平均無故障時間(MTBF)通常在10萬小時以上，有些PLC的平均無故障時間可以達到幾十萬小時以上，如三菱公司的F1、F2系列的MTBF可達到30萬小時，有些高檔機的MTBF還要高得多，這是其他電氣設備根本做不到的。絕大多數用戶都將可靠性作為選取控制裝置的首要條件，因

21、此PLC在硬件和軟件方面均采取了一系列抗干擾措施。在硬件方面，首先是選用優質器件，采用合理的系統結構，加固簡化安裝，使它能抗振動沖擊。對印刷電路板的設計、加工及焊接都采取了極為嚴格的工藝措施。對于工業生產過程中最常見的瞬間強干擾，采取的措施主要是采用隔離和濾波技術。PLC的輸入和輸出電路一般都用光電耦合器傳遞信號，做到電浮空，使CPU與外部電路完全切斷了電的聯系，有效地抑制了外部干擾對PLC的影響。在PLC的電源電路和I/O接口中，還設置了多種濾波電路，除了采用常規的模擬濾波器(LC濾波和型濾波)外，還加上數字濾波電路，以消除和抑制高頻干擾信號，同時也削弱了各種模板之間的相互干擾。用集成電壓調

22、整器對微處理器的+5 V電源進行調整，以適應交流電網的波動和過電壓、欠電壓的影響。在PLC內部還采用了電磁屏蔽措施，對電源變壓器、CPU、存儲器、編程器等主要部件采用導電、導磁良好的材料進行屏蔽，以防外界干擾。在軟件方面，PLC也采取了很多特殊措施，設置了警戒時鐘(Watching Dog Timer，WDT)，系統運行時對WDT定時刷新，一旦程序出現死循環，使之能立即跳出，重新啟動并發出報警信號。還設置了故障檢測及診斷程序，用以檢測系統硬件是否正常，用戶程序是否正確，便于自動地做出相應的處理，如報警、封鎖輸出、保護數據等。當PLC檢測到故障時，可立即將現場信息存入存儲器，由系統軟件配合對存儲

23、器進行封閉，禁止對存儲器的任何操作，以防存儲信息被破壞。這樣，一旦檢測到外界環境正常后，便可恢復到故障發生前的狀態，繼續原來的程序工作。另外，PLC特有的循環掃描工作方式，有效地屏蔽了絕大多數的干擾信號。2) 編程簡單，容易掌握PLC的設計是面向工業企業中一般電氣工程技術人員的，它采用易于理解和掌握的梯形圖語言，以及面向工業控制的簡單指令。這種梯形圖語言繼承了傳統繼電器控制線路和微機應用方式，對于企業中熟悉繼電器控制線路圖的電氣工程技術人員是非常親切的，它形象、直觀，簡單、易學，尤其是對于小型PLC而言，幾乎不需要專門的計算機知識，只要進行短暫幾天甚至幾小時的培訓，就能基本掌握編程方法。因此，

24、無論是在生產線的設計中，還是在傳統設備的改選中，電氣工程技術人員都特別愿意使用PLC。3) 通用性強，控制程序可變，使用方便雖然PLC種類繁多，但是由于其產品逐漸系列化和模板化，且配有品種齊全的各種軟件，所以用戶可根據需求靈活組合各種規模和要求不同的控制系統。在硬件設計方面，只需確定PLC的硬件配置和I/O通道的外部接線。在PLC構成的控制系統中，只需在PLC的端子上接入相應的輸入、輸出信號即可，不需要諸如繼電器之類的固體電子器件和大量繁雜的硬接線電路。在生產工藝流程改變，或生產線設備更新、或系統控制要求改變，需要變更控制系統的功能時，一般不必改變或很少改變I/O通道的外部接線，只要改變存儲器

25、中的控制程序即可，這在使用傳統的繼電器控制時是很難想像的。PLC的輸入、輸出端子可直接與220 V AC、24 V DC等強電相連，并有較強的帶負載能力。在PLC運行過程中，在PLC的面板上(或顯示器上)可以顯示生產過程中用戶感興趣的各種狀態和數據，使操作人員做到心中有數，即使在出現故障甚至發生事故時，也能及時處理。4) 安裝簡單，維護方便PLC的控制程序可通過編程器輸入到PLC的用戶程序存儲器中。編程器不僅能對PLC控制程序進行寫入、讀出、檢測、修改，還能對PLC的工作進行監控，使得PLC的操作及維護都很方便。PLC還具有很強的自診斷能力，能隨時檢查出自身的故障，并顯示給操作人員，如I/O通

