1.1 PLC基本知識

1.1.1 PLC的進化與定義

1.PLC的進化

自上世紀60年代第一臺PLC問世以來，很快就被應用到汽車制造、機械加工、冶金、礦業(yè)和輕工等各個領域，并大大地推進了機電一體化進程。

PLC檢測與控制的對象，包括指示燈/照明、電動機、泵控制、按鈕/開關、光電開關/傳感器等，如圖1-1所示。

圖1-1 PLC檢測與控制的對象

經過長時間的發(fā)展和完善，PLC的編程概念和控制思想已為廣大的自動化行業(yè)人員所熟悉，這是目前任何一個其他工業(yè)控制器（包括DCS和FCS等）都無法與之相提并論的巨大知識資源。實踐也進一步證明：PLC系統(tǒng)硬件技術成熟、性能價格比較高、運行穩(wěn)定可靠、開發(fā)過程也簡單方便、運行維護成本很低。上述特點造就了PLC的旺盛生命力，造就了PLC的快速進化。

現(xiàn)在的PLC是以微處理器為基礎，綜合了計算機技術、自動控制技術和通信技術而發(fā)展起來的一種新型工業(yè)控制裝置，是工業(yè)控制的主要手段和重要的基礎設備之一，并與機器人、CAD/CAM并稱為工業(yè)生產的三大支柱。

PLC的進化是在繼電器控制邏輯基礎上，與3C技術（Computer，Control，Communica-tion）相結合，不斷發(fā)展完善的。它從過去的小規(guī)模、單機、順序控制，已經發(fā)展到包括過程控制、傳動控制、位置控制、通信控制等場合的大部分現(xiàn)代工業(yè)控制領域和部分商用、民用控制領域。在通信能力上，由于現(xiàn)場總線的出現(xiàn)，使得一個個獨立的PLC系統(tǒng)不再是信息孤島。實時以太網技術也走進了PLC廠商的視野，甚至在以太網產品中已經能夠支持PROFIBUS等現(xiàn)場總線。圖1-2所示的泵站PLC控制就是其中的一例，從現(xiàn)場污水泵、檢測儀、電動閘門等經過PROFIBUS總線與PLC相連，而PLC則直接通過以太網與模擬器、監(jiān)控計算機和打印機相連。

圖1-2 泵站PLC控制

以太網應用的另一個意義在于，控制層與管理層的界線不再那么截然分明。隨著PLC運算能力的不斷提高，PLC在數(shù)據(jù)交換方面的能力和需求也在不斷提高；另一方面由于IT技術的飛速發(fā)展使得微型高速存儲設備的容量越來越大，價格越來越低，而可靠性卻越來越有保障。越來越多的PLC控制系統(tǒng)已經在使用64M、128M甚至更大容量的Flash存儲設備。

從長遠來講，PLC的制造商將會根據(jù)工業(yè)用戶的需求集成更多的系統(tǒng)功能，逐漸降低用戶的使用難度，縮短開發(fā)周期，節(jié)約產品開發(fā)成本。但是這是一個逐漸發(fā)展的過程。就目前技術現(xiàn)狀而言，一些復雜的控制要求依然要使用那些“高檔”的控制系統(tǒng)，使用相對復雜的編程手段，對工業(yè)用戶依然要求具備專業(yè)的控制技術。

2.PLC的定義

國際電工委員會IEC于1982年11月和1985年1月頒布了PLC標準的第一稿和第二稿，對PLC作了如下的定義：“PLC是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計。它可采用可編程序的存儲器，用來在其內部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術運算等操作的命令，并通過數(shù)字式、模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械和生產過程。PLC及其有關設備，都應以易于與工業(yè)控制系統(tǒng)聯(lián)成一個整體，易于擴充功能的原則而設計"。

1.1.2 PLC的組成部分

1.組成部分

組成PLC的模塊是PLC的硬件基礎，只有弄清所選用的PLC都具有哪些模塊及其特點，才能正確選用模塊，組成一臺完整的PLC（見圖1-3），以滿足控制系統(tǒng)對PLC的要求。

