第1章 可编程控制器的结构与工作原理

1.1 可编程控制器（PLC）概述

1.1.1 继电器控制电路

1. 继电器的外观

图1-1（a）所示是几种常用继电器的外观图，其中电磁继电器的结构示意图如图1-1（b）所示。

2. 继电器的功能

继电器的功能是根据控制电路中电量或非电量的变化来接通或断开控制电路。

3. 继电器的输入信号

继电器的输入信号可以是电量，如电压、电流，也可以是非电量，如转速、温度、时间。

4. 继电器的种类、图形符号和文字符号

继电器的种类众多，有通用继电器、中间继电器、电压继电器、电流继电器、热继电器、温度继电器、时间继电器、速度继电器、压力继电器等。这里，仅以时间继电器为例进行简要的介绍。

时间继电器的种类也有很多，有空气式、电动式、电磁式、电子式和数字显示式等。

根据控制系统的要求，时间继电器又分为通电延时型和断电延时型两种类型。图1-2所示是电子式时间继电器的面板图。时间继电器的图形符号和文字符号如图1-3所示。

5. 继电器控制电路

继电器控制电路通常包括按钮、指示灯、开关、熔断器、继电器、接触器、控制变压器以及接线端子等元器件，由于控制任务主要由继电器来完成，因此将控制电路称为继电器控制电路。

这里，以4台电动机依次启动为例，介绍继电器控制电路。

1）小型电动机规格

DC24V，70W，直连减速机，减速机输出轴转速为120转/分（r/min）。

2）控制要求

（1）依次启动控制。当1#电动机启动后，经过5s，2#电动机启动，经过10s，3#电动机启动，经过15s，4#电动机启动。

（2）具有手动控制/自动控制两种方式。

（3）电动机启动运行后可以个别停止。

3）继电器控制电路

根据控制要求确定的继电器控制电路如图1-4所示。图中，SB1、SB3、SB5和SB7为常开按钮，SB2、SB4、SB6和SB8为常闭按钮。K1和K2为通用小型继电器，KT1和KT2为电子式时间继电器，KA1～KA4为中间继电器。

中间继电器，顾名思义，就是介于小型继电器和接触器之间的一种电器元件，其结构组成与接触器类似，也是由固定铁芯、动铁芯、常开触点、常闭触点、线圈、弹簧、接线端子和外壳等组成。

当线圈通电时，动铁芯在电磁力的作用下动作吸合，带动动触点动作，使常闭触点先断开，常开触点后闭合。当线圈断电时，动铁芯在弹簧力的作用下带动动触点复位。

中间继电器具有增加触点容量、增加触点数量和转换触点类型的作用。DZ-50系列中间继电器接线图如图1-5所示。

在图1-5（a）中，400表示这种系列的中间继电器有4个常开触点，而图1-4中要用到中间继电器KA1的3个常开触点，故选用DZ-50/400，它有4个常开触点。

在图1-5中，400型有4个常开触点；040型有4个常闭触点；220型有2个常开触点、2个常闭触点；002型有2组转换触点，每组有一个公共点，可以转换为常开或常闭。

DZ-50系列中间继电器有4种触点配置类型可供用户选择。例如，本例中的KA3触点和KA4触点在电路中是串联的，就不宜选用具有公共点的类型。

DZ-50系列中间继电器的型号及其含义如图1-6所示，其外观如图1-7所示，其外形及安装尺寸如图1-8所示。

转换触点类型的另一个用处是实现隔离，提高安全性。

1.1.2 继电器控制电路存在的问题

1. 继电器控制电路配线或更改配线工作量大

以四台小型电动机依次启动控制为例，根据图1-4和图1-5来配线，需要导线近百条。若要使配线美观，更需要多花费一些时间。

当工艺的控制要求有变化时，若依次启动的间隔时间不相同，则需要增加时间继电器的数量并更改配线。若依次启动的四台电动机的顺序有变化，则需要更改配线。

由于继电器控制电路是由继电器和相关的元器件即各种硬件组成的，故当工艺改变时，就需要改变配线。在图1-9中，控制柜中元器件之间的配线、操作盘中元器件之间的配线以及操作盘和控制柜之间的配线都需要改配，这种一根一根地接线的过程既费时又费力，而且造成器材的浪费。

