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                一章  PLC概述
1.1 PLC的基本概念
  可編程控制器(Programmable Controller)是計(jì)算機(jī)家族中的一員，是為PLC工業(yè)控制應(yīng)用而設(shè)計(jì)制造的。早期的可編程控制器稱作可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller)，簡(jiǎn)稱PLC，它主要用來(lái)代替繼電器實(shí)現(xiàn)邏輯控制。隨著技術(shù)的發(fā)展，這種裝置的功能已經(jīng)大大超過(guò)了邏輯控制的范圍，因此，今天這種裝置稱作可編程控制器，簡(jiǎn)稱PC。但是為了避免與個(gè)人計(jì)算機(jī)(Personal Computer)的簡(jiǎn)稱混淆，所以將可編程控制器簡(jiǎn)稱PLC,plc自1966年出現(xiàn)，美國(guó)，日本，德國(guó)的可編程控制器質(zhì)量?jī)?yōu)良，功能強(qiáng)大
一、PLC內(nèi)部運(yùn)作方式
雖然PLC所使用之階梯圖程式中往往使用到許多繼電器、計(jì)時(shí)器與計(jì)數(shù)器等名稱，但PLC內(nèi)部并非實(shí)體上具有這些硬件，而是以內(nèi)存與程式編程方式做邏輯控制編輯，并借由輸出元件連接外部機(jī)械裝置做實(shí)體控制。因此能大大減少控制器所需之硬件空間。實(shí)際上PLC執(zhí)行階梯圖程式的運(yùn)作方式是逐行的先將階梯圖程式碼以掃描方式讀入CPU 中并最后執(zhí)行控制運(yùn)作。在整個(gè)的掃描過(guò)程包括三大步驟，“輸入狀態(tài)檢查"、“程式執(zhí)行"、“輸出狀態(tài)更新"說(shuō)明如下：
步驟一“輸入狀態(tài)檢查"：PLC首先檢查輸入端元件所連接之各點(diǎn)開(kāi)關(guān)或傳感器狀態(tài)（1 或0 代表開(kāi)或關(guān)），并將其狀態(tài)寫(xiě)入內(nèi)存中對(duì)應(yīng)之位置Xn。
步驟二“程式執(zhí)行"：將階梯圖程式逐行取入CPU 中運(yùn)算，若程式執(zhí)行中需要輸入接點(diǎn)狀態(tài)，CPU直接自內(nèi)存中查詢?nèi)〕觥］敵鼍€圈之運(yùn)算結(jié)果則存入內(nèi)存中對(duì)應(yīng)之位置，暫不反應(yīng)至輸出端Yn。
4、步驟三“輸出狀態(tài)更新"：將步驟二中之輸出狀態(tài)更新至PLC輸出部接點(diǎn)，并且重回步驟一。 此三步驟稱為PLC之掃描周期，而完成所需的時(shí)間稱為PLC 之反應(yīng)時(shí)間，PLC 輸入訊號(hào)之時(shí)間若小于此反應(yīng)時(shí)間，則有誤讀的可能性。每次程式執(zhí)行后與下一次程式執(zhí)行前，輸出與輸入狀態(tài)會(huì)被更新一次，因此稱此種運(yùn)作方式為輸出輸入端“程式結(jié)束再生"。
二、 PLC從何處來(lái)？
    可編程控制器的10項(xiàng)招標(biāo)指標(biāo)1968年，美國(guó)通用汽車公司（GM）根據(jù)多品種、小批量、不斷翻新汽車品牌的戰(zhàn)略思想，以降低生產(chǎn)成本，縮短新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期為設(shè)想，針對(duì)汽當(dāng)時(shí)車生產(chǎn)線的自控系統(tǒng)現(xiàn)狀：工裝基本上由繼電器控制裝置構(gòu)成。當(dāng)時(shí)汽車的每一次改型都直接導(dǎo)致繼電器控制裝置的重新設(shè)計(jì)和安裝，因而繼電器控制裝置就需要經(jīng)常地重新設(shè)計(jì)和安裝，這不僅費(fèi)時(shí)、費(fèi)工、費(fèi)料，甚至阻礙了更新周期的縮短。為了改變這一現(xiàn)狀，美國(guó)通用汽車公司在1969年公開(kāi)招標(biāo)，希望用新的控制裝置來(lái)取代繼電器控制裝置，并提出了以下10項(xiàng)招標(biāo)指標(biāo)：
  ①在使用者的工廠里，能以最短的中斷服務(wù)時(shí)間，迅速、方便地對(duì)其控制的硬件和設(shè)備進(jìn)行編程及重新進(jìn)行程序的設(shè)計(jì)。
  ②所有的系統(tǒng)組件必須能在工廠內(nèi)無(wú)特殊支持的設(shè)備、硬件及環(huán)境條件下進(jìn)行。
  ③系統(tǒng)的維修必須簡(jiǎn)單易行。在系統(tǒng)中應(yīng)設(shè)計(jì)有狀態(tài)指示器及插入式模塊，以便在在最短的停車時(shí)間內(nèi)使維修和故障診斷變得簡(jiǎn)單易行；
  ④裝置的體積應(yīng)小于原繼電器控制柜的體積，它的能耗也應(yīng)較??；