常見的PLC模塊有：

（1）CPU模塊 它是PLC的硬件核心。PLC的主要性能，如速度、規(guī)模都由它的性能來體現(xiàn)。

如圖1-4所示，CPU模塊有微處理器系統(tǒng)、系統(tǒng)程序存儲器和用戶程序存儲器，其本質為一臺計算機，該計算機負責系統(tǒng)程序的調度、管理、運行和PLC的自診斷，負責將用戶程序作出編譯解釋處理以及調度用戶目標程序運行的任務。

圖1-3 PLC的組成示意

（2）電源模塊 它為PLC運行提供內部工作電源，而且有的還可為輸入、輸出信號提供電源，電源模塊如圖1-5所示。

圖1-4 CPU模塊

圖1-5 電源模塊

PLC的工作電源一般為交流單相電源，電源電壓必須與額定電壓相符，如AC 110V或AC 220V，當然也有直流24V供電的。PLC對電源的穩(wěn)定性要求不高，一般都允許電源電壓額定值在±15%的范圍內波動，有些交流輸入電源甚至允許在AC 85V～AC 240V的范圍內。

（3）I/O模塊 它包括輸入/輸出（I/O）電路，并根據(jù)類型劃分為不同規(guī)格的模塊，I/O模塊如圖1-6所示。

·輸入部分

PLC與生產過程相連接的輸入通道，輸入部分接收來自生產現(xiàn)場的各種信號，如行程開關、熱電偶、光電開關、按鈕等信號。

·輸出部分

PLC與生產過程相連接的輸出通道，輸出部分接收CPU的處理輸出，并轉換成被控設備所能接收的電壓、電流信號，以驅動被控設備，如繼電器、電磁閥和指示燈等。

（4）內存模塊 它主要存儲用戶程序，有的還為系統(tǒng)提供輔助的工作內存。在結構上內存模塊都是附加于CPU模塊之中。如圖1-7所示為西門子S7-300 PLC的MMC內存模塊。

圖1-6 I/O模塊

圖1-7 西門子S7-300 PLC的MMC內存模塊

圖1-8 PLC的主底板和輔助底板

（5）底板、機架模塊 它為PLC各模塊的安裝提供基板，并為模塊間的聯(lián)系提供總線。若干底板間的聯(lián)系有的用接口模塊，有的用總線接口。不同廠家或同一廠家但不同類型的PLC都不大相同。如圖1-8所示為PLC的主底板和輔助底板。

2.特殊功能模塊

除了常見的模塊，PLC還有特殊的或稱智能或稱功能模塊，如A-D（模擬-數(shù)字）模塊、D-A（數(shù)字-模擬）模塊、高速計數(shù)模塊、位置控制模塊、溫度模塊等。這些模塊有自己的處理器，可對信號作預處理或后處理，以簡化PLC的CPU對復雜的過程控制量的計算。智能模塊的種類、特性也大不相同，性能好的PLC，這些模塊種類多，性能也好。

通信模塊接入PLC后，可使PLC與計算機，或PLC與PLC進行通信，有的還可實現(xiàn)與其他控制部件，如變頻器、溫控器的通信，或組成局部網絡。通信模塊代表PLC的組網能力，代表著當今PLC性能的重要方面。

3.PLC的外部設備

盡管用PLC實現(xiàn)對系統(tǒng)的控制可不用外部設備，配置好合適的模塊就行了。然而，要對PLC編程，要監(jiān)控PLC及其所控制的系統(tǒng)的工作狀況，以及存儲用戶程序、打印數(shù)據(jù)等，就得使用PLC的外部設備。故一種PLC的性能如何，與這種PLC所具外部設備豐富與否，外部設備好用與否直接相關。

PLC的外部設備有四大類：

（1）編程設備 簡單的為簡易編程器，大多只接受助記符編程，個別的也可用圖形編程。復雜一點的有圖形編程器，可用梯形圖語言編程。有的還有專用的計算機，可用其他高級語言進行編程。編程器除了用于編程，還可對系統(tǒng)作一些設定，以確定PLC的控制方式，或工作方式。編程器還可監(jiān)控PLC及PLC所控制的系統(tǒng)工作狀況，以進行PLC用戶程序的調試。

（2）監(jiān)控設備 小的有數(shù)據(jù)監(jiān)視器，可監(jiān)視數(shù)據(jù)；大的還可能有圖形監(jiān)視器，可通過畫面監(jiān)視數(shù)據(jù)。除了不能改變PLC的用戶程序，編程器能做的它都能做，是使用PLC很好的界面。性能好的PLC，這種外部設備已越來越豐富。

