【正文】 PLC 實(shí)現(xiàn)十字路口交通信號燈的自動(dòng)控制。通過對交通信號燈的控制要求分析，對 PLC 控制系統(tǒng)進(jìn)行了軟、硬件設(shè)計(jì)，并通過實(shí)驗(yàn)證明該系統(tǒng)簡單、經(jīng)濟(jì)、運(yùn)行可靠，具有很高的實(shí)用價(jià)值 . 3 第 1 章 PLC 的概述 PLC 的產(chǎn)生 20 世紀(jì) 20 年代起，人們把各種繼電器。定時(shí)器。接觸器及其觸點(diǎn)按一定的邏輯關(guān)系連接起來組成控制系統(tǒng)，控制各種生產(chǎn)機(jī)械，這就是大家所熟悉的傳統(tǒng)繼電接觸器控制系統(tǒng) .由于它結(jié)構(gòu)簡單。容易掌握。價(jià)格便宜，在一定范圍內(nèi)能滿足控制要求，因而使用面甚廣，在工業(yè)控制領(lǐng)域中一直占主導(dǎo)地位 .但是繼電接觸器控制系統(tǒng)有明顯的缺點(diǎn)：設(shè)備體積大，可靠性差，動(dòng)作速度慢，功能少，難與實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的控制，特 別是由于它是靠硬連線邏輯構(gòu)成的系統(tǒng)，接線復(fù)雜，當(dāng)生產(chǎn)工藝或?qū)ο蟾淖儠r(shí)，原有的接線和控制盤就要更換，所以通用性和靈活性較差 .【 1】 20 世紀(jì) 60 年代末期，美國的汽車制造業(yè)競爭激烈，各生產(chǎn)廠家的汽車型號不斷更新，它必然要求生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)亦隨之改變，以及對整個(gè)開展系統(tǒng)重新配置 .為拋棄傳統(tǒng)的繼電接觸器控制系統(tǒng)的束縛，適應(yīng)白熱化的市場競爭要求， 1968 年美國通用汽車公司公開向社會(huì)招標(biāo)，對汽車流水線控制系統(tǒng)提出具體要求，歸納起來是： 1. 編程方便，可現(xiàn)場修改程序 ； 2. 維修方便，采用插件式結(jié)構(gòu) ； 3. 可靠性高于 繼電器控制裝置 ； 4. 體積小于繼電器控制盤 ； 5. 數(shù)據(jù)可直接送入管理計(jì)算機(jī) ； 6. 成本可與繼電器控制盤競爭 ； 7. 輸入可以是交流 150V 以上 ； 8. 輸出為交流 115V，容量要求在 2A以上，可直接驅(qū)動(dòng)接觸器，電磁閥等 ； 9. 擴(kuò)展時(shí)原系統(tǒng)改變最小 ； 10. 用戶存儲(chǔ)器至少能擴(kuò)張到 4KB（適應(yīng)當(dāng)時(shí)汽車裝配過程的需要） 。 十項(xiàng)指標(biāo)的核心要求是采用軟布線（編程）方式代替繼電控制的硬接 4 線方式，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)線的流程控制。 【 2】 PLC 的定義 美國國際電工委員會(huì)（ IEC）在 1987 年對可編程序控制器做出如 下定義：可編程序控制器是一類專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字式電子系統(tǒng)，它采用了可編程序的存儲(chǔ)器，用來在其內(nèi)部進(jìn)行存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、定時(shí)、記數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等功能的面向用戶的指令，并通過數(shù)字式或模擬式的輸入或輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程?？杀槌绦蚩刂破鳂O其相關(guān)外部設(shè)備，都應(yīng)按照易于與工業(yè)控制系統(tǒng)聯(lián)成一個(gè)整體，易于擴(kuò)展其功能的原則而設(shè)計(jì)。 