1、第1章 概 述第第1 1章章 概概 述述第1章 概 述1.1 可编程序控制器可编程序控制器(PC)的基本概念的基本概念1.2 PC的主要功能和特点的主要功能和特点1.3 PC的应用领域和发展趋势的应用领域和发展趋势第1章 概 述1.1 可编程序控制器可编程序控制器(PC)的基本概念的基本概念 1.1.1 可编程序控制器的产生可编程序控制器的产生 1968年，美国最大的汽车制造商通用汽车公司(GM公司)为了适应生产工艺不断更新的需要，期望找到一种新的方向，尽可能减少重新设计继电控制系统和重新接线的工作，以降低成本、缩短周期，设想把计算机通用、灵活、功能完备等优点和继电控制系统的简单易懂、价格便宜
2、等优点结合起来，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。为此进行招标，1969年，美国数字设备公司(DEC公司)研制出了第一台可编程序逻辑控制器(Programmable Logic Controller，简称PLC)，在GM公司的自动装配线上试用获得了成功。第1章 概 述1.1.2 PC中的几个基本概念中的几个基本概念 (1)继电器：它在PC中也称编程元件，它包括线圈、常开触点和常闭触点。常开触点：常用符号为，受PC输入开关量或PC内部相应线圈的控制，当PC输入接通或相应的线圈通过电
3、流时，此触点闭合。常闭触点：常用符号为 ，受控方式与常开触点相同，只是当PC输入接通或相应线圈通电时，此触点断开。线圈：PC中也称逻辑线圈，常用符号为，在PC中用它作为输出元件，以控制外部设备(如电磁阀、接触器、指示灯等)；也可以用来控制PC内部的其他触点，以构成复杂的控制逻辑。第1章 概 述 (2)定时器：它的作用与继电器控制中的延时继电器或时间继电器相同。常见的定时单位有0.1 s、0.2 s、1 s几种，其符号因型号不同各异。日本立石公司C系列机用下列符号表示：TIM02 TIM#0142(定时预置值)符号 例子 其中圆内“”表示定时器(TIM)的编号，圆外#号后的“”表示定时预置值，定
4、时时间=定时预置值定时单位。例中的定时器为02号，若PC内部规定的定时单位为0.1 s，则定时时间1420.1 s=14.2 s。第1章 概 述 (3)计数器：它的作用是每当其计数输入端由断开(OFF)到接通(ON)时，计一个数，即计数器记录的是其输入由断到通的次数。当计数值与预置值相等时，计数器导通。有的PC(如C40P)计数端由断到通时，自动减一个数，当计数值由预置值减到0时，计数器导通，其相应的触点接通或断开，可用来控制其他元件。C系列PC常用下列符号表示计数器：计数端复位端 CP CNT R#(计数预置值)第1章 概 述 (4)其他元件：如时序器、加法器、编码器、减法器、译码器等。上述
5、元件在PC内部都是由软件实现的，并不存在它们的物理实体，因此常称之为“虚拟元件”或“软元件”。将它们相互连接构成复杂控制逻辑的过程称为“软连接”，放入PC后则是一段程序 第1章 概 述(5)梯形图梯形图(Ladder Diagram)：【例】交流电机单向运转的启停控制。图1.1.1 继电器控制线路图 BM3ACSB1KMFUSB2KMKM第1章 概 述图1.1.2 PC控制的接线图 BACSB100010002COMCOMAC220 V外部外部PCFUKMKMM30500SB2DC24 V第1章 概 述图1.1.3 PC梯形图 0500000100020500第1章 概 述表表1.1.1 PC