（3）存儲設備 它用于永久性地存儲用戶數(shù)據(jù)，使用戶程序不丟失。這些設備，如存儲卡、存儲磁帶、軟磁盤或只讀存儲器。而為實現(xiàn)這些存儲，相應的就有磁帶機、軟驅或ROM寫入器，以及相應的接口部件。各種PLC大體都有這方面的配套設施。

（4）輸入/輸出設備 它用以接收信號或輸出信號，便于與PLC進行人機對話。輸入的有條碼讀入器、輸入模擬量的電位器等。輸出的有打印機、編程器，監(jiān)控器雖也可對PLC輸入信息，從PLC輸出信息，但輸入/輸出設備實現(xiàn)人機對話更方便，可在現(xiàn)場條件下實現(xiàn)，并便于使用。隨著技術的進步，這種設備將更加豐富。

外部設備已發(fā)展成為PLC系統(tǒng)的不可分割的一個部分。已成為選用PLC必須了解的重要方面，所以也應把它列為PLC性能的重要內容。

1.1.3 PLC實現(xiàn)控制的過程

PLC的用戶程序，是從頭至尾按順序循環(huán)執(zhí)行的。這一過程稱為掃描，而這種處理方式稱為循環(huán)演算方式。PLC的循環(huán)演算，除中斷處理外一直繼續(xù)下去，直至停止運行為止。PLC的控制過程如圖1-9所示。

圖1-9 PLC的控制過程

1.初始化處理

上電運行或復位時處理一次，并完成如下任務：

?復位輸入/輸出模塊；

?進行自診斷；

?清除數(shù)據(jù)區(qū)；

?輸入/輸出模塊的地址分配以及種類登記。

2.刷新輸入映像區(qū)

用戶程序的演算處理之前，先將輸入端口接點狀態(tài)讀入，并以此刷新輸入映像區(qū)。

3.用戶程序演算處理

將用戶程序，從頭至尾依次演算處理。

4.映像區(qū)內容輸出刷新

用戶程序演算處理完畢，將輸出映像區(qū)內容傳送到輸出端口刷新輸出。

5.END處理

CPU模塊完成一次掃描后，為進入下一循環(huán)，進行如下處理：

?自診斷；

?計數(shù)器、定時器更新；

?同上位機、通信模塊的通信處理；

?檢查模式設定鍵狀態(tài)。

上述只是一個通用性的PLC控制過程，對于不同品牌、型號的PLC而言，其控制過程還會有所區(qū)別。圖1-10所示為通用PLC典型控制流程。

圖1-10 通用PLC典型控制流程

圖1-10所示的流程圖反映了信息的時間關系，輸入刷新→再運行用戶程序→再輸出刷新→再輸入刷新→再運行用戶程序→再輸出刷新，永不停止地、循環(huán)反復地進行著。

有了這樣一個循環(huán)演算的過程，用PLC實現(xiàn)控制顯然是可能的。因為有了輸入刷新，可把輸入電路監(jiān)控得到的輸入信息存入PLC的輸入映射區(qū)；經運行用戶程序，輸出映射區(qū)將得到變換后的信息；再經輸出刷新，輸出鎖存器將反映輸出映射區(qū)的狀態(tài)，并通過輸出電路產生相應的輸出。又由于這個過程是永不停止地循環(huán)反復地進行著，所以輸出總是反映輸入的變化。只是響應的時間上略有滯后。當然，這個滯后不宜太大，否則，所實現(xiàn)的控制會不那么及時，也就失去了控制的意義。

為此，PLC的工作速度要快。速度快、執(zhí)行指令時間短是PLC實現(xiàn)控制的基礎。事實上，它的速度是很快的，執(zhí)行一條指令，多的幾微秒、幾十微秒，少的才零點幾微秒，或零點零幾微秒，而且這個速度還在不斷提高。

