可编程序控制器简介

可编程序控制器是在继电器控制和计算机控制的基础上开发的产品，逐渐发展成以微处理器为核心，把自动化技术、计算机技术、通信技术融为一体的新型工业自动控制装置。早期的可编程控制器在功能上只能进行逻辑控制，因而称为可编程序控制器（Programmable Logic Controller）简称PLC。随着技术的发展，其控制功能不断增强，现在的可能编程序控制还可进行算术运算、模拟理控制。当前PLC的著名生产厂家和产品有日本三菱F系列，OMRON公司的C系列，松下电工FP1，美国通用电气公司的GE，德国西门子公司的S₅、S₇等产品。

1.PLC的原理构成

可编程控制器有各种不同的外形结构，如分布式结构、模块化结构等，但在原理构成上大致相同，PLC硬件结构图如图5.4.1所示。

（1）微处理器

可编程控制器中的微处理器即为CPU板。它包括一台基本计算机必需的部件：中央处理器CPU，存储器RAM、ROM，并行/串行接口PIO/SIO，时钟CTC等。它的作用是对整个可编程控制器的工作进行协调控制：一通过系统监控程序进行系统管理，如自诊断、查错、信息传送、时钟、计数刷新等；二是根据用户程序执行输入输出操作、程序解释、执行操作等

（2）接口电路

根据输入输出信号性质，可分为开关量、模拟量及数字量。这里以开关量信号。

图5.4.2为常用的两种开关量输入接口的原理电路。图5.4.2（a）为直流输入方式。当接于外部的开关（或触点）闭合时，内部电路的直流电源使光电耦合器中的发光二极管导电发光，光电三极管导通。这样就将输入信号送入PLC的内部电路。同时发光二极管LED发光，指示此时有信号输入。图5.4.2（b）为交流输入方式。当外部的开关（触点）闭合时，外接交流电源经电阻降压、整流电路整流和电容滤波后，变为直流电加于光电直流电耦合器，将输入信号送入PLC内部电路，同时发光二极管LED发光，指示此时有信号输入。采用何种输入方式则视采样现场而定。

通常用输入继电器来等效表示输入接口的作用，如图5.4.3所示。当输入接口电路中的光电耦合器导通时，相当于输入继电器的线圈通电，其动合触点闭合，动断触点断开，于是将输入信号送入PLC内部电路。

（3）输出接口电路

输出接口电路通常有三种形式：继电器输出、晶体管输出及双向晶闸管输出。

图5.4.4是继电器输出方式。当内部电路有输出信号时，继电器K的线圈通电，其常开触点闭合，接通输出电路，发光二极管给出输出指示。

图5.4.5（a）是晶体管输出电路。输出信号经光电耦合器送给晶体管，晶体管的饱和导通或截止相当于触点的接通和断开。图中的稳压管用来平抑过电压，保护晶体管。

图5.4.5（b）是双向晶闸管输出电路，它用光电晶闸管耦合器实现G光电隔离。并联在双向晶闸管两端的R、C和压敏电阻，用于晶闸管阻容保护。

输出接口电路通常也用输出继电器来等效表示，如图5.4.6所示。当PLC通过接口电路输出信号时，相当于输出继电器线圈Y400来电，其常开触点闭合。

（4）电源

用于对CPU、I/O板等内部器件供电。有些机型还向外提供稳压电源，用于外部传感器供电。

（5）扩展接口

扩展接口是用于扩展I/O单元的，它使PLC的点数规模配置更为灵活，一般为总线结构，除可以配接开关量的I/O单元，也可配置作特殊用途的模块，如：模拟输入、输出模块，温度传感器用模拟输入模块，高速计数模块，定位模块，脉冲输出模块，通讯模块等。

（6）编程器接口

可编程控制器本体上通常是不带编程器的。为了能对可编程控制器编程 及监控，肿编程 控投影器上专门设置有编程器接口，通过这个接口可以接各种型式的编程装置，还可以利用此接口做一些监控的工作。