2. 继电器控制电路的可靠性较低、故障率较高

继电器控制电路使用的元器件种类较多，涉及多家制造企业，产品质量也参差不齐，从而降低了电路的可靠性，元器件的故障率也较高。

鉴于继电器控制的种种问题，广大生产企业都希望有一种通过编写程序来改变控制逻辑的装置，这种装置必须安全可靠，而且便于现场操作人员使用。这种装置于1969年在美国研制成功，首先在汽车制造业使用，用于逻辑控制，称为可编程逻辑控制器（PLC）。

经过多年的发展，PLC的功能有了很大的提高，不仅用于逻辑控制，也适用于运动控制和过程控制，其名称也改为可编程控制器（PC），由于个人计算机也简称为PC，为防止叙述中的混淆，目前可编程控制器仍简称为PLC。

1.1.3 可编程控制器的特点和内置功能

1. 可编程控制器（PLC）的特点

本节介绍广州微嵌公司推出的WQ-36MT-3DA-3AD型PLC，其外观图如图1-10所示。这是一种整体式小型PLC，36MT表示总的I/O点数为36个，其中输入为20点，输出为16点；3DA表示有3路数字量/模拟量转换电路；3AD表示有3路模拟量/数字量转换电路。此外，还有多种内置功能。

（1）可靠性与抗干扰能力：WQ系列PLC具有可靠性高、抗干扰能力强和价格低廉等特点。

（2）具有在线编程功能。

（3）具有完善的密匙功能。

（4）用户程序的保护：用户程序只能下载，不能上传，100%保证用户程序不被解密。

（5）本机面板：多达99个功能参数可在本机面板设定。

（6）信号隔离：模拟、数字信号全部采用DC/DC+光电隔离，抗干扰能力强。

（7）内置实时时钟。

（8）7段LED四位数字显示器：通过编程可切换显示PLC内部任何寄存器的当前值。

（9）5个功能按键：可自由定义输入按键。

（10）大功率晶体管型输出：DC24V，6A。

（11）36路I/O输入输出：输入20路，输出16路（大功率晶体型DC 24V/6A）。

（12）微处理器：采用ARM Cortex-M3（32位），可适应高电磁干扰的工业环境。

（13）高速运算：基本指令每步0.01μs。

（14）通信接口：RS232C、RS485、SPI_MS、CAN2.0B（选配）。

（15）扩展接口：可以方便地连接模拟量输入/输出、I/O等扩展模块，最多可支持512路I/O输入/输出。

（16）采用循环扫描工作方式。

2. 内置功能

整体式PLC性价比高的特点体现为具有多种内置功能。以广州微嵌公司的WQ-36MT-3DA-3AD整体式PLC为例，其内置功能如下：

（1）内置3路0～10V（16bit）DA模拟量输出。

（2）内置3路最高3000Hz带加减速高速脉冲输出（Y00～Y02）。

（3）内置3路最高100kHz带加减速高速脉冲输出（Y20～Y22选配）。

（4）内置4路0～5V/4～20mA（12bit）AD模拟量输入（X20～X23选配）。

（5）内置2组A、B相正交编码器计数，标配8.5 kHz（X20～X23）。

（6）内置2组A、B相正交编码器计数，最高100kHz（X20～X23选配）。

1.1.4 可编程控制器的优势

1. 通过方便的编程实现逻辑控制

在4台小型电动机依次启动的继电器控制电路中，使用了4只中间电磁继电器、2只小型电磁继电器、2只电子式时间继电器和9只按钮，完全靠硬件来完成逻辑控制任务。

图1-11所示是4台小型电动机依次启动PLC控制接线图，图1-12所示是PLC控制梯形图。在PLC梯形图程序中，继电器的“硬触点”由PLC的“软触点”取代，硬件定时器由PLC的“软定时器”取代，通过编程就可以十分方便地修改控制逻辑。