1.1.4 用戶程序

程序由用戶需要控制的所有必要因素組成，一般而言，PLC程序被儲存在CPU內置EE-PROM或外部存儲模塊中。

用戶程序的基本功能說明見表1-1。

表1-1 用戶程序的基本功能說明

1.1.5 PLC的基本特點

通過討論PLC的控制原理可以知道，PLC的輸入與輸出在物理上是彼此隔開的，其間的聯(lián)系是靠運行存儲于它的內存中的程序實現(xiàn)。它的入出相關，不是靠物理過程，不是用線路，而是靠信息過程，用軟邏輯聯(lián)系。它的工作基礎是用好信息。信息不同于物質與能量，有自身的規(guī)律。信息便于處理，便于傳遞，便于存儲；信息還可重用，等等。正是由于信息的這些特點，決定了PLC的基本特點。

下面介紹PLC的4個特點，即功能豐富、使用方便、工作可靠、快速有效。

1.功能豐富

PLC的功能非常豐富，這主要與它具有豐富的處理信息的指令系統(tǒng)及存儲信息的內部器件有關。

1）PLC的指令多達幾十條、幾百條，可進行各式各樣的邏輯問題的處理，還可進行各種類型數(shù)據(jù)的運算，凡是普通計算機能做到的，它也都可做到。

2）PLC的內部器件，即內存中的數(shù)據(jù)存儲區(qū)種類繁多、容量宏大、功能完善。以I/O繼電器為例，可以用以存儲入、出點信息的，少的幾十、幾百，多的可達幾千、幾萬，以至十幾萬，這意味著它可進行這么多I/O點的輸入/輸出信息變換，進行大規(guī)模的控制。PLC內部的中間繼電器數(shù)量更多，內存中一個位就可作為一個中間繼電器。它的計數(shù)器、定時器也很多，是傳統(tǒng)繼電器電路所望塵莫及的。而且，這些內部器件還可設置成掉電保持的，或掉電不保持的，即上電后予以清零，以滿足不同的使用要求，這也是傳統(tǒng)繼電器元件難以做到的。

3）PLC有豐富的外部設備，可建立友好的人機交互系統(tǒng)，以進行信息交換。在PLC相連的人機界面中可送入程序、送入數(shù)據(jù)，可讀出程序、讀出數(shù)據(jù)，而且讀、寫時可在圖文并茂的畫面上進行。PLC還具有外部通信接口，可與計算機連接或與總線聯(lián)網進行交換信息，以形成單機所不能有的更大的、地域更廣的控制系統(tǒng)。

4）PLC有強大的自檢功能，可進行自診斷，并將結果自動記錄，這為PLC系統(tǒng)的維修增加了透明度，提供了方便。

豐富的功能為PLC的廣泛應用提供了可能，同時，也為工業(yè)系統(tǒng)的自動化、遠動化及其控制的智能化創(chuàng)造了條件。像PLC這樣集豐富功能于一身，是別的電控制器所沒有的，更是傳統(tǒng)的繼電控制電路所無法比擬的。

2.使用方便

用PLC實現(xiàn)對系統(tǒng)的控制是非常方便的，具體地講，PLC有5個方面的方便：

（1）配置方便 可按控制系統(tǒng)的需要確定要使用哪家的PLC，哪種類型的，用什么模塊，要多少模塊，確定后，到市場上訂貨購買即可。

（2）安裝方便PLC硬件安裝簡單，組裝容易。對于中大型的背板式PLC而言，其外部接線有接線器，接線簡單，而且一次接好后，更換模塊時，把接線器安裝到新模塊上即可，都不必再接線；內部什么線都不要接，只要做些必要的DIP開關設定或軟件設定，以及編制好用戶程序就可工作。對于中小型的無背板式PLC而言，整個PLC本體多采用DIN導軌安裝，端子排分布合理。

（3）編程方便PLC內部的繼電器、時間繼電器、計數(shù)器等種類多、數(shù)量全，在編程時基本不用考慮其數(shù)量限制，盡可以發(fā)揮想象力，按照控制思路進行編程。PLC目前使用的編程軟件不僅采用符合國際標準的梯形圖語言，其界面更是與日常大部分計算機流行軟件一致，并將功能設置、調試監(jiān)控、故障診斷等融為一體。由于PLC的升級換代加快，以前所編的程序基本上都可以轉換為新型號的PLC語言。

（4）維修方便PLC工作可靠，出現(xiàn)故障的情況與繼電器控制回路來比已經大大降低，這大大減輕了維修的工作量。即使在PLC出現(xiàn)故障時，維修也很方便。這是因為PLC都設有很多故障提示信號，如PLC支持內存保持數(shù)據(jù)的電池電壓不足，相應的就有電壓低信號指示；另外，PLC本身還可做故障情況記錄。

