項目一 認識PLC

學(xué)習(xí)目標

1．了解PLC的特點及應(yīng)用領(lǐng)域

2．掌握PLC的基本結(jié)構(gòu)

3．掌握PLC的工作原理

4．掌握PLC的基本編程指令

5．掌握梯形圖設(shè)計原則

6．掌握梯形圖優(yōu)化方法

7．能完成簡單任務(wù)的PLC的I/O接線圖設(shè)計

8．能應(yīng)用PLC基本指令編程

9．掌握手持式編程器的應(yīng)用方法

10．能按照設(shè)計圖進行PLC控制電機系統(tǒng)安裝

11．能進行系統(tǒng)的軟件和硬件調(diào)試

12．能主動獲取有效信息，展示工作成果，對學(xué)習(xí)與工作進行總結(jié)反思，能與他人合作，進行有效溝通

工作流程與內(nèi)容

學(xué)習(xí)活動一：PLC基礎(chǔ)（2課時，一體化實訓(xùn)室）

學(xué)習(xí)活動二：電機連續(xù)運行PLC控制設(shè)計與實施（6課時，一體化實訓(xùn)室）

學(xué)習(xí)活動三：三相交流異步電機Y-Δ降壓啟動PLC控制設(shè)計與實施（6課時，一體化實訓(xùn)室）

學(xué)習(xí)活動一 PLC基礎(chǔ)

一、可編程控制器的誕生

繼電器邏輯電路配線復(fù)雜，如圖1.1所示。

圖1.1復(fù)雜繼電器電路配線

1968年，美國最大的汽車制造商通用汽車公司（GM），為了適應(yīng)汽車型號不斷更新的需要，提出了一種設(shè)想：把計算機的功能完善、通用靈活等優(yōu)點與繼電器控制系統(tǒng)的簡單易懂、操作方便、價格低廉等優(yōu)點結(jié)合起來。并由此提出了新型電氣控制的十條技術(shù)指標，在社會上公開招標，制造一種新型的工業(yè)控制裝置。

十項技術(shù)指標為：

1．編程簡單，可在現(xiàn)場修改和調(diào)試程序。

2．維護方便，采用插入式模塊結(jié)構(gòu)。

3．可靠性高于繼電器控制系統(tǒng)。

4．體積小于繼電器控制柜。

5．能與管理中心計算機系統(tǒng)進行通信。

6．成本可與繼電器控制系統(tǒng)相競爭。

7．輸入量是115 V交流電壓（美國電網(wǎng)電壓110 V）。

8．輸出量為115V，輸出電流在2A以上，能直接驅(qū)動電磁閥。

9．系統(tǒng)擴展時，原系統(tǒng)只需做很小改動。

10．用戶程序存儲器容量至少4KB。

主要技術(shù)指標概括為：

1．工作特性比繼電器控制系統(tǒng)可靠。

2．易于在現(xiàn)場變更程序。

3．便于使用、維護、維修。

4．能直接推動電磁閥、電動機啟動器及與此相當?shù)膱?zhí)行機構(gòu)。

5．能向中央數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)直接傳輸數(shù)據(jù)等。

1969年，美國數(shù)字設(shè)備公司（DEC）根據(jù)招標的要求，研制出世界上第一臺可編程序控制器PDP-14，并在GM公司汽車自動生產(chǎn)線上首次應(yīng)用成功。

1980年，美國電氣制造商協(xié)會（NEMA）正式將其命名為可編程序控制器（Prog-rammableController），簡稱PC。

隨著微處理器、計算機和數(shù)字通信技術(shù)的飛速發(fā)展，計算機控制已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在幾乎所有的工業(yè)領(lǐng)域?，F(xiàn)代社會要求制造業(yè)對市場需求作出迅速的反應(yīng)，生產(chǎn)出小批量、多品種、多規(guī)格、低成本和高質(zhì)量的產(chǎn)品。為了滿足這一要求，生產(chǎn)設(shè)備和自動生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)必須具有極高的可靠性和靈活性，可編程序控制器正是順應(yīng)這一要求出現(xiàn)的，它是以微處理器為基礎(chǔ)的通用工業(yè)控制裝置。