【 1】 定義強(qiáng)調(diào)了 PLC 應(yīng)直接應(yīng)用與工業(yè)環(huán)境，它必須具有很強(qiáng)的抗干擾能力，廣泛的適應(yīng)能力和應(yīng)用范圍。這也是區(qū)別與一般微機(jī)控制系統(tǒng)的一個(gè)重要特征。 定義還強(qiáng)調(diào)了 PLC 是“數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)”，他也是一種計(jì)算機(jī)，它是“專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的”工業(yè)計(jì)算機(jī)。這種工業(yè)計(jì)算機(jī)采用“面向用戶的指令”，因此編程方便。它能完成邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、定時(shí)、記數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作，它還具有“數(shù)字量和模擬量輸入和輸出”的能力，并且非常容易與“工業(yè)控制系統(tǒng)聯(lián)成一體”，易于“擴(kuò)充”。 【 3】 PLC 的發(fā)展趨勢 PLC 總的發(fā)展趨勢是向高集成度、小體積、大容量、高速度、易使用、高性能方向發(fā)展。具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。 1. 向小型化、專用化、低成本方向發(fā)展 隨著微電子技術(shù)的發(fā)展， 新型器件大幅度的提高功能和降低價(jià)格，使PLC 結(jié)構(gòu)相當(dāng)與一本精裝本書的大小，操作使用十分方便。 PLC 的功能不斷增加，將原來大、中型 PLC 才有的功能部分地移植到小型 PLC 上。 2. 向大容量、高速度方向發(fā)展 大型 PLC 采用多微處理器系統(tǒng)，有的采用了 32 位微處理器，可同時(shí)進(jìn) 5 行多任務(wù)操作，處理速度提高，特別是增強(qiáng)了過程控制和數(shù)據(jù)處理的功能。另外，存儲(chǔ)容量大大增加。 3. 智能型 I/O 模塊的發(fā)展 智能型 I/O 模塊是以微處理器和存儲(chǔ)器為基礎(chǔ)的功能部件，它們的CPU 與 PLC 的主 CPU 并行工作，占用主 CPU 的時(shí)間很少，有利 于提高PLC 的掃描速度。 4. 基于 PC 的編程軟件取代編程器 隨著計(jì)算機(jī)的日益普及，越來越多的用戶使用基于個(gè)人計(jì)算機(jī)上的編程軟件。編程軟件可以對 PLC 控制系統(tǒng)的硬件組態(tài)，即設(shè)置硬件的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，例如設(shè)置各框架各個(gè)插槽上模塊的型號、模塊的參數(shù)、各串行通行接口的參數(shù)等。 5. PLC 編程語言的標(biāo)準(zhǔn)化 與個(gè)人計(jì)算機(jī)相比， PLC 的硬件、軟件的體系結(jié)構(gòu)都是封閉的而不是開放的。在硬件方面，各廠家的 CPU 模塊和 I/O 模塊互不通用。 PLC 的編程語言和指令系統(tǒng)的功能和表達(dá)式也不一致，因此各廠家的可遍程序控制器互不兼容。為了解 決這一問題， IEC 制定了可遍程序控制器標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)中共有 5 種編程語言，允許編程者在同一程序中使用多種編程語言，這使編程能夠選擇不同的語言來適應(yīng)特殊的工作。 6. PLC 通信的易用化 PLC 的通信聯(lián)網(wǎng)功能使它能與個(gè)人計(jì)算機(jī)和其他智能控制設(shè)備交換數(shù)字信息，使系統(tǒng)形成一個(gè)統(tǒng)一的整體，實(shí)現(xiàn)分散控制和集中控制。 