PLC基本知识

第一章 可编程序控制的基本组成和工作原理

第一节 可编程序控制的基本组成

PLC由中央处理单元、存储器、输入输出单元、电源、编程器五部分组成.其结构框图如下。

可编程控制器的基本结构

1、中央处理单元(简称CPU）

CPU主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，CPU单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，每套PLC至少有一个CPU,它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据,并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等.

2、存储器（RAM、ROM）

存储器主要用于存放系统程序、用户程序及工作数据。存放系统软件的存储器称为系统程序存储器；存放应用软件的存储器称为用户程序存储器；存放工作数据的存储器称为数据存储器。常用的存储器有RAM、EPROM和EEPROM。RAM是一种可进行读写操作的随机存储器存放用户程序，生成用户数据区，存放在RAM中的用户程序可方便地修改。RAM存储器是一种高密度、低功耗、价格便宜的半导体存储器，可用锂电池做备用电源。掉电时,可有效地保持存储的信息。EPROM、EEPROM都是只读存储器。用这些类型存储器固化系统管理程序和应用程序。

3．输入输出单元(I/O单元）

I/O单元实际上是PLC与被控对象间传递输入输出信号的接口部件。I/O单元有良好的电隔离和滤波作用。接到PLC输入接口的输入器件是各种开关、按钮、传感器等。PLC的各输出控制器件往往是电磁阀、接触器、继电器,而继电器有交流和直流型，高电压型和低电压型，电压型和电流型。

4．电源

PLC电源单元包括系统的电源及备用电池，电源单元的作用是把外部电源转换成内部工作电压。PLC电源用于为PLC各模块的集成电路提供工作电源.同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源。电源输入类型有：交流电源（220VAC或110VAC），直流电源（常用的为24VAC）.

5．编程器

编程器是PLC的最重要外围设备。利用编程器将用户程序送入PLC的存储器,还可以用编程器检查程序，修改程序，监视PLC的工作状态.除此以外，在个人计算机上添加适当的硬件接口和软件包，即可用个人计算机对PLC编程。利用微机作为编程器，可以直接编制并显示梯形图。

第二节 PLC的基本工作原理

PLC采用循环扫描的工作方式，在PLC中用户程序按先后顺序存放，CPU从第一条指令开始执行程序,直到遇到结束符后又返回第一条，如此周而复始不断循环.PLC的扫描过程分为内部处理、通信操作、程序输入处理、程序执行、程序输出几个阶段。当PLC处于停状态时，只进行内部处理和通信操作服务等内容.在PLC处于运行状态时，从内部处理、通信操作、程序输入、程序执行、程序输出,一直循环扫描工作。PLC的工作过程可分为三个阶段：输入处理、程序处理和输出处理如图所示。

1．输入处理

输入处理也叫输入采样.在此阶段,顺序读入所有输入端子的通端状态,并将读入的信息存入内存中所对应的映象寄存器。在此输入映象寄存器被刷新。接着进入程序执行阶段。在程序执行时，输入映象寄存器与外界隔离,即使输入信号发生变化，其映象寄存器的内容也不会发生变化，只有在下一个扫描周期的输入处理阶段才能被读入信息。

2．程序执行

根据PLC梯形图程序扫描原则， PLC在程序执行阶段，总是按先左后右，先上后下的顺序对每条指令进行逐句扫描，执行程序.遇到程序跳转指令，根据跳转条件是否满足来决定程序的跳转地址。从用户程序涉及到输入输出状态时，PLC从输入映象寄存器中读出上一阶段采入的对应输入端子状态，从输出映象寄存器读出对应映象寄存器，根据用户程序进行逻辑运算，存入有关器件寄存器中。对每个器件来说，器件映象寄存器中所寄存的内容，会随着程序执行过程而变化.

3.输出处理

程序执行完毕后,将Y映象寄存器中的寄存器的通/断状态向输出锁存器传送,通过隔离电路，驱动功率放大电路，使输出端子向外界输出控制信号，驱动外部负载。

PLC经过以上三个阶段的工作过程，称为一个扫描周期（或称工作周期),然后PLC又重新执行上述过程，周而复始地进行。每执行一遍所需的时间称为扫描周期.

