基于PLC步进电机控制系统的设计(3)

成一个整体，易于扩充其功能的原则设计”。

2.1.2 PLC的发展

⑴PLC的发展历程

PLC产生至今，历经50载，其发展大体经历了4个阶段。

1970—1980年，PLC结构定型阶段。在这一阶段，随着PLC刚诞生，各种类型的顺序控制器不断出现（如逻辑电路型、1位机型、通用计算机型、单板机型等），但都被迅速淘汰。最终以微处理器为核心的现有PLC结构形式取得了市场认可，得以迅速发展。本阶段为PLC原理、结构、软件、硬件趋向统一与的阶段，PLC的应用领域也开始由最初的小范围逻辑控制、有选择使用，逐步开始向机床、生产线领域拓展。

1980—1990年，PLC普及与系列化阶段。在这一阶段，PLC的生产规模不断扩大，价格一直下跌，PLC被广泛普及。各个PLC生产单位产品的规模、品种开始系列化，并且形成了固定的模块化结构型、I/O端子型、基本单元加扩展模块型这三种延续至今的基本结构模式。PLC的应用范围不断向顺序控制的全部领域扩展。

在本阶段三菱公司以最早的F系列PLC产品为主，包括了小、中、大型各规格产品。 1990—2000年，PLC高性能与小型化阶段。在这一阶段，随着工业电气自动化程度的提高和微电子技术的进步，PLC的功能日益增强，PL由单CPU转向多CPU，16位和32位微处理器被大量应用于PLC中，使其运算速度、图像显示和数据处理功能都大大增强。许多公司在加强各种特殊控制功能模块研制的同时，还加强了软件技术的开发，PLC的体积大大减小，出现了各种类型的小型化、微型化PLC。PLC的应用范围由单一的顺序控制向现场控制拓展。

本阶段，三菱公司的PLC产品开始有F系列向FX系列过渡，而后陆续推出了Q/K型小、中、大型系列产品。

2000至今，PLC功能开发与网络化阶段。在本阶段，为了适应工厂自动化的需求与信息技术的发展，PLC的功能不断开发与完善。一方面，PLC在不断提高CPU运算位数、速率的同时，开发了适用于运动控制、过程控制的特殊模块，使PLC的应用范围开始涉及工业自动化的全部领域。同时随着通信联网技术的不断发展，新通信协议的不断产生，PLC的通信和网络功能得到迅速发展，PLC不仅可以连接通用输入/输出设备和传统的编程，还可以通过总线构成网络系统，为工厂自动化奠定了基础。PLC已经真正成为具有逻辑控制、过程控制、运动控制、数据处理和联网通信等功能的多功能控制器。

本阶段，三菱公司的PLC产品仍然以Q/K系列为主要产品，只是其性能在不断完善，

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并有新的CPU模块推出。 ⑵PLC的发展趋势

从世界上第一台PLC诞生至今，PLC技术得到了迅猛的发展。PLC的应用领域从最初的单一的逻辑控制发展到包括模拟量控制、数字控制以及机器人控制等在内的各种工业控制场合，成为工业控制领域占主导地位的基础自动化装备。PLC的发展趋势主要表现为以下四个方面。

1、向微型化、网络化、开放性方向发展。微型化、网络化、开放性是PLC未来发展的主要方向。

2、向系列化、标准化、模块化方向发展。 3、向大容量、高速度、高性能方面发展。 4、向自诊断、容错性、高性能方面发展。

2.2 PLC的特点与功能

2.2.1 PLC的特点

PLC技术的迅猛发展，除了得益于工业的需求外，主要还是由于它具有许多独特的特点。PLC是传统的继电器技术和现代的计算机技术相结合的产物。而在工业控制方面，PLC还具有计算机控制或继电器控制所无法比拟的特点。

⒈可靠性高，抗干扰能力强 ⒉应用灵活，编程方便 ⒊功能完善，适用性强 ⒋易于安装、调试、维修 ⒌体积小、质量轻、能耗低

2.2.2 PLC的功能

PLC作为工业控制的多功能控制器，不仅能满足一般工业控制需要，而且能够适应工业控制的特殊控制要求，并可实现联网和通信控制。虽然不同类型PLC的性能，价格有差异，但其主要功能是相近的。 ⒈基本功能