26、道的狀態、RAM的后備電池的狀態、數據通信的異常、PLC內部電路的異常等信息。正是通過PLC這種完善的診斷和顯示能力，當PLC主機或外部的輸入裝置及執行機構發生故障時，使操作人員能迅速檢查、判斷故障原因，確定故障位置，以便采取迅速有效的措施。如果是PLC本身的故障，在維修時只需要更換插入式模板或其他易損件即可完成，既方便又提高了效率。有人曾預言，將來自動化工廠的電氣工人，將一手拿著螺絲刀，一手拿著編程器。這也是PLC得以迅速發展和廣泛應用的重要因素之一。5) 設計、施工、調試周期短使用PLC完成一項控制工程時，由于其硬件、軟件齊全，設計和施工可同時進行。又由于PLC用軟件編程取代了繼電器硬接線

27、實現控制功能，使得控制柜的設計及安裝接線工作量大為減少，從而縮短了施工周期。而且用戶程序大都可以在實驗室模擬調試，模擬調試好后再將PLC控制系統在生產現場進行聯機統調，使得調試方便、快速、安全，因此大大縮短了設計和投運周期。6) 易于實現機電一體化因為PLC的結構緊湊，體積小，重量輕，可靠性高，抗振、防潮和耐熱能力強，使之易于安裝在機器設備內部，制造出機電一體化產品。隨著集成電路制造水平的不斷提高，PLC體積進一步縮小，而功能卻進一步增強，與機械設備能有機地結合起來，在CNC和機器人的應用中必將更加普遍，以PLC作為控制器的CNC設備和機器人裝置將成為典型的機電一體化產品。2. PLC的主要功

28、能PLC是采用微電子技術來完成各種控制功能的自動化設備，可以在現場的輸入信號作用下，按照預先輸入的程序，控制現場的執行機構，按照一定規律進行動作。其主要功能如下。1) 順序邏輯控制這是PLC最基本、最廣泛的應用領域，用來取代繼電器控制系統，實現邏輯控制和順序控制。它既可用于單機控制或多機控制，又可用于自動化生產線的控制。PLC根據操作按鈕、限位開關及其他現場給出的指令信號和傳感器信號，來控制機械運動部件進行相應的操作。2) 運動控制在機械加工行業，PLC與計算機控制(CNC)集成在一起，用以完成機床的運動控制。很多PLC機制造廠家已提供了拖動步進電機或伺服電機的單軸或多軸的位置控制模板。在多數

29、情況下，PLC把描述目標位置的數據傳送給模板，模板移動一軸或數軸到目標位置。當每個軸移動時，位置控制模板保持適當的速度和加速度，以確保運動平滑。目前，PLC已用于控制無心磨削、沖壓、復雜零件分段沖裁、滾削、磨削等機械加工工序中。3) 定時控制PLC為用戶提供了一定數量的定時器，并設置了定時器指令，如OMRON公司的CPM1A PLC，每個定時器可實現0.1999.9 s或0.0199.99 s的定時控制，SIEMENS公司的S7-200系列PLC可提供時基單位為0.1 s，0.01 s及0.001 s的定時器，實現從0.001 s到3276.7 s的定時控制，也可按一定方式進行定時時間的擴展。

30、采用PLC實現定時控制，定時精度高，定時設定方便、靈活，而且PLC還提供了高精度的時鐘脈沖，用于準確的實時控制。4) 計數控制PLC為用戶提供了計數器，計數器可分為普通計數器、可逆計數器(增減計數器)、高速計數器等，用來完成不同用途的計數控制。當計數器的當前計數值等于計數器的設定值，或在某一數值范圍時，將會發出控制命令。計數器的計數值可以在運行中被讀出，也可以在運行中進行修改。5) 步進控制PLC為用戶提供了一定數量的移位寄存器，用移位寄存器可方便地完成步進控制功能，即在一道工序完成之后，自動進行下一道工序，一個工作周期結束后，自動進入下一個工作周期。有些PLC還專門設有步進控制指令，使得步進

