.1.1可编程控制器的发展
在现代化生产过程中，许多机械设备、冶金设备、自动生产线均需要配备电气控制装置。例如，电动机的可逆控制、液压系统的电磁阀控制、大容量异步电机的Y/Δ启动控制、皮带运输机的连锁控制、组合机床的协调控制以及机器人的自动控制，等等。控制设备的输入信号以按钮开关、主令开关、行程开关、时间继电器、压力继电器、温度继电器或过流过压继电器为主，输出信号以接触器、中间继电器或电磁阀为主。这些信号只有两种工作状态，即闭合与断开，称为开关量信号，也可以用数字0或1表示元件的工作状态，称为数字信号或逻辑信号。

以往的电气控制装置主要采用继电器、接触器或分离的电子元件来实现，叫做继电接触控制电路。这种电气装置体积大，生产周期长，费工费时，接线复杂，焊点多，故障率高，可靠性差。其控制功能略加变动，就需要重新进行硬件组合、改变接线或增加元件。由于生产的飞速发展，人们对这些自控装置提出了更通用、更灵活、更经济和更可靠的要求，采用固定接线完成固定控制功能的装置显然不能适应这种要求。
随着电子工业的发展，一些可编程序的控制设备相继问世，如可编程序顺序控制器(Programmable Sequence Controller，PSC)或可编程序矩阵控制器(Programmable Matrix Controller，PMC)。它们均可以通过改变控制板接线或二极管的物理位置来修改系统的控制功能，同继电接触控制电路相比，虽然其进步较大，但由于编程繁琐，对操作人员的技术水平要求较高以及控制功能比较弱等原因，应用场合受到限制。当时计算机控制技术已开始应用到工业控制领域，但由于计算机技术复杂、编程很不方便、价格较昂贵等原因，未得到广泛应用。
1968年，美国通用汽车(GM)公司为了适应汽车型号不断翻新的要求，想寻找一种方法，以尽可能地减少重新设计继电接触控制系统和接线，降低成本，缩短生产周期。设想把计算机功能完善、灵活、通用等优点与继电接触控制系统的简单易懂、操作方便、价格便宜的优点结合起来，制成一种通用控制装置，并把计算机的编程方法和程序输入方式加以简化，用面向控制过程、面向问题的“自然语言”进行编程，使得不熟悉计算机的人也能方便地使用，为此他们提出了10点招标指标。
1969年，美国DEC公司研制出{dy}台可编程控制器，用在GM公司的生产线上，并
获得成功。该设备主要用于顺序控制，只能进行逻辑运算，故称为可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller，PLC)。
从此，这项新技术迅速发展起来，世界各国相继引进、研制、开发，使其功能更加完善，应用更加广泛。我国从1974年开始试制可编程逻辑控制器，1977年投入工业运行。进入20世纪80年代，随着微电子技术和计算机技术的迅猛发展，可编程控制器逐步形成了具有特色的系列产品，其功能远远超出逻辑控制、顺序控制的应用范围，故称之为可编程控制器(Programmable Controller，PC)。由于PC容易和个人计算机(Personal Computer)混淆，所以我们沿用PLC作为可编程控制器的英文缩写。
可编程控制器出现后，其名称很不一致，为此国际电工委员会(IEC)于1982年11月颁布了可编程控制器标准的草案{dy}稿，1985年1月发布了第二稿，对可编程控制器作了如下规定： “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。它采用可编程的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。”
同计算机的发展类似，目前PLC正朝着两个方向发展。





1. 小型化
发展简易、经济、超小型机型，以适应单机控制和“机电一体化”。
发展小型PLC，其目的是为了占领广大的、分散的、中小型的工业控制场合，使PLC不仅成为继电器控制柜的替代物，而且超过继电器控制系统的功能。小型、超小型、微小型PLC不仅便于机电一体化，也是实现家庭自动化的理想控制器。小型PLC向着简易化、体积小、功能强、价格低的方向发展。随着PLC技术提高，目前已将原有大、中型PLC的功能移植到小型机上，使之具有灵活的组态特性。例如西门子公司的LOGO!通用逻辑模块就是一种微小型的PLC。它采用整体式结构，集成有控制功能、操作和显示单元、电源、I/O接口、扩展接口、通信接口等，可用于小型工业控制领域。配置ASi现场总线通信模块后，还可实现对现场控制设备和控制过程。LOGO!以其通用性好、可靠性高、功能多、体积小、使用方便、价格便宜而受到用户的青睐。
2. 大型化
PLC为适应大规模控制系统的需求，朝着大型化、复杂化、高性能化、多层分布式工厂全自动网络化方向发展。大型PLC自身向着大存储容量、高速度、高性能、增加I/O点数的方向发展，主要表现在以下几个方面。
（1） 增强网络通信功能
PLC将具有计算机集散控制系统(DCS)的功能。网络化和强化通信能力是PLC的一个重要发展趋势。PLC构成的网络将有多个PLC、多个I/O模块相连，并可与工业计算机、以太网等结合，构成整个工厂的自动控制系统。现场总线(field bus)技术在工业控制中将会得到越来越广泛的应用。现场总线及智能化仪表的控制系统(Field bus Control System，FCS)将逐步取代DCS。PLC采用了计算机信息处理技术、网络通信技术和图形显示技术，使得PLC系统的生产控制功能和信息管理功能融为一体，满足现代化大生产的控制与管理的需要。
（2）  发展智能模块
为了满足特殊功能的需要，各种智能模块层出不穷。例如，通信模块、位置控制模块、闭环控制模块、模拟量I/O模块、高速计数模块、数控模块、计算模块、模糊控制模块和语言处理模块等。
（3）  提高外部故障诊断功能
PLC广泛应用了自诊断技术、冗余技术、容错技术，不断提高其可靠性。同时，PLC不断提高外部诊断功能。由于PLC系统的80％故障发生在外围，能快速、准确地诊断故障将大大减少维修时间和提高开机率。另外，还研制了故障检测程序，并发展了公共回路远距离诊断和网络诊断技术。
（4）  编程语言、编程工具标准化、高级化
梯形图以其直观、形象、简单等特点为广大用户所熟悉和接受。随着PLC功能的增强，梯形图一统天下的局面将被打破，符合IEC 1131标准的顺序功能图(SFC)标准化语言、高级语言(BASIC、PASCAL、C、FORTRAN等)将更多地得到应用。
编程已从手持式编程器发展为近期清一色的个人计算机(PC)编程，而且，将出现通用的、功能更强的组态软件，进一步改善开发环境，提高开发效率。
（5）  编程组态软件发展迅速
在集散控制系统中，上位计算机主要完成数据通信、网络管理、人机界面(HMI)和数据处理的功能。数据的采集和设备的控制一般由PLC等现场设备完成。通过网络低层的PLC可以与上位机通信，上位机也能直接经PLC去控制执行机构。配备数据采集系统、数据分析系统、彩色图像系统的操纵台，可以管理和控制生产线、生产流程、生产车间或整个工厂，实现自动化工厂的全面要求。
总之，PLC控制将成为当前和今后工业控制的主要手段和重要的基础控制设备之一。在未来的工业生产中，PLC技术、机器人和CAD/CAM技术，将成为实现工业生产自动化的三大支柱。



