第1章　PLC編程必備基礎(chǔ)

1.1　認(rèn)識PLC

1987年2月，國際電工委員會（IEC）對可編程控制器的定義：“可編程控制器是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計。它采用了可編程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作的指令，并通過數(shù)字式和模擬式的輸入/輸出接口，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。可編程控制器及其有關(guān)的外圍設(shè)備，都應(yīng)按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體、易于擴充其功能的原則而設(shè)計。”

可編程控制器在其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和功能上都類似于通用計算機，所不同的是可編程控制器還具有很多通用計算機所不具備的功能和結(jié)構(gòu)。如PLC有一套功能完善且簡單的管理程序，能夠完成故障檢查、用戶程序輸入、修改、執(zhí)行與監(jiān)視等功能；PLC還有很多適應(yīng)于各種工業(yè)控制系統(tǒng)的模塊；PLC采用以傳統(tǒng)電氣圖為基礎(chǔ)的梯形圖語言編程，方法簡單且易于學(xué)習(xí)和掌握。所以在控制系統(tǒng)應(yīng)用方面PLC優(yōu)于計算機，它易于和自動控制系統(tǒng)相連接，可以方便靈活地構(gòu)成不同要求、不同規(guī)模的控制系統(tǒng)，其環(huán)境適應(yīng)性和抗干擾能力極強，故將可編程控制器稱為工業(yè)控制計算機。

目前，可編程控制器與數(shù)控機床和工業(yè)機器人已成為現(xiàn)代工業(yè)自動化的三大支柱。

（1）PLC的幾種流派　PLC產(chǎn)品按地域大體可以分成三個流派：美國產(chǎn)品、日本產(chǎn)品、歐洲產(chǎn)品。

美國PLC：如羅克韋爾（Rockwell）公司（包括AB公司）產(chǎn)品，通用電氣（GE）產(chǎn)品。

日本PLC：如歐姆龍（OMRON）公司的產(chǎn)品，三菱（MITSUBISHI）公司的產(chǎn)品。

歐洲PLC：如西門子（SIEMENS）公司和施耐德（法國Schneider）公司的產(chǎn)品。

（2）PLC的分類

①按結(jié)構(gòu)形式分

a.整體式：特點是將PLC的基本部件（如CPU板、輸入板、輸出板、電源板等）緊湊地安裝于一個標(biāo)準(zhǔn)機殼內(nèi)而構(gòu)成一個整體，組成PLC的一個基本單元（主機）或擴展單元。基本單元上設(shè)有擴展端口，通過擴展電纜與擴展單元相連，配有許多專用的特殊功能模塊（如模擬量輸入/輸出模塊、熱電偶、熱電阻模塊、通信模塊等）以構(gòu)成PLC不同的配置。整體式結(jié)構(gòu)的PLC體積小，成本低，安裝方便。微型和小型PLC一般為整體式結(jié)構(gòu)。如西門子的S7-200型PLC。

b.模塊式：由一些標(biāo)準(zhǔn)模塊（如CPU模塊、輸入模塊、輸出模塊、電源模塊和各種功能模塊等）單元構(gòu)成，將這些模塊插在框架上和基板上即可。各個模塊功能是獨立的，外形尺寸是統(tǒng)一的，可根據(jù)需要靈活配置。目前大中型PLC都采用這種方式。如西門子的S7-300和S7-400系列。

圖1-1所示為PLC外形結(jié)構(gòu)。

②按功能分

a.低檔PLC：具有邏輯運算、定時、計數(shù)、移位及自診斷、監(jiān)控等基本功能，還可有少量模擬量輸入/輸出、算術(shù)運算、數(shù)據(jù)傳送和比較、通信等功能，主要用于邏輯控制、順序控制或少量模擬量控制的單機控制系統(tǒng)。

b.中檔PLC：除具有低檔PLC的功能外，還具有較強的模擬量輸入/輸出、算術(shù)運算、數(shù)據(jù)傳送和比較、數(shù)制轉(zhuǎn)換、遠(yuǎn)程I/O、子程序、通信聯(lián)網(wǎng)等功能。有些還可增設(shè)中斷控制、PID控制等功能，適用于復(fù)雜控制系統(tǒng)。

c.高檔PLC：除具有中檔機的功能外，還增加了帶符號算術(shù)運算、矩陣運算、位邏輯運算、平方根運算及其他特殊功能函數(shù)的運算、制表及表格傳送功能等。高檔PLC機具有更強的通信聯(lián)網(wǎng)功能，可用于大規(guī)模過程控制，可構(gòu)成分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，實現(xiàn)工廠自動化。

