可编程控制器（PLC）基础知识概述

可编程控制器（PLC）基础知识概述3.1 PLC的产生和定义3.1.1 PLC的产生20世纪60年代末期，美国的汽车制造业竞争激烈，为了适应白热化的市场竞争要求，1968年美国通用汽车公司（GM）公开招标，对汽车流水线控制系统提出具体要求，归纳起来是：n （1）编程方便，可现场修改程序；n （2）维修方便，采用插件式结构；n （3）可靠性高于继电器控制装置；n （4）体积小于继电器控制盘；n （5）数据可直接送入管理计算机；n （6）成本可与继电器控制盘竞争；n （7）输入可以是交流市电（115V）（美国电压标准）n （8）输出为交流115V，容量要求在2A以上，可直接驱动接触器、电磁阀等；n （9）扩展时原系统改变小；n （10）用户程序存储器至少能扩展到4KB。这就是著名的“GM十条”。1969年美国数字设备公司（DEC）中标后，制造出世界上第一台可编程序控制器（Programmable Logic Controller, 简称PLC）。3.1.2 PLC的定义PLC在飞速发展过程中，很长时间后才有了一个比较明确的定义，1987年，国际电工委员会（IEC）对PLC作出的定义如下：“可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境而设计。它采用了可编程序的存储器，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，控制各种机械和生产过程。而有关的外围设备，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。”n 定义强调了PLC直接应用于工业环境。n 定义强调了PLC是“数字运算操作的电子系统”，即计算机。n 定义强调了PLC是用软件方式来实现“可编程”的。3.2 PLC的基本工作原理PLC工作过程可用图3.1所示的运行框图来表示。整个过程可分为三部分。图3.1 PLC工作过程PLC的工作方式：第一部分是上电处理。机器上电后对PLC系统进行一次初始化，包括硬件初始化，I/O模块配置检查，停电保持范围设定，系统通信参数配置及其他初始化处理等。第二部分是扫描过程。PLC上电处理阶段完成以后进入扫描工作过程。先完成输入处理，其次完成与其他外设的通信处理，在次进行时钟、特殊寄存器更新。当CPU处于STOP方式时，转入执行自诊断检查。当CPU处于RUN方式时，还要完成用户程序的执行和输出处理，在转入执行自诊断检查。第三部分是出错处理。PLC每扫描一次，执行一次自诊断，确定PLC自身的动作是否正常，如CPU、电池电压、程序存储器、I/O和通信等是否异常或出错。如检查出异常时，CPU面板上的 LED及异常继电器会接通，在特殊寄存器中会存入出错代码；当出现致命错误时，CPU被强制为Stop方式所有的扫描便停止。概括而言，PLC是按集中输入、集中输出，周期性循环扫描的方式进行工作的。每一次扫描所用的时间称作扫描周期。图3.2可以形象的描述PLC的工作方式和过程，在扫描周期中，PLC一般将完成部分或全部的以下操作：读输入处理通信请求执行逻辑控制程序写输出执行CPU自诊断。PLC就是这样周而复始的循环这些动作过程，一直到关机。 执行CPU自诊断 处理通信请求 执行程序写输出读输入图3.2 PLC的循环扫描工作过程3.3 PLC的系统组成一、硬件系统的基本组成S7-200PLC属于小型PLC，其主机的基本结构是整体式，主机上有一定数量的输入输出点，一个主机单元就是一个系统，它还可以进行灵活的扩展，如果IO点不够，则可以增加IO 扩展模块；如果需要其他特殊功能，如特殊通信或定位控制等，则可以增加相应的功能模块。一个完整的系统组成如图3.3所示：图3.3 PLC系统组成1、主机单元主机单元，又称基本单元或CPU模块。它由CPU、存储器、基本输入输出点和电源等组成，是PLC的主要部分。实际上它是一个完整的控制系统，可以单独完成一定的控制任务。2、扩展单元扩展单元也称扩展模块。当主机IO点数量不足控制系统的要求时，用户可以根据需要扩展各种IO模块。根据IO点数的数量不同、性质不同、供电电压不同、IO扩展模块有多种类型。每个CPU所能连接的扩展单元的数量和实际所能使用的IO点数是由多种因素共同决定的。3、特殊功能模块当需要完成某些特殊功能的控制任务时，需要扩展功能模块。它们是完成某种特殊控制任务的一些装置，如运动控制模块、特殊通信模块。4、相关设备 相关设备是为充分和方便利用系统的硬件和软件资源而开发、使用的一些设备，主要有编程设备，人机操作界面，网络设备等。5、 软件软件是为管理和使用这些设备而开发的与之相配套的程序，对S7-200PLC来说与其配套的软件主要由编程软件和HMI人机界面的组态编程软件PROTOOL、WINCC FLEXIBLE.二、IO扩展模块S7-200系列的PLC的主机提供一定数量的数字量IO ，在采购PLC时，用户可根据需要选择最合适的主机产品。S7-200PLC的IO扩展模块有：（1）输入扩展模块EM22I 共有两种产品，即8点DC和8点AC。（2）输出扩产模块EM222 共三种产品，即8点DC和4点DC、8点AC、8点继电器和4点继电器。（3）输入输出混合扩展模块 共有6中产品。其中DC输入DC输出的由三种，DC输入继电器输出的有三种，它们对应的输入点数分别为4点、8点、16点。