31、控制更為方便。6) 數據處理大部分PLC都具有不同程度的數據處理功能，如日本三菱FXF2系列、歐姆龍C系列、西門子S7系列PLC等，能完成數據運算(如加、減、乘、除、乘方、開方等)、邏輯運算(如字與、字或、字異或、求反等)、移位、數據比較和傳送及數值的轉換等操作。7) 模/數和數/模轉換在過程控制或閉環控制系統中，存在溫度、壓力、流量、速度、位移、電流、電壓等連續變化的物理量(或稱模擬量)。過去，由于PLC用于邏輯運算控制，對于這些模擬量的控制主要靠儀表來控制(如果回路數較少)或分布式控制系統DCS(如果回路數較多)，目前，不但大、中型PLC都具有模擬量處理功能，甚至很多小型PLC也具有模擬量

32、處理功能，而且編程和使用都很方便。8) 通信及聯網目前絕大多數PLC都具備了通信能力，能夠實現PLC與計算機，PLC與PLC之間的通信。通過這些通信技術，使PLC更容易構成工廠自動化(FA)系統。此外，PLC還可與打印機、監視器等外部設備相連，記錄和監視有關數據。六、PLC的性能指標性能指標是用戶評價和選購機型的依據。目前，市場上銷售的PLC和我國工業企業中所使用的PLC，絕大多數是國外生產的產品(這些產品有的是隨引進設備進口，有的是設計選用)。各種機型種類繁多，各個廠家在說明其性能指標時，主要技術項目也不完全相同，如何評價一臺PLC的檔次高低，規模大小，適用場所，至今還沒有一個統一的衡量標準

33、。但是當用戶在進行PLC的選型時，可以參照生產廠家提供的技術指標，從以下幾個方面來綜合考慮。1. 處理器技術指標處理器技術指標是PLC各項性能指標中最重要的一項，在該技術指標中，應反映出CPU的類型、用戶程序存儲器容量、可連接的I/O總點數(開關量多少點，模擬量多少路)、指令長度、指令條數、掃描速度(ms/千字)。有的PLC還給出了其內部的各個通道配置，如內部的輔助繼電器、特殊輔助繼電器、暫存器、保持繼電器、數據存儲區、定時器/計數器及高速計數器的配置情況，以及存儲器的后備電池壽命、自診斷功能等。2. I/O模板技術指標對于開關量輸入模板，要能反映出其輸入點數、電源類型、工作電壓等級，以及CO

34、M端、輸入電路等情況。有的PLC還給出了其他有關參數，如輸入模板供應的電源情況、輸入電阻以及動作延時情況等。對于開關量輸出模板，要反映出輸出點數/塊、電源類型、工作電壓等級，以及COM端、輸出電路等情況。一般PLC的輸出形式有繼電器輸出、晶體管輸出和雙向晶闡管輸出3種，要根據不同的負載性質選擇PLC輸出電路的形式。有的PLC還給出了如工作電流、帶負載能力、動作延遲時間等其他有關參數。對于模擬量I/O模板，要反映出它的輸入/輸出路數、信號范圍、分辨率、精度、轉換時間、外部輸入或輸出阻抗、輸出碼、通道數、端子連接、絕緣方式、內部電源等情況。3. 編程器及編程軟件反映這部分性能指標有編程器形式(簡易

35、編程器、圖形編程器或通用計算機)、運行環境(DOS或Windows)、編程軟件及是否支持高級語言等。4. 通信功能隨著PLC控制功能的不斷增強和控制規模的不斷增大，通信和聯網的能力成為衡量現代PLC的重要指標。反映這部分指標的主要有通信接口、通信模塊、通信協議及通信指令等。PLC的通信可分為兩類：一類是通過專用的通信設備和通信協議，在同一生產廠家的各個PLC之間進行的通信； 另一類是通過通用的通信口和通信協議，在PLC與上位計算機或其他智能設備之間進行的通信。5. 擴展性PLC的可擴展性是指PLC的主機配置擴展模板的能力，它體現在兩個方面：一個是I/O(數字量I/O或模擬量I/O)的擴展能力，