1.1.2可编程控制器的主要特点
可编程控制器是以微处理器作为控制核心，综合了计算机与自动化技术而开发的新型工业控制器，它具备许多特点。这些特点和它独特的软、硬件设计密切相连，简单介绍如下。
1. 抗干扰能力强，可靠性高
工业生产的特定环境要求控制设备具有极强的抗干扰能力，能在恶劣的电气环境中稳定工作，对可靠性要求很高。如核电站、化工生产、轧钢设备、高炉控制等，均要求自动控制系统具有很高的平均无故障率和很短的修复时间。
PLC在硬件上采用屏蔽技术来减少空间电磁干扰； 使用滤波方法滤除线路干扰，削弱各种模块之间的相互影响； 选用光电耦合器件隔离输入与输出间的电联系，避免了PLC的误动作； 采用模块化结构，缩短平均修复时间。在软件方面，PLC增加了很多自检、自诊断环节，实时监测输入/输出接口的工作状态，确保数据的准确性。另外，PLC还配备了软件狗，当软件运行超过规定的扫描时间时，将终止工作。设计了数据保护和恢复环节，当PLC检测到故障时，立即把状态信息保存起来，并以软、硬件配合对内存进行封锁，防止内容破坏； 待外部故障xx后，再将状态信息恢复，转入正常的工作状态。通常PLC的平均无故障时间可达几万小时以上，有的达几十万小时。某些PLC的生产厂家甚至宣布，今后它生产的PLC产品不再标明可靠性这一指标，因为能称得上PLC名称的产品，其可靠性必定是高的。
2. 编程简单，使用方便
PLC采用继电接触控制形式的梯形图进行编程，这种方法既继承了传统控制线路清晰直观的优点，又兼顾了大多数现场人员的读图习惯及计算机的应用水平，容易被电气、自控人员所接受，有利于在工矿企业中普及、推广。
PLC采用模块化结构，可根据工艺要求进行组合，系统构成十分灵活。由于其内部不需要接线，外部接线简单，所以安装非常方便。PLC的输入/输出信号均由发光管提示，工作状态一目了然，出了故障很容易判断，维修方便。另外，其控制软件可以复制，编制一套程序可供相同控制性能的系统采用。
3. 功能齐全，应用广泛
可编程控制器与继电接触控制系统相比，控制方式由硬件接线改为软件控制，控制功
能由简单的逻辑控制变为能完成复杂数学运算的直接数字控制系统，可进行较复杂的生产
过程控制。PLC的联网、通信能力很强，可一对一通信，也可进行多台通信； 还可以组成局部环网，通过桥接，将成千上万的PLC、PC和各种外部设备组织在一个网内，使工业控制从单台设备的点扩大到多台设备的线，再发展到整个厂区的面，xx适应了当今计算机集成制造系统(CIMS)及智能化工厂发展的需求。
PLC在国内外已广泛应用到钢铁、采矿、石油、水泥、化工、电力、机械制造、造纸、纺织、娱乐、军事等各行各业。按应用类型它分为以下几种。
（1） 用于开关逻辑控制。这是PLC最基本的应用场合，用以取代继电接触控制装置，如机床电器、电机控制中心； 也可以取代顺序控制或程序控制，如高炉上料，仓库货物存取、运输和检测，电梯控制以及皮带运输机控制等系统。它主要用于单台设备控制、多机群控制以及生产线的自动化控制。
（2） 用于闭环过程控制。增加A/D、D/A模块，配合适当的PID软件，PLC可以执行
比例控制、PID控制和串联控制，用于锅炉、冷冻、反应堆、水处理和炉窑控制等； 还可以用于闭环的位置控制或速度控制，如连轧机、自动电焊机的控制等。
（3） 用于机械加工的数字控制。PLC能和机械加工中的数字控制(NC)及计算机数字控制装置(CNC)组成一体，实现数值控制，组成数控机床或加工中心。
（4） 用于机器人控制。可用一台PLC实现36轴机器人的控制，完成各种机械动作。
（5） 用于组成多级控制。通过网络系统实现全厂生产自动化。