逻辑运算功能是PLC必备的基本功能。本质上，它以计算机“位”运算位基础，按照程序的要求，通过对来自设备外围的按钮、接触器触电、行程开关等开关量信号进行逻辑运算处理，并控制外围指示灯、接触器线圈、电磁阀的通断。

在早期的PLC上，顺序控制所需要的定时、计数功能需要通过定时模块与计数模块实

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现，但是，他已经成为PLC的基本功能之一。此外，逻辑控制中常用的数据比较与处理、代码转换等，也是PLC常用的基本功能。 ⒉特殊功能

PLC的特殊控制功能包括模/数（A/D）转换、数/模（D/A）转换、高速处理、温度控制、位置控制等。这些特殊控制功能的实现一般需要PLC的特殊功能模块完成。

A/D转换与D/A转换多用于过程控制或闭环调节系统。在PLC中，通过特殊的功能模块与功能指令，可以对过程中的温度、压力、速度、流量、电流、电压、位移等连续变化的物理量进行采样，并通过必要的运算实现闭环自动调节，必要时也可以对这些物理量进行各种形式的显示。

位置控制一般通过对PLC的特殊应用指令的写入与状态读取，对位置控制模块的位移量、速度、方向等进行控制。位置控制模块一般以位置给定的指令脉冲形式输出，指令脉冲再通过伺服驱动器或步进驱动器、驱动伺服电动机或步进电动机带动进给传动系统实现闭环位置控制

高速处理功能一般通过PLC的特殊应用指令和高速处理模块，如高速计数、快速响应模块等实现，PLC通过高速处理命令的写入与状态的读取，对高速变化的速度、流量、位置等值进行处理控制。高速计数模块可以对几十千赫甚至上百千赫的脉冲进行计数处理，保证负载信息的及时处理并驱动。快速响应模块将输入量的变化较快的反映到输出量上。总之，PLC的高速处理功能对变化快、脉冲宽度小于PLC扫描周期的输入/输出信号进行处理，避免了丢失部分关键信号，从而影响控制过程的及时性和准确性。 ⒊网络与通信功能

PLC早期的通信一般局限于PLC与外围设备（编程器或变成计算机等）间的简单串行口通信。现代工业控制中的网络与通信不仅可以进行PLC与外围设备间的通讯，而且可以在PLC与PLC之间、PLC与其他工业控制设备之间、PLC与上位机之间、PLC与工业网络间进行通讯，并可以通过现场总线、网络总线组成系统，从而使得PLC可以方便的进入工厂自动化系统。

2.3 PLC的结构

在硬件结构上PLC可以分为整体式固定I/O型、模块式PLC、基本单元加扩展型分布式PLC和集成式PLC五种结构形式。

2.4 PLC的编程语言

PLC是专为工业控制而研发的装置，主要使用者是企业电器工作人员。为了适应工人

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的传统习惯和掌握能力，通常PLC不采用计算机编程语言，而采用面向控制工程、面向问题的“自然语言”编程。国际电工委员会（IEC）1994年5月公布的IEC61131—3《可编程控制器语言标准》详细的说明了语义、句法和五种编程语言。

2.4.1 梯形图

梯形图是目前为止使用最多的图形编程语言，梯形图和继电器控制系统的电路图相似，梯形图常被称为电路或者程序，梯形图的设计称为编程。梯形图由线圈、触点和指令组成。线圈通常代表逻辑输出结果和输出标志位。触点代表逻辑输入条件。 ⒈梯形图编程的基本概念

⑴能流。在梯形图中为了分析各个元件间的输入与输出关系，就要假象一个概念电流。认为电流按照从左往右的方向流动，这一方向与执行用户顺序时的逻辑运算关系是一致的。。利用能流这一概念，可以帮助我们很好地理解和分析梯形图。能流只能从左往右流动，层次改变只能从上往下。