2. 在程序容量范围内“软触点”可以多次使用

以4台电动机依次启动继电器控制电路为例，见图1-4，使用了KA1～KA4中间继电器、K1和K2通用继电器、KT1和KT2时间继电器。其中，DZ-50系列中间继电器的触点类型如图1-5所示，400型中间继电器有4个常开触点，040型有4个常闭触点，220型有2个常开、2个常闭触点，002型有2组转换触点。

需要根据图1-4中使用的中间继电器触点名称和类型来选择中间继电器，图1-4中出现3个常开KA1触点、2个常开KA2触点、2个常开KA3触点和1个常闭KA3触点、1个常开KA4触点和1个常闭KA4触点，对照图1-5所示的中间继电器类型，可选用400型2只、220型2只。

在图1-4中，出现了4个常开K1触点和1个常闭K1触点，3个常开K2触点，为此，通用继电器K1应有4个独立的常开触点和一个独立的常闭触点。这个例子表明，继电器的每个触点（也称硬触点）只能使用一次。

与图1-4对应的PLC控制接线图见图1-11，PLC控制梯形图见图1-12。在图1-11中，当常开按钮SB1闭合时，输入回路接通，SB1的状态使输入映像寄存器X0由0变为1。在图1-12中，梯形图第8行的X0状态由0变为1，表示这个触点“接通”，可见，在PLC梯形图程序中，输入触点X0的状态是输入映像寄存器的状态，因此，X0是“软继电器”触点（简称软触点）。

在图1-11中，按钮SB1～SB8和组合开关（转换开关）SA1分别接在PLC的各个输入端子上，它们的接通或断开状态决定了软触点X0～X14的状态，为便于和继电器-接触器控制电路对照，便于广大电气技术人员、操作人员学习和掌握，将X0～X14这些编程元件（软触点）称为输入继电器，输入继电器只有软触点没有软线圈。

接在PLC输入端子上的按钮、组合开关、接近开关、限位开关和具有二位状态的各种传感器等产生的开关量信号，通过输入回路，将这些外部信号的状态读入并存储在输入映像寄存器中，X0～X14这些编程元件（软触点）在程序中可以多次使用。

3. 梯形图程序便于广大技术人员、操作人员使用和掌握

对照继电器控制电路（图1-4）和PLC梯形图（图1-12），可以看出两者有明显的对应关系，继电器控制电路也是一种“梯形图”，相当于把“梯子”横过来放置。在图1-4中，小型电磁继电器K1、电子式时间继电器KT1和KT2、小型电磁继电器K2、中间继电器KA1～KA4这8个元器件构成了8级“梯级”，也就是8条支路。

在图1-12中，“（）”表示PLC内部“软元件”或输出元件，M0、T1、T2、M1、Y1、Y2、Y3和Y4这8个元件构成了8级“梯级”，也就是8条支路。

为了直观地显示继电器控制电路与PLC梯形图的对应关系，进行以下操作。

1）单独画出图1-12中第1梯级电路

单独画出图1-12中第1梯级电路，如图1-13（b）所示。

2）将图1-13（b）右转90°

将图1-13（b）右转90°，得到图1-13（c）。

3）将图1-13（c）水平翻转

将图1-13（c）水平翻转，得到图1-13（d）。图1-13（d）与图1-13（a）在形态结构上一模一样，元件的对应关系如图中的标注所示。

正是这种对应关系，使得可编程控制器易于被广大工程技术人员、现场操作人员所接受和掌握。在PLC程序设计中使用的“对照翻译法”就是基于这种对应关系。

4. 模块化结构便于控制功能和控制规模的扩展

经过40多年的发展，PLC的控制功能和规模已经有了很大的提升。目前，就模块化PLC而言，有用于逻辑控制的CPU模块，用于运动控制的CPU模块，用于过程控制（也称回路控制）的CPU模块，有的公司还开发出PC的CPU模块。