36、用于擴展系統的輸入/輸出點數；另一個是CPU模板的擴展能力，用于擴展各種智能模板，如溫度控制模板、高速計數器模板、閉環控制模板等，實現多個CPU的協調控制和信息交換。如果只是一般性地了解PLC的性能，可簡單地用以下5個指標來評價：CPU芯片、編程語言、用戶程序存儲量、I/O總數、掃描速度。顯然，若CPU檔次高，編程語言完善，用戶程序存儲量大，I/O點數多，掃描速度快，則表明這臺PLC的性能好，功能強，當然價格也會較高。工作任務2PLC的組成與工作原理一、PLC的組成PLC由中央處理器單元(CPU)、存儲器、輸入/輸出(I/O)單元、電源、其他接口及外設等組成，如圖1-1所示。圖1-1PLC系統

37、結構組成下面結合圖1-1來說明PLC各個組成部分的功能。1. 中央處理器單元(CPU)CPU是計算機的核心，因此它也是PLC的核心，起“心臟”作用。CPU由控制器、運算器和寄存器組成，這些電路集成在一個芯片上。CPU通過地址總線、數據總線與I/O接口電路相連接。當從編程器輸入的程序存入到用戶程序存儲器中后，CPU將會根據系統所賦予的功能(系統程序存儲器的解釋、編譯程序)，把用戶程序翻譯成PLC內部所認可的用戶編譯程序。輸入狀態和輸入信息從輸入接口輸進，CPU將之存入工作數據存儲器或輸入映像寄存器中，然后由CPU把數據和程序有機地結合在一起，再把結果存入輸出映像寄存器或工作數據存儲器中，最后輸出

38、到輸出接口、控制外部驅動器。CPU按照系統程序賦予的功能完成的主要任務有：(1) 接收與存儲用戶由編程器鍵入的用戶程序和數據。(2) 檢查編程過程的語法錯誤，診斷電源及PLC內部的工作故障。(3) 用掃描方式工作，接收來自現場的輸入信號，并輸入到輸入映像寄存器和數據存儲器中。(4) 在進入運行方式后，從存儲器中逐條讀取并執行用戶程序，完成用戶程序所規定的邏輯運算、算術運算及數據處理等操作。(5) 根據運算結果，更新有關標志位的狀態，刷新輸出映像寄存器的內容，再經輸出部件實現輸出控制、打印制表或數據通信等功能。在模板式PLC中，CPU是一個專用模板。一般PLC的CPU模板上還有存放系統程序的RO

39、M或EPROM、存放用戶程序或少量數據的RAM，以及譯碼電路、通信接口和編程器接口等。在整體式PLC中，CPU是一塊集成電路芯片，通常是通用的8位或16位的微處理器，如Z80、Z80A、8085、6800等。采用通用和微處理器(Z80A)作CPU，其好處是這些微處理器及其配套的芯片普及、通用、價廉，有獨立的I/O指令，且指令格式短，有利于譯碼及縮短掃描周期。隨著大規模集成電路的發展，PLC采用單片機作CPU的越來越多，在小型PLC中，尤其以Intel公司的MCS-51、MCS-96系列作CPU的居多，它以高集成度、高可靠性、高功能、高速度及低價格的優勢，正在占領小型PLC的市場。目前，小型PL

40、C均為單CPU系統，而大、中型PLC通常是雙CPU或多CPU系統。所謂雙CPU系統，是在CPU模板上裝有兩個CPU芯片，一個作為字處理器，另一個作為位處理器。字處理器是主處理器，它執行所有的編程器接口的功能，監視內部定時器(WDT)及掃描時間，完成字節指令的處理，并對系統總線和微處理器進行控制。位處理器是從處理器，它主要完成對位指令的處理，可減輕字處理器負擔，提高位指令的處理速度，并將面向控制過程的編程語言(如梯形圖、流程圖)轉換成機器語言。在高檔的PLC中，常采用位片式微處理器(如AM2900、AM2901、AM2903)作CPU。由于位片式微處理器采用雙極型工藝，所以比一般的MOS型微處理

