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PLC的工作的三个基本过程内容

  PLC采用循环扫描的工作方式，在PLC中用户程序按先后顺序存放，CPU从第一条指令开始执行程序，直到遇到结束符后又返回第一条，如此周而复始不断循环。PLC的扫描过程分为内部处理、通信操作、程序输入处理、程序执行、程序输出几个阶段。全过程扫描一次所需的时间称为扫描周期。当PLC处于停状态时，只进行内部处理和通信操作服务等内容。在PLC处于运行状态时，从内部处理、通信操作、程序输入、程序执行、程序输出，一直循环扫描工作。
      1．输入处理
      输入处理也叫输入采样。在此阶段，顺序读入所有输入端子的通端状态，并将读入的信息存入内存中所对应的映象寄存器。在此输入映象寄存器被刷新。接着进入程序执行阶段。在程序执行时，输入映象寄存器与外界隔离，即使输入信号发生变化，其映象寄存器的内容也不会发生变化，只有在下一个扫描周期的输入处理阶段才能被读入信息。
        2．程序执行
        根据PLC梯形图程序扫描原则，按先左后右先上后下的步序，逐句扫描，执行程序。遇到程序跳转指令，根据跳转条件是否满足来决定程序的跳转地址。从用户程序涉及到输入输出状态时，PLC从输入映象寄存器中读出上一阶段采入的对应输入端子状态，从输出映象寄存器读出对应映象寄存器，根据用户程序进行逻辑运算，存入有关器件寄存器中。对每个器件来说，器件映象寄存器中所寄存的内容，会随着程序执行过程而变化。 
       3．输出处理 
      程序执行完毕后，将输出映象寄存器，即器件映象寄存器中的Y寄存器的状态，在输出处理阶段转存到输出锁存器，通过隔离电路，驱动功率放大电路，使输出端子向外界输出控制信号，驱动外部负载。

随着计算机控制技术的不断发展，可编程控制器的应用已广泛普及，成为自动化技术的重要组成。可编程控制器最先出现在美国，1968年，美国的汽车制造公司通用汽车公司(GM)提出了研制一种新型控制器的要求，并从用户角度提出新一代控制器应具备以下十大条件：

（1）编程简单，可在现场修改程序；

（2）维护方便，最好是插件式；

（3）可靠性高于继电器控制柜；

（4）体积小于继电器控制柜；

（5）可将数据直接送入管理计算机；
  （6）在成本上可与继电器控制柜竞争；

（7）输入可以是交流115V（即用美国的电网电压）；

（8）输出为交流115V、2A以上，能直接驱动电磁阀；

（9）在扩展时，原有系统只需要很小的变更；

（10）用户程序存储器容量至少能扩展到4KB。

条件提出后，立即引起了开发热潮。1969年，美国数字设备公司（DEC）研制出了世界上第一台可编程序控制器，并应用于通用汽车公司的生产线上。当时叫可编程逻辑控制器PLC（Programmable Logic Controller），目的是用来取代继电器，以执行逻辑判断、计时、计数等顺序控制功能。紧接着，美国MODICON公司也开发出同名的控制器，1971年，日本从美国引进了这项新技术，很快研制成了日本第一台可编程控制器。1973年，西欧国家也研制出他们的第一台可编程控制器。

随着半导体技术，尤其是微处理器和微型计算机技术的发展，到70年代中期以后，特别是进入80年代以来，PLC已广泛地使用16位甚至32位微处理器作为中央处理器，输入输出模块和外围电路也都采用了中、大规模甚至超大规模的集成电路，使PLC在概念、设计、性能价格比以及应用方面都有了新的突破。这时的PLC已不仅仅是逻辑判断功能，还同时具有数据处理、PID调节和数据通信功能，称之为可编程序控制器（Programmable Controller）更为合适，简称为PC，但为了与个人计算机（Persona1  Computer）的简称PC相区别，一般仍将它简称为PLC（Programmable Logic Controller）。

PLC是微机技术与传统的继电器-接触器控制技术相结合的产物，其基本设计思想是把计算机功能完善、灵活、通用等优点和继电器控制系统的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点结合起来，控制器的硬件是标准的、通用的。根据实际应用对象，将控制内容编成软件写入控制器的用户程序存储器内。继电器控制系统已有上百年历史，它是用弱电信号控制强电系统的控制方法，在复杂的继电器控制系统中，故障的查找和排除困难，花费时间长，严重地影响工业生产。在工艺要求发生变化的情况下，控制柜内的元件和接线需要作相应的变动，改造工期长、费用高，以至于用户宁愿另外制作一台新的控制柜。而PLC克服了继电器-接触器控制系统中机械触点的接线复杂、可靠性低、功耗高、通用性和灵活性差的缺点，充分利用微处理器的优点，并将控制器和被控对象方便的连接起来。由于PLC是由微处理器、存储器和外围器件组成，所以应属于工业控制计算机中的一类。