6、控制的助记符程序控制的助记符程序 地址指令数据0000LD00010001OR05000002ANDNOT00020003OUT05000004END 第1章 概 述1.2 PC的主要功能和特点的主要功能和特点 1.2.1 PC的主要功能的主要功能 1步进顺序控制步进顺序控制2限时控制限时控制 3条件控制条件控制 4计数控制计数控制 5模模/数和数数和数/模转换模转换 6数据处理数据处理 7通信和联网通信和联网8冗余控制 9监控功能 10其他功能 第1章 概 述1.2.2 PC的特点的特点 1与继电器控制逻辑相比较与继电器控制逻辑相比较 控制逻辑：继电器控制逻辑采用硬接线逻辑，利用继电器机械触
7、点的串联或并联及延时继电器的滞后动作等组合成控制逻辑，其连线多而复杂，体积大，功耗大，一旦系统构成后，想再改变或增加功能都很困难。另外继电器触点数目有限，每只一般只有48对触点，因此灵活性和扩展性都很差。而PC采用存储逻辑，其控制逻辑以程序方式存储在内存中，要改变控制逻辑，只需改变程序，故称为“软接线”，其连线少，体积小，加之PC中每只软继电器的触点数理论上无限制，因此灵活性和扩展性都很好。PC由中大规模集成电路组成，功耗小。第1章 概 述 工作方式：当电流接通时，继电控制线路中各继电器都处于受约状态，即该吸合的都应吸合，不该吸合的都因受某种条件限制不能吸合。而PC的控制逻辑中，各继电器都处于
8、周期性循环扫描接通之中，从宏观上看，每个继电器受制约接通的时间是短暂的。控制速度：继电控制逻辑依靠触点的机械动作实现控制，工作频率低。触点的开闭动作一般在几十毫秒数量级。另外机械触点还会出现抖动问题。而PC是由程序指令控制半导体电路来实现控制的，速度极快，一般一条用户指令的执行时间在微秒数量级。PC内部还有严格的同步，不会出现抖动问题。第1章 概 述 限时控制：继电控制逻辑利用时间继电器的滞后动作进行限时控制。时间继电器一般分为空气阻尼式、电磁式、半导体式等，其定时精度不高，定时时间易受环境湿度和温度变化的影响，调整时间困难。有些特殊的时间继电器结构复杂，不便维护。PC使用半导体集成电路作定时
9、器，时基脉冲由晶体振荡器产生，精度相当高，定时范围一般从0.1 s到若干分钟甚至更长，用户可根据需要在程序中设定定时值，然后由软件和硬件计数器来控制定时时间，定时精度小于10 ms且定时时间不受环境的影响。第1章 概 述 计数控制：PC能实现计数功能，而继电控制逻辑一般不具备计数控制功能。设计与施工：使用继电控制逻辑完成一项控制工程，其设计、施工、调试必须依次进行，周期长，而且修改困难。工程越大，这一点就越突出。而用PC完成一项控制工程，在系统设计完成以后，现场施工和控制逻辑的设计(包括梯形图和程序设计)可以同时进行，周期短，且调试和修改都很方便。第1章 概 述 可靠性和可维护性：继电控制逻辑
10、使用了大量的机械触点，连线也多。触点开闭时会受到电弧的损坏，并有机械磨损，寿命短，因此可靠性和可维护性差。而PC采用微电子技术，大量的开关动作由无触点的半导体电路来完成，它体积小、寿命长、可靠性高。PC还配备有自检和监督功能，能检查出自身的故障，并随时显示给操作人员，还能动态地监视控制程序的执行情况，为现场调试和维护提供了方便。价格：继电控制逻辑使用机械开关、继电器和接触器，价格比较便宜。而PC使用中大规模集成电路，价格比较昂贵。第1章 概 述 2.与微型计算机相比较与微型计算机相比较 应用范围：微机除了用在控制领域外，还大量用于科学计算、数据处理、计算机通信等方面。而PC主要用于工业控制。使