7. 組態(tài)軟件與 PLC 的軟件化 個(gè)人計(jì)算機(jī)（ PC）的價(jià)格便宜，有很強(qiáng)的數(shù)學(xué)運(yùn)算、數(shù)據(jù)處理、通信和人機(jī)交互的功能。 8. PLC 與現(xiàn)場總線相結(jié)合 現(xiàn)場總線 I/O 與 PLC 可以組成功能強(qiáng)大的、廉價(jià)的 DCS 系統(tǒng)。 9. 開發(fā)新型特殊功能模塊 I/O 組件可以提高 PLC 的智能化、高密集度和增大處理能力。 10. CPU 的處理速度進(jìn)一步加快 目前， PLC 的處理速度與計(jì)算機(jī)相比還比較慢，其高的 CPU 也不過 6 80486，將來會(huì)全面使用 64 位的 RISC 芯片，采用多 CPU 進(jìn)行處理、分時(shí)處理或分任務(wù)處理方式，將各種模塊智能化，部分系統(tǒng)程序用門陣列電路固化，這樣可使 PLC 的處理速度達(dá)到納秒級。 【 4】 PLC 的特點(diǎn) 1. 抗干擾能力強(qiáng)，可靠性好 PLC 在電子線路、機(jī)械結(jié)構(gòu)以及軟件結(jié)構(gòu)上都吸取了生產(chǎn)廠家長期積累的生產(chǎn)控制經(jīng)驗(yàn)，主要 模塊均采用大規(guī)模與超大規(guī)模集成電路。 I/O 系統(tǒng)設(shè)計(jì)有完善的通道保護(hù)與信號調(diào)理電路；在結(jié)構(gòu)上對耐熱、防潮、防塵、抗震等都有周到的考慮。具體措施主要有以下幾個(gè)方面： （ 1）隔離：這是抗干擾的主要措施之一。 PLC 的輸入、輸出接口電路一般采用光電耦合器來傳遞信號。這種光電隔離措施，使外部電路與內(nèi)部電路之間避免了電的聯(lián)系，可有效的抑制外部干擾源對于 PLC 的影響，同時(shí)防止外部高電壓串入，從而減少故障和誤操作。 （ 2）濾波：這是抗干擾的另一個(gè)主要措施。在 PLC 的電源電路和輸入 /輸出電路中設(shè)置了多種濾波電路，用以對高頻干 擾信號進(jìn)行有效的抑制。 （ 3）對內(nèi)部電源還采用了屏蔽、穩(wěn)壓、保護(hù)等措施，以減少外界干擾，保護(hù)供電質(zhì)量。另外使輸入輸出接口電路電源彼此獨(dú)立，以避免電源之間的干擾。 （ 4）內(nèi)部設(shè)置了連鎖、環(huán)境檢測與診斷、 watchdog（“看門狗”）等電路，一旦發(fā)現(xiàn)故障或程序循環(huán)執(zhí)行時(shí)間超過了警戒時(shí)鐘（ WDT）規(guī)定時(shí)間（預(yù)示程序進(jìn)入了死循 環(huán)），立即報(bào)警，以保證 CPU 可靠運(yùn)行。 （ 5） 利用系統(tǒng)軟件定期進(jìn)行系統(tǒng)狀態(tài)、用戶程序、工作環(huán)境和故障檢測，并采用信息保護(hù)和恢復(fù)措施。 （ 6）對用戶程序及動(dòng)態(tài)工作數(shù)據(jù)進(jìn)行電池備份，以保障停電后 有關(guān)狀態(tài)或信息不丟失。 （ 7）采用密封、防塵、抗震的外殼封裝結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)工作現(xiàn)場的惡劣環(huán)境。 7 （ 8）以集成電路為基本元件，內(nèi)部處理過程不依賴于機(jī)械觸點(diǎn)，以保障高可靠性。而采用循環(huán)掃描的工作循環(huán)方式，也提高了抗干擾能力。 【 4】 2. 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，通用性強(qiáng) PLC 及外圍模塊品種多，可由各種組件靈活組合成各種大小和不同要求的控制系統(tǒng)。 3. 編程方便，易于使用 PLC 是面向用戶的設(shè)備， PLC 的設(shè)計(jì)者充分考慮到現(xiàn)場工程技術(shù)人員的技能和習(xí)慣， PLC 程序的編制，采用梯形圖或面向工業(yè)控制的簡單指令形式。