項目一 認識PLC

學習目標

1．了解PLC的特點及應用領域

2．掌握PLC的基本結構

3．掌握PLC的工作原理

4．掌握PLC的基本編程指令

5．掌握梯形圖設計原則

6．掌握梯形圖優化方法

7．能完成簡單任務的PLC的I/O接線圖設計

8．能應用PLC基本指令編程

9．掌握手持式編程器的應用方法

10．能按照設計圖進行PLC控制電機系統安裝

11．能進行系統的軟件和硬件調試

12．能主動獲取有效信息，展示工作成果，對學習與工作進行總結反思，能與他人合作，進行有效溝通

工作流程與內容

學習活動一：PLC基礎（2課時，一體化實訓室）

學習活動二：電機連續運行PLC控制設計與實施（6課時，一體化實訓室）

學習活動三：三相交流異步電機Y-Δ降壓啟動PLC控制設計與實施（6課時，一體化實訓室）

學習活動一 PLC基礎

一、可編程控制器的誕生

繼電器邏輯電路配線復雜，如圖1.1所示。

圖1.1復雜繼電器電路配線

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

十項技術指標為：

1．編程簡單，可在現場修改和調試程序。

2．維護方便，采用插入式模塊結構。

3．可靠性高于繼電器控制系統。

4．體積小于繼電器控制柜。

5．能與管理中心計算機系統進行通信。

6．成本可與繼電器控制系統相競爭。

7．輸入量是115 V交流電壓（美國電網電壓110 V）。

8．輸出量為115V，輸出電流在2A以上，能直接驅動電磁閥。

9．系統擴展時，原系統只需做很小改動。

10．用戶程序存儲器容量至少4KB。

主要技術指標概括為：

1．工作特性比繼電器控制系統可靠。

2．易于在現場變更程序。

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的執行機構。

5．能向中央數據處理系統直接傳輸數據等。

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

1980年，美國電氣制造商協會（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、計算機和數字通信技術的飛速發展，計算機控制已經廣泛地應用在幾乎所有的工業領域。現代社會要求制造業對市場需求作出迅速的反應，生產出小批量、多品種、多規格、低成本和高質量的產品。為了滿足這一要求，生產設備和自動生產線的控制系統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這一要求出現的，它是以微處理器為基礎的通用工業控制裝置。

二、PLC名稱變遷

在PLC的發展歷程中，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應用面廣、功能強大、使用方便，已經成為當代工業自動化的主要技術支柱之一，在工業生產的所有領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字運算操作的電子系統，專為在工業環境下應用而設計。它采用可編程序的存儲器，用來在其內部存儲執行邏輯運算、順序控制、定時、計數和算術運算等操作的指令，并通過數字式、模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產過程。可編程序控制器及其有關設備，都應按易于使工業控制系統形成一個整體、易于擴充其功能的原則設計。

三、PLC的分類

（一）按 I/O點數分類

I/O點數在256以下為微型PLC。

I/O點數在257～2048為中型PLC。

I/O點數在2049以上為大型PLC。

I/O點數在4000以上為超大型PLC。

以上劃分不包括模擬量I/O點數，且劃分界限不是固定不變的。

（二）按結構形式分類

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。一般小型PLC采用這種結構。

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采用模塊式結構，有的小型PLC也采用這種結構。

（三）按實現的功能分類

分為低檔、中檔、高檔3類。

低檔機具有邏輯運算、定時、計數、移位、自診斷、監控等基本功能和一定的算術運算、數據傳送、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，還具有較強的算術運算、數據傳送、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上加強了帶符號數的運算、矩陣運算以及函數、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上產生的一種直觀、形象的圖形邏輯編程語言。它沿用繼電器的觸點、線圈、串并聯等術語和圖形符號，同時也增加了一些繼電器控制系統中沒有的特殊符號，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編程語言中應用最多。圖1.2是采用接觸器控制的電動機起停控制線路，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關系。

圖1.2電動機起停控制線路

圖1.3梯形圖語言

注意：圖1.2所示的電動機起停控制線路中，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，PLC運行時只是執行相應的程序。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換成語句表輸入到PLC。

