第1章 PLC基础知识
PLC简介
PLC的定义
PLC(Programmable Logic Controller)是一种以计算机（微处理器）为核心的通用工
业控制装置,专为工业环境下应用而设计的一种数字运算操作的电子学系统。目前已经广泛地`应用于工业生产的各个领域。早期的可编程序控制器只能用于开关量的逻辑控制，被称为可编程序逻辑控制器（Programmable Logic Controller）,简称PC。现代可编程序控制器采用微处理（Microprocessor）作为中央处理单元，其功能大大增强，它不仅具有逻辑控制功能，还具有算术运算、模拟量处理和通信联网等功能。PLC的高可靠性到目前为止没有任何一种工业控制设备可以达到，PLC对环境的要求较低，与其它装置的外部连线和电平转换极少，可直接接各种不同类型的接触器或电磁阀等。
这样看来，PC这一名称已经不能准确反映它的特性，于是，人们将其称为可编程序控
制器（Programmable Controller），简称PLC。但是近年来个人计算机（Personal Computer）也简称PLC，为了避免混淆，可编程序控制器常被称为PLC。
PLC的产生和发展
在PLC出现之前，机械控制及工业生产控制是用工业继电器实现的。在一个复杂的控制系统中，可能要使用成千上百个各式各样的继电器，接线、安装的工作量很大。如果控制工艺及要求发生变化，控制柜内的元件和接线也需要作相应的改动，但是这种改造往往费用高、工期长。在一个复杂的继电器控制系统中，如果有一个继电器损坏、甚至某一个继电器的某一点接触点不良，都会导致整个系统工作不正常，由于元件多、线路复杂，查找和排除故障往往很困难。继电器控制的这些固有缺点，各日新月异的工业生产带来了不可逾越的障碍。由此，人们产生了一种寻求新型控制装置的想法。
1968年，美国最大的汽车制造商通用汽车公司（GM公司）为了适应汽车型号不断翻新的要求，提出如下设想：能否把计算机功能完备、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，做成一种通用控制装置，并把计算机的编程方法合成程序输入方式加以简化，用面向过程、面向问题的“自然语言”编程，使得不熟悉计算机的人也可以方便使用。这样，使用人员不必在编程上花费大量的精力，而
是集中力量去考虑如何发挥该装置的功能和作用。这一设想提出之后，美国数字设备公司（DEC公司）首先响应，于1969年研制出了世界上第一台PLC。此后，这项新技术就迅速发展起来。
PLC的发展过程大致如下：
第一代：从第一台可编程序控制器诞生到70年代初期。其特点是：CPU有中小型规模集成电路组成，存储器为磁芯存储器；功能简单，主要能完成条件、定时、计数控制；机种单一，没有形成系列；可靠性略高于继电接触器系统；没有成型的编程语言。
第二代：70年代初期到70年代末期。其特点是：CPU采用微处理器，存储器采用EPROM，使PLC的技术得到了较大的发展：PLC具有了逻辑运算、定时、计数、数值计算、数据处理、计算机接口和模拟量控制等功能：软件上开发出自诊断程序，可靠性进一步提高；系统开始向标准化、系统化发展；结构上开始有整体式和模块式的区分，整体功能从专用向通用过渡。
第三代：70年代末期到80年代中期。单片计算机的出现、半导体存储器进入了工业化生产及大规模集成电路的使用，推进了PLC的进一步发展，使其演变成专用的工业化计算机。其特点是：CPU采用8位和16位微处理器，使PLC的功能和处理速度大大增强；具有通信功能远程I/O能力；增加了多种特殊功能；自诊断功能及容错技术发展迅速；软件方面开发了面向过程的梯形图语言及其变相的语句表（也称逻辑符号）；PLC的体积进一步缩小，可靠性大大提高，成本大型化、低成本。