1.1.3PLC的分类
1. 按PLC的控制规模分类
按控制规模，PLC可分为小型机、中型机和大型机。通常，小型机的控制点数小于256。小型机常用于单机控制和小型控制场合，在通信网络中常作为从站。例如，西门子公司的S7200 PLC就属于小型机。小型机中，控制点数小于64的为超小型机或微型PLC。中型机的控制点数一般在256～2048范围内，在通信网络中可作为主站也可作为从站。例如，西门子公司的S7300 PLC就属于中型机。大型机的控制点数都在2048以上，在通信网络中常作为主站。例如，西门子公司的S7400 PLC就属于大型机。以上分类没有十分严格的界限，随着PLC技术的飞速发展，这些界限会发生变化。
2. 按PLC的结构形式分类
PLC按结构形式可分为整体式、模块式和叠装式三类。
（1） 整体式PLC。整体式PLC将电源、CPU、I/O部件都集中在一个机箱内，其结构紧凑、体积小、价格低。一般情况下，小型PLC采用这种结构。整体式PLC由不同I/O点数的基本单元和扩展单元组成，一般配备有特殊功能单元，如模拟量单元、位置控制单元等，使PLC的功能得以扩展。
（2） 模块式PLC。模块式结构是将PLC各部分分成若干个单独的模块，如电源模块、CPU模块、I/O模块和各种功能模块。模块式PLC由机架和各种模块组成，模块插在机架内的插座上。模块式PLC配置灵活，装配方便，便于扩展和维修。一般的大、中型PLC宜采用模块式结构。例如，西门子公司的S7300 PLC和S7400 PLC采用模块式结构形式。
（3） 叠装式PLC。将整体式和模块式结合起来，构成叠装式PLC。它除了基本单元外还有扩展模块和特殊功能模块，配置比较方便。叠装式PLC集整体式PLC与模块式PLC的优
点于一身，它结构紧凑、体积小、配置灵活、安装方便。西门子公司的S7200 PLC采用叠装式结构形式。
1.2可编程控制器的内部结构及功能




1.2.1可编程控制器的系统组成
PLC分为小型机、中型机和大型机三种，本书仅介绍应用较普遍的小型机。这种机型多为整体式结构，由主箱体、扩展箱体、特殊模块单元、手持编程器和外部设备组成。仅用主箱体和手持编程器即可以实现对外控制，故主箱体也称为主机或CPU箱体。采用可编程控制器组成的控制装置如图11所示。


图11可编程控制装置的基本组成


从图中可以看出，可编程控制装置的硬件由四部分组成。
（1） 可编程主机。它是控制核心，完成数据采集，执行用户程序和启、停现场设备。
（2） 输入设备。指现场的检测设备，如按钮、选择开关、接触器接点等开关元件； 温度、流量、转速等模拟信号传感器； 也可以是输入数字信号的设备，如数控机床、计算机等。   
（3） 输出设备。它包括现场所有需要控制的电气设备，如接触器、信号灯、电磁阀等。
（4） 外部设备。可编程控制器在运行前，必须将用户编制的应用程序输入到内存，可以使用手持编程器或PC完成程序的编制、调试、修改和输入工作。手持编程器适合现场使用，而PC的编程功能完善，适合程序的初期编制。当程序正确无误时，PLC可以独立运行。其他设备可以根据需要选择。外部设备都通过电缆与PLC通信口相连接。