梯形圖與繼電 器原理圖相類似，這種編程語言現(xiàn)象直觀，容易掌握，不需要專門的計(jì)算機(jī)知識(shí)和語言，只要具有一定的電工和工藝的知識(shí)的人員都可在短時(shí)間內(nèi)學(xué)會(huì)。 4. 功能完善 PLC 的輸出 /輸入功能完善，性能可靠，能夠適應(yīng)與任何形式和性質(zhì)的開關(guān)量和模擬量的輸入 /輸出。在 PLC 內(nèi)部具有許多控制功能，諸如時(shí)序、計(jì)算機(jī)、主控繼電器以及移位寄存器、中間寄存器等。由于采用了微處理器，它能夠很方便地實(shí)現(xiàn)延時(shí)、鎖存、比較、跳轉(zhuǎn)、和強(qiáng)制 I/O 等諸多功能，不僅具有邏輯功能、算術(shù)運(yùn)算、數(shù)制轉(zhuǎn)換、以及順序控制功能，而且還具備模擬運(yùn)算、顯示、監(jiān)控、打印、 及報(bào)表生成等功能。 5. 設(shè)計(jì)、施工、調(diào)試、的周期短 用繼電接觸器控制完成一項(xiàng)控制工程，必須首先按工藝要求畫出電氣原理圖，然后畫出繼電器屏的布置和接線圖等，進(jìn)行安裝調(diào)試，以后修改起來十分不便。而采用 PLC 控制，由于其硬軟件齊全，為模塊化積木式結(jié)構(gòu)，且已商品化，故僅需按性能、容量等選用組裝，而大量具體的程序編制工作也可在 PLC 到貨前進(jìn)行，因而縮短了設(shè)計(jì)周期，使設(shè)計(jì)和施工可同時(shí)進(jìn)行。 6. 體積小，維護(hù)操作方便 PLC 體積小，質(zhì)量輕，便于安裝。 PLC 的輸入 /輸出系統(tǒng)能夠直觀的反映現(xiàn)場總線信號的變化狀態(tài)，還能通過 各種方式直觀的反映控制系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。 7. 易于實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化 8 PLC 可連成功能很強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。 8. 可實(shí)現(xiàn)三電一體化 PLC 將電控（邏輯控制）、電儀（過程控制）和電結(jié)（運(yùn)動(dòng)控制）這三電集于一體，可以方便、靈活地組合成各種不同規(guī)模和要求的控制系統(tǒng)，以適應(yīng)各種工業(yè)控制的需要。 【 5】 PLC 的主要功能 條件控制功能 條件控制（或稱邏輯控制或順序控制）功能是指用 PLC 的與、或、非指令取代繼電器接觸的串聯(lián)、并聯(lián)極其他各種邏輯連接，進(jìn)行開關(guān)控制。 1. 定時(shí) /記數(shù)控制功能 定時(shí) /記數(shù)控制功能指用 PLC 提供 的定時(shí)器、記數(shù)器指令實(shí)現(xiàn)對某種操作的定時(shí)或記數(shù)控制，以取代時(shí)間繼電器和記數(shù)繼電器。 2. 數(shù)據(jù)處理功能 數(shù)據(jù)處理功能是指 PLC 能進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送、比較、移位、數(shù)制轉(zhuǎn)換、算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算以及編碼和譯碼等操作。 3. 步進(jìn)控制功能 步進(jìn)控制功能是指用步進(jìn)指令來實(shí)現(xiàn)在有多道加工工序的控制中，只有前一道工序完成以后，才能進(jìn)行下一道工序操作的控制，以取代由硬件構(gòu)成的步進(jìn)控制器。 4. A/D 與 D/A 轉(zhuǎn)換功能 A/D 與 D/A 轉(zhuǎn)換功能是指通過 A/D、 D/A 模塊完成模擬量和數(shù)字量之間的轉(zhuǎn)換。 5. 