对用户来说，可编程控制器是一种无触点设备，改变程序即可改变生产工艺，因此如果在初步设计阶段就选用可编程控制器，可以使得设计和调试变得简单容易。从制造生产可编程控制器的厂商角度看，在制造阶段不需要根据用户的订货要求专门设计控制器，适合批量生产。由于这些特点，可编程控制器问世以后很快受到工业控制界的欢迎，并得到迅速的发展。目前，可编程控制器已成为工厂自动化的强有力工具，得到了广泛的应用。

我国从1974年也开始研制可编程序控制器，1977年开始工业应用。目前它已经大量地应用在楼宇自动化、家庭自动化、商业、公用事业、测试设备和农业等领域，并涌现出大批应用可编程序控制器的新型设备。掌握可编程序控制器的工作原理，具备设计、调试和维护可编程序控制器控制系统的能力，已经成为现代工业对电气技术人员和工科学生的基本要求。

如何制作PLC信号接口技术文件

根据选定PLC的接口技术规格，设计和编制如下技术文件：

         （1）输入输出信号电路原理图。   

      （2）地址表。

   （3）PLC数据表。

      上述文件是制作PLC程序不可缺少的技术资料。梯形图中所用到的所有内部和外部信号、信号地址、名称、传输方向，与功能指令有关的设定数据，与信号有关的电气元件等都反映在这些文件中。编制文件的设计员除需要掌握所用CNC装置和PLC控制器的技术性能外，还需要具备一定的电气设计知识。

 1．在电动机的控制线路中串入自耦变压器，使起动时定子绕组上得到自耦变压器的二次电压，起动完毕后切除自耦变压器，额定电压直接加于定子绕组，电动机进入全压正常工作。

2．工作过程

合上QS，按下SB2，KT、KM1线圈通电吸合，KT瞬时触头闭合实现自锁，KM1主触点闭合，电动机M取用自耦变压器二次电压减压起动。

KT延时时间到，延时断开常闭触点首先断开，KM1失电；延时闭合常开触点闭合，KM2得电，电动机直接接入电网全压运行，完成起动。

3．自耦变压器减压起动适用于起动较大容量的正常工作接成星形或三角形的电动机，起动转矩可以通过改变抽头的位置得到改变，它的缺点是自耦变压器价格较贵，而且不允许频繁起动。

用S7-200控制可双向运转的三相感应电动机

 可逆电动机起动器电路一一适用于改变三相交流感应电动机旋转方向

这个示例程序用于控制可双向运转的三相感应电动机。

当与输入点I0.0相连的左转点动开关(Le)闭合时，电动机逆时针方向旋转，当与输入点I0.1相连的右转点动开关(Ri)闭合时，电动机顺时针方向旋转。但这要有一个前题，即与输入点I0.3相连的电动机电路断路器和与输入点I0.2相连的停机开关(OFF)都没有动作。只有按下停机开关，并等待5秒钟之后，才可以改变电动机的旋转方向。这样做是为了让电动机有足够的时问刹车停转，然后再反向起动，如果需要电动机反转的话。如

果与I0.0和I0.1相连的点动开关同时按下，电动机停转，并且小起动。

程序框图

程序和注释

在程序起始部分，程序检查是否必须激活互锁电路。互锁电路防比电动机误起动，或者按错误方向起动。只有当所有点动开关都没有动作(位于起始状态)或者等待时问溢出时，互锁才清除，即M2.0被置成逻辑0.

如果电动机断路器(输入点10.3)没有动作，停机点动开关(输入点10.2)也没有动作(这两个触点都是常闭触点);并且状态位M1门没有被设置成顺时针旋转标志，则使能位M 2.1被置为逻辑1。电动机才有可能逆时针旋转。代表逆时针旋转的状态位是M1.0。用类似方法可得到顺时针方向旋转的起动条件。

当点动起动开关(1e和Ri)这一动作，并且互锁位和状态位都没有被设置成相反的旋转方向时，电动止起动。即相关的输出位和状态位被置位，状态位的作用是使输出能够自保。电动止逆时针方向旋转起动器由输出点Q0.0控制。电动机顺时针方向旋转起动器由输出点Q0.1控制。

除此外，另有一组信号灯指示电动机当前的运行状态;逆时针方向旋转指示灯(Le)与输出点00.4相连;顺时针方向旋转指示灯(Ri)与输出点00.3相连;关电机指示灯(OFF)与输出点00.2相连。

当电动机被停机时，"ED”的下降沿将辅助存储位M 2.3置为1，进入停机模式。当M 2.3被置位时，限制电动机再次起动的定时器开始计时，该定时器的预置时问是5秒(500 X10ms)，经过5秒钟后，内部存储器位M 2.3被复位。在这段强制等待时问内与输出点Q0.5相连的信号灯(Wait)闪烁。如果状态位都没有被置位，则点亮与输出点00.2相连的停止状态指示灯(OFF)。

