【正文】 PLC 實現(xiàn)十字路口交通信號燈的自動控制。通過對交通信號燈的控制要求分析，對 PLC 控制系統(tǒng)進行了軟、硬件設計，并通過實驗證明該系統(tǒng)簡單、經(jīng)濟、運行可靠，具有很高的實用價值 . 3 第 1 章 PLC 的概述 PLC 的產(chǎn)生 20 世紀 20 年代起，人們把各種繼電器。定時器。接觸器及其觸點按一定的邏輯關系連接起來組成控制系統(tǒng)，控制各種生產(chǎn)機械，這就是大家所熟悉的傳統(tǒng)繼電接觸器控制系統(tǒng) .由于它結構簡單。容易掌握。價格便宜，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)控制領域中一直占主導地位 .但是繼電接觸器控制系統(tǒng)有明顯的缺點：設備體積大，可靠性差，動作速度慢，功能少，難與實現(xiàn)較復雜的控制，特 別是由于它是靠硬連線邏輯構成的系統(tǒng)，接線復雜，當生產(chǎn)工藝或?qū)ο蟾淖儠r，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 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招標，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，采用插件式結構 ； 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)可直接送入管理計算機 ； 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)動接觸器，電磁閥等 ； 9. 擴展時原系統(tǒng)改變最小 ； 10. 用戶存儲器至少能擴張到 4KB（適應當時汽車裝配過程的需要） 。 十項指標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（ 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)境下應用而設計的數(shù)字式電子系統(tǒng)，它采用了可編程序的存儲器，用來在其內(nèi)部進行存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、定時、記數(shù)和算術運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，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程?？杀槌绦蚩刂破鳂O其相關外部設備，都應按照易于與工業(yè)控制系統(tǒng)聯(lián)成一個整體，易于擴展其功能的原則而設計。 【 1】 定義強調(diào)了 PLC 應直接應用與工業(yè)環(huán)境，它必須具有很強的抗干擾能力，廣泛的適應能力和應用范圍。這也是區(qū)別與一般微機控制系統(tǒng)的一個重要特征。 定義還強調(diào)了 PLC 是“數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)”，他也是一種計算機，它是“專為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計的”工業(yè)計算機。這種工業(yè)計算機采用“面向用戶的指令”，因此編程方便。它能完成邏輯運算、順序運算、定時、記數(shù)和算術運算等操作，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 隨著微電子技術的發(fā)展， 新型器件大幅度的提高功能和降低價格，使PLC 結構相當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，可同時進 5 行多任務操作，處理速度提高，特別是增強了過程控制和數(shù)據(jù)處理的功能。另外，存儲容量大大增加。 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器為基礎的功能部件，它們的CPU 與 PLC 的主 CPU 并行工作，占用主 CPU 的時間很少，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 隨著計算機的日益普及，越來越多的用戶使用基于個人計算機上的編程軟件。編程軟件可以對 PLC 控制系統(tǒng)的硬件組態(tài)，即設置硬件的結構和參數(shù)，例如設置各框架各個插槽上模塊的型號、模塊的參數(shù)、各串行通行接口的參數(shù)等。 5. PLC 編程語言的標準化 與個人計算機相比， PLC 的硬件、軟件的體系結構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準。標準中共有 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)功能使它能與個人計算機和其他智能控制設備交換數(shù)字信息，使系統(tǒng)形成一個統(tǒng)一的整體，實現(xiàn)分散控制和集中控制。 7. 組態(tài)軟件與 PLC 的軟件化 個人計算機（ PC）的價格便宜，有很強的數(shù)學運算、數(shù)據(jù)處理、通信和人機交互的功能。 8. PLC 與現(xiàn)場總線相結合 現(xiàn)場總線 I/O 與 PLC 可以組成功能強大的、廉價的 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 的處理速度進一步加快 目前， PLC 的處理速度與計算機相比還比較慢，其高的 CPU 也不過 6 80486，將來會全面使用 64 位的 RISC 芯片，采用多 CPU 進行處理、分時處理或分任務處理方式，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 的處理速度達到納秒級。 【 4】 PLC 的特點 1. 抗干擾能力強，可靠性好 PLC 在電子線路、機械結構以及軟件結構上都吸取了生產(chǎn)廠家長期積累的生產(chǎn)控制經(jīng)驗，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)設計有完善的通道保護與信號調(diào)理電路；在結構上對耐熱、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主要措施。