为了提高工作的可靠性，及时接收外来的控制命令,PLC在每次扫描期间，除完成上述三步操作外，通常还要进行故障自诊断，完成与编程器等的通信。因此,还要进行整个扫描的过程。

每次扫描开始，先执行一次自诊断程序，对各输入输出点、存储器和CPU等进行诊断,诊断的方法通常是测试出各部分的当前状态，并与正常的标准状态进行比较，若两者一致，说明各部分工作正常,若不一致则认为有故障。此时，PLC立即启动关机程序，保留现行工作状态,并关断所有输出点，然后停机。诊断结束后，如没发现故障，PLC将继续往下扫描，检查是否有编程器等的通信请求。如果有则进行相应的处理，比如，接受编程器发来的命令，把要显示的状态数据、出错信息送给编程显示等。处理完通信后，PLC继续先往下扫描，输入现场信息，顺序执行用户程序，输出控制信号，完成一个扫描周期。然后又从自诊断开始，进行第二轮扫描。PLC就这样不断地反复循环，实现对机器的连续控制，直到接收到停机命令，或因停电、出现故障等才停止工作.

第三章可编程控制系统的特点及优势

第一节PLC的特点和应用

一、 PLC的主要特点

1、可靠性高，抗干扰能力强

（1)所有的I/O接口电路均采用光电隔离，使工业现场的外电路与PLC内部电路之间电气上隔离。（2)各输入端均采用R-C滤波器，其滤波时间常数一般为10~20ms。(3）各模块均采用屏蔽措施,以防止辐射干扰.（4)采用性能优良的开关电源。(5）对采用的器件进行严格的筛选.

2、丰富的I/O接口模块

PLC针对不同的工业现场信号，如：交流或直流；开关量或模拟量；电压或电流；脉冲或电位； 强电或弱电等.有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备，如：按钮；行程开关；接近开关；传感器及变送器;电磁线圈；控制阀等直接连接.另外为了提高操作性能，它还有多种人—机对话的接口模块; 为了组成工业局部网络，它还有多种通讯联网的接口模块等等。

3、采用模块化结构

为了适应各种工业控制需要,除了单元式的小型PLC以外，绝大多数PLC均采用模块化结构。PLC的各个部件，包括CPU，电源,I/O等均采用模块化设计,由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。

4、编程简单易学

PLC的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式，梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。对使用者来说，不需要具备计算机的专门知识，因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。

5、安装简单,维修方便

PLC不需要专门的机房,可以在各种工业环境下直接运行。使用时只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O端相连接，即可投入运行。各种模块上均有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障。由于采用模块化结构，因此一旦某模块发生故障，用户可以通过更换模块的方法，使系统迅速恢复运行。

二、 PLC的应用范围

目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类。

1开关量的逻辑控制

这是PLC最基本、最广泛的应用领域,它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。

2模拟量控制

在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量,必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A/D转换及D/A转换。PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。

3运动控制

PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块.世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。

4过程控制

过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机,PLC能编制各种各样的控制算法程序,完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PLC也具有此功能模块。PID处理一般是运行专用的PID子程序.过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用.

5数据处理

现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较,完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表.数据处理一般用于大型控制系统,如无人控制的柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。

第二节 PLC与其它工业控制系统的比较

一、 PLC控制系统与继电器控制系统的比较

1、功能强，性能价格比高

一台小型PLC内有成百上千个可供用户使用的编程元件，有很强的功能，可以实现非常复杂的控制功能。与相同功能的相比，具有很高的性能价格比。可篇程序控制器可以通过通信联网，实现分散控制，集中管理。

2、硬件配套齐全，用户使用方便,适应性强

可编程序控制器产品已经标准化，系列化,模块化,配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用.用户能灵活方便的进行系统配置，组成不同的功能、不规模的系统.楞编程序控制器的安装接线也很方便，一般用接线端子连接外部接线。PLC有很强的带负载能力，可以直接驱动一般的电磁阀和交流接触器.

3、可靠性高,抗干扰能力强 传统的继电器控制系统中使用了大量的中间继电器、时间继电器。由于触点接触不良，容易出现故障，PLC用软件代替大量的中间继电器和时间继电器,仅剩下与输入和输出有关的少量硬件，接线可减少互继电器控制系统的1/10-—1/100，因触点接触不良造成的故障大为减少。

4、系统的设计、安装、调试工作量少

PLC用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，使控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少.PLC的梯形图程序一般采用顺序控制设计方法。这种编程方法很有规律，很容易掌握。对于复杂的控制系统，梯形图的设计时间比设计继电器系统电路图的时间要少得多。

5、编程方法简单

梯形图是使用得最多的可编程序控制器的编程语言，其电路符号和表达方式与继电器电路原理图相似，梯形图语言形象直观，易学易懂，熟悉继电器电路图的电气技术人员只要花几天时间就可以熟悉梯形图语言,并用来编制用户程序。梯形图语言实际上是一种面向用户的一种高级语言,可编程序控制器在执行梯形图的程序时,用解释程序将它“翻译”成汇编语言后再去执行。