運(yùn)動(dòng)控制功能 運(yùn)動(dòng)控制 功能是指通過高速記數(shù)模塊和位置控制模塊等進(jìn)行單軸或多軸運(yùn)動(dòng)控制。 6. 過程控制功能 過程控制功能是指通過 PLC 的 PID 控制指令或模塊實(shí)現(xiàn)對溫度、壓力、速度、流量等物理參數(shù)的閉環(huán)控制。 9 7. 擴(kuò)展功能 擴(kuò)展功能是指通過連接輸入輸出擴(kuò)展單元（即 I/O 擴(kuò)展單元）模塊來增加輸入輸出點(diǎn)數(shù)，也可通過附加各種智能單元及特殊功能單元來提高PLC 的控制功能。 8. 遠(yuǎn)程 I/O 功能 遠(yuǎn)程 I/O 功能是指通過 I/O 單元將分散在遠(yuǎn)距離的各種輸入、輸出設(shè)備與 PLC 主機(jī)相連接，進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，接收輸入信號、傳出輸出信號。 9. 通信聯(lián)網(wǎng) 功能 通信聯(lián)網(wǎng)功能是指通過 PLC 之間的聯(lián)網(wǎng)、 PLC 與上位機(jī)的鏈接等，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程 I/O 控制或數(shù)據(jù)交換，以完成較大規(guī)模系統(tǒng)的復(fù)雜控制。 10. 監(jiān)控功能 監(jiān)控功能是指 PLC 能監(jiān)視系統(tǒng)各部分的進(jìn)行狀態(tài)和進(jìn)程，對系統(tǒng)中出現(xiàn)的異常情況進(jìn)行報(bào)警和記錄，甚至自動(dòng)終止運(yùn)行；也可在線調(diào)整、修改控制程序中的定時(shí)器、記數(shù)器等設(shè)定值或強(qiáng)制 I/O 狀態(tài)。 【 6】 PLC 的基本結(jié)構(gòu)及原理 1. PLC 的系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 目前 PLC 種類繁多，功能和指令系統(tǒng)也都各不相同，但都是以微處理器為核心用做工業(yè)控制的專用計(jì)算機(jī)，所以其結(jié)構(gòu)和工作原理都 大致相同，硬件結(jié)構(gòu)與微機(jī)相似。主要包括中央處理單元 CPU、存儲(chǔ)器 RAM 和 ROM、輸入輸出接口電路、電源、 I/O 擴(kuò)展接口、外部設(shè)備接口等。其內(nèi)部也是采用總線結(jié)構(gòu)來進(jìn)行數(shù)據(jù)和指令的傳輸。 如圖 11 所示， PLC 控制系統(tǒng)由輸入量 — PLC— 輸出量組成，外部的各種開關(guān)信號、模擬信號、傳感器檢測的各種信號均作為 PLC 的輸入量，它們經(jīng) PLC 外部輸入端子，作為 PLC 的輸出量對外圍設(shè)備進(jìn)行各種控制。由此可見， PLC 的基本結(jié)構(gòu)有控制部分輸入和輸出組成。 10 圖 11 PLC 硬件結(jié) 構(gòu)圖 2. PLC 各部分的作用 (1) 中央處理器 CPU 是由控制器和運(yùn)算器組成的。運(yùn)算器也稱為算術(shù)邏輯單元，它的功能就是進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算?？刂破鞯淖饔檬强刂普麄€(gè)計(jì)算機(jī)的各個(gè)部件有條不紊地工作，它的基本功能是從內(nèi)存中取指令和執(zhí)行指令。他的重要功能如下： a. 診斷 PLC 電源、內(nèi)部電路的工作狀態(tài)及編制程序中的語法錯(cuò)誤。 b. 采集由現(xiàn)場輸入裝置送來的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并送入 PLC 的寄存器中。 c. 按用戶程序存儲(chǔ)器中存放的先后順序逐條讀取指令，進(jìn)行編譯解釋后，按指令規(guī)定的任務(wù)