针对运动控制，有高速计数模块、位置控制模块和运动控制模块。针对过程控制，有传感器模块、温度控制模块、PID控制模块和模糊控制模块。针对网络系统，有RS232/RS485通信模块、公司级通信模块、各种现场总线模块和以太网模块，可构成不同规模的网络系统。

模块式PLC结构缩短了系统软硬件组态时间，用户可快速地扩展原有系统的功能和规模。

对于小型整体式PLC，也可以适当增加扩展模块。例如，WQ系列小型整体式PLC，有扩展接口，可以方便地连接模拟量输入/输出模块、I/O等扩展模块，最多可支持512点I/O。

又如，三菱FX2N/FX3U系列整体式PLC的扩展模块或扩展单元包括开关量输入模块、开关量输出模块、开关量输入/输出模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块、模拟量输入/输出模块、Pt100型温度传感器模块、热电偶型温度传感器模块、温度调节模块、高速计数器模块、脉冲输出模块、1轴位控单元、2轴位控单元、特殊适配器、RS232C通信用模块、CC-Link主站模块、CC-Link接口模块、CC-Link/LT主站模块、MELSEC-I/O Link主站模块和AS-i主站模块。

5. 具有面向控制的丰富的指令系统

暂且不提PLC的面向运动控制和面向过程控制的特殊模块，仅就PLC的基本指令系统而言，通常有多种面向控制的指令，用户使用这些指令可以开发出各种控制程序。仅以“比较指令”为例，它可以实现以下功能。

1）电子凸轮

（1）机械凸轮。机械凸轮如图1-14所示。在凸轮旋转一周的过程中，随着凸轮半径的变化即转角的变化，靠轮升降机构的垂直位移会发生相应的变化，使用位置检测装置将最高点（上止点）的位置检测出来，也就确定了对应的凸轮转角数值。

如果在一根轴上加工出若干片凸轮，就构成了凸轮轴，如图1-15所示。

凸轮轴相当于将若干个图1-14所示的凸轮机构组合起来，根据工艺要求确定各片凸轮的上止角度。凸轮轴的功能是当设备的主轴从0°～360°的旋转过程中，在预先规定的各个角度区间内，各个凸轮检测装置分别发出相应的控制信号，从而实现设备各部分与主轴的协调运动。

（2）电子凸轮。对于凸轮轴而言，当工艺改变时，需要重新加工凸轮轴，既增加了费用，又难于满足市场的小批量多品种的需求。

使用PLC的比较指令就可以方便地实现4个（或称片）电子凸轮，根据工艺要求，每个电子凸轮的ON/OFF状态各有2个，即每个电子凸轮包含4个角度区间，每个区间都由下限数据和上限数据组成。因此，每个电子凸轮包含8个数据，4个电子凸轮总共有32个数据。4个电子凸轮的状态图如图1-16所示。

关于主轴角度的检测，若条件允许，应采用绝对式旋转编码器。其特点是：可以直接读出角度坐标的绝对值，没有累积误差，掉电后能够保留位置数据，具有记忆功能，通过提高码道数，可提高分辨率和读数精度，零点固定。

在一般情况下也可采用增量式旋转编码器，编码器每转产生360个脉冲，对应360°。需要使用编码器的z相脉冲和外部零位非接触传感器，以保障主轴零位的可靠性。

2）电子齿轮

涂布机同步跟随控制系统框图如图1-17所示。基材被1#对辊和2#热油辊分别夹持着向前运行。1#对辊的传送线速度为v1，2#热油辊的传送线速度为v2，为了保证1#对辊与2#热油辊之间的基材张力符合工艺要求，就要求线速度差（v1 -v2）为某一数值，对应的长度差（L1 -L2）为某一数值。