第四代：80年代中期到90年代中期。随着计算机技术的飞速发展，促进PLC完全计算机化。PLC全面使用8位、16位微处理芯片的位片式芯片，处理速度也达到1微秒/步。功能上具有高速计数、中断、A/D、D/A、PID等，已能满足过程控制的要求，同时加强了联网的能力。
第五代：90年代中期至今。RISC(简称指令系统CPU)芯片在计算机行业大量使用，表面贴装技术和工艺已成熟，使PLC整机的体积大大缩小，PLC使用16位和32位的微处理器芯片。CPU芯片也向专用化发展。具有强大的数值运算、函数运算和大批量数据处理能力；已开发出各种智能化模块；以LCD微现实的人机智能接口普遍使用，高级的已发展到触摸式屏幕；除手持式编程器外，大量使用了笔记本电脑和功能强大的编程软件。
目前，为了适应大中型小企业的不同需要，进一步扩大PLC在工业自动化领域的应用
范围，PLC正朝着以下两个方向发展：
其一：小型PLC向体积缩小、功能增强、速度加快、价格低廉的方向发展，使之能更加广泛地取代继电器控制。
其二：大中型PLC向大容量、高可靠性、高速度、多功能、网络化的方向发展，使之能对大规模、复杂系统进行综合性的自动控制。
总的趋势是：
(1) 中央处理单元处理速度进一步加快。 (2) 控制系统将分散化。
(3) 可靠性进一步提高。 (4) 控制与管理功能一体化。
PLC的构成
PLC的硬件主要由CPU模块、I/O端口组成。
1) 中央处理单元CPU是PLC的核心，它是运算、控制中心，将完成以下任务： (1) 接受并存储用户程序和数据。
(2) 诊断工作状态。
(3) 接受输入信号，送入PLC的数据寄存器保存起来。
(4) 读取用户程序，进行解释和执行，完成用户程序中规定的各种操作。 2) PLC中的存储器分为系统程序存储器和用户程序存储器
3） I/O接口模块的作用是将工业现场装置与CPU模块连接起来，包括开关量I/O接口模块、模拟量I/O接口模块、智能I/O接口模块以及外设通讯接口模块等。
图1-1为PLC的硬件组成框图：
输
主机 输CPU 入单出单出信电源 输输 入 信
编程器 外设EPROM 存储器 RAM I/O扩I/O扩
PLC的工作原理
PLC工作过程一般可分为输入采样，程序执行和输出刷新三个主要阶段。PLC按顺序采样所有输入信号并读入到输入映像寄存器中存储，在PLC执行程序时被使用，通过对当前输入输出映像寄存器中的数据进行运算处理，再将其结果写入输出映像寄存器中保存,当PLC刷新输出锁存器时被用作驱动用户设备，至此完成一个扫描周期。PLC的扫描周期一般在100毫秒以内。PLC程序的易修改性，可靠性，通用性，易扩展性，易维护性可和计算机程序相媲美，再加上其体积小，重量轻，安装调试方便，使其设计加工周期大为缩短，维修也方便,还可重复利用。
PLC的循环扫描工作过程见图1-2。
初始化 硬件、内存检查 异常 检查结果正常？ 正常 扫描周期监视时间预置 设置各异常继电器 执行用户程序 异常或警告 异常 警告 程序结束？ NO
YES 扫描周期固定值
第2章 伺服系统
伺服电机种类及结构特点
“伺服”一词源于希腊语“奴隶”的意思 。人们想把“伺服机构”当个得心应手的驯服工具，服从控制信号的要求而动作。在讯号来到之前，转子静止不动；讯号来到之后，转子立即转动；当讯号消失，转子能即时自行停转。由于它的“伺服”性能，因此而得名伺服系统。
伺服系统是使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入目标值(或给定值)的任意变化的自动控制系统。
伺服的主要任务是按控制命令的要求，对功率进行放大、变换与调控等处理，使驱动装置
PLC控制伺服电机总结
