第1章微机原理与接口技术实用教程

第一章可编程控制器概述可编程控制器(简称ＰＬＣ或ＰＣ)，是随着现代社会生产的发展和技术进步，现代工业生产自动化水平的日益提高及微电子技术的飞速发展，在继电器控制的基础上产生的一种新型的工业控制装置，是将微型计算机技术、自动化技术及通信技术融为一体，应用到工业控制领域的一种高可靠性控制器，是当代工业生产自动化的重要支柱。本章主要介绍以下内容：lPLC的产生、定义、分类。lPLC的特点和主要功能。lPLC与继电器控制系统的比较。lPLC与其他通用控制器（DCS、PID、IPC）的比较。lPLC的应用现状。lPLC的发展趋势。本章的重点掌握PLC的特点和主要功能，梯形图与继电器控制线路的联系和差别，PLC与其它通用控制器的异同及适用范围，了解PLC的发展趋势。1.1可编程控制器的产生、定义和分类一、可编程控制器的产生二、可编程控制器的定义三、可编程控制器的分类一、可编程控制器的产生在可编程序控制器问世以前，工业控制领域中是以继电器控制占主导地位的。对生产工艺多变的系统适应性差，一旦生产任务和工艺发生变化，就必须重新设计，并改变硬件结构。1968年，美国通用汽车公司(GM公司)为了在每次汽车改型或改变工艺流程时不改动原有继电器柜内的接线，降低成本，缩短开发周期，而提出了研制新型逻辑顺序控制装置，并提出了10项招标技术指标。其主要内容如下：GM十条1.编程简单，可在现场方便地编辑及修改程序；2.价格便宜，其性能价格比要高于继电器控制系统；3.体积要明显小于继电器控制柜；4.可靠性要明显高于继电器控制系统；5.具有数据通信功能；6.输入可以是AC115V。7.输出为AC115V，2A以上。8.硬件维护方便，最好是插件式结构。9.扩展时，原有系统只需做很小改动。10.用户程序存储器容量至少可以扩展到4K。一九六九年，美国数字设备公司(DEC)根据上述要求研制出世界上第一台可编程控制器，型号为PDP-14，并在GM公司的汽车生产线上首次应用成功，取得了显著的经济效益。当时人们把它称为可编程序逻辑控制器(ProgrammableLogicController，简称ＰＬＣ)。随着微电子技术的发展，七十年代中期以来，由于大规模集成电路(LSI)和微处理器在ＰＬＣ中的应用，使ＰＬＣ的功能不断增强，它不仅能执行逻辑控制、顺序控制、计时及计数控制，还增加了算术运算、数据处理、通信等功能，具有处理分支、中断、自诊断的能力，使ＰＬＣ更多地具有了计算机的功能。可编程控制器这一新技术的出现，受到国内外工程技术界的极大关注，纷纷投入力量研制。第一个把ＰＬＣ商品化的是美国的哥德公司(GOULD)，时间也是1969年，型号为084。1971年，日本从美国引进了这项新技术，研制出日本第一台可编程控制器DSC-8。1973～1974年，德国和法国也都相继研制出自己的可编程控制器，德国西门子公司(SIEMENS)于1973年研制出欧洲第一台ＰＬＣ，型号为SIMATICS4。我国从1974年开始研制，1977年开始工业应用。二、可编程控制器的定义1980年，美国电气制造商协会(NEMA)将可编程控制器正式命名为ProgrammableController，简称为ＰＣ。关于可编程控制器的定义，因其仍在不断的发展，所以国际上至今还未能对其下最后的定义。1980年，NEMA将可编程控制器定义为：“可编程控制器是一种带有指令存储器，数字的或模拟的输入／输出接口，以位运算为主，能完成逻辑、顺序、定时、计数和算术运算等功能，用于控制机器或生产过程的自动控制装置。”1985年1月，国际电工委员会(IEC)在颁布可编程控制器标准草案第二稿时，又对ＰＬＣ作了明确定义：“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算和顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的或模拟的输入和输出接口，控制各种类型的机器设备或生产过程。