1.2.2可编程控制器的内部结构及功能

从图11可以看出，PLC的内部结构与计算机xx相同，它就是一台适合于工业现场使用的专用计算机。下面具体介绍各单元的作用。   
1. 中央处理单元CPU
与普通计算机一样，CPU是系统的核心部件，由大规模或超大规模的集成电路微处理芯片构成，主要完成运算和控制任务，可以接收并存储从编程器输入的用户程序和数据。进入运行状态后，CPU用扫描的方式接收输入装置的状态或数据，从内存逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令规定产生相应的控制信号。CPU可以分时、分渠道地执行数据的存取、传送、比较和变换等处理过程，完成用户程序所设计的逻辑或算术运算任务，并根据运算结果控制输出设备的启、停或进行数据通信。PLC中所使用的CPU多为8位字长的单片机。为增加控制功能和提高实时处理速度，16位或32位单片机也在高性能PLC设备中使用。
2. 存储器   
按照物理性能，存储器可以分为两类，即随机存储器(RAM)和只读存储器(ROM)。
PLC系统中的存储器配有系统程序存储器和用户程序存储器。
（1） 系统程序存储器
系统程序存储器用于存放PLC生产厂家编写的系统程序。系统程序相当于个人计算机的操作系统，它关系到PLC的性能。系统程序包括PLC自身控制的监控程序、用户梯形图的解释程序以及功能子程序等，这些程序必须固化，即每次上电可以立即执行，一般采用只读存储器。这种存储器中的数据能够长期保存，但使用前要将数据装入，运行时数据不能修改。只读存储器有多种型号，使用方法也各不相同。
① 掩膜ROM。这种ROM在工厂生产时，用掩膜技术将程序写入，成本低，不能更改。
② 可编程PROM。这种ROM可以由用户编程，将数据一次性写入，也不能再更改。
③ 可擦除可编程EPROM。这种ROM用户可以编程使用，若需要修改，可用紫外线灯光对芯片进行照射，程序即被擦除，然后可重新写入。由于使用方便，得到广泛应用。
④ 电擦除可编程EEPROM。这种ROM与EPROM一样，用户可以编程及修改，由于它不用紫外线光，而采用电擦除，所以可以在线编程，使用更方便、灵活。在PLC设备中，常采用这种ROM固化系统程序或用户程序。通过外部编程器修改系统程序可以改进PLC控制性能，用它存储用户程序能避免后备电池失效时对系统运行的影响。
（2） 用户程序存储器
用户程序存储器可分为三部分： 用户程序区、数据区、系统区。
用户程序区用于存放用户经编程器输入的应用程序。为了调试和修改方便，总是先把用户程序存放在随机读写存储器RAM中，经过运行考核，进行修改完善，达到设计要求后，再把程序固化到EPROM中，替代RAM使用。
数据区用于存放PLC在运行过程中所用到的和生成的各种工作数据。数据区包括输入、输出数据映像区，定时器、计数器的预置值和当前值的数据等。
系统区主要存放CPU的组态数据，例如，输入/输出组态、设置输入滤波、脉冲捕捉输出表配置、定义存储区保持范围、模拟电位器设置、高速计数器配置、高速脉冲输出配置、通信组态等。这些数据是不断变化的，但不需要长久保存，因此采用随机读写存储器RAM。
随机存储器与数字电路中的触发器很相似，每位可以代表一个二进制数，在刚开始工作时，它的状态是随机的，只有经过置“1”或清“0”的操作后，它的状态才确定。若关断电源，状态又丢失。这种存储器可以进行读、写操作，主要用来存储用户编制的梯形图，输入/输出状态，计数、计时值以及系统组态参数。为防止断电后数据丢失，可采用后备电池进行数据保护，一般可以保存1~5年，当电池电压降低时，欠压指示灯发光，提醒用户更换电池。
存储器容量用K表示，1K等于1024个内存单元。和一般微机不同，PLC中的每个用户存储单元包括16位二进制数。
3. 输入接口电路
可编程控制器的控制对象是工业生产设备或工业生产过程，它的工作环境是工业现场，它与工业生产过程的联系是通过输入/输出(I/O)接口模板实现的。
通过输入接口可以检测被控对象或被控生产过程的各种参数，其主要作用有两个。
（1）  接收、转换输入信号。能够连接可编程控制器的输入设备很多，输入信号也是各种各样的。有使用交流220V的强电设备，如按钮开关、切换开关、接触器辅助触点； 也有使用12V或24V直流电源的限位开关、传感器； 还有计算机或测试设备输入的直流5V信号。输入接口可以将上述信号转换成标准的逻辑电平供CPU采集。

（2） 隔离、滤波。为xx输入设备对PLC的电磁干扰，输入接口采用由光电耦合器构成的隔离电路。光电耦合器的原侧是一个发光二极管，副侧为光电三极管，当二极管通电发光时，三极管基极受到光线照射而导通。由于两个器件之间有一定距离，所以电气联系被xx切除，提高了工作的可靠性。电路中加入了阻容滤波电路，进一步增强了抗干扰性能。
常用的输入接口电路如图12所示。


图12输入接口电路


4. 输出接口电路

CPU输出为标准的逻辑电压信号，为适应工业现场各种执行设备的需要，必须使用输出接口电路。输出也采用光电隔离并有三种方式，即继电器、晶体管和双向晶闸管。继电器输出适合低速、大功率负载； 高速、大功率负载则采用双向晶闸管； 高速、小功率负载可用晶体管。
常用的输出接口电路如图13所示。



图13输出接口电路


5. 输入/输出数据寄存器

输入/输出寄存器是在内存RAM区开辟的单元，用来存储输入设备和输出信号的状态信息。可编程控制器是以扫描方式循环工作的，首先采集输入设备状态，然后逐条解算用户程序，确定输出信号的控制状态，{zh1}进行输出。由于输入设备的变化是随机的，在PLC解算用户程序的过程中，如果输入信号状态改变，将发生逻辑混乱，程序无法正确运行。为避免上述情况发生，在采集输入设备状态后，将信息放到输入寄存器保存，以该状态作为输入参数解算用户程序，即使输入设备发生变化，输入寄存器的数据也不受影响。同样，在解算用户程序的过程中，将输出设备的状态变化先保存到输出寄存器中，解算结束后再一次性送到输出锁存器，经输出接口电路驱动设备运行。


1.3可编程控制器的工作原理




1.3.1可编程控制系统的硬件组成
可编程控制器的核心是单片计算机，它具有微机的许多特点，但其使用和工作方式与微机有很大不同。
图14所示是我们熟悉的异步电动机可逆控制电路。SB1是常闭按钮，SBF和SBR是常开
按钮，KM1和KM2是正反转控制接触器，KH为热继电器。可以将继电接触控制电路分为三部分，即按钮开关和热继电器为输入部分，接触器为输出部分，由连接导线确定的控制功能可称为逻辑部分。
用PLC取代继电接触控制，实现异步机可逆控制的硬件电路如图15所示。


