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第3章 可编程逻辑控制器
3.1 PLC的产生
PLC是以微处理器技术为基础，综合了计算机技术、自动化技术和通讯技术的一种新型工业控制装置。其可靠性极高、耐恶劣环境能力强、使用极为方便等特点，与机器人技术、CAD/CAM并列称为工业生产自动化的三大支柱(是本世纪60年代发展起来的被国外称为―先进国家三大支柱‖之首的工业自动化理想控制装置)，是近年来发展极为迅速，应用面极广的工业控制装置，现已广泛应用于自动化的各个领域.
可编程逻辑控制器PLC(Programmable logic Controller)的产生/出现/发展历史：60年代末，由于工业生产从大批量少品种的生产转变为小批量多品种的生产方式。而当时大规模生产线的控制电路大多是继电器控制系统，难以改变生产程序，且体积大、耗电多、可靠性低。对此，美国通用汽车公司GE (General Motor)于1968年提出十项指标：
（1）编程方便，现场可修改程序。 （2）维修方便，采用插件式结构。 （3）可靠性高于继电器控制装置。 （4）数据可直接输入管理计算机。 （5）输入电源可为市电。
（6）输出电源可为市电，负载电流要求2安培以上，可直接驱动电磁阀和接触器等。
（7）用户存储器容量大于4K。 （8）体积小于继电器控制装置。 （9）扩展时，原系统变更最少。
（10）成本可与继电器控制装置竞争。
微电子学和计算数学相结合，产生了电子计算机，其渗透到工业自动化领域就出现了各种工业控制计算机，而将微处理器特别是单片机与机械系统紧密结合所研制出的一种最重要、最普及、应用最广泛的工业控制设备—PLC. 1969年，美国数字设备公司(DEC)制成了世界上第一台可编程控制器PDP-14，它在美国通用汽车公司汽车装配线上的应用成功，立刻引起全世界的关注，开创了PLC的新时代。我国从1974年开始研制，1977年开始工业应用。早期的可编程控制器是为了取代继电器控制线路，采用存储程序指令完成顺序控制而设计的。它仅有逻辑运算、计时、计数等顺序控制功能，用于开关量控制。所以通常将可编程控制器简称为PLC (Programmable Logic Controller)，即可编程逻辑控制器。它采用了计算机的设计思想，初期的PLC主要用于顺序控制、进行逻辑运算。
其发展可分为三个阶段：
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（1）实用化发展阶段(七十年代中期)，由于大规模集成电路的出现，使多种8位微处理器芯片和位片处理器相继问世，使可编程控制器技术产生了飞跃。
（2）成熟阶段(七十年代末)，由于超大规模集成电路的出现，使16位微处理器和51单片机相继问世，使可编程控制器向大规模、高速度、高性能方向发展，这样就形成了多种系列化产品，出现了紧凑型、低价格的新一代产品和多种不同性能的分布网络系统。
（3）加速发展阶段(九十年代)，世界各国、各公司不断开发出新产品，在软件方面，也不断向上发展并与计算机系统兼容。
PLC近几年得到了迅速发展和广泛应用，引起了国内工程技术界的极大兴趣。目前，从市场调查可知：其销售量已处于34种工业自动控制装置的首位。
3.2 PLC的定义
可编程序控制器（PLC）的定义：可编程逻辑控制器(programmable logic controller)简称PLC机，它特别适合逻辑、顺序控制。随着PLC机的发展，它不仅能完成逻辑运算控制，而且能实现模拟量、脉冲量的算术运算，故把原来的logic删去，简称可编程序控制器PC (programmable controller) .但是此名称与市面上IBM-PC机和个人电脑(personal computer)容易混淆，故近年来国内外期刊中常采用PLC代表可编程序控制器，以示区别，英文全称没有变。可编程控制器一直在发展中，因此直到目前为止，还未能对其下最后的定义。1980年，美国电气制造商协会NEMA (National Electrical Manufacturers Association)将PLC正式命名为可编程序控制器。其定义为：“可编程序控制器是一个数字式电子装置，它使用了可编程序的记忆体以储存指令，用来执行诸如逻辑、顺序、计时、计数和演算等功能，并通过数字或模拟的输入和输出，以控制各种机械和生产过程。一部数字电子计算机若是用来执行可编程序控制器之功能者，亦被视同为可编程序控制器，但不包括鼓式或机械式顺序控制器。”国际电工委员会(IEC)先后于1982年11月、1985年1月、1987年2月颁布草案。其定义为：“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，它采用一类可编程序的存储器，用于在其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术操作等面向用户的指令，并通过数字式和模拟式的输入输出，控制各种类型的机械的生产过程。可编程序控制器及其有关外围设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体、易于扩充功能的原则设计。”
3.3 PLC的结构
PLC的一般结构：用可编程序控制器实施控制，其实质是按一定算法进行输入输出变换，并将这个变换予以物理实现。入出变换、物理实现是PLC实施控制的两个基本点。其中入出变换实际上就是信息处理，是应用于工业现场的专有化微处理机技术。物理实现正是它与普通微机相区别之点，普通微机多只考虑信息本身，别的不多考虑，而PLC要考虑实际的控制需要。物理实现要求
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PLC的输入，应当排除干扰信号适应于工业现场。 地址总线控制总线开关或继电器继电器触电行程开关模拟量输入电源开关中央处理单元输入接口编程单元存储器输入输出数据存储输出接口照明电磁装置电动机其他执行装置或接触器数据总线图3－1 总线结构图