（4）模拟量输入扩展模块EM231 共有3中产品：4路模拟量输入，2路热电阻输入，4路热电偶输入。其中前者是普通的模拟量模块，可以用来连接标准的电流 和电压信号；后两项是专门为特定的物理量输入到PLC而设计的模块。（5）模拟量输出模块EM232 只有一种2路模拟量输出的扩展模块产品。（6）模拟量输入输出扩展模块EM235 只有一种4路AI1路AO的产品。三、人机界面HMI人机界面最大的作用就是架起操作人员和及其之间的一座桥梁，除了能代替和节约大量的IO点外，还能完成各种各样的参数设定、画面显示、数据处理的任务，从而使得工业控制变得更加舒适和友好，功能也更加强大。和S7-200PLC配套的主要由：文本显示器TD200和TD400、触摸屏TP170A和TP170B、键盘显示器OP170A、OP170B、OP77A、OP77B等。PLC种类繁多，但其组成结构和工作原理基本相同。用PLC实施控制，按控制功能要求，通过程序按一定算法进行输入输出变换，并应用于工业现场。PLC专为工业现场应用而设计，采用了典型的计算机结构，它主要是由CPU、电源、存储器和专门设计的输入输出接口电路等组成。PLC的结构框图如图3.4所示：图3.4结构框图 1、中央处理单元中央处理单元（CPU）一般由控制器、运算器和寄存器组成，这些电路都集成在一个芯片内，CPU通过数据总线、地址总线和控制总线与存储单元、输入输出接口电路相连接。 CPU的主要任务是控制用户程序和数据的接收和存储；用扫描的方式通过IO接口接收现场信号的状态或数据，并存入输入映像寄存器或数据存储器；诊断PLC内部电路的工作故障和编程中的语法错误等；PLC进入运行状态后，从存储器逐条读取用户指令，经过命令解释后按指令规定的任务进行数据传送、逻辑或算数运算等；根据运算结果，更新有关标志位的状态和输出映像寄存器的内容，在经输出部件实现输出控制、制表打印或数据通信等功能。 2、存储器PLC的存储器包括系统存储器和用户存储器俩部分。系统存储器用来存放由PLC生产厂家编写的系统程序，并固化在ROM内，用户不能更改。它使PLC具有基本功能，能够完成设计者规定的各项工作。系统程序的内容主要包括三部分：系统管理程序、用户指令解释程序和标准程序模块与系统调用管理程序。 用户存储器包括用户程序存储器和数据存储器两部分。用户程序存储器用来存放用户针对具体控制任务用规定的PLC编程语言编写的应用程序。用户程序存储器根据所选用存储器单元类型的不同，可以是RAM、EPROM、EEPROM存储器，其内容可以由用户任意修改或增删。用户数据存储器可以用来存放用户程序中所使用器件的ONOFF状态和数值、数据等。用户存储器的大小关系到用户程序容量的大小，是反映PLC性能的重要指标之一。PLC使用的存储器类型有三种：ROM、RAM、EEPROM.（1）只读存储器（ROM） ROM的内容只能读出，不能写入。它是非易失的，断电后，仍能保存储存的内容。ROM一般用来存放PLC的系统程序，该部分程序和数据由生产厂家直接烧制完成，用户不能修改。(2)随机存取存储器（RAM） 该类存储器用来保存PLC内部元器件的实时数据。RAM是读写存储器，其中的数据实时改变。RAM的工作速度高，价格便宜。它是易失性的存储器，断电后，存储的信息将会丢失。过去一般用锂电池保存RAM中的用户程序和某些数据。锂电池可用2-5年，需要更换锂电池时，由PLC发出信号通知用户。现在大部分PLC已不用锂电池而改用大电容来完成临时的掉电保护功能，对重要的用户程序和数据则存储到非易失性的EEPROM中，RAM现在只用来存储一些不太重要的数据。（3）可电擦除可编程的只读存储器（EEPROM） EEPROM是非易失性的，兼有ROM的非易失性和RAM的随机存储的优点。现在EEPROM用来存放用户程序和需要长期保存的重要数据。3、PLC输入/输出单元PLC的输入和输出信号类型可以是开关量、模拟量。输入输出接口单元包括两部分：一部分是与被控设备相连接的接口电路，另一部分是输入和输出的映像寄存器。 输入单元接收来自用户设备的各种控制信号，如限位开关、操作按钮、选择开关、行程开关以及其它一些传感器的信号。外部接口电路将这些信号转换成CPU能够识别和处理的信号，并存到输入映像寄存器。运行时CPU从输入映像寄存器读取输入信息并结合其它元器件最新的信息，按照用户程序进行计算，将有关输出的最新计算结果放到输出映像寄存器。输出映像寄存器由输出点相对应的触发器组成，输出接口电路将由弱电控制信号转换成现场需要的强电信号输出，以驱动电磁阀、接触器、指示灯等被控设备的执行元件。3.4 PLC的主要特点及功能PLC，即可编程逻辑控制器，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，并通过数字或模拟输入/输出控制各种类型的机械或生产过程；而有关的外围设备，都应按易于与工业系统连成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。1. PLC的特点 1)灵活、通用 在继电器控制系统中，使用的控制装置是大量的继电器，整个系统是根据设计好的电气控制图，由人工通过布线、焊接、固定等手段组装完成的，其过程费时费力。如果因为工艺上少许变化，需要改变电气控制系统时，原先整个电气控制系统将被全部拆除，而重新进行布线、焊接、固定等工作，耗费大量人力、物力、和时间。而PLC是通过在存储器中的程序实现控制功能，若控