图14异步机可逆控制电路




图15PLC可逆控制硬件电路 



可以看出，PLC控制电路同样由输入、输出和逻辑三部分组成。与继电接触控制电路相比，PLC将输入与输出xx隔离，逻辑功能由PLC实现。在继电接触控制电路中，输入信号直接控制输出，两者之间有密切的电气联系。在PLC控制电路中，输入和输出相对独立，输入信号的变化可以送到PLC，但输出电路的动作由PLC执行反映控制要求的用户程序来实现。因此，在硬件电路不变的情况下，向PLC输入不同的用户程序，可实现不同的控制功能。
由于输入电路的作用是向PLC送信息，故开关元件的选择不受原继电接触控制电路的限制。例如，在图14中，停机按钮SB1必须采用常闭按钮，启动按钮SBF、SBR应选用常开按钮，否则不能正常工作。而在图15中，按钮只反映命令状态，可以选常开，也可以选常闭。再如，在图14中，逻辑部分是用导线把主令开关、辅助接点、继电器和接触器等物理器件适当连接实现的，辅助接点的数量和常开、常闭功能由逻辑设计决定，当接触器的辅助接点不足时，需要增加中间继电器。
在PLC中，逻辑功能由软件实现，为了保证在CPU解算用户程序时输入/输出数据的稳定，在PLC的工作数据存储区开辟有输入/输出数据映像区，用地址固定的内存单元表示同一编号的输入/输出设备，实质上是存储器中的每一位触发器，也称为“软继电器”。解算用户程序运行时，CPU仅读取“软继电器”的状态。因此，触点的状态和数量均不受限制，这不仅使编程灵活，而且避免了复杂接线。软继电器xx磨损，既减少了故障点，又提高了系统的可靠性。




1.3.2可编程控制器的编程语言
PLC的突出优点是硬件简单，使用灵活，由用户程序确定控制功能。运行前要用编程器将用户程序送入存储器。编程语言有梯形图语言、指令表(助记符)语言、流程图语言和布尔代数语言，常用的是前两种。
1. 梯形图语言   
PLC的设计宗旨是方便现场人员的应用，使微机控制技术得到推广和普及。因此，大多数的PLC采用继电接触控制形式的“梯形图”编程方式。这种面向生产过程的编程方式既继承了传统控制电路的清晰直观感，又照顾到大多数人的读图习惯。图16所示是异步机可逆控制电路使用的梯形图。可以看出，其图形结构与图14xx一致。梯形图编程的特点为：
（1） 梯形图逻辑易于初学者使用。
（2） 图形表示法易于理解，而且全世界通用。
（3） LAD编辑器以图形方式显示程序，与电气接线图类似。梯形图程序允许程序仿真来自电源的电流通过一系列逻辑输入条件，决定是否使能逻辑输出。程序包括左侧提供能流的能量线。闭合的触点允许能流经过并到达下一个元素，打开的触点会阻止能量的流动。
触点代表逻辑输入条件，例如开关、按钮或者内部条件等。
线圈表示逻辑输出结果，例如灯负载、电机启动器、中间继电器或者内部输出条件。
梯形图的编制对于不同型号的PLC略有差异，本书使用的是西门子公司的S7200系列PLC的编程规则。
图16中使用了如下三种梯形图符号：
—|  |—： 常开触点，可表示常开按钮，以及继电器、接触器的常开触点。
—|/|—： 常闭触点，可表示常闭按钮，以及继电器、接触器的常闭触点。
——（ ）： 输出线圈，可表示继电器、接触器等输出元件。


图16异步机可逆控制电路梯形图


运行前，先将梯形图装入PLC的存储器。合电后，两个接触器均不工作，相应的常开触点断开、常闭触点闭合。CPU先采集输入信号，将它们的状态存入输入寄存器，也就是输入设备映像区，然后执行梯形图。由于梯形图的解算是根据输入设备的映像进行的，所以在解算程序过程中，即使输入信号发生变化，也不会影响本次程序的运行，这就保证了系统的稳定性。若SBF按钮压合，则KMF线圈得电，CPU将输出映像区与KMF对应的触发器置“1”，梯形图中与KMF对应的触点状态取反，KMF常开触点自保，KMF常闭触点将KMR的梯形图切断，KMR线圈不通，KMR的触发器保持“0”状态，实现了电气连锁。整个梯形图解算完成后，CPU把输出映像区各触发器的状态同时送到锁存、驱动电路。此时，正转接触器KMF，也就是“硬接触器”KMF才真正闭合，电机开始正向运行。CPU重新采集输入信号，重复上述过程。
图16所示是为了和继电接触控制电路相比较而编写的非标准梯形图，图17所示才是实际使用的标准梯形图，两幅图的区别在于输入/输出图形的编号选择上。西门子公司S7200系列CPU 226型PLC输入/输出点(I/O点)的数量可由用户自行确定，但物理接点只有40个。它有24个开关量输入，编号是I0.0~I0.7、I1.0~I1.7和I2.0~I2.7； 它有16个开关量输出，编号为Q0.0~Q0.7、Q1.0~Q1.7。编写梯形图时，实际的输入/输出设备必须赋予{wy}的物理接点编号，称之为I/O分配表，如表11所示。


图17异步机可逆控制电路标准梯形图




表11I/O分配表



输入设备编号输出设备编号
停止按钮SB1I0.0正向线圈KMFQ0.0
正向按钮SBFI0.1反向线圈KMRQ0.1
反向按钮SBRI0.2
热继电器KHI0.3