二、PLC名稱變遷

在PLC的發(fā)展歷程中，有過幾個不同的名稱：

1．可編程序矩陣控制器（Programmable Matrix Controller）。

2．可編程序順序控制器（Programmable Sequence Controller, PSC, PMC）。

3．可編程序邏輯控制器（Programmable Logic Controller, PLC）。

PLC應(yīng)用面廣、功能強大、使用方便，已經(jīng)成為當代工業(yè)自動化的主要技術(shù)支柱之一，在工業(yè)生產(chǎn)的所有領(lǐng)域得到了廣泛的使用。

國際電工委員會（IEC）在1985年的PLC標準草案第3稿中，對PLC做了定義：可編程序控制器是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計。它采用可編程序的存儲器，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、模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程?？删幊绦蚩刂破骷捌溆嘘P(guān)設(shè)備，都應(yīng)按易于使工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體、易于擴充其功能的原則設(shè)計。

三、PLC的分類

（一）按 I/O點數(shù)分類

I/O點數(shù)在256以下為微型PLC。

I/O點數(shù)在257～2048為中型PLC。

I/O點數(shù)在2049以上為大型PLC。

I/O點數(shù)在4000以上為超大型PLC。

以上劃分不包括模擬量I/O點數(shù)，且劃分界限不是固定不變的。

（二）按結(jié)構(gòu)形式分類

整體式PLC：又稱單元式或箱體式。整體式PLC是將電源、CPU、I/O部件都集中裝在一個機箱內(nèi)。一般小型PLC采用這種結(jié)構(gòu)。

模塊式PLC：將PLC各部分分成若干個單獨的模塊，如CPU模塊、I/O模塊、電源模塊和各種功能模塊。模塊式PLC由框架和各種模塊組成。模塊插在插座上。一般大、中型PLC采用模塊式結(jié)構(gòu)，有的小型PLC也采用這種結(jié)構(gòu)。

（三）按實現(xiàn)的功能分類

分為低檔、中檔、高檔3類。

低檔機具有邏輯運算、定時、計數(shù)、移位、自診斷、監(jiān)控等基本功能和一定的算術(shù)運算、數(shù)據(jù)傳送、比較、通信和模擬量處理功能。

中檔機除具有低檔機的功能外，還具有較強的算術(shù)運算、數(shù)據(jù)傳送、比較、通信、子程序、中斷處理和回路控制功能。

高檔機則在中檔機的基礎(chǔ)上加強了帶符號數(shù)的運算、矩陣運算以及函數(shù)、表格、CRT、顯示、打印等功能。

四、PLC編程語言

IEC61131-3中的5種PLC基本語言。

（一）梯形圖語言

梯形圖語言是在繼電器控制原理圖的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的一種直觀、形象的圖形邏輯編程語言。它沿用繼電器的觸點、線圈、串并聯(lián)等術(shù)語和圖形符號，同時也增加了一些繼電器控制系統(tǒng)中沒有的特殊符號，以便擴充PLC的控制功能。

梯形圖語言比較形象、直觀，對于熟悉繼電器表達方式的電氣技術(shù)人員來說，不需要掌握更深的計算機知識，極易被接受，因此在PLC編程語言中應(yīng)用最多。圖1.2是采用接觸器控制的電動機起?？刂凭€路，圖1.3是采用PLC控制時的梯形圖，由此可以看出兩者之間的對應(yīng)關(guān)系。

圖1.2電動機起?？刂凭€路

圖1.3梯形圖語言

注意：圖1.2所示的電動機起?？刂凭€路中，各個元件和觸點都是真實存在的，每一個線圈一般只能帶幾對觸點。而圖1.3中，所有的觸點線圈等都是軟元件，沒有實物與之對應(yīng)，PLC運行時只是執(zhí)行相應(yīng)的程序。因此，理論上梯形圖中的線圈可以帶多個常開觸點和常閉觸點。