在 PLC 的電源電路和輸入 /輸出電路中設置了多種濾波電路，用以對高頻干 擾信號進行有效的抑制。 （ 3）對內(nèi)部電源還采用了屏蔽、穩(wěn)壓、保護等措施，以減少外界干擾，保護供電質(zhì)量。另外使輸入輸出接口電路電源彼此獨立，以避免電源之間的干擾。 （ 4）內(nèi)部設置了連鎖、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)行時間超過了警戒時鐘（ WDT）規(guī)定時間（預示程序進入了死循 環(huán)），立即報警，以保證 CPU 可靠運行。 （ 5） 利用系統(tǒng)軟件定期進行系統(tǒng)狀態(tài)、用戶程序、工作環(huán)境和故障檢測，并采用信息保護和恢復措施。 （ 6）對用戶程序及動態(tài)工作數(shù)據(jù)進行電池備份，以保障停電后 有關狀態(tài)或信息不丟失。 （ 7）采用密封、防塵、抗震的外殼封裝結構，以適應工作現(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械觸點，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)結構簡單，通用性強 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 是面向用戶的設備， PLC 的設計者充分考慮到現(xiàn)場工程技術人員的技能和習慣， 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，不需要專門的計算機知識和語言，只要具有一定的電工和工藝的知識的人員都可在短時間內(nèi)學會。 4. 功能完善 PLC 的輸出 /輸入功能完善，性能可靠，能夠適應與任何形式和性質(zhì)的開關量和模擬量的輸入 /輸出。在 PLC 內(nèi)部具有許多控制功能，諸如時序、計算機、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，它能夠很方便地實現(xiàn)延時、鎖存、比較、跳轉(zhuǎn)、和強制 I/O 等諸多功能，不僅具有邏輯功能、算術運算、數(shù)制轉(zhuǎn)換、以及順序控制功能，而且還具備模擬運算、顯示、監(jiān)控、打印、 及報表生成等功能。 5. 設計、施工、調(diào)試、的周期短 用繼電接觸器控制完成一項控制工程，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，為模塊化積木式結構，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 到貨前進行，因而縮短了設計周期，使設計和施工可同時進行。 6. 體積小，維護操作方便 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)的運行狀態(tài)。 7. 易于實現(xiàn)網(wǎng)絡化 8 PLC 可連成功能很強的網(wǎng)絡系統(tǒng)。 8. 可實現(xiàn)三電一體化 PLC 將電控（邏輯控制）、電儀（過程控制）和電結（運動控制）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，進行開關控制。 1. 定時 /記數(shù)控制功能 定時 /記數(shù)控制功能指用 PLC 提供 的定時器、記數(shù)器指令實現(xiàn)對某種操作的定時或記數(shù)控制，以取代時間繼電器和記數(shù)繼電器。 2. 數(shù)據(jù)處理功能 數(shù)據(jù)處理功能是指 PLC 能進行數(shù)據(jù)傳送、比較、移位、數(shù)制轉(zhuǎn)換、算術運算、邏輯運算以及編碼和譯碼等操作。 3. 步進控制功能 步進控制功能是指用步進指令來實現(xiàn)在有多道加工工序的控制中，只有前一道工序完成以后，才能進行下一道工序操作的控制，以取代由硬件構成的步進控制器。 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. 運動控制功能 運動控制 功能是指通過高速記數(shù)模塊和位置控制模塊等進行單軸或多軸運動控制。 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. 擴展功能 擴展功能是指通過連接輸入輸出擴展單元（即 I/O 擴展單元）模塊來增加輸入輸出點數(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. 遠程 I/O 功能 遠程 I/O 功能是指通過 I/O 單元將分散在遠距離的各種輸入、輸出設備與 PLC 主機相連接，進行遠程控制，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 與上位機的鏈接等，實現(xiàn)遠程 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)各部分的進行狀態(tài)和進程，對系統(tǒng)中出現(xiàn)的異常情況進行報警和記錄，甚至自動終止運行；也可在線調(diào)整、修改控制程序中的定時器、記數(shù)器等設定值或強制 I/O 狀態(tài)。 【 6】 PLC 的基本結構及原理 1. PLC 的系統(tǒng)結構 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)控制的專用計算機，所以其結構和工作原理都 大致相同，硬件結構與微機相似。主要包括中央處理單元 CPU、存儲器 RAM 和 ROM、輸入輸出接口電路、電源、 I/O 擴展接口、外部設備接口等。其內(nèi)部也是采用總線結構來進行數(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 的輸出量對外圍設備進行各種控制。由此可見， PLC 的基本結構有控制部分輸入和輸出組成。 10 圖 11 PLC 硬件結 構圖 2. PLC 各部分的作用 (1) 中央處理器 CPU 是由控制器和運算器組成的。運算器也稱為算術邏輯單元，它的功能就是進行算術運算和邏輯運算。控制器的作用是控制整個計算機的各個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. 按用戶程序存儲器中存放的先后順序逐條讀取指令，進行編譯解釋后，按指令規(guī)定的任務