③按I/O點數(shù)分　可分為小型、中型和大型。

a.小型PLC：小型PLC的功能以開關(guān)量控制為主，其輸入/輸出（I/O）總點數(shù)在256點以下，用戶程序存儲器容量在4KB左右。現(xiàn)在高性能小型PLC還具有一定的通信能力和少量的模擬量處理能力。其價格低廉，體積小巧，適合于控制單臺設(shè)備和開發(fā)機電一體化產(chǎn)品。

典型的小型PLC有SIEMENS公司的S7-200系列、OMRON公司的CPM2A系列、MITSUBISHI公司的FX系列和AB公司的SLC500系列等整體式PLC產(chǎn)品。

b.中型PLC：中型PLC的I/O點數(shù)在256～2048點之間，用戶程序存儲器容量達(dá)到8K字左右。中型PLC不僅具有開關(guān)量和模擬量的控制功能，還具有更強的數(shù)字計算能力，它的通信功能和模擬量處理功能更強大，適用于更復(fù)雜的邏輯控制系統(tǒng)及連續(xù)生產(chǎn)線的過程控制系統(tǒng)。

典型的中型PLC有SIEMENS公司的S7-300系列、OMRON公司的C200H系列、AB公司的SLC500系列等模塊式PLC產(chǎn)品。

c.大型PLC：大型PLC的I/O點數(shù)在2048點以上，用戶程序儲存器容量達(dá)到16K字以上。大型PLC具有計算、控制和調(diào)節(jié)的能力，還具有強大的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和通信聯(lián)網(wǎng)能力，有些PLC還具有冗余能力。其監(jiān)視系統(tǒng)采用CRT顯示，能夠表示過程的動態(tài)流程，記錄各種曲線，PID調(diào)節(jié)參數(shù)等；它配備多種智能板，構(gòu)成一臺多功能系統(tǒng)。這種系統(tǒng)還可以和其他型號的控制器互連，和上位機相連，組成一個集中分散的生產(chǎn)過程和產(chǎn)品質(zhì)量控制系統(tǒng)。大型PLC適用于設(shè)備自動化控制、過程自動化控制和過程監(jiān)控系統(tǒng)。

典型的大型PLC有SIEMENS公司的S7-400、OMRON公司的CVM1和CS1系列、AB公司的SLC5/05等系列。

（3）PLC的特點

①高可靠性，強抗擾力　工業(yè)生產(chǎn)對控制設(shè)備要求很高，需具有很強的抗干擾能力和高可靠性，能在惡劣環(huán)境中可靠工作，平均故障間隔時間長，故障修復(fù)時間短。這是PLC控制優(yōu)于微機控制的一大特點。

PLC控制系統(tǒng)的故障有兩種：一種是偶發(fā)性故障，因惡劣環(huán)境（電磁干擾、超高溫、過電壓、欠電壓）引起。這類故障只要不引起系統(tǒng)部件的損壞，一旦環(huán)境條件恢復(fù)正常，系統(tǒng)本應(yīng)隨之恢復(fù)正常，但因PLC受外界影響后，內(nèi)部存儲的信息被破壞，必須從初始狀態(tài)重新啟動。另一類是永久性故障，因元器件不可恢復(fù)的損壞而引起。

PLC設(shè)計上采用了從硬件和軟件兩方面的措施，可防止故障的發(fā)生，提高可靠性。

②編程簡單，使用方便　這是PLC優(yōu)于微機的另一個特點。目前大多數(shù)PLC采用繼電控制形式的“梯形圖編程方式”，即有傳統(tǒng)控制電路的清晰直觀，又適合電氣技術(shù)人員的讀圖習(xí)慣和微機應(yīng)用水平，易于接受，比匯編語言更受歡迎。