可编程控制器及其有关设备的设计原则是它应按易于与工业控制系统联成一个整体和具有扩充功能。”该定义强调了可编程控制器是“数字运算操作的电子系统”，它是一种计算机，它是“专为工业环境下应用而设计”的工业控制计算机虽然可编程控制器的简称为ＰＣ，但它与近年来人们熟知的个人计算机(PersonalComputer，也简称为ＰＣ)是完全不同的概念。为加以区别，国内外很多杂志以及在工业现场的工程技术人员，仍然把可编程控制器称为ＰＬＣ。为了照顾到这种习惯，在后续章节的介绍中，仍称可编程控制器为ＰＬＣ。三、可编程控制器的分类1．根据Ｉ／Ｏ点数分类⒉根据结构形式分类⒊根据用途分类4．根据生产厂家分类1．根据Ｉ／Ｏ点数分类（1）微型机Ｉ／Ｏ点数(总数)在64点以下，内存容量为256B～1KB。（2）小型机Ｉ／Ｏ点数(总数)在65～128点之间，内存容量为1～3.6KB。（3）中型机Ｉ／Ｏ点数在129～512点之间，内存容量为3.6～13KB。（4）大型机Ｉ／Ｏ点数在513～896点之间，内存容量为13K。（5）巨型机Ｉ／Ｏ点数大于896，内存容量大于13K，称为巨型机。上述划分方式并不十分严格，也不是一成不变的。随着PLC的发展，划分标准已经有过多次修改。⒉根据结构形式分类（1）整体式一般的微型机和小型机多为整体式结构。这种结构ＰＬＣ的电源、ＣＰＵ、Ｉ／Ｏ部件都集中配置在一个箱体中，有的甚至全部装在一块印刷电路板上。（2）模板式这种形式的ＰＬＣ各部分以单独的模板分开设置，如电源模板、ＣＰＵ模板、输入模板、输出模板及其它智能模板等。这种ＰＬＣ（如S7-400）一般设有机架底板，在底板上有若干插槽，使用时，各种模板直接插入机架底板即可。也有的ＰＬＣ（如S7-300）为串行联接，没有底板，各个模板安装在机架导轨上，而各个模板之间是通过背板总线连接的。这种结构的ＰＬＣ配置灵活，装备方便，维修简单，易于扩展，可根据控制要求灵活配置所需模板，构成功能不同的各种控制系统。一般中型机、大型机和巨型机ＰＬＣ均采用这种结构。模板式ＰＬＣ的缺点是结构较复杂，各种插件多，因而增加了造价。（3）分散式所谓分散式的结构就是将可编程控制器的ＣＰＵ、电源、存储器集中放置在控制室，而将各Ｉ／Ｏ模板分散放置在各个工作站，由通信接口进行通信连接，由ＣＰＵ集中指挥。⒊根据用途分类（1）用于顺序逻辑控制（2）用于闭环过程控制（3）用于多级分布式和集散控制系统（4）用于机械加工的数字控制和机器人控制（1）用于顺序逻辑控制早期的可编程控制器主要用于取代继电器控制电路，完成如顺序、联锁、计时和计数等开关量的控制，因此顺序逻辑控制是可编程控制器的最基本的控制功能，也是可编程控制器应用最多的场合。比较典型的应用如自动电梯的控制、自动化仓库的自动存取、各种管道上的电磁阀的自动开启和关闭、皮带运输机的顺序起动，或自动化生产线的多机控制等，这些都是顺序逻辑控制。要完成这类控制，不要求可编程控制器有太多的功能，只要有足够数量的Ｉ／Ｏ点即可，因此可选用低档的可编程控制器。（2）用于闭环过程控制对于闭环控制系统，除了要用开关量Ｉ／Ｏ点实现顺序逻辑控制外，还要有模拟量的Ｉ／Ｏ点，以供采样输入和调节输出，实现过程控制中的ＰＩＤ调节，形成闭环过程控制系统。而中期的可编程控制器由于具有数值运算和处理模拟量信号的功能，可以设计出各种ＰＩＤ控制器。现在随着可编程控制器控制规模的增大，ＰＬＣ可控制的回路数以从几个增加到几十个甚至几百个，因此可实现比较复杂的闭环控制系统，实现对温度、压力、流量、位置、速度等物理量的连续调节。比较典型的应用如：连轧机的速度和位置控制、锅炉的自动给水，加热炉的温度控制等。要完成这类控制，不仅要求可编程控制器有足够数量的Ｉ／Ｏ点，还要有模拟量的处理能力，因此对ＰＬＣ的功能要求高，根据能处理的模拟量的多少，至少应选用中档的可编程控制器。