该程序的长度为61个字。

STEP7—Micro/WIN4.0编写用户程序的方法与步骤示例

1）、梯形图的编辑

 在梯形图编辑窗口中，梯形图程序被划分成若干个网络，一个网络中只能有一个独立电路块。如果一个网络中有两个独立电路块，在编译时输出窗口将显示“1个错误”，待错误修正后方可继续。可以对网络中的程序或者某个编程元件进行编辑，执行删除、复制或粘贴操作。

 (1)首先打开STEP7—Micro/WIN4.0编程软件，进入主界面，STEP7—Micro/WIN4.0编程软件主界面如图1所示。

图1    STEP7—Micro/WIN4.0编程软件主界面

    (2)单击浏览栏的【程序块】按钮，进入梯形图编辑窗口。

    (3)在编辑窗口中，把光标定位到将要输入编程元件的地方。

    (4)可直接在指令工具栏中点击常开触点按钮，选取触点如图2所示。在打开的位逻辑指令中单击图标选项，选择常开触点如图3所示。输入的常开触点符号会自动写入到光标所在位置。输入常开触点如图4所示。也可以在指令树中双击位逻辑选项，然后双击常开触点输入。

图2   选取触点

图3 选择常开触点        图4 输入常开触点

    （5）在？？？中输入操作数I0.1，光标自动移到下一列。输入操作数I0.1如图4所示。

图5    输入操作数I0.1

    （6）用同样的方法在光标位置输入和，并填写对应地址，T37和Q0.1编辑结果如图6所示。

图6    T37和Q0.1编辑结果

    （7）将光标定位到I0.1下方，按照I0.1的输入办法输入Q0.1。Q0.1编辑结果如图7所示。

图7    Q0.1编辑结果

    (8) 将光标移到要合并的触点处，单击指令工具栏中的向上连线按钮，将Q0.0和I0.0并联连接， Q0.0和I0.0并联连接如图8所示。

图8    Q0.0和I0.0并联连接

    （9）将光标定位到网络2，按照I0.1的输入办法编写Q0.1。

    (10) 将光标定位到定时器输入位置，双击指令树的【定时器】选项，然后再双击接通延时定时器图标，在光标位置即可输入接通延时定时器。选择定时器图标如图9所示。

图9 选择定时器 图10   输入接通延时定时器

    （11）在定时器指令上面的 处输入定时器编号T37，在左侧 处输入定时器的预置值100，编辑结果如图7—28所示。
    经过上述操作过程，编程软件使用示例的梯形图就编辑完成了。如果需要进行语句表和功能图编辑，可按下面办法来实现。

    2)语句表的编辑

    执行菜单【查看】→【STL】选项，可以直接进行语句表的编辑。语句表的编辑如图11所示。

    3）功能图的编辑

    执行菜单【查看】→【FBD】选项，可以直接进行功能图的编辑。功能图的编辑如图12所示。

图11  语句表的编辑    图12  功能图的编辑

PLC硬件设计和软件设计的主要内容和要求

PLC硬件设计包括：PLC及外围线路的设计、电气线路的设计和抗干扰措施的设计等。

选定PLC的机型和分配I/O点后，硬件设计的主要内容就是电气控制系统的原理图的设计，电气控制元器件的选择和控制柜的设计。电气控制系统的原理图包括主电路和控制电路。控制电路中包括PLC的I/O接线和自动、手动部分的详细连接等。电器元件的选择主要是根据控制要求选择按钮、开关、传感器、保护电器、接触器、指示灯、电磁阀等。

2. PLC的软件设计

    软件设计包括系统初始化程序、主程序、子程序、中断程序、故障应急措施和辅助程序的设计，小型开关量控制一般只有主程序。首先应根据总体要求和控制系统的具体情况，确定程序的基本结构，画出控制流程图或功能流程图，简单的可以用经验法设计，复杂的系统一般用顺序控制设计法设计。

编好的程序需要经过运行调试，以确认是否满足机床控制的要求。一般来说，顺序程序的调试要经过“仿真调试”和“联机调试”两个步骤。

    （1）仿真调试

    “仿真调试”又称“模拟调试”，是指在实验室条件下，采用特制的“仿真设备”（或称“模拟装置”、“模拟台”等）代替机床与CNC、PLC、PLC编程设备联接起来（在有条件的情况下，还可以联接伺服单元、伺服电动机、甚至某些独立的机械功能部件），对顺序程序进行的调试。“仿真调试”具有安全、能耗小、调试轴助人员少等优点。