注意：不同廠家生產的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，在將梯形圖轉換為助記符時，必須先弄清PLC的型號及內部各器件編號，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，與數字電路中邏輯圖一樣，它極易表現條件與結果之間的邏輯功能。圖1.5為某一控制系統的功能模塊圖語言。

如圖1.5所示，這種編程方法是根據信息流將各種功能塊加以組合，是一種逐步發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、轉換3個要素。順序功能編程法可將一個復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構復雜、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）結構化文本語言

隨著可編程控制器的飛速發展，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字運算、數據處理、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構文本。

結構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，對工程設計人員要求較高。但結構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

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，易學易懂，熟悉繼電器電路圖的電氣技術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）與傳統的繼電器控制系統相比優勢大

PLC作為一種新型的控制裝置，與傳統的繼電器控制系統相比，具有響應快、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與功能。

（三）控制簡單

PLC是在按鈕、限位開關和其他傳感器等發出的監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生輸出信號，而這些輸出信號可直接控制外部的控制系統，如電動機、接觸器、電磁閥、指示燈等驅動裝置。

（四）功能強，性能價格比高

一臺小型PLC內有成百上千個可供用戶使用的編程元件，可以實現非常復雜的控制功能。與相同功能的繼電器系統相比，具有很高的性能價格比。PLC可以通過通信聯網，實現分散控制、集中管理。（例如，要實現一個彩燈的閃爍控制，如用繼電器控制，要加延時繼電器，控制復雜，效果不好）

（五）硬件配套齊全，用戶使用方便，適應性強

PLC產品已經標準化、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配置，組成不同功能、不同規模的系統。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工藝條件的變化。

（六）可靠性高，抗干擾能力強

傳統的繼電器控制系統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的少量硬件元件，接線可減少至繼電器控制系統的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萬小時以上，可以直接用于有強烈干擾的工業生產現場。

（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行機構發生故障時，可以根據PLC上的發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

對于復雜的控制系統，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控制系統與繼電器相比，配線用量少，安裝接線工時短，加上開關柜體積縮小，因此可以節省大量的費用。

六、PLC的不足之處

主要是PLC的軟、硬件體系結構是封閉而不是開放的，如：專用總線、專家通信網絡及協議，I/O模板不通用，甚至連機架、電源模板亦各不相同。編程語言雖多數是梯形圖，但組態、尋址、語言結構均不一致，因此各制造公司的PLC互不兼容。SIEMENS等公司已經開發出以個人計算機為基礎，在Windows平臺下，結合IEC1131-3國際標準的新一代開放體系結構的PLC。

七、PLC的應用領域

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

（一）開關量邏輯控制

PLC具有“與”“或”“非”等邏輯指令，可以實現觸點和電路的串、并聯，代替繼電器進行組合邏輯控制、定時控制與順序邏輯控制。開關量邏輯控制可以用于單臺設備，也可以用于自動生產線，其應用領域已經遍及各行各業，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，可以實現單軸、雙軸、3軸和多軸聯運的位置控制，使運動控制與順序控制功能有機結合在一起。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）閉環過程控制

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

（四）數據處理

現代的PLC具有整數四則運算、矩陣運算、函數運算、數字邏輯運算、求反、循環、移位、浮點數運算等運算功能，和數據傳送、轉換、排序、查表、位操作等功能，可以完成數據的采集、分析和處理。這些數據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）通信聯網

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與其他智能控制設備（如計算機、變頻器、數控裝置）之間的通信。PLC與其他智能控制設備可以組成“集中管理、分散控制”的分布式控制系統。

八、PLC的國內外狀況

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，現在有匯川、泰達等系列。

九、PLC的發展趨勢

圖1.7幾種常見PLC

1．向高速度、大存儲容量方向發展——CPU處理速度nS級，內存2M字節。

2．向多品種方向發展和提高可靠性：超大型和超小型。

3．產品更加規范化、標準化：硬件、軟件兼容的PLC。

4．分散型、智能型與現場總線兼容的I/O。

5．加強聯網和通信的能力。

6．控制的開放和模塊化的體系結構 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的應用領域。

5．簡述PLC的發展方向。