可编程控制器基本知识（可编程控制器原理及应用）

PLC的发展也与计算机技术、控制技术、数字技术和通信网络技术等高新技术的发展密切相关，正是这些高新技术的发展促进了可编程控制器的发展。

本文主要介绍可编程控制器的基础知识。首先介绍了可编程控制器的发展过程和特点，其次介绍了可编程控制器的原理，最后阐述了可编程控制器的应用。

一、什么是可编程控制器？简称PC或PLC，是一种专门为工业环境应用而设计的数字操作电子系统。它使用可编程存储器来执行用于存储逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算的指令，并通过数字或模拟输入(I)和输出(O)接口来控制各种类型的机械设备或生产过程。可编程控制器是在电气控制技术和计算机技术的基础上发展起来的，逐渐发展成为以微处理器为核心，集自动化技术、计算机技术和通信技术于一体的新型工业控制装置。

二、可编程控制器的基本组成可编程控制器主要由中央处理器、输入接口、输出接口、通信接口等组成。cpu是可编程控制器的核心，I/O部件是连接现场设备和cpu的接口电路，通信接口用于连接编程器和上位机。对于集成可编程控制器，所有组件安装在同一个外壳内；对于模块化可编程控制器，每个功能组件都是独立封装的，称为模块或模板。每个模块通过总线连接，安装在机架或导轨上。不同厂家生产的不同系列产品，每个机架可以插入的模块数量不同，一般为3-10个。可扩展的机架数量也不同，一般为2-8个机架。基本架与延伸架之间的距离不宜过长，一般不超过10m。

可编程控制器的每个组件

1、中央处理器cpu

cpu通过输入设备读取外设的状态，由用户程序处理，并根据处理结果通过输出设备控制外设。一般中型可编程控制器多为双微处理器系统。一个是文字处理器，是主处理器。它处理字节操作指令，控制系统总线、内部计数器和内部定时器，监控扫描时间，统一管理编程接口，协调位处理器和输入输出。另一种是位处理器，也叫布尔处理器，是从处理器。其主要功能是在机器操作系统的管理下，处理位操作指令，实现可编程控制器编程语言到机器语言的转换。

cpu的处理速度是指一个可编程控制器执行1000条基本指令所需要的时间。

2、内存

存储器主要存储系统程序、用户程序和工作数据。

可编程控制器使用的存储器基本上由prom、eprom、EEPROM和ram组成。

3、输入/输出组件

输入/输出组件也称为I/O模块。可编程控制器可以通过I/O接口检测被控对象或被控生产过程的各种参数，并将这些现场数据作为可编程控制器控制被控对象的信息依据。同时，可编程控制器通过I/O接口将处理结果发送给被控设备或工业生产过程，实现控制。

4、编程装置和编程软件

可编程控制器依次执行存储器中的程序，完成其控制功能。

5、电源部件

三、可编程控制器发展历程1、初级阶段：从第一台PLC到70年代中期。

因为第一代PLC是代替继电器的，主要功能是逻辑运算，定时，计数。CPU由中小型数字集成电路组成。主要产品有：MODICON 084、AB PDQ-IL、DEC PDP-14、日立SCY-022等。第一阶段采用梯形图语言作为编程方法。虽然有点枯燥，但是形成了工厂的编程标准。

2、扩张阶段：70年代中期至70年代末。

在这个阶段，PLC产品的控制功能得到了极大的扩展。扩展功能包括数据传输、数据比较和运算、模拟运算等功能。现阶段的产品有西门子的MODICON 184，284，384，SIMATICS3系列，富士电机公司的SC系列。

3、传播阶段：70年代末至80年代中期。

在这一阶段，产品都与计算机通信的发展有关，形成了分布式通信网络。但由于各个厂商各自为政，通信系统也有各自的规范。因为在短时间内，PLC从汽车行业迅速扩展到其他行业，作为继电器的替代品，进入了食品、饮料、金属加工、制造、造纸等多个行业。其次，产品功能也有了很大的发展。同时可靠性进一步提高。现阶段的产品有西门子的SIMATICS6系列，古尔德的M84和884，富士电机的MICRO，TI的TI530。

4、开篇阶段：80年代中期以来。

由于国际标准化组织提出了开放系统互连的参考模型OSI，PLC在开放功能上有了很大的进步。主要表现在通信系统的开放，让各个厂商的产品可以互通，通信协议开始标准化，惠及用户。此外，PLC开始采用标准化的软件系统，增加了高级语言编程，完成了编程语言的标准化。现阶段的产品有西门子的S7系列，AB的PLC-5和SLC500，戴维森的V80和PPC11，加拿大ONLINECONTROL和禾控电气公司开发的OPENPLC。

四、可编程控制器特点1、可靠性高，抗干扰能力强。

高可靠性和强抗干扰能力是PLC最重要的特点之一。

2、编程简单，易于使用。

目前大部分PLC使用的编程语言是梯形图语言，这是一种面向生产、面向用户的编程语言。梯形图类似于电气控制电路图，形象直观。它不需要掌握计算机知识，工程技术人员很容易掌握。当生产工艺需要变更时，可现场变更程序，使用方便灵活。同时，PLC编程器的操作和使用也非常简单。