（5）改用方便PLC用于某設備，若這個設備不再使用了，其所用的PLC還可給別的設備使用，只要改編一下程序，就可辦到。如果原設備與新設備差別較大，它的一些模塊還可重用。

3.工作可靠

用PLC實現(xiàn)對系統(tǒng)的控制是非常可靠的。這是因為PLC在硬件與軟件兩個方面都采取了很多措施，確保它能可靠工作。

（1）在硬件方面PLC的輸入/輸出電路與內部CPU是電隔離，其信息靠光耦器件或電磁器件傳遞。而且CPU板還有抗電磁干擾的屏蔽措施。故可確保PLC程序的運行不受外界的電與磁干擾，能正常地工作。PLC使用的元器件多為無觸點的，而且為高度集成的，數(shù)量并不太多，也為其可靠工作提供了物質基礎。

在機械結構設計與制造工藝上，為使PLC能安全可靠地工作，也采取了很多措施，可確保PLC耐振動、耐沖擊。使用環(huán)境溫度可高達50℃以上，有的PLC可高達80～90℃。

有的PLC的模塊可工作在冗余熱備模式下，一個主機工作，另一個主機也運轉，但不參與控制，僅作冗余備份。一旦工作主機出現(xiàn)故障，冗余熱備的CPU就可自動接替其工作。

（2）在軟件方面PLC的工作方式為掃描加中斷，這既可保證它能有序地工作，避免繼電控制系統(tǒng)常出現(xiàn)的“冒險競爭”，其控制結果總是確定的；而且又能應急處理急于處理的控制，保證了PLC對應急情況的及時響應，使PLC能可靠地工作。

為監(jiān)控PLC運行程序是否正常，PLC系統(tǒng)都設置了“看門狗”監(jiān)控程序。運行用戶程序開始時，先清“看門狗”定時器，并開始計時。當用戶程序一個循環(huán)運行完了，則查看定時器的計時值。若超時（一般不超過100ms），則報警。嚴重超時，還可使PLC停止工作。用戶可依報警信號采取相應的應急措施。定時器的計時值若不超時，則重復起始的過程，PLC將正常工作。顯然，有了這個“看門狗”監(jiān)控程序，可保證PLC用戶程序的正常運行，可避免出現(xiàn)“死循環(huán)”而影響其工作的可靠性。

PLC還有很多防止及檢測故障的指令，以產生各重要模塊工作正常與否的提示信號。可通過編制相應的用戶程序，對PLC的工作狀況，以及PLC所控制的系統(tǒng)進行監(jiān)控，以確保其可靠工作。

4.快速有效

PLC的一個很重要的特點就是高效、經濟，這是基于PLC的工作速度快、指令效率高的基礎上的。

工作速度是指PLC的CPU執(zhí)行指令的速度及對急需處理的輸入信號的響應速度，它是PLC工作的基礎。速度高了，才可能通過運行程序實現(xiàn)控制，才可能不斷擴大控制規(guī)模，才可能發(fā)揮PLC的多種多樣的作用。

PLC的指令是很多的，不同的PLC其指令的條數(shù)也不同，少的幾十條，多的幾百條，指令不同，執(zhí)行的時間也不同。但各種PLC總有一些基本指令，而且各種PLC都有這些基本指令，故常以執(zhí)行一條基本指令的時間來衡量這個速度，這個時間當然越短越好，已從微秒級縮短到零點微秒級，并隨著微處理器技術的進步，這個時間還在縮短。

通過討論PLC的控制原理可知，從對PLC加入輸入信號，到PLC產生輸出，最理想的情況也要延遲一個PLC運行程序的周期。因為PLC監(jiān)測到輸入信號，經運行程序后產生的輸出，才是對輸入信號的響應。對一般的輸入信號，這個延遲雖可以接受，但對急需響應的輸入信號，就不能接受了。對急需處理的輸入信號延遲多長時間PLC能予以響應，一般的做法是采用輸入中斷，然后再輸出即時刷新，即中斷程序運行后，有關的輸出點立即刷新，而不等到整個程序運行結束后再刷新。