只要严格遵循梯形图的编写规则，就可以设计所需的逻辑控制功能。
对于PLC控制灵活、方便的优点，人们通过实例已有所体会，但没有人会购买价格较高的PLC来改造一套异步机可逆控制系统。当系统复杂，如点数很多，I/O之间除逻辑关系外，还需要一些时间关系、时序关系、算术关系等，若用继电器的办法，就无法实现了。而PLC的梯形图中不仅有常规的按钮、继电器等开关元件，还有定时器、计数器，并且包括算术逻辑运算、数据传送、模拟量控制等功能。系统越复杂，PLC的优势越突出。
2. 助记符语言
用梯形图编程虽然直观、简便，但需要上位机或较大的显示器方可输入图形符号。一些小型机则选用助记符语言，它类似计算机中的汇编语言。助记符的设计与梯形图密切相关，可以很方便地将梯形图转换成助记符语言。PLC中最基本的运算是逻辑运算，故一般都有逻辑运算指令，如“与”、“或”、“非”等，这些指令再加上“输入”、“输出”、“结束”等指令就构成了PLC的基本指令。各厂家采用的基本指令使用的助记符有所区别。
本书重点介绍梯形图语言。读者要想进一步了解助记符语言的编程方法，请参考其他书籍或厂家提供的使用说明书。



1.3.3可编程控制器的工作过程
1. PLC的循环处理过程
PLC的结构与微机系统相同，控制原理却有较大区别。微机一般采用等待用户命令的工作方式，如常见的键盘扫描方式、I/O扫描方式或I/O中断方式。微机在有键按下或I/O动作时，转入执行相应的子程序，完成后继续扫描。PLC则采用循环扫描工作方式，其工作原理用图18所示的运行流程加以说明。


图18PLC工作流程图


PLC加电后，马上进行性能测试，查看系统配置内存区，检查配置参数是否正确，并在用户程序区查找用户梯形图。若无正确配置或没有安装用户程序，PLC停止运行，等待用户的编程操作。如果PLC停机前为运行方式，将立即进入逻辑扫描。
PLC首先采集输入设备的状态，并将输入信息存入映像区。然后，CPU开始解算用户的梯形图，根据运算结果修改输出映像区。梯形图的解算全部完成后，输出映像的数据送到输出锁存器，经驱动电路控制输出设备运行。当然，为了保证信号的可靠性，I/O信号的采集和更新过程中均加入了数字滤波、采样次数限定、数据有效性检查等技术措施。{zh1}，PLC要进行自诊断和通信端口的服务工作，若诊断正常，返回到输入设备状态采集模块，循环运行。
2. PLC的工作原理
下面用一个简单的例子来进一步说明PLC的循环工作过程。