（3）用于多级分布式和集散控制系统在多级分布式和集散控制系统中，除了要求所选用的可编程控制器具有上述功能外，还要求具有较强的通信功能，以实现各工作站之间的通信、上位机与下位机的通信，最终实现全厂自动化，形成通信网络。由于近期的ＰＬＣ都具有很强的通信和联网功能，建立一个自动化工厂已成为可能。显然，能胜任这种工作的可编程控制器为高档ＰＬＣ。（4）用于机械加工的数字控制和机器人控制机械加工行业也是ＰＬＣ广泛应用的领域，可编程控制器与CNC(ComputerNumberControl)技术有机地结合起来，可以进行数值控制。由于ＰＬＣ的处理速度不断提高和存储器容量的不断扩大，使CNC的软件不断丰富，用户对机械加工的程序编制越来越方便。随着人工视觉等高科技技术的不断完善，各种性能的机器人相继问世，很多机器人制造公司也选用ＰＬＣ作为机器人的控制器，因此ＰＬＣ在这个领域的应用也将越来越多。4．根据生产厂家分类比较有代表性：德国西门子(SIEMENS)公司的S5系列、S7系列。日本欧姆龙(OMRON)公司的C系列。三菱(MITSUBISHI)公司的FX系列。日本松下(PANASONIC)公司的FP系列。法国施耐德（SCHNEIDER）公司的TWIDO系列。美国通用电气(GE)公司的GE-FANUC系列。美国A-B公司的ＰＬＣ-5系列。1.2可编程控制器的特点及主要功能一、可编程控制器的一般特点可编程控制器的种类虽然千差万别，但为了在工业环境中使用，它们都有许多共同的特点：1．抗干扰能力强，可靠性极高工业生产对电气控制设备的可靠性的要求是非常高的，它应具有很强的抗干扰能力，能在很恶劣的环境下(如温度高、湿度大、金属粉尘多、距离高压设备近、有较强的高频电磁干扰等)长期连续可靠的工作，平均无故障时间(MTBF)长，故障修复时间短。而PLC是专为工业控制设计的，能适应工业现场的恶劣环境。可以说，没有任何一种工业控制设备能够达到可编程控制器的可靠性。在硬件方面，首先是选用优质器件，采用合理的系统结构，加固简化安装，使它能抗振动冲击。对印刷电路板的设计、加工及焊接都采取了极为严格的工艺措施。对于工业生产过程中最常见的瞬间强干扰，采取的措施主要是采用隔离和滤波技术。PLC的输入和输出电路一般都用光电耦合器传递信号，作到电浮空，使CPU与外部电路完全切断了电的联系，有效地抑制了外部干扰对PLC的影响。在PLC的电源电路和Ｉ／Ｏ接口中，还设置多种滤波电路，除了采用常规的模拟滤波器(如LC滤波和Π型滤波)外，还加上了数字滤波，以消除和抑制高频干扰信号，同时也削弱了各种模板之间的相互干扰。。用集成电压调整器对微处理器的＋5伏电源进行调整，以适应交流电网的波动和过电压、欠电压的影响。在PLC内部还采用了电磁屏蔽措施，对电源变压器、CPU、存储器、编程器等主要部件采用导电、导磁良好的材料进行屏蔽，以防外界干扰。在软件方面，PLC也采取了很多特殊措施，设置了警戒时钟WDT(WatchingDogTimer)，系统运行时对WDT定时刷新，一旦程序出现死循环，使之能立即跳出，重新起动并发出报警信号。还设置了故障检测及诊断程序，用以检测系统硬件是否正常，用户程序是否正确，便于自动地做出相应的处理，如报警、封锁输出、保护数据等。当PLC检测到故障时，立即将现场信息存入存储器，由系统软件配合对存储器进行封闭，禁止对存储器的任何操作，以防存储信息被破坏。这样，一旦检测到外界环境正常后，便可恢复到故障发生前的状态，继续原来的程序工作。这些有效的措施，保证了可编程控制器的高可靠性。2．编程简单方便可编程控制器的设计是面向工业企业中一般电气工程技术人员的，它采用易于理解和掌握的梯形图语言，以及面向工业控制的简单指令。这种梯形图语言既继承了传统继电器控制线路的表达形式(如线圈、接点、常开、常闭)，又考虑到工业企业中的电气技术人员的读图习惯和微机应用水平。因此，梯形图语言对于企业中熟悉继电器控制线路图的电气工程技术人员是非常亲切的，它形象、直观，简单、易学，尤其是对于小型PLC而言，几乎