PLC是一种工业控制机，采用了典型的计算机结构，主要有CPU、RAM、ROM，专门设计的输入输出接口电路。中央处理机是PLC的大脑，由中央处理器CPU (Central Process Unit)和存储器等组成。而CPU一般由控制电路、运算器和寄存器组成。类型有Z80，Intel8031，80386等。在大中型的PLC中多采用运算速度快、抗干扰能力强的双极型单片机作为CPU(如AMD 2900系列)。不同型号的PLC可能使用不同的CPU部件，制造厂家使用CPU部件的指令系统编写系统程序，并固化到只读存储器(ROM). CPU按系统程序赋予的功能，接收编程器键入的用户程序和数据，存入随机存储器(RAM)中，CPU按扫描方式工作，从0000首地址存放的第一条用户程序开始，到用户程序的最后一地址。存储器分为ROM〔检查程序、翻译程序和监控程序〕和RAM(存放用户程序、逻辑变量和供内部程序使用的工作单元)。ROM固化着生产厂家提供的监控程序或操作系统(2—8K). RAM其中一部分作为操作系统使用的输入、输出缓冲区(映像区)、定时器、计数器、内部继电器等，另一部分为用户程序区。小型机RAM为2—4K，大中型RAM为4—48K。电源部件多采用开关式稳压电源，提供直流。输入输出部分提供与被控设备相连接的接口电路，是PLC与现场的接口，是PLC应用、连接的通道。智能接口是连接热电偶、位置、计数等专用的模块接口。有的智能模块内带有单片机以处理和管理输入、输出的信号。通讯接口多采用RS232等串行通讯接口，用以连接显示器、上位机、打印机等设备。I/0扩展接口作为增加I/0点数，连接I/0扩展模块的接口。存储器扩展接口作为增加用户程序内存容量的接口，可插入RAM， EPROM和EEPROM 。编程器是人机对话的设备.用于用户程序输入、程序修改和监控。编程器有屏幕式如CRT，液晶显示屏等，它可以输入梯形图和其它图形语言编辑.还有便携式编程器，它类似于计算机大小，可输入符号指令，便于现场调试。系统总线(BUS)
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包括数据总线(D-BUS )、地址总线(A-BUS )、控制总线(C-BUS) 。 所有的存储器、外部设备都挂在系统总线上。从上述可看出：PLC就是一台计算机，只不过它侧重于I/0接口输入输出控制环节。
EPROM存储器外存接口其他接口A/D D/A计算机其他设备ROM中央处理器CPURAM输出接口输入接口键盘与显示接线端口图3－2 PLC逻辑结构示意图
3.4 PLC的特点
PLC的特点：可编程序控制器属于存储程序控制，其控制功能是通过存放在存储器内的程序来实现的。其优点与这个―可‖字有关：从软件来讲，它的程序可编、也不难编；从硬件上讲，它的配置可变、也易变。
（1）运行稳定，可靠性高。由于可靠性是用户选用的首位依据，因此，每个PLC生产厂都将可靠性作为第一指标而加以研制，以单片机为核心，在硬件和软件上做了大量的抗干扰措施，使PLC的平均无故障时间达到30万小时以上，使用寿命长。
（2）控制功能强。PLC具有逻辑判断、计数、定时、步进、跳转、移位、记忆、四则运算和数据传送等功能，可以实现顺序控制、逻辑控制、位置控制和过程控制等等。
（3） 编程简单，使用方便。PLC采用与继电器电路相似的梯形图编程，比较直观，易懂易编，深受电气技术人员和电工的欢迎，容易推广使用。
（4） 适用于恶劣的工业环境，抗干扰能力强。工业生产一般对控制设备的可靠性提出很高的要求，应具有很强的抗干扰能力，能在恶劣的环境中可靠
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地工作，平均故障间隔时间(MTBF)高，故障修复时间短。任何电子设备产生的故障通常有两种：偶发性和永久性。
在硬件和软件上采取提高可靠性的主要措施是：
a） 屏蔽，滤波，电源调整与保护，隔离和采用模块式结构。
b）故障检测，信息保护和恢复，设置了警戒时钟4VDT，加强对程序的检查和校验，对程序及动态数据进行电池后备。
（5） 功能完善，具有各种接口，与外部设备连接非常方便。
（6） 扩充方便，组合灵活。采用积木式结构或模块式结构，具有较大的灵活性和可扩性，扩展灵活方便。控制程序可变，具有很好的柔性。
（7） 硬件配置、安装、使用和维护都方便。PLC上有I/O指示灯(LED)，哪个I/O元件有故障，一目了然。
（8）可根据生产工艺要求或运行情况，随时对程序进行在线修改，不用更改硬接线，灵活性大，适应性强。
（9） PLC的软件简单易学，易于短期培训。
（10） 减少了控制系统设计及施工的工作量，设计施工周期短。 （11）体积小、重量轻、是机电一体化特有的产品。
3.5 PLC的基本工作原理
PLC的主要逻辑部件：PLC的制造厂家对微处理机进行了软硬件的开发，为用户提供了许多适用于电气控制的逻辑部件。例如继电器逻辑(与、或、非运算)、定时器、计数器、移位寄存器、数据寄存器、触发器等。PLC中所说的继电器(输入继电器、输出继电器和内部继电器)是一个逻辑概念，有时称―软继电器‖。与通常的物理继电器相比，其体积小、功耗低；无触点、速度快、寿命长：有无数多个常开常闭接点供程序使用，在使用中不必考虑接点的容量。同时也提供了描述这些逻辑部件的符号和语言(即编程语言)。
定时器程序存储器地址200201202203CPU输入输出电路扫描计数器内部继电器元件映像区图3－3 PLC循环扫描工作原理
PLC开始运行时，程序计数器内容为首地址，它指出了用户第一条程PLC
的基本工作原理：PLC虽具有微机的许多特点但它的工作方式却与微机有很大不同。
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