41、器在速度上快一個數量級。位片的寬度有2位、4位、8位等，用幾個位片進行“級聯”，可以組成任意字長的微機。另外，在位片式微處理器中，都采用微程序設計，只要改變微程序存儲器中的內容，就可以改變機器的指令系統，因此，其靈活性很強。位片式微處理器易于實現“流水線”操作，即重疊操作，能更有效地發揮其快速的特點。2. 存儲器1) 存儲器的種類PLC存儲器中配有兩種存儲系統，即用于存放系統程序的系統程序存儲器和存放用戶程序的用戶程序存儲器。(1) 系統程序存儲器。系統程序存儲器主要用來存儲PLC內部的各種信息。在大型PLC中，系統程序存儲器可分為寄存器、內部存儲器和高速緩存存儲器；在中、小型PLC中，常把這

42、3種功能的存儲器混合在一起，統稱為功能存儲器，簡稱為存儲器。一般系統程序是由PLC生產廠家編寫的系統監控程序，不能由用戶直接存取。系統監控程序主要由有關系統管理、解釋指令、標準程序及系統調用等程序組成。系統程序存儲器一般由PROM(只讀存儲器)或EPROM(可擦除只讀存儲器)構成。(2) 用戶程序存儲器。由用戶編寫的程序稱為用戶程序，用戶程序存放在用戶程序存儲器中，用戶程序存儲器的容量不大，主要存儲PLC內部的輸入、輸出信息，以及內部繼電器、移位寄存器、累加寄存器、數據寄存器、定時器和計數器的動作狀態。小型PLC的存儲容量較小，一般不超過8 KB，中型PLC的存儲能力為264 KB，大型PLC

43、的存儲能力可達到幾百KB以上。我們一般講PLC的內存大小，是指用戶程序存儲器的容量，用戶程序存儲器常用RAM(可讀可寫存儲器)構成。為防止電源掉電時RAM中的信息丟失，常采用鋰電池作后備保護。若用戶程序已完全調試好，且一段時期內不需要改變功能，也可將其固化到EPROM中。注意：用戶程序存儲器中必須有部分RAM，用以存放一些必要的動態數據。用戶程序存儲器一般分為程序存儲區和數據存儲區兩個區。程序存儲區用來存儲由用戶編寫的、通過編程器輸入的程序。數據存儲區用來存儲通過輸入端子讀取的輸入信號的狀態、準備通過輸出端子輸出的輸出信號的狀態、PLC中各個內部器件的狀態，以及特殊功能要求的有關數據。當用戶程

44、序很長或需存儲的數據較多時，PLC基本組成中的存儲器容量可能不夠用，這時可考慮選用較大容量的存儲器或進行存儲器擴展。很多PLC都提供了存儲器擴展功能，用戶可將新增加的存儲器擴展模板直接插入CPU模板中，有的PLC機將存儲器擴展模板插在中央基板上。在存儲器擴展模板上通常裝有可充電的鋰電池(或超級電容)，如果在系統運行過程中突然停電，RAM立即改由鋰電池(或超級電容)供電，使RAM中的信息不因停電而丟失，從而保證復電后系統可從掉電狀態開始恢復工作。2) 常用的存儲器目前，常用的存儲器有CMOS-SRAM、EPROM和EEPROM。(1) CMOS-SRAM(可讀寫存儲器)。CMOS-SRAM是以C

45、MOS技術制造的靜態可讀寫存儲器，用以存放數據。讀寫時間小于200 ns，幾乎不消耗電流。用鋰電池作后備電源，停電后可保存數據35年不變。靜態存儲器的可靠性比動態存儲器DRAM高，因為SRAM不必周而復始地刷新，只有在片選信號(脈沖)有效、寫操作有效時，從數據總線進入的干擾信號才能破壞其存儲的內容，而這種概率是非常小的。(2) EPROM(只讀存儲器)。EPROM是一種可用紫外光擦除、在電壓為25 V的供電狀態下寫入的只讀存儲器。使用時，寫入腳懸空或接+5 V電源(窗口蓋上不透光的薄箔)，其內容可長期保存。這類存儲器可根據不同需要與各種微處理器兼容，并且可以和MCS-51JP系列單片機直接兼容