11、用环境：微机对环境要求较高，一般要在干扰小、具有一定的温度和湿度要求的机房内使用。而PC适应于工程现场的环境。输入输出：微机系统的I/O设备与主机之间采用微电联系，一般不需要电气隔离。而PC一般控制强电设备，需要电气隔离，输入输出均用“光电”耦合，输出还采用继电器，可控硅或大功率晶体管进行功率放大。第1章 概 述 程序设计：微机具有丰富的程序设计语言，例如汇编语言，FORTRAN语言、COBOL语言、PASCAL语言、C语言等，其语句多，语法关系复杂，要求使用者必须具有一定水平的计算机硬件和软件知识。而PC提供给用户的编程语句数量少，逻辑简单，易于学习和掌握。系统功能：微机系统一般配有较强的系
12、统软件，例如操作系统，能进行设备管理、文件管理、存储器管理等。它还配有许多应用软件，以方便用户。而PC一般只有简单的监控程序，能完成故障检查、用户程序的输入和修改、用户程序的执行与监视等功能。第1章 概 述 运算速度和存储容量：微机运算速度快，一般为微秒级。因有大量的系统软件和应用软件，故存储容量大。而PC因接口的响应速度慢而影响数据处理速度。一般接口响应速度为2 ms，PC巡回检测速度为每千字8 ms。PC的指令少，编程也简短，故内存容量小。价格：微机是通用机，功能完善，故价格较高。而PC是专用机，功能较少，其价格是微机的十分之一左右。第1章 概 述3.与单板与单板(或单片或单片)计算机比较
13、计算机比较 不如PC容易掌握：不如PC使用简单：不如PC可靠：第1章 概 述 4与集散系统比较与集散系统比较 PC是由继电控制逻辑发展而来的，而集散系统(TDCS)是由回路仪表控制发展而来。但两者的发展均与计算机控制技术有关。早期PC在开关量控制、顺序控制方面有一定优势，而集散系统在回路调节、模拟量控制方面有一定优势。第1章 概 述 1.2.3 PC的主要技术指标的主要技术指标 1用户存储器容量用户存储器容量 PC中用户存储器一般由用户程序存储器和数据存储器组成，小型PC的用户存储器容量多为几K字节，而大型PC可达到几M字节。2输入输出点数输入输出点数 输入输出的点数决定了PC可控制的输入开关
14、信号和输出开关信号的总体数量。3扫描速度扫描速度 扫描速度通常指PC扫描1 K字节用户程序所需的时间，一般以ms/K为单位。第1章 概 述 4编程指令的种类和功能编程指令的种类和功能 某种程度上用户程序所完成的控制功能受限于PC指令的种类和功能。PC指令的种类和功能越多，用户编程则越方便简单。5内部寄存器的配置和容量内部寄存器的配置和容量 用户编制PC程序时，需要大量使用PC内部的寄存器存放变量、中间结果、定时计数及各种标志位等数据信息。因此内部寄存器的数量直接关系到用户程序的编制。6PC的扩展能力的扩展能力 在进行PC选型时，其扩展性是一个非常重要的因素。一般来说可扩展性包括存储容量的扩展、
15、输入输出点数的扩展、模块的扩展、通信联网功能的扩展等。第1章 概 述1.3 PC的应用领域和发展趋势的应用领域和发展趋势 如果按应用类型来划分，可编程序控制器的应用可分为以下几个类型：(1)开关逻辑和顺序控制：这是可编程序控制器最基本的控制功能，在工业场合应用最广泛，可代替继电器控制系统。开关量逻辑控制不但能用于单台设备，而且可用于生产线上。(2)过程控制：PC通过模拟量I/O模块，可对温度、流量、压力等连续变化的模拟量进行控制。大中型PC都具有PID闭环控制功能并已广泛地用于电力、化工、机械、冶金等行业。第1章 概 述 (3)运动控制：PC可应用于对直线运动或圆周运动的控制，如数控机床、机器