（7）存储器接口

为了存储用户程序以及扩展用户程序存储器、数据参数存储区，PLC设有存储器扩展口，可要据使用的需要扩展存储器。其内部也是接到总线上的。

（8）编程器

编程器用于对用户程序的编辑、输入、调试，还可通过其键盘去调用和显示PLC内部的一些状态和系统参数，实现监控功能。一般编程器上有供编程的各种功能键和数码显示灯，以及编程、监控转换开关等，如图5.4.7所示的手持编程器，它通过接口与CPU联系，完成人机对话。PLC在正常工作时可不需编程器，所以编程器设计为独立部件，一般只是在程序输入和检修时使用编程器，一台编程器可供多台同系列PLC共用。

为了进一步完善功能，近来发展了不少功能极强的专用图形编程器。该编程器就像一台便携式计算机，身带有CRT、软盘驱动，还有许多接口（如打印机接口、串行接口RS232C等），程序编辑功能也极强。它还可以作为工作站使用，即把它挂在可编程控制器网络上，对各站进行监控、管理、调试等工作。

随着个人计算机的日益普及，编程器的一个最新发展就是使用专用的编程软件，在个人计算机上实现图形编程器的功能（例如IBM PC及其兼容机）。这种编程手段的一个最大特点就是可以充分利用个人机的资源（如硬盘、打印机及各种接口），大大降低编程器的成本。三菱的ME-DOC就是一个例子。当然，利用IBM PC机也有缺点，就是不易安装到现场，现在流行的做法是用个人机在实验室对可编程控制器进行初调，然后在现场用最简易的编程器进行最终调试。 图5.4.7为PLC所用编程方式示意图。

2. PLC的工作原理

PLC是如何工作的呢？首先用户根据控制要求编制好程序输入到PLC的用户程序存储器中。PLC运行工作时，CPU对用户程序作周期性循环扫描，在无跳转指令的情况下，CPU从第一条指令开始顺序逐条地执行用户程序，直到及程序结束，然后又返回第一条指令，开始新的一轮扫描。在每次扫描过程中，还要完成对输入信号采集和对输出状态的刷新等工作。PLC的工作过程可按图5.4.8所示，分为三个阶段。

　　（1）输入采样阶段

程序执行前，可编程控制器的全部输入端子的通/断状态读入输入映象寄存器。

在程序执行中，即使输入状态变化，输入映像寄存器的内容也不变。直到下一扫描刷新阶段才读入这变化。

　　（2）程序执行阶段

对应用户程序存储器所存的指令，从输入映像寄存器和其它元件的映象寄存器和其它元件的寄存器中将有关元件的通/断状态读出，从0步开始顺序运算，每次结果都写入有关的元件映像寄存器。因此，各元件（X除外）的映象寄存器的内容随着程序的执行在不断变化。

　　（3）输出刷新阶段

全部指令执行完毕，将输出Y的寄存器的通/断状态向输出锁存器送传，然后成为可编程控制器的实际输出。

2.PLC的器件与器件编号

为了便于阅读，C表示计数器，M表示辅助继电路，并给每种器件以特定的编号。不同型号的PLC，器件的编号会有所不同，具体参考产品手册。

图5.4.10所示各图为T、C、M等器件的功能示意图。图5.4.10（a）中，当触点X400接通后，定时器T450要延时5.5s（图中K值×0.1s）才能使它的动合触点闭合、动断触点打开，它们分别去接通Y430的线圈和断开Y431的线圈。图5.4.10（b）中，当触点X411闭合4次，即输入4个计数脉冲时，计数器C461（计数设定值K为4）动作，触点C46闭合，将Y430线圈接通。此后若触点X410动作（即输入复位信号），则计数器复位，触点C461断开，计数器恢复计数设定值。图5.4.10（c）中，当辅助继电器线圈M100有电时，其触点动作。辅助继电器的作用是在PLC内部传递信号。

3.基本逻辑指令 三菱公司的F1系列共提供20条基本指令，现将其中的一部分说明如下： 　　（1）LD，LDI，OUT LD：取指令。用于常闭触点与母线连接。 LDI：取反指令。用于常闭触点与母线连接。 OUT：线圈驱动指令。用于将逻辑运算的结果去马铃薯动一个指定的线圈。 以上三条指令使用方法如图5.4.11所示。 　　（2）AND，ANI AND：适用于和接点串联的常开触点，如图5.4.12图中X401常开触点。 ANI：适用于和接点串联的    常闭触点，如图5.4.12图中X403常闭触点。 　　（3）OR，ORI OR：适用于和接点并联的常开触点，如图5.4.13图中X401常开触点。 ORI：适用于和接点并联的常闭触点，如图5.4.13图中X403常闭触点。 　　（4）S,R S：置位指令；R：复位指令。 S与R指令用于线圈的自保持功能，相当于一个RS触发器，其中S为置位端使线圈接通，R为复位端使线圈断电，指令使胜方法如图5.4.14所示。