46、。EPROM一個突出的優點是把輸出元件控制(OE)和片選控制(CE)分開，保證了良好的接口特性。由于EPROM具有采用單一+5 V電源、可在靜態維持方式下工作以及快速編程等特點，因而它在存儲系統設計中，具有快速、方便和經濟等一系列優點。使用EPROM芯片時，要注意器件的擦除特性，當把芯片放在波長約為4000 A的光線下，且暴露在照明日光燈下，約需3年才能擦除，而在直射日光下，約1周就可擦除，這些特性在使用中要特別注意。為延長EPROM芯片的使用壽命,必須用不透明薄箔，貼在其窗口上，防止無意識擦除。當真正需要對EPROM芯片進行擦除操作時，必須將芯片放在波長為2537 A的短波紫外線下曝光，擦除

47、的總光量(紫外光光強曝光時間)必須大于15 Ws/cm2。用12 000 W/cm2紫外線燈，擦除的時間約為1520 min。在擦除操作時，需把芯片靠近燈管約1英寸處。有些燈在管內放有濾色片，擦除前需把濾色片取出，才能進行擦除。EPROM用來固化完善的程序，寫入速度為毫秒級。固化是通過與PLC配套的專用寫入器進行的，不適宜多次反復的撰寫。(3) EEPROM(電可擦除可編程的只讀存儲器)。EEPROM是近年來被廣泛重視的一種只讀存儲器，它的主要優點是能在PLC工作時“在線改寫”，既可以按字節進行擦除和全新編程，也可進行整片擦除，且不需要專門的寫入設備，寫入速度比EPRPM快，寫入的內容能在斷電

48、情況下保持不變，而不需要保護電源。它不僅具有與RAM相似的高度適應性，又保留了ROM不易丟失的特點。3. 輸入/輸出接口單元1) 數字量輸入接口來自現場的主令元件、檢測元件的信號經輸入接口進入到PLC。主令元件的信號是指由用戶在控制鍵盤(或控制臺、操作臺)上發出的控制信號(如開機、關機、轉換、調整、急停等信號)。檢測元件的信號是指用檢測元件(如各種傳感器、繼電器的觸點，隨位開關、行程開關等元件的觸點)對生產過程中的參數(如壓力、流量、溫度、速度、位置、行程、電流、電壓等)進行檢測時產生的信號。這些信號有的是開關量(或數字量)，有的是模擬量，有的是直流信號，有的是交流信號，要根據輸入信號的類型選

49、擇合適的輸入接口。(1) 直流輸入單元。直流輸入電路如圖1-2所示。為提高系統的抗干擾能力，各種輸入接口均采取了抗干擾措施，如在輸入接口內帶有光電耦合電路，使PLC與外部輸入信號進行隔離。為消除信號噪聲，在輸入接口內設置了多種濾波電路；為便于PLC的信號處理，輸入接口內有電平轉換及信號鎖存電路；為便于與現場信號的連接，在輸入接口的外部設有接線端子排。圖1-2直流輸入電路圖1-2所示的輸入接口內帶有光電耦合器電路，光電耦合器由兩個發光二極管和光電三極管組成。發光二極管：在光電耦合器的輸入端加上變化的電信號，發光二極管就產生與輸入信號變化規律相同的光信號。光電三極管：在光信號的照射下導通，導通程度

50、與光信號的強弱有關。在光電耦合器的線性工作區內，輸出信號與輸入信號有線性關系。輸入接口電路工作過程：當開關閉合時，二極管發光，三極管在光的照射下導通，向內部電路輸入信號；當開關斷開時，二極管不發光，三極管不導通，向內部電路輸入信號，也就是通過輸入接口電路把外部的開關信號轉化成PLC內部所能接收的數字信號。(2) 交流輸入單元。交流輸入單元外接交流電源，電路如圖1-3所示。其中，電容C為隔直電容，R1和R2構成分壓電路，光電耦合器中有兩個反向并聯的發光二極管。該電路可以接收外部的交流輸入電壓，其工作原理與直流輸入電路基本相同。圖1-3交流輸入電路2) 數字量輸出接口由PLC產生的各種輸出控制信號