（二）指令表語言

指令表語言就是助記符語言，它常用一些助記符來表示PLC的某種操作，有的廠家將指令稱為語句，兩條或兩條以上的指令的集合叫作指令表，也稱語句表。不同型號的PLC，助記符的形式不同。圖1.4為圖1.3對應(yīng)的指令表語言。

圖1.4指令表語言

通常情況下，用戶利用梯形圖進行編程，然后再將所編程序通過編程軟件或人工的方法轉(zhuǎn)換成語句表輸入到PLC。

注意：不同廠家生產(chǎn)的PLC所使用的助記符各不相同，因此同一梯形圖寫成的指令表就不相同，在將梯形圖轉(zhuǎn)換為助記符時，必須先弄清PLC的型號及內(nèi)部各器件編號，使用范圍和每一條助記符的使用方法。

（三）功能模塊圖語言

功能圖編程語言實際上是用邏輯功能符號組成的功能塊來表達命令的圖形語言，與數(shù)字電路中邏輯圖一樣，它極易表現(xiàn)條件與結(jié)果之間的邏輯功能。圖1.5為某一控制系統(tǒng)的功能模塊圖語言。

如圖1.5所示，這種編程方法是根據(jù)信息流將各種功能塊加以組合，是一種逐步發(fā)展起來的新式的編程語言，正在受到各種可編程控制器廠家的重視。

圖1.5功能模塊圖語言

（四）順序功能流程圖

順序功能圖常用來編制順序控制類程序。它包含步、動作、轉(zhuǎn)換3個要素。順序功能編程法可將一個復(fù)雜的控制過程分解為一些小的順序控制要求連接組合成整體的控制程序。順序功能圖法體現(xiàn)了一種編程思想，在程序的編制中具有很重要的意義。圖1.6為某一控制系統(tǒng)順序功能流程圖語言。

順序功能流程圖編程語言的特點：以功能為主線，按照功能流程的順序分配，條理清楚，便于對用戶程序理解；避免梯形圖或其他語言不能順序動作的缺陷，同時也避免了用梯形圖語言對順序動作編程時，由于機械互鎖造成用戶程序結(jié)構(gòu)復(fù)雜、難以理解的缺陷；用戶程序掃描時間也大大縮短。

圖1.6順序功能流程圖語言

（五）結(jié)構(gòu)化文本語言

隨著可編程控制器的飛速發(fā)展，如果許多高級功能還是用梯形圖來表示，會很不方便。為了增強可編程控制器的數(shù)字運算、數(shù)據(jù)處理、圖表顯示、報表打印等功能，方便用戶的使用，許多大中型可編程控制器都配備了PASCAL、BASIC、C等高級編程語言，這種編程方式叫作結(jié)構(gòu)文本。

結(jié)構(gòu)化文本編程語言的特點：①采用高級語言進行編程，可以完成較復(fù)雜的控制運算；②需要有一定的計算機高級語言的知識和編程技巧，對工程設(shè)計人員要求較高。但結(jié)構(gòu)化文本編程語言直觀性和操作性較差。

五、PLC的特點

（一）編程方法簡單易學(xué)

梯形圖是使用得最多的PLC編程語言，其電路符號和表達方式與繼電器電路原理圖相似。梯形圖語言形象直觀，易學(xué)易懂，熟悉繼電器電路圖的電氣技術(shù)人員只需花幾天時間就可以熟悉梯形圖語言，并用來編制用戶程序。

（二）與傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)相比優(yōu)勢大

PLC作為一種新型的控制裝置，與傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)相比，具有響應(yīng)快、控制精度高、可靠性好、控制程序可隨工藝改變、易與計算機連接、維修方便、體積小、重量輕和功耗低等諸多高品質(zhì)與功能。

（三）控制簡單

PLC是在按鈕、限位開關(guān)和其他傳感器等發(fā)出的監(jiān)控輸入信號作用下進行工作的。輸入信號作用于用戶程序便產(chǎn)生輸出信號，而這些輸出信號可直接控制外部的控制系統(tǒng)，如電動機、接觸器、電磁閥、指示燈等驅(qū)動裝置。