    “仿真设备”常用许多开关、指示灯来模拟机床各电气功能器件的状态。如用小型开关的通／断代替MT侧操作面板的开关、按钮，电气柜内的继电器触点，安装于机床各运动部件上的位置检测开关等的闭合／断开，以模拟各种输入信号的“1”和“0”状态，用指示灯的亮／灭代替MT侧操作面板指示灯，电气柜内继电器线圈等的通电／断电，以验证输出到MT侧各器件的信号状态。

“仿真调试”是“联机调试”前的一个重要步骤。程序设计员可以通过“仿真设备”对诸如机床操作面板、工作台运行、工件装夹、主轴起停、刀库手动、自动找刀、机械手换刀、工作台分度及各机械动作和控制逻辑的互锁关系进行分考动作和循环动作运行调试，以保证顺序程序控制原理的正确性，为以后的整机联调的安全，顺利地进行打下基础。

    需要指出的是，“仿真设备”虽可以通过模拟机床侧的信号状态调试并确认机床控制中的许多控制顺序问题，但因条件的限制，往往不能完全真实地模拟那些与时间控制有关的机械动作，以及某些复杂的循环动作顺序。因此，顺序程序还须进行联机运行调试，才能最终确认是否正确。

    （2）联机调试

    将机床、CNC装置、PLC装置和编程设备联接起来进行的整机机电运行调试称为“联机调试”（如图1所示）。“联机调试”可以发现和纠正顺序程序的错误，可以检查机床和电气线路的设计，制造，安装以及机电元器件品质可能存在的问题。

“联机调试”工作在车间现场由具有机电专业知识的多名工程技术人员联合进行。在确认CNC系统、伺服系统、PLC装置、强电柜元器件、机床各元部件的安装和连接无误后，才可以接通电源，将存储在编程设备中的顺序程序传送至RAM插板（或PLC装置的RAM存储器）中，然后执行顺序程序，以便对各机电执行元部件的动作及其顺序控制逻辑进行检查。需要时，可用编程设备修改顺序程序，然后再传送到RAM插板中。

 图1 联机调试系统方法示意图

西门子S7 PLC自由通信口模式的应用（打印机和条形码阅读程序）

PLC的发展趋势

 1．向高速度、大容量方向发展

 为了提高PLC的处理能力，要求PLC具有更好的响应速度和更大的存储容量。目前，有的PLC的扫描速度可达0.1ms/k步左右。PLC的扫描速度已成为很重要的一个性能指标。

 在存储容量方面，有的PLC最高可达几十兆字节。为了扩大存储容量，有的公司已使用了磁泡存储器或硬盘。

    2．向超大型、超小型两个方向发展

 当前中小型PLC比较多，为了适应市场的多种需要，今后PLC要向多品种方向发展，特别是向超大型和超小型两个方向发展。现已有I/O点数达14336点的超大型PLC，其使用32位微处理器，多CPU并行工作和大容量存储器，功能强。

 小型PLC由整体结构向小型模块化结构发展，使配置更加灵活，为了市场需要已开发了各种简易、经济的超小型微型PLC，最小配置的I/O点数为8～16点，以适应单机及小型自动控制的需要，如三菱公司α系列PLC。

    3．PLC大力开发智能模块，加强联网通信能力

 为满足各种自动化控制系统的要求，近年来不断开发出许多功能模块，如高速计数模块、温度控制模块、远程I/O模块、通信和人机接口模块等。这些带CPU和存储器的智能I/O模块，既扩展了PLC功能，又使用灵活方便，扩大了PLC应用范围。

加强PLC联网通信的能力，是PLC技术进步的潮流。PLC的联网通信有两类：一类是PLC之间联网通信，各PLC生产厂家都有自己的专有联网手段；另一类是PLC与计算机之间的联网通信，一般PLC都有专用通信模块与计算机通信。为了加强联网通信能力，PLC生产厂家之间也在协商制订通用的通信标准，以构成更大的网络系统，PLC已成为集散控制系统（DCS）不可缺少的重要组成部分。

     4．增强外部故障的检测与处理能力

     根据统计资料表明：在PLC控制系统的故障中，CPU占5%，I/O接口占15%，输入设备占45%，输出设备占30%，线路占5%。前二项共20%故障属于PLC的内部故障，它可通过PLC本身的软、硬件实现检测、处理；而其余80%的故障属于PLC的外部故障。因此，PLC生产厂家都致力于研制、发展用于检测外部故障的专用智能模块，进一步提高系统的可靠性。

    5．编程语言多样化

  在PLC系统结构不断发展的同时，PLC的编程语言也越来越丰富，功能也不断提高。除了大多数PLC使用的梯形图语言外，为了适应各种控制要求，出现了面向顺序控制的步进编程语言、面向过程控制的流程图语言、与计算机兼容的高级语言（BASIC、C语言等）等。多种编程语言的并存、互补与发展是PLC进步的一种趋势。