⑵母线。梯形图两侧的垂直公共线称为母线。母线之间有能流从左往右流。通常梯形图中母线有左右两条。

⑶软触点。PLC梯形图中的一些编程元件沿用了继电器这一名称，如输入继电器、输出继电器等，但是他们不是真实的物理继电器，而是一些存储单元，每个软继电器的触点与PLC存储器中映像存储器的一个存储单元相对应，所以这些触点称为软触点。这些软触点的0/1状态代表相应继电器触点或线圈的接通或者断开。而且对于PLC内部，如果存储单元状态为“1”则表示梯形图中对应软继电器的通电，常开触点接通，常闭触点断开，在继电器控制系统的接线中，触点数量有限，而PLC内部软触点的数量和使用次数没限制，用户可根据具体要求在梯形图中多次使用同一触点。 ⒉梯形图的特点

PLC的梯形图源于继电器逻辑控制系统的描述，并和电气控制系统梯形图的基本思路一致，只是在符号和表达方式上有一定区别。它采用梯形图的图形符号来描述程序设计，是PLC程序设计中最常用的一种设计语言。这种设计语言采用因果关系来描述系统发生的条件和结果。其中每个梯级是一个因果关系。在梯级中描述系统发生的条件在左边，事件发生的结果在右边。PLC梯形图使用的内部辅助继电器、计数/定时器等，都是有软件实现的，它的最大优点是使用方便、形象、直观、实用和修改灵活。这是传统电气控制的继电器硬件接线所无法比拟的。

梯形图的格式一般有如下一些要求：每个梯形图网络由多个梯级构成。每个输出元素

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可构成一个梯级，每个梯级有多个支路。通常每个支路可容纳11个编程元素，最右边的元素必须是输出元素。一个网络最多允许16条支路。

梯形图有以下8个特点：

⑴PLC梯形图和电气操作原理图相对应，具有对应性和直观性，并与传统的继电器逻辑控制技术相一致。

⑵梯形图中的能流不是实际的电流，而是一个虚拟的电流，是用户程序运算中满足输出条件的形象表达。能流只能从左往右。

⑶梯形图中个编程元件所描述的常开常闭触点可在编程时无限使用，不受次数限制。 ⑷梯形图格式中继电器和物理继电器是不同的。在PLC中编程元件沿用了继电器这一名称，如输入继电器、内部辅助继电器、输出继电器等。对于PLC来说，其内部的继电器并不是实际存在的继电器，而是指软件中的编程元件。编程元件中的每个软触点都和PLC存储器中的一个存储单元相对应。因此，在应用时，需与原继电器逻辑控制技术的概念区别。

⑸梯形图中输入继电器的状态只取决于外部输入电路的通断状态，所以 在梯形图中没有输入继电器线圈。输出线圈只对应输出映像区的相应位，不能用该编程元件直接驱动现场机构。

⑹根据梯形图中个触点的状态和逻辑关系，可以求出与图中各线圈对应的编程元件的1/0状态，称为梯形图的逻辑运算。逻辑运算按照梯形图从左至右、从上至下的原则进行。逻辑运算是根据输入映像寄存器中的值，而不是根据逻辑运算瞬时外部输入状态来进行。

⑺梯形图中用户的逻辑运算结果马上可为后面用户程序的逻辑运算所运用。 ⑻梯形图与其他设计语言有一一对应关系，便于相互转换和对程序的检查。但是对于较复杂的控制系统。与顺序功能图等设计语言相比较，梯形图的逻辑描述还不够清晰。 ⒊梯形图设计规则

⑴由于梯形图中的线圈和触点均为“软继电器”，因此同一标号的触点可反复使用，这也是PLC区别于传统控制的一大优点。

⑵每个梯形图有多层梯级组成，每层逻辑行起始于做母线，经过触点的各种连接最后结束于线圈，触点不能出现在线圈右边，只能在触点右边连接线圈，每一个逻辑行实际代表一个逻辑方程。

⑶梯形图中的输入触点只受外部信号控制，而不能有内部继电器的线圈将其接通或断开，及线圈不能直接和做母线相连，所以在梯形图中不会出现“输入继电器的线圈”。

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