51、經輸出接口去控制和驅動負載(如指示燈的亮或滅，電動機的啟動、停止或正、反轉，設備的轉動、平移、升降，閥門的開閉等)。因為PLC的直接輸出帶負載能力有限，所以PLC輸出接口所帶的負載通常是接觸器的線圈、電磁閥的線圈、信號指示燈等。同輸入接口一樣，輸出接口的負載有的是直流量，有的是交流量，要根據負載性質選擇合適的輸出接口。(1) 數字量輸出模板的接線方式。數字量輸出模板與外部用戶輸出設備的接線方式可分為匯點式輸出接線和隔離式輸出接線兩種形式。匯點式輸出接線即所有輸入點共用一個公共端COM時，COM端內帶有24 V DC電源。隔離式輸出接線即采用光電耦合器，使輸出信號與電源隔開，以減少信號干擾。(2

52、) 數字量輸出接口的輸出方式。數字量輸出接口的輸出方式分為晶體管輸出型、雙向晶闡管(可控硅)輸出型及繼電器輸出型三種。晶體管輸出型適用直流負載或TTL電路，雙向晶闡管(可控硅)輸出型適用于交流負載，而繼電器輸出型既可用于直流負載，又可用于交流負載。使用時，只要外接一個與負載要求相符的電源即可，因而采用繼電器輸出型對用戶顯得更方便和靈活，但由于它是有觸點輸出，所以它的工作頻率不能很高，工作壽命不如無觸點的半導體元件長。同樣，為保證工作的可靠性和提高其抗干擾能力，在輸出接口內要采用相應的隔離措施，如光隔離和電磁隔離或隔離放大器等措施。 晶體管輸出單元。晶體管輸出電路如圖1-4所示。輸出電路采用三極

53、管作為開關器件。圖1-4晶體管輸出電路 雙向晶閘管輸出單元。雙向晶閘管輸出電路如圖1-5所示。輸出電路采用光控雙向晶閘管作為開關器件。圖1-5雙向晶閘管輸出電路 繼電器輸出單元。繼電器輸出電路如圖1-6所示。其工作過程：當內部電路輸出數字信號1時，表明有電流流過,繼電器線圈有電流，常開觸點閉合，提供負載導通的電流和電壓；當內部電路輸出數字信號0時，表明沒有電流流過，繼電器線圈沒有電流，常開觸點斷開，斷開負載的電流或電壓。也就是通過輸出接口電路把內部的數字電路轉化成一種信號使負載動作或不動作。圖1-6繼電器輸出電路 三種輸出方式的比較：晶體管輸出：無觸點、壽命長、直流負載。雙向晶閘管輸出：無觸點

54、、壽命長、交流負載。繼電器輸出：有觸點、壽命短、頻率低、交直流負載。3) 模擬量輸入/輸出接口小型PLC一般沒有模擬量輸入/輸出接口模板，或者只有通道數有限的8位A/DD/A模板；大、中型PLC可以配置成百上千的模擬量通道，它們的A/D、D/A轉換器一般是10位或12位的。模擬量I/O接口模板的模擬輸入信號或模擬輸出信號可以是電壓，也可以是電流；可以是單極性的，如05 V、010 V、15 V、420 mA，也可以是雙極性的，如50 mV、5 V、10 V、20 mA。一個模擬量I/O接口模板的通道數可能有2、4、8、16個，有的模板既有輸入通道，也有輸出通道。(1) 模擬量輸入接口模板。模擬

55、量輸入接口模板的任務是將現場中被測的模擬量信號轉變成PLC可以處理的數字量信號。通常生產現場可能有多路模擬量信號需要采集，各模擬量的類型和參數都可能不同，這就需要在進入模板前，對模擬量信號進行轉換和預處理，把它們變換成輸入模板能統一處理的電信號，經多路轉換開關進行多中選一，再將已選中的那路信號進行A/D轉換，轉換結束進行必要處理后，送入數據總線供CPU存取，或存入中間寄存器備用。(2) 模擬量輸出接口模板。模擬量輸出模板的任務是將CPU模板送來的數字量信號轉換成模擬量信號，用以驅動執行機構實現對生產過程或裝置的閉環控制。CPU對某一控制回路經采樣、計算得出一個輸出信號。在模擬量輸出模板控制單元