（四）功能強，性能價格比高

一臺小型PLC內(nèi)有成百上千個可供用戶使用的編程元件，可以實現(xiàn)非常復(fù)雜的控制功能。與相同功能的繼電器系統(tǒng)相比，具有很高的性能價格比。PLC可以通過通信聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)分散控制、集中管理。（例如，要實現(xiàn)一個彩燈的閃爍控制，如用繼電器控制，要加延時繼電器，控制復(fù)雜，效果不好）

（五）硬件配套齊全，用戶使用方便，適應(yīng)性強

PLC產(chǎn)品已經(jīng)標準化、系列化、模塊化，配備有品種齊全的各種硬件裝置供用戶選用，用戶能靈活方便地進行系統(tǒng)配置，組成不同功能、不同規(guī)模的系統(tǒng)。PLC的安裝接線也很方便，一般用接線端子連接外部接線。PLC有較強的帶負載能力，可以直接驅(qū)動一般的電磁閥和中小型交流接觸器。硬件配置后，通過修改用戶程序，就可以方便快速地適應(yīng)工藝條件的變化。

（六）可靠性高，抗干擾能力強

傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)使用了大量的中間繼電器、時間繼電器。若觸點接觸不良，容易出現(xiàn)故障。PLC用軟件代替中間繼電器和時間繼電器，僅剩下與輸入和輸出有關(guān)的少量硬件元件，接線可減少至繼電器控制系統(tǒng)的1/10以下，大大減少了因觸點接觸不良造成的故障。

PLC使用了一系列硬件和軟件抗干擾措施，具有很強的抗干擾能力，平均無故障時間達到數(shù)萬小時以上，可以直接用于有強烈干擾的工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場。

（七）維修工作量小，維修方便

PLC的故障率低，并且有完善的故障診斷功能。PLC或外部的輸入裝置與執(zhí)行機構(gòu)發(fā)生故障時，可以根據(jù)PLC上的發(fā)光二極管或編程軟件提供的信息，快速查明故障原因，用更換模塊的方法可以迅速排除故障。

（八）體積小，能耗低

對于復(fù)雜的控制系統(tǒng)，使用PLC后，可以減少大量的中間繼電器和時間繼電器，小型PLC的體積僅相當于幾個繼電器的大小，因此可以將控制柜的體積縮小到原來的。

PLC控制系統(tǒng)與繼電器相比，配線用量少，安裝接線工時短，加上開關(guān)柜體積縮小，因此可以節(jié)省大量的費用。

六、PLC的不足之處

主要是PLC的軟、硬件體系結(jié)構(gòu)是封閉而不是開放的，如：專用總線、專家通信網(wǎng)絡(luò)及協(xié)議，I/O模板不通用，甚至連機架、電源模板亦各不相同。編程語言雖多數(shù)是梯形圖，但組態(tài)、尋址、語言結(jié)構(gòu)均不一致，因此各制造公司的PLC互不兼容。SIEMENS等公司已經(jīng)開發(fā)出以個人計算機為基礎(chǔ)，在Windows平臺下，結(jié)合IEC1131-3國際標準的新一代開放體系結(jié)構(gòu)的PLC。

七、PLC的應(yīng)用領(lǐng)域

PLC在工業(yè)自動化中具有舉足輕重的作用。經(jīng)驗表明，80%以上的工業(yè)控制可以使用PLC來完成。在日本，凡8個以上中間繼電器組成的控制系統(tǒng)都已采用PLC。PLC已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在各種機械設(shè)備和生產(chǎn)過程的自動控制系統(tǒng)中， PLC在其他領(lǐng)域，例如在民用和家庭自動化設(shè)備中也被迅速應(yīng)用。PLC已成為現(xiàn)代工業(yè)自動化的三大技術(shù)支柱（PLC、機器人、CAD/CAM）之一。

（一）開關(guān)量邏輯控制

PLC具有“與”“或”“非”等邏輯指令，可以實現(xiàn)觸點和電路的串、并聯(lián)，代替繼電器進行組合邏輯控制、定時控制與順序邏輯控制。開關(guān)量邏輯控制可以用于單臺設(shè)備，也可以用于自動生產(chǎn)線，其應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)遍及各行各業(yè)，甚至深入到民用和家庭中。