工程实践表明，由于两套伺服系统负载的差异和两套伺服系统各自特性的差异，在调速范围内，从低速到高速，如果两套系统的速度设定值之比（也称速度设定比值系数）为常数，就保证不了基材张力符合工艺要求。

这里，以1#系统为主令单元，其速度设定值为vg1，2#系统为跟随单元，其速度设定值为vg2，则速度设定比值系数K12为vg1/vg2，在整个调速范围内K12必须是自动可变的，才能保证基材张力符合工艺要求，相当于对减速机2的减速比自动地进行微调，这就是本例中电子齿轮的概念。

（1）主令单元速度设定。数据寄存器D0中的数据是主令单元的速度设定值，从0～4000可连续设定，0是调速范围的下限，4000是上限。

（2）30个数据比较区间。数据寄存器D501～D560将调速范围的速度设定值划分为30个区间。

（3）30个速度设定比值系数。根据实验统计和归纳，确定30个比值系数，或者说将比值系数分为30级，D600中的数据是第1级比值系数，……D629中的数据是第30级比值系数。

（4）电子齿轮——自动变速设定比值系数。由图1-18可知，在调速范围内，主令单元的速度设定值（即D0中的数据）一旦设定，必定激活30个比较区间中的某一级。例如，D0中的数据落在D545（下限）和D546（上限）规定的区间时，D622中的数据传送到D1500，D1500中的数据就是此刻的速度设定比值系数K12。这就是电子齿轮概念的应用。

3）变参数PID控制

在通常的PID控制中，经整定后的PID参数是不变的，在内外扰动的作用下，这种不变的参数难于兼顾稳态和动态性能指标。

变参数PID控制能够在各种扰动的作用下，根据系统误差的大小和符号自动地改变比例系数（Kp）、积分时间常数（Ti）和微分时间常数（Td），从而兼顾系统的动态和稳态性能指标。

具体的实现方法与图1-18类似，如果D0中的数据是系统误差，在误差的符号确定后，D501～D560将误差划分为30级，D600～D629中的数据是通过实际运行确定的30个比例系数。在系统运行过程中，当误差的符号确定后，控制系统能够根据误差的大小自动地改变比例系数Kp。同理，可编写可变积分时间常数和可变微分时间常数的程序。

6. 在线编程和在线编辑功能

大多数厂家的PLC产品提供的编程软件都具有在线编程和在线编辑功能，这就给用户在设计、调试和现场运行的各个阶段提供了很大的方便。

7. 抗干扰能力强、可靠性高

在各类控制器中，可编程控制器的抗干扰能力是最强的，采用了三重隔离措施和软件抗干扰措施，可靠性高，这也是广大企业选用PLC的重要原因之一。

有些厂家PLC的每个功能块都可以加不同的密码，最后，系统程序还可以加密；有些厂家的PLC，程序只能下载不能上传。上述措施提高了系统的保密和安全性能。

8. 系统软硬件组态迅速

PLC系统的软硬件组态迅速，也就是上马快。PLC的模块化结构使用户实现了量身定做的效果。从网上下载的编程软件可以使用户在订货前就能编程并进行模拟调试。在线编程和在线编辑功能大大缩短了调试和修改参数的时间。

9. 国产PLC质量明显提高且价格具有相当大的竞争优势

在1.1.3节中介绍的WQ系列PLC就是国产小型PLC中的一款产品，已经过多种行业生产现场考验。WQ-36MT-3DA-3AD型PLC是具有36点I/O、3路DA、3路AD、高速计数、高速脉冲输出、编码器接口和通信接口等功能的小型PLC，其售价仅500元左右，这就使得广大的爱好者能够将PLC买回家，用于学习和实践。

1.1.5 可编程控制器的应用领域

PLC自身的特点和优势造就了它无所不在，自1969年以来，各个厂家经过40多年的不断努力，PLC在逻辑控制、运动控制、过程控制、混合控制和集成制造等领域中广泛应用，涉及工业、农业、军事、交通、物流、文化、体育、教育、公众设施和日常生活等众多领域。