　　　

　　　　　　　　        5.4.3　PLC的应用举例

1. 启动、保持和停止电路

在前面已经介绍过三相异步电动机的接触器自锁控制电路，若采用PLC进行控制，该电路所对应的梯形图画在图5.4.15中。图中的起动信号X410和停止信号X411持续的时间一般很短，这种信号称为短信号。该电路最主要的特点是具有“记忆”功能，当启动信号X410变为“1”状态时，Y430的线圈“通电”。它的常闭触点同时接触。X410变为“0”状态后。“概念电流”经Y430的闭和触点流过它的线圈，这就实现了所谓的自锁或自保功能。当X411为“1”的状态时，停止条件满足，X411的常闭触点断开，使Y430的线圈“断电”，以后即使X411的动断触点恢复接通状态，Y430仍然为“0”状态。

在实际电路中，起动信号和停止信号可能是由多个触点组成的串、并联电路提供的。

2. 三相异步电动机正反转控制电路

图5.5.16是异步电动机正反转控制的主电路和继电器控制电路，图5.4.17是功能与图5.4.16中的控制电路相同的PLC控制系统的外部接线图和梯形图，其中KM1和KM2分别是控制正转运行和反转运行的交流接触器。图5.4.16中用KM1和KM2的主触点改变进入电动机的三相电源的相序，即可改变电动机的旋转方向。图中的FR是热继电器，在电动机过载时，它的动断触点断开，使KM1和KM2的线圈断电。

梯形图中用两个起（动）保（持）停（止）电路来分别控制电动机的正转和反转。按下正转起动按钮SB2，X400接通，Y430线圈得电并自保持，使KM1线圈通电，电机开始正转运行。按下停止按钮SB1，X402为“1”状态，其动断触点断开，使Y430线圈失电，电动机停止运行。

在梯形图中，将Y430和Y431的动断触点分别与对方的线圈串联，可以保证它们不会同时为“1”状态，因此KM1和KM2的线圈不会同时通电，这种安全措施在继电接触器电路中称为“互锁”。除此之外，为了方便操作和保证Y430、Y431不会同时为“1”状态，在梯形图中还设置了所谓的“按钮联锁”，即将反转起动按钮控制的X401的常闭触点与正转输出继电器Y430的线圈串联，将正转起动按钮控制的X400的常闭触点与控制反转的Y431的线圈串联。设Y430接通，电动机正转，这时如果想改为反转运行，可以不按停止按钮SB1，直接按反转起动按钮SB3，X401变为“1”状态，它的常闭触点断开，使Y430线圈失电，同时它的常开触点接通，使Y431接通，电机由正转变为反转。

梯形图中的互锁电路只能保证PLC内与Y430、Y431对应的硬件继电器的常闭触点不会同接通，如果因主电路电流过大或接触器质量不好，某一接触器的主触点被电弧熔焊，其线圈断电后主触点仍然是接通的，这时如果另一接触器线圈通电，仍然造成三相电源短路事故。为了防止出现这种情况，应在PLC外部设置由KM1和KM2的辅助常闭触点组成的硬件互锁电路（见图5.4.16）假设KM1的主触点补电弧熔焊，这时它的与KM2线圈串联的辅助常闭触点处于断开状态，因此KM2的线圈不可能得电。

3.长延时电路

图5.4.18是由定时器和计数器组合而成的长延时电路。当X400接通，其常开触点闭合，使T450开始计时，100s后，T450常开触点闭合，作为C460的计数输入，而T450的常闭触点使T450自复位。待下一扫描时，T450又接通定时，因此T450的常开触点每隔100s闭合一次，每次接通的时间为一个扫描周期。而计数器C460则对这个脉冲计数，当计数150次时，C460的常开触点闭合，使Y430线圈接通。因此从X400接通到Y430输出，总的延时时间为定时器和计数器设定值的乘积。

T=100×150=15000s

图中M71用于动行开始对C460复位。