3、功能完善，通用性强。

现代PLC不仅具有逻辑运算、定时、计数和顺序控制功能，还具有A/D和D/A转换、数值运算、数据处理、PID控制、通信联网等多种功能。同时，由于PLC产品的系列化和模块化，有各种各样的硬件设备供用户选择，可以形成满足各种要求的控制系统。

4、设计、安装和维护简单。

由于PLC用软件代替了传统电气控制系统的硬件，大大减少了控制柜设计、安装和接线的工作量。PLC的大部分用户程序都可以在实验室模拟调试，缩短了应用程序设计和调试周期。在维护方面，由于PLC的故障率极低，维护工作量很小；而且PLC具有很强的自诊断功能。如果出现故障，它可以根据PLC上的指令或编程器提供的故障信息迅速找出原因，维修起来非常方便。

5、体积小，重量轻，能耗低。

由于PLC采用集成电路，结构紧凑，体积小，能耗低，是实现机电一体化的理想控制器件。

五、可编程控制器原理1、扫描工作原理

PLC在运行时，通过执行反映控制要求的用户程序来完成控制任务，这需要很多操作，但CPU无法同时执行多个操作。它在分时操作(串行工作)模式下一次只能执行一个操作，并按顺序逐个执行。由于CPU的处理速度很快，从宏观的角度来看，PLC之外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的扫描工作模式。

在扫描模式下执行用户程序时，扫描是从第一个程序开始，按照程序存储的顺序逐个执行用户程序，没有中断或跳转控制，直到程序结束。然后从头开始扫描执行，反复运行。

PLC的扫描方式与电气控制的工作原理明显不同。电气控制装置采用硬逻辑并行工作方式。如果继电器的线圈通电或断电，继电器的所有常开和常闭触点将同时动作，不管它们在控制线上的什么位置。当PLC采用扫描工作模式(串行工作模式)时，如果软继电器的线圈接通或断开，其所有触点不会立即动作，只有在扫描完成后才会动作。但由于PLC的扫描速度很快，所以PLC和电气控制设备的I/O处理结果通常没有区别。

2、PLC扫描工作流程

在PLC的扫描过程中，除了执行用户程序外，每个扫描过程中都要完成内部处理和通信服务。如图2-11所示，整个扫描过程包括五个阶段：内部处理、通信服务、输入采样、程序执行和输出刷新。扫描一次整个过程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、用户程序长度有关，典型值为1~100ms。

在内部处理阶段，PLC自检，检查内部硬件是否正常，复位监控定时器(WDT)并完成其他一些内部处理工作。

在通信服务阶段，PLC与其他智能设备进行通信，响应编程器键入的命令，更新编程器的显示内容。

当PLC处于停止状态时，仅完成内部处理和通信服务。当PLC处于运行状态时，除了内部处理和通信服务外，还要完成输入采样、程序执行和输出刷新。

PLC的扫描方式简单直观，便于程序设计，为可靠运行提供了保障。当PLC扫描的指令被执行时，结果立即被以后要扫描的指令使用。而且CPU内部设置的监控定时器可以用来监控每次扫描是否超过规定时间，避免程序执行因CPU内部故障而进入死循环。

六、 PLC的应用领域目前，PLC已广泛应用于国内外冶金、石油、化工、建材、机械制造、电力、汽车、轻工、环保、文化娱乐等行业。随着PLC性价比的不断提高，其应用领域不断扩大。从应用类型来看，PLC的应用大致可以概括为以下几个方面：

1、开关逻辑控制

利用PLC的逻辑运算、定时、计数等基本功能实现逻辑控制，可以代替传统的继电器控制，用于单机控制、多集群控制和自动化生产线控制，如机床、注塑机、印刷机械、流水线、电镀线、电梯等的控制。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都有驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。该功能广泛应用于各种机械设备，如各种机床、装配机械、机器人等的运动控制。

3、过程控制

大中型PLC具有多路模拟I/O模块和PID控制功能，部分小型PLC也有模拟输入输出。所以PLC可以实现模拟控制，具有PID控制功能的PLC可以形成闭环控制进行过程控制。该功能已广泛应用于锅炉、反应器、水处理、酿酒、闭环位置控制和速度控制。

4、数据处理

现代PLC具有数学运算、数据传输、转换、排序、查表等功能，可以对数据进行采集、分析和处理，同时可以将这些数据传输给其他智能设备，如计算机数控(CNC)设备进行处理。

:通信网络

PLC的通信包括PLC与PLC之间、PLC与上位机之间、PLC与其他智能设备之间的通信。PLC系统与通用计算机可以直接连接，也可以通过通信处理单元和通信转换单元连接，组成网络实现信息交换，可以形成集中管理、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。