56、的指揮下，該輸出信號以數字量形式由數據總線經緩沖器存入中間寄存器，這個數字量信號再經光電耦合器傳送給D/A轉換器。D/A轉換器是模擬量輸出模板的核心器件，它決定著該模板的工作耦合精度和速度。經D/A轉換后，控制信號已變為模擬量。通常，一個模擬量輸出模板可以控制多個回路，即模板具有多個輸出通道，經D/A轉換后的信號要送到哪個通道，由CPU控制多路開關來實現這一選擇功能。4. 擴展接口PLC的擴展接口有兩個含義：一個是單純的I/O(數字量或模擬量I/O)擴展接口，它是為彌補原系統中I/O口有限而設置的，用于擴展輸入、輸出點數，當用戶的PLC控制系統所需的輸入、輸出點數超過主機的輸入、輸出點數時，就

57、要通過I/O擴展接口將主機與I/O擴展單元連接起來；另一個含義是CPU模板的擴充，它是在原系統中只有一塊CPU模板而無法滿足系統工作要求時使用的，該功能實現擴充CPU模板與原系統CPU模板，以及擴充CPU模板之間(多個CPU模板擴充)的相互控制和信息交換。5. 通信接口通信接口是專用于數據通信的一種智能模板，它主要用于“人-機”對話或“機-機”對話。PLC通過通信接口可以與打印機、監視器相連，也可與其他的PLC或上位計算機相連，構成多機局部網絡系統或多級分布式控制系統，或實現管理與控制相結合的綜合系統。通信接口有串行接口和并行接口兩種，它們都在專用系統軟件的控制下，遵循國際上多種規范的通信協議

58、來工作。用戶應根據不同的設備要求選擇相應的通信方式，并配置相應的通信接口。6. 編程器編程器用于用戶程序的輸入、編輯、調試和監視，還可以通過其鍵盤去調用和顯示PLC的一些內部繼電器狀態和系統參數。它經過編程器接口與CPU聯系，完成人機對話。可編程控制器的編程器一般由PLC生產廠家提供，它們只能用于某一生產廠家的某些PLC產品。編程器一般分為兩種，一種是手持編程器，使用方便；另一種是計算機編程，通過PLC的RS232接口與計算機相連，然后敲擊鍵盤，通過編程軟件向PLC內部輸入程序。1) 手持編程器手持編程器有一個大型的點陣式液晶顯示屏，它可以顯示梯形圖或語句表程序。手持編程器一般由微處理器、鍵盤

59、、顯示器及總線接口組成，它可以直接生成和編輯梯形圖程序。編程器既可聯機在線編程，也可用助記符編程，并將用戶程序存儲在編程器自己的存儲器中。它既可以用梯形圖編程，也可用助記符編程(有的也可以用高級語言編程)，還可通過屏幕進行人機對話。程序可以很方便地與PLC的CPU模板互傳，也可以將程序寫入EPROM，并提供磁帶錄音機接口和磁盤驅動器接口，有的編程器本身就帶有磁盤驅動器。它還有打印機接口，能快速、清楚地打印梯形圖，也可以打印出語句表程序清單和編程元件表等。2) 計算機編程器由PLC生產廠家生產的專用編程器使用范圍有限，價格一般也比較高。在個人計算機不斷更新換代的今天，出現了使用以個人計算機為基礎

60、的編程系統。PLC的生產廠家可能會把工業標準的個人計算機作為程序開發系統的硬件提供給用戶(大多數廠家只向用戶提供編程軟件，而個人計算機則由用戶自己選擇)。由PLC生產廠家提供的個人計算機是做了改裝的，以適應工業現場較惡劣的環境，如對鍵盤和機箱加以密封，并采用密封型的磁盤驅動器，以防止外部臟物進入計算機，而使敏感的電子元件失效。用PC作編程器的主要優點是使用了價格較便宜的、功能很強的通用的個人計算機，有的用戶還可以使用現有的個人計算機。對于不同廠家和型號的PLC，只需要更換編程軟件即可。另一個優點是可以使用一臺PC給所有的工業智能控制設備編程，還可以作為CNC、機器人、工業電視系統和各種智能分析