  ⑤必須能與數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)進(jìn)行通信，以便監(jiān)視系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)和運(yùn)行情況。
  ⑥輸入開(kāi)關(guān)量可以是已有的標(biāo)準(zhǔn)控制系統(tǒng)的按鈕和限位開(kāi)關(guān)的交流115V(注：美國(guó)電網(wǎng)電壓為115V，我們中國(guó)是AC220V)；
  ⑦輸出的驅(qū)動(dòng)信號(hào)都必須能驅(qū)動(dòng)以交流運(yùn)行的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器和電磁閥線圈，每個(gè)輸出量將設(shè)計(jì)為可開(kāi)停和連續(xù)操縱具有交流115V，2A以下容量的電磁閥等負(fù)載設(shè)備。
  ⑧具有靈活的擴(kuò)展能力。在擴(kuò)展時(shí)，必須能以最小的系統(tǒng)變動(dòng)及最短的更換、停頓時(shí)間，使原有裝置從系統(tǒng)的最小配置擴(kuò)展到系統(tǒng)的大配置。
  ⑨在購(gòu)買(mǎi)和安裝費(fèi)用上應(yīng)有與原有繼電器控制和固態(tài)邏輯控制系統(tǒng)的競(jìng)爭(zhēng)力，即有高的性價(jià)比。
  ⑩用戶存儲(chǔ)器容量至少在4KB1以上（根據(jù)當(dāng)時(shí)汽車裝配廠的要求）
三、PLC的基本結(jié)構(gòu)
   PLC主要由控制單元（CPU）、存儲(chǔ)器（RAM或ROM或 ）輸入輸出模塊（I/O）部分、電源和編程設(shè)備組成，有的PLC還可以配備特殊功能模塊，用來(lái)完成某些特殊的任務(wù)。術(shù)語(yǔ)“體系結(jié)構(gòu)"是指PLC的硬件，或軟件，或者二者的結(jié)合。開(kāi)放式的體系結(jié)構(gòu)，是指系統(tǒng)使用現(xiàn)成的標(biāo)準(zhǔn)組件，能方便的與其它生產(chǎn)廠家的設(shè)備和程序兼容。封閉的體系結(jié)構(gòu)是指該系統(tǒng)為專用的并且與其他系統(tǒng)不兼容。目前，大多數(shù)PLC系統(tǒng)從本質(zhì)上講都是封閉的系統(tǒng)，所以使用時(shí)必須確定所選用的硬件和軟件與所使用的PLC是兼容的。
1.控制單元CPU
   CPU是PLC的“大腦"，通常由一個(gè)微處理器和一個(gè)存儲(chǔ)器組成。微處理器實(shí)現(xiàn)邏輯處理和控制各模塊間通信的功能，不斷地采集輸入信號(hào)，執(zhí)行用戶程序，刷新系統(tǒng)的輸出；存儲(chǔ)器用來(lái)儲(chǔ)存由微處理器完成的邏輯操作的結(jié)果（程序產(chǎn)生的數(shù)據(jù)）。  
2.I/O模塊
  I/O系統(tǒng)構(gòu)成了現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與控制器連接的接口，作用就是從使現(xiàn)場(chǎng)接收到的信號(hào)或送到現(xiàn)場(chǎng)的信號(hào)達(dá)到處理器的要求。輸入(1nput)模塊和輸出(Output)模塊簡(jiǎn)稱為I／O模塊，它們是系統(tǒng)的眼、耳、手、腳，是聯(lián)系外部現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和CPU模塊的橋梁。輸入模塊用來(lái)接收和采集輸入信號(hào)。開(kāi)關(guān)量輸入模塊用來(lái)接收從按鈕、選擇開(kāi)關(guān)、數(shù)字撥碼開(kāi)關(guān)、限位開(kāi)關(guān)、接近開(kāi)關(guān)、光電開(kāi)關(guān)、壓力繼電器等過(guò)來(lái)的開(kāi)關(guān)量輸入信號(hào)；模擬量輸入模塊用來(lái)接收電位器、測(cè)速發(fā)電機(jī)和各種變送器提供的連續(xù)變化的模擬量電流、電壓信號(hào)。
3.編程器設(shè)備 （或稱編程終端）
   編程設(shè)備用來(lái)向存儲(chǔ)器中寫(xiě)入程序，并用它進(jìn)行編輯、檢查、修改和監(jiān)視用戶程序的執(zhí)行情況。手持式編程器不能直接輸入和編輯梯形圖，只能輸入和編輯指令表程序，因此又叫做指令編程器。它的體積小，價(jià)格便宜，一般用來(lái)給小型PLC編程，或者用于現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試和維護(hù)。個(gè)人計(jì)算機(jī)（PC）是的編程設(shè)備。使用編程軟件可以在計(jì)算機(jī)的屏幕上直接生成和編輯梯形圖、指令表、功能塊圖和順序功能圖程序，并可以實(shí)現(xiàn)不同編程語(yǔ)言的相互轉(zhuǎn)換。程序被編譯后下載到PLC，也可以將PLC中的程序上傳到計(jì)算機(jī)。程序可以存盤(pán)或打印，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)，還可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程編程和傳送。