（二）運動控制

PLC使用專用的指令或運動控制模塊，對直線運動或圓周運動的位置、速度和加速度進行控制，可以實現(xiàn)單軸、雙軸、3軸和多軸聯(lián)運的位置控制，使運動控制與順序控制功能有機結(jié)合在一起。PLC的運動控制功能廣泛用于各種機械，例如切削機床、金屬成形機械、裝配機械、機器人、電梯等場合。

（三）閉環(huán)過程控制

閉環(huán)過程控制是指對溫度、壓力、流量等連續(xù)變化的模擬量的閉環(huán)控制。PLC通過模擬量I/O模塊，實現(xiàn)模擬量（Analog）和數(shù)字量（Digital）之間的A/D轉(zhuǎn)換與D/A轉(zhuǎn)換，并對模擬量實行閉環(huán)PID（比例—積分—微分）控制。S7-300/400有閉環(huán)控制模塊、用于閉環(huán)控制的系統(tǒng)功能塊和閉環(huán)控制軟件包供用戶選擇。其閉環(huán)控制功能已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于塑料擠壓成形機、加熱爐、熱處理爐、鍋爐等設(shè)備，以及輕工、化工、機械、冶金、電力、建材等行業(yè)。

（四）數(shù)據(jù)處理

現(xiàn)代的PLC具有整數(shù)四則運算、矩陣運算、函數(shù)運算、數(shù)字邏輯運算、求反、循環(huán)、移位、浮點數(shù)運算等運算功能，和數(shù)據(jù)傳送、轉(zhuǎn)換、排序、查表、位操作等功能，可以完成數(shù)據(jù)的采集、分析和處理。這些數(shù)據(jù)可以與存儲在存儲器中的參考值比較，也可以用通信功能傳送到別的智能裝置，或者將它們打印制表。

（五）通信聯(lián)網(wǎng)

PLC的通信包括PLC與遠程I/O之間的通信、多臺PLC之間的通信、PLC與其他智能控制設(shè)備（如計算機、變頻器、數(shù)控裝置）之間的通信。PLC與其他智能控制設(shè)備可以組成“集中管理、分散控制”的分布式控制系統(tǒng)。

八、PLC的國內(nèi)外狀況

1969年，美國研制出世界上第一臺PLC，之后日本、德國、法國等國相繼研制了各自的PLC。

20世紀70年代中期，PLC進入了實用化階段，20世紀70年代末80年代初， PLC進入了成熟階段。

歐洲生產(chǎn)PLC的廠家有60余家，主要有：西門子（Siemens）,1973年研制出第一臺PLC；金鐘默勒（Klockner Moeller Gmbh）, AEG；法國的TE（Telemecanique）（施耐德）；瑞士的Selectron公司。

日本生產(chǎn)PLC的廠家有40余家：三菱電機（MITSUBISHI）、歐姆龍（OMRON）、富士電機（FujiElectric）、東芝（TOSHIBA）、光洋（KOYO）、松下電工（MEW）和泉（IDEC）、夏普（SHARP）、安川等公司。

我國在20世紀70年代末80年代初開始引進PLC，現(xiàn)在有匯川、泰達等系列。

九、PLC的發(fā)展趨勢

圖1.7幾種常見PLC

1．向高速度、大存儲容量方向發(fā)展——CPU處理速度nS級，內(nèi)存2M字節(jié)。

2．向多品種方向發(fā)展和提高可靠性：超大型和超小型。

3．產(chǎn)品更加規(guī)范化、標準化：硬件、軟件兼容的PLC。

4．分散型、智能型與現(xiàn)場總線兼容的I/O。

5．加強聯(lián)網(wǎng)和通信的能力。

6．控制的開放和模塊化的體系結(jié)構(gòu) OMAC（Open Modular Architecturefor Control）。

思考題

1．什么是可編程控制器（PLC）？

2. PLC的基本編程語言有幾種？

3. PLC的特點有哪些？

4．簡述PLC的應(yīng)用領(lǐng)域。

5．簡述PLC的發(fā)展方向。