為進(jìn)一步簡化編程，當(dāng)今PLC還針對具體問題設(shè)計了步進(jìn)梯形指令、功能指令等。PLC是為車間操作人員而設(shè)計的，一般只要很短時間的訓(xùn)練即能學(xué)會使用。而微電腦控制系統(tǒng)則要求具有一定知識的人員操作。當(dāng)然，PLC的功能開發(fā)，需要有軟件專家的幫助。

③程序可變，柔性很好　當(dāng)生產(chǎn)工藝流程改變或生產(chǎn)線設(shè)備更新時，不必改變PLC硬件，只要改變程序就可滿足要求。PLC除應(yīng)用于單機控制外，被大量應(yīng)用于柔性制造單元（FMC）、柔性制造系統(tǒng)（FMS），乃至工廠自動化（FA）。

④功能完善，通用性強　現(xiàn)代PLC具有數(shù)字量和模擬量輸入/輸出、邏輯和算術(shù)運算、定時、計數(shù)、順序控制、功率驅(qū)動、通信聯(lián)網(wǎng)、人機對話、自檢、記錄和顯示等功能。

⑤擴充方便，組合靈活　PLC產(chǎn)品具有各種擴充單元，可以方便地適應(yīng)不同工業(yè)控制需要的不同輸入/輸出點及不同輸入/輸出方式的系統(tǒng)。

⑥簡化設(shè)計，減少施工　由于PLC采用軟件編程來達(dá)到控制功能，而不同于繼電器控制采用接線來達(dá)到控制功能，同時PLC又能率先進(jìn)行模擬調(diào)試，并且操作化功能和監(jiān)視化功能很強，這些都減少了許多的工作量。簡化減少了控制系統(tǒng)設(shè)計與施工的工作量。

⑦體小量輕，機電一體　一臺收錄機大小的PLC具有相當(dāng)于1.8m高的繼電器控制柜的功能，一般節(jié)電50％以上。

PLC是工業(yè)控制的專用計算機，其結(jié)構(gòu)緊密、堅固、體積小巧，并具備很強的抗干擾能力，使之易于裝入機械設(shè)備內(nèi)部，成為了實現(xiàn)“機電一體化”較理想的控制設(shè)備。

（4）PLC的應(yīng)用范圍

①順序控制　PLC應(yīng)用最廣泛的領(lǐng)域，可用于單機、多級群控制式生產(chǎn)自動線控制。如注塑機、印刷機械、組合機床、裝配生產(chǎn)線、包裝生產(chǎn)線、電鍍車間及電梯控制線路等。

②運動控制　PLC有拖動步進(jìn)電動機或伺服電動機的單軸或多軸位置控制模塊。多數(shù)情況下PLC把描述目標(biāo)位置的數(shù)據(jù)送給模塊，模塊移動一軸或數(shù)軸到目標(biāo)位置。而每個軸移動時，位置控制模塊保持適當(dāng)?shù)乃俣群图铀俣纫源_保運動平滑。

③過程控制　PLC采用PID（比例-積分-微分）模塊可以控制大量的物理參數(shù)，如溫度、壓力、速度和流量。由于PID可使PLC具有閉環(huán)控制的功能，若控制過程中某變量出現(xiàn)偏差時，PID控制算法會計算出正確的輸出，使變量保持設(shè)定值，故廣泛用于過程控制。

④數(shù)據(jù)處理　當(dāng)今機械加工中，出現(xiàn)了把支持順序控制的PLC和計算數(shù)值控制（CNC）設(shè)備緊密結(jié)合。著名的日本FANUC公司推出的SYSTEM 10/11/12系列，已將CNC控制功能作為PLC的一部分。為實現(xiàn)PLC和CNC設(shè)備之間內(nèi)部數(shù)據(jù)自由傳遞而采用了窗口軟件，用戶通過窗口軟件可自由編程，由PLC連至CNC設(shè)備使用。CNC系統(tǒng)將變成以PLC為主體的控制和管理體系。

⑤通信聯(lián)網(wǎng)　為了適應(yīng)國外近年來興起的工廠自動化（FA）系統(tǒng)發(fā)展需要，發(fā)展了PLC之間、PLC與上級計算機之間的通信功能，它們都采用光纖通信多級傳遞。輸入/輸出模塊按功能各自放置在生產(chǎn)現(xiàn)場分散控制，然后采用網(wǎng)絡(luò)連接構(gòu)成集中管理信息的分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。