16、人、金属加工、电梯控制等。(4)多级控制网络系统：PC之间、PC与计算机之间及其他智能控制设备之间可以联网通信，实现远程数据处理和信息共享，从而构成工厂CIMS/CIPS系统。第1章 概 述1.3.2 PC的发展趋势的发展趋势 1小型化方向发展小型化方向发展 目前的小型PC大都局限在开关量输入输出，而且CPU和I/O部件组装在一个箱体内，今后的小型PC也将增加模拟量处理功能，而且也将有灵活的组态特性，并且能与其他机型连用。在提高系统可靠性的基础上，产品的体积越来越小，功能越来越强。如OMRON公司新推出CPM1 PC的体积约130 mm89 mm84 mm，可以放在手掌上，可连接的输入和输出为
17、10点，并可以扩展到20、30乃至50点，支持91个指令编程，基本指令的执行时间为0.72s，特殊指令的执行时间也仅16.3s。第1章 概 述 2大型化方向发展大型化方向发展 主要有以下几个方面：功能不断加强：不仅具有逻辑运算、计数、定时等基本功能，还具有数值运算、模拟调节、监控、记录、显示、与计算机接口、通信等功能。网络功能是PC发展的一个重要特征。各种个人计算机，图形工作站、小型机等都可以作为PC的监控主机或工作站，这些装置的结合能够提供屏幕显示、数据采集、记录保持、回路面板显示等功能。大量的PC联网及不同厂家生产的PC兼容性增加，使得分散控制或集中管理都能轻易地实现。第1章 概 述 应用
18、范围不断扩大：不仅能进行一般的逻辑控制，种类齐全的接口模块还能进行中断控制、智能控制、过程控制、远程控制等。用于过程控制的PC往往对存储器容量及速度要求较高，为此，开发了高速模拟量输入模块，专用独立的PID控制器，多路转换器等，使得数字技术和模拟量技术在可编程序控制器中得到统一。采用软件、硬件相结合的方法，使得编程和接线都比过去用常规仪表控制要方便得多。第1章 概 述 性能不断提高：采用高性能微处理器，提高处理速度，加快PC的响应时间；为了扩大存储容量，许多公司已使用了磁泡存储器或硬盘；采用多处理器技术，以提高性能；采用冗余热备用系统或三选二表决系统，以提高系统可靠性。为了进一步简化在专用控制
19、领域的系统设计及编程，专用智能输入输出模块越来越多，如专用智能PID控制器、智能模拟量I/O模块、智能位置控制模块、语言处理模块、专用数控模块、智能通讯模块、计算模块等，这些模块的一个特点就是本身具有CPU，能独立工作，它们与PC主机并行操作，无论在速度、精度、适应性、可靠性各方面都对PC进行了极好的补充。它们与PC紧密结合，有助于克服PC扫描工作方式的局限，完成PC本身无法完成的许多功能。第1章 概 述 编程软件的多样化和高级化、标准化：采用多种编程语言，有面向顺序控制的步进顺序语言和面向过程控制系统的流程图语言，后者是一种面向功能块的语言，能够表示过程中动态变量与信号的相互联结；还有与计算
20、机兼容的高级语言，如BASIC、C及汇编语言；另外还有专用的高级语言，例如三菱的MELSAP采用编译的方法将语句变为梯形图程序；也有采用布尔逻辑语言的，CPU能直接执行AND、OR、XOR、NOT操作，这种语言执行速度很快，但不很直观。PC也将具有数据库，并可实现整个网络的数据库共享，还将不断发展自适应控制和专家系统。第1章 概 述 构成形式的分散化和集散化：PC与I/O口分散，分散的每个I/O口输入输出点数可以少到十几个点，分散的单元可以是几十个或上百个，通信和网络功能逐步增强。作为CIMS、CIPS的分支不断发展，PC本身也可分散，分散的PC与上位机结合构成集散系统，分散地进行控制，这就便于构成多层分布式控制，以实现整个工厂或企业的自动化控制和管理。不同机型的PC之间、PC与计算机之间可方便地联网，实现资源共享，加上功能强大的网络监控软件，就构成大型PC控制网络系统。