图19PLC外部接线图与梯形图


在图19中，假设CPU的型号为CPU226。启动按钮SB1和停止按钮SB2的常开触点分别接在输入模块上I0.1和I0.2对应的输入端，接触器KM的线圈接在输出模块上Q0.0对应的输出端。热继电器KH(动作，其常闭触点断开)接在输入模块上I0.3对应的输入端。
图19所示梯形图中的I0.1、I0.2与I0.3是输入变量，Q0.0是输出变量。梯形图中的I0.1与输入映像位I0.1和接在对应的输入端子的SB1的常开触点相对应，梯形图中的Q0.0与输出映像位Q0.0和接在对应的输出端子的输出模块的输出电路相对应。
在读取输入模块阶段，CPU将SB1和SB2的常开触点的ON/OFF状态读入相应的输入映像位，外部触点接通时将二进制数1存入输入映像位，反之存入0。
执行完梯形图指令后，将前面逻辑运算的结果送入Q0.0的输出映像位。
在数据写入输出模块阶段，CPU将各输出过程映像位中的二进制数传送给输出模块，并由后者将数据锁存起来。如果输出过程映像位Q0.0中存放的是二进制数1，外接的KM线圈将通电，反之将断电。
3. 输入/输出滞后时间
从CPU采集输入信号开始，到自诊断结束，称为一个扫描周期。若输入变量在输入信号采集前发生改变，则在本次扫描期间，输出端也会相应地发生变化，或者说输出对输入产生了响应。反之，若在采集之后输入变量才发生改变，则本次扫描输出不变，即没有响应，而要到下一次扫描期间输出才会响应。由于PLC采用循环扫描工作方式，所以它的输出对输入的响应速度要受扫描周期的影响，也就是存在输入/输出有响应滞后现象。扫描周期的长短主要取决于CPU执行指令的速度、每条指令占用的执行时间和程序的长短。
输入/输出滞后时间又称为系统响应时间，是指PLC的外部输入信号发生变化的时刻至它控制的外部输出信号发生变化的时刻的时间间隔，它由输入电路滤波时间、输出电路的滞后时间和因扫描工作方式产生的滞后时间三部分组成。
输入模块的RC滤波电路用来滤除由输入端引入的干扰噪声，xx因外接输入触点动作时产生的抖动引起的不良影响。滤波电路的时间常数决定了输入滤波时间的长短，其典型值为10ms左右。
输出模块的滞后时间与模块的类型有关，继电器型输出电路的滞后时间一般在10ms左
右； 双向晶闸管型输出电路在负载通电时的滞后时间约为1ms； 负载由通电到断电时的{zd0}滞后时间为10ms； 晶体管型输出电路的滞后时间一般在1ms以下。
由扫描工作方式引起的滞后时间最长可达两三个扫描周期。
PLC总的响应延迟时间一般只有几毫秒到几十毫秒，对于一般的工业设备来说，响应速度不是主要的，循环扫描的工作方式可以避开瞬间脉冲干扰，增加了系统的抗干扰能力。但对于控制时间要求较严格、响应速度要求较快的系统，响应滞后现象不应忽略。要对响应时间做出xx的计算，精心编制程序，合理安排指令顺序，以尽可能减少扫描周期造成响应延时的不良影响。
1.4PLC与其他控制系统的比较
本章简单介绍了可编程控制器的结构和工作原理。当然，PLC实际的工作过程比这里讲的复杂得多，对于PLC应用的初学者，掌握上述内容，了解PLC的概貌后，应把重点放到梯形图的编制和实际应用方面。
这里再比较一下PLC与PC，梯形图与继电接触控制的异同点。
1. PLC与PC
PLC和PC都是以CPU为控制核心的微电子设备，它们具有相同的内部结构。
从微机应用范围来说，PLC是专用机，PC是通用机。
从工业控制角度来说，PLC是控制通用机，PC可做成某一控制设备的专用机。
PC是在以往的计算机与超大规模集成电路基础上发展起来的，它所追求的是极快的运算速度和数据处理能力，应用软件丰富、使用范围很广，从科学研究、国防军事领域，到办公自动化都离不开它，尤其是随着多媒体技术的成熟和全球Internet网的普及，PC的应用已渗透到社会、经济各个领域以及家庭中。所以说，PC是通用计算机。
PLC是由电气控制厂家应用计算机技术研究生产的，从开始就是针对工业顺序控制并逐步扩大应用范围而发展起来的，它编程简单，并可适应恶劣的工业环境。一般情况下，其平均无故障率可以达到几万小时，具有广泛的通用性。因此说，PLC是工业控制领域的通用机。
PLC的输入/输出响应速度慢，一般为毫秒级，在模拟量处理、回路调节方面能力较弱。而PC软件资源丰富，特别是有实时操作系统的支持。在要求快速、实时性强、数学模型复杂性高的场合，工业控制PC(简称工控机)得到了广泛的使用。工控机的组成与PCxx一致，在硬件结构方面其总线标准化程度高，品种兼容性强，并增加了I/O、A/D、D/A等模板，适合于工业现场的使用，可以作为控制系统使用的专用机。
以上的划分不是{jd1}的，因为社会生产是复杂的，生产对控制的要求多种多样，不可能开发出一种能满足各种要求的{wn}设备。所以，不论是PLC还是PC，在发展的过程中始终是相互渗透，互为补充。就自动化控制系统的发展趋势来看，人们将综合二者的优势，把它们有机地结合起来，开发出新型的计算机控制系统。
2. 梯形图与继电接触控制电路
梯形图的主要作用是将继电接触控制电路转换为PLC可执行的图形语言。两者有许多相同之处，如电路结构形式大致相同； 梯形图沿用了继电接触控制电路的元件符号； 输入信号对输出设备的控制功能相同。
PLC是一种新型控制设备，其工作原理与继电接触控制xx不同。所以，梯形图与继电控制也存在很大差异。
（1） 组成器件不同。继电器控制电路是由许多物理继电器，即“硬继电器”组成； 而梯形图由许多所谓的“软继电器”，也就是内存中的1位二进制单元所代表。“硬继电器”的触点易磨损，“软继电器”则无此现象。
（2） 梯形图中流过的“电流”不是物理电流，而是“能流”，它只能从左到右、自上而下流动。“能流”不允许倒流。“能流”到，线圈接通。“能流”是用户程序解算中满足输出执行条件的形象表示方式。“能流”流向的规定顺应了PLC的扫描，即自左向右、自上而下顺序地进行； 而继电器控制系统中的电流是不受方向限制的，导线连接到哪里，电流就可流到哪里。
（3） 工作方式不同。当电源接通时，继电接触控制电路中的各继电器都处于受约状态，即该吸合的继电器和它的辅助接点都同时动作，不应吸合的继电器都因受某些条件制约而不工作。在梯形图中，CPU按图形位置顺序解算，PLC还存在输入/输出响应滞后，这虽然克服了继电器控制电路中几个并列支路同时动作的缺点，但梯形图设计不当会产生动作紊乱的现象。
（4） 触点数量不同。继电接触控制电路中的继电器接点数量有限，一般为4~8对； 而在梯形图中，每只“软继电器”的触点数不受限制，因为存储器的状态可取任意次。
（5） 梯形图中的输出线圈不是物理线圈，不能用它直接驱动现场执行机构。输出线圈的状态对应输出映像寄存器相应位的状态，而不是现场电磁开关的实际状态。
（6） 编程方式不同。在继电器控制电路中，其逻辑功能包含在接线中，因此它功能专一，不灵活； 而梯形图的设计和编程简单，逻辑功能修改方便。


11可编程控制器由哪几部分组成?它有什么工作特点?
12输入/输出接口电路和输入/输出寄存器各有什么作用?
13扫描周期对控制系统有何影响?
14PLC使用几种编程方法?它们与计算机语言有什么不同?
15梯形图和继电接触控制电路图有何区别?
16简要说明PLC、PC和工业控制计算机各有何特点。




西门子公司的S7200 PLC是一种叠装式结构的小型PLC。它指令丰富、功能强大、可靠性高、适应性好、结构紧凑、便于扩展、性能价格比高。
S7200 PLC包含了一个单独的S7200 CPU和各种可选择的扩展模块，可以十分方便地组成不同规模的控制器。其控制规模可以从几点上到几百点。S7200 PLC可以方便地组成PLCPLC网络和微机PLC网络，从而完成规模更大的工程。
S7200的编程软件STEP 7Micro/WIN 32可以方便地在Windows环境下对PLC编程调试、监控，使得PLC的编程更加方便、快捷。可以说，S7200可以xx地满足各种小规模控制系统的要求。
2.1S7200 PLC系统的基本构成
S7200 PLC的基本开发环境是由基本单元(S7200 CPU模块)、个人计算机(PC)或编程器、STEP 7Micro/WIN 32编程软件以及通信电缆等构成，如图21所示。同时，可根据系统的要求，有选择地增加附加功能模块。