4．電源  
   PLC一般使用220V交流電源或24V直流電源。內(nèi)部的開(kāi)關(guān)電源為各模塊提供DC 5V，±12V，24V等直流電源。小型PLC一般都可以為輸入電路和外部的電子傳感器(如接近開(kāi)關(guān))提供24V直流電源，驅(qū)動(dòng)PLC負(fù)載的直流電源一般由用戶提供。
  （ 關(guān)于PLC的硬件結(jié)構(gòu)和軟件體系敬請(qǐng)參閱第二講內(nèi)容。）
4.四、 PLC的工作原理
1、PLC替換
   PLC是從繼電器控制系統(tǒng)發(fā)展而來(lái)的，它的梯形圖程序與繼電器系統(tǒng)電路圖相似，梯形圖中的某些編程元件也沿用了繼電器這一名稱，如輸入繼電器、輸出繼電器等等。這種用計(jì)算機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)的“欺繼電器"，與繼電器系統(tǒng)中的物理繼電器在功能上有某些相似之處。
2、PLC的工作原理分析
   它的工作有兩個(gè)要點(diǎn)：入出信息變換、可靠物理實(shí)現(xiàn)。入出信息變換主要由運(yùn)行存儲(chǔ)于PLC內(nèi)存中的程序?qū)崿F(xiàn)。既有系統(tǒng)程序（這程序又稱監(jiān)控程序，或操作系統(tǒng)），又有用戶程序。系統(tǒng)程序?yàn)橛脩舫绦蛱峁┚庉嬇c運(yùn)行平臺(tái)，同時(shí)，還進(jìn)行必要的公共處理，如自檢，I/O刷新，與外設(shè)、上位計(jì)算機(jī)或其它PLC通訊等處理。用戶程序由用戶按照控制的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。什么樣的控制，就有什么樣的用戶程序。可靠物理實(shí)現(xiàn)主要通過(guò)輸入（I， bbbbb）及輸出（O， OUTPUT）電路。
   簡(jiǎn)單地說(shuō)，PLC工作過(guò)程是：輸入刷新---運(yùn)行用戶程序---輸出刷新，再輸入刷新---再運(yùn)行用戶程序---再輸出刷新……停止地循環(huán)反復(fù)地進(jìn)行此外，PLC上電后，也要進(jìn)行系統(tǒng)自檢及內(nèi)存的初始化工作，為PLC的正常運(yùn)行做好準(zhǔn)備。用這種不斷地重復(fù)運(yùn)行程序以實(shí)現(xiàn)控制，稱掃描方式工作。
3.輸入/輸出滯后時(shí)間
   輸入/輸出滯后時(shí)間又稱系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)問(wèn)，是指PLC部輸入信號(hào)發(fā)生變化的時(shí)刻至它控制的有關(guān)外部輸出信號(hào)發(fā)生變化的時(shí)刻之間的時(shí)間間隔，它由輸入電路濾波時(shí)間、輸出電路的滯后時(shí)間和因掃描工作方式產(chǎn)生的滯后時(shí)間這三部分組成。
五、PLC的特點(diǎn)
   從討論P(yáng)LC的工作原理知，PLC的輸入與輸出在物理上是彼此隔開(kāi)的，其間的聯(lián)系主要不是靠物理過(guò)程，不是用線路，而主要靠變換信息的程序?qū)崿F(xiàn)。輸入輸出主要為軟聯(lián)系，而不是硬聯(lián)系。它的工作基礎(chǔ)是信息流，而不是物流、能量流。信息不同于物質(zhì)與能量，有自身的規(guī)律。信息便于處理，便于傳遞，便于存儲(chǔ)；信息可反復(fù)重用，重用后自身還不消失，等等。正是由于信息的這些特點(diǎn)，決定了PLC的基本特點(diǎn)。歸納起來(lái)，除了功能豐富，PLC還有以下特點(diǎn)：
1．工作可靠:
   用PLC實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的控制是非常可靠的。這是因?yàn)镻LC在硬件與軟件兩個(gè)方面都采取了很多非常有效的根本性措施。
2．使用方便:
   用PLC實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的控制是非常方便的。這是因?yàn)椋菏紫萈LC控制邏輯的建立是程序，用程序代替硬件接線。編程序比接線，更改程序比更改接線，當(dāng)然要方便得多!其次PLC的硬件是高度集成化的，已集成為種種小型化的箱體或模塊。而且，這些箱體或模塊是配套的，已實(shí)現(xiàn)了系列化與規(guī)格化。
3.經(jīng)濟(jì)合算：
    的使用必將帶來(lái)巨大的社會(huì)效益與經(jīng)濟(jì)效益，這是科技是生產(chǎn)力的體現(xiàn)，也是生命力之所在。