图21S7200 PLC系统的构成

1. 基本单元(S7200 CPU模块)
基本单元(S7200 CPU模块)也称为主机，由中央处理单元(CPU)、电源以及数字量输入/输出单元组成。这些都被紧凑地安装在一个独立的装置中。基本单元可以构成一个独立的控制系统。
在CPU模块的顶部端子盖内有电源及输出端子； 在底部端子盖内有输入端子及传感器电源； 在中部右侧前盖内有CPU工作方式开关(RUN/STOP)、模拟调节电位器和扩展I/O连接接口； 在模块的左侧分别有状态LED指示灯、存储器卡及通信口，如图22所示。


图22S7200 CPU模块



图23带有扩展模块的S7200 CPU模块

图23所示是一台PLC主机带一块扩展模块的结构。主机与扩展模块之间由导轨连接固定。根据控制需要，PLC主机可以通过输入/输出扩展接口扩展系统。在PLC主机的右侧可以插入一块或几块扩展模块，例如数字量输入/输出扩展模块、模拟量输入/输出扩展模块或智能输入/输出扩展模块等，并用扩展电缆将它们连接起来。





S7200 PLC主机的型号、种类较多，以适应不同需求的控制场合。近期西门子公司推出的S7200 CPU 22X系列产品有CPU 221模块、CPU 222模块、CPU 224模块、CPU 226模块、CPU 226XM模块。CPU 22X系列产品指令丰富、速度快、具有较强的通信能力。例如，CPU 226模块的I/O总数为40点，其中输入点24点，输出点16点，可带7个扩展模块，用户程序存储器容量为8K字。它内置高速计数器，具有PID控制器的功能。它还有2个高速脉冲输出端和2个RS485通信口，具有PPI通信协议、MPI通信协议和自由口协议的通信能力。CPU 226模块运行速度快、功能强，适用于要求较高的中、小型控制系统。图24所示是CPU 226 AC/DC/继电器模块输入、输出单元的接线图。


图24CPU 226 AC/DC/继电器模块输入、输出单元的接线图


（1） 交流电源输入端子
输出端子排的右端N、L1端子是供电电源AC 120V/240V输入端。该电源电压的允许范围为AC 85～264V。
（2） 24V直流输出电源
M、L+两个端子提供DC 24V/400mA传感器电源，可以作为传感器的电源输出，也可以作为输入端的检测电源使用。
（3） 输入接线端子
输入端子是PLC与外部输入信号联系的窗口。输入端子的运行状态可以由底部端子盖上方的一排指示灯显示，“ON”状态对应指示灯亮。
24个数字量输入点分成两组。{dy}组由输入端子I0.0～I0.7、I1.0～I1.4共13个输入点组成，每个外部输入的开关信号均由各输入端子接出，经一个直流电源终至公共端1M； 第二组由输入端子I1.5～I1.7、I2.0～I2.7共11个输入点组成，每个外部输入信号由各输入端子接出，经一个直流电源至公共端2M。由于是直流输入模块，所以采用直流电源作为检测各输入接点状态的电源。
（4） 输出接线端子
输出端子是PLC与外部负载联系的窗口。输出端子的运行状态可以由顶部端子盖下方的一排指示灯显示，“ON”状态对应指示灯亮。
16个数字量输出点分成3组。{dy}组由输出端子Q0.0~Q0.3共4个输出点与公共端1L组成； 第二组由输出端子Q0.4～Q0.7、Q1.0共5个输出点与公共端2L组成； 第三组由输出端子Q1.1～Q1.7共7个输出点与公共端3L组成。每个负载的一端与输出点相连，另一端经电源与公共端相连。由于是继电器输出方式，所以既可带直流负载，也可带交流负载。负载的激励源由负载性质确定。
（5） 状态指示灯
状态指示灯指示CPU的工作方式、主机I/O的当前状态及系统错误状态。
（6） 存储器卡
存储器卡(EEPROM卡)可以存储CPU程序。
（7） RS485通信接口
RS485串行通信接口的功能包括串行/并行数据的转换、通信格式的识别、数据传输的出错检验、信号电平的转换等。通信接口是PLC主机实现人机对话、机机对话的通道。通过它，PLC可以和编程器、彩色图形显示器、打印机等外部设备相连，也可以和其他PLC或上位计算机连接。
（8） 输入/输出扩展接口
输入/输出扩展接口是PLC主机扩展输入/输出点数和类型的部件。输入/输出扩展接口有并行接口、串行接口和双口存储器接口等多种形式。
S7200系列CPU模块的主要技术指标如表21所示。


表21S7200 CPU模块主要技术指标



CPU 221CPU 222CPU 224CPU 226CPU 226XM
程序存储器2048字4096字8192字
用户数据存储器1024字2560字5120字
用户存储类型EEPROM
数据后备典型时间50h100h
本机I/O6入/4出8入/6出14入/10出24入/16出


扩展模块数量/2个7个

数字量I/O映像区大小256（128入、128出）

模拟量I/O映像区大小无16入、16出32入、32出

33MHz下布尔指令执行速度0.37μs/指令

内部继电器256
计数器/定时器256/256
顺序控制继电器256

内置高速计数器4个(30kHz)6个(30kHz)
模拟量调节电位器12

高速脉冲输出2（20kHz，DC）

通信中断每个端口有： 1发送/2接收
定时中断2（1~255ms）
硬件输入中断4 个输入点

实时时钟有（时钟卡）有（内置）

口令保护有

通信口数量1（RS485）2（RS485）