【正文】 時土壤缺乏水分時，造成土壤板結(jié)、裂縫的產(chǎn)生會將植物根系拉斷，嚴重時直接導(dǎo)致植物死亡。 10 3 PLC 概述 PLC 簡介 PLC 的產(chǎn)生和定義 在 PLC 誕生之前，繼電器控制系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的各個領(lǐng)域，起著不可替代的作用。為了改變這一現(xiàn)狀， 1968 年美國最大的汽車制造商通用汽車公司（ GM），為了適應(yīng)汽車型號不斷更新的需求，并能在競爭激烈的汽車工業(yè)中占有優(yōu)勢，提出要研制一種新型的工業(yè)控制裝置來取代繼電器控制裝置，為此，擬定了 10項公開招標的技術(shù)要求，即： 編程簡單，可在現(xiàn)場修改程序 ； 維護方便，最好是插件式 ； 可靠性高于繼電器控制柜 ； 體積小于繼電器控制柜 ； 可將數(shù)據(jù)直接送入管理計算機 ； 在成本上可與繼電器控制柜競爭 ； 輸入可以是交流 115V； 輸出可以是交流 115V、 2A以上，可直接驅(qū)動電磁閥等 ； 在擴展時，原有系統(tǒng)只要很小變更 ； 用戶程序存儲器容量至少能擴展到 4KB； 根據(jù)招標的技術(shù)要求，第二年，美國數(shù)字設(shè)備公司（ DEC）研制出了世界上第一臺 PLC，并在通用汽車公司自動裝配線上試用成功。我國從 1974 年開始研制，到 1977 年開始應(yīng)用于工控領(lǐng)域。在硬件方面，除了保持原有的開關(guān)模塊以外，還增加了模擬量模塊、遠程 I/O 模塊、各種特殊功能模塊，并擴大了存儲器的容量，而且還提供一定數(shù)量的數(shù)據(jù)寄存器。它采用了可編程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作的指令，并通過數(shù)字的，模擬的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。它是將邏輯運算，順序控制，時序和計數(shù)以及算術(shù)運算等控制程序，用一串指令的形式存放到存儲器中，然后根據(jù)存儲的控制內(nèi)容，經(jīng)過模擬，數(shù)字等輸入輸出部件，對生產(chǎn)設(shè)備和生產(chǎn)過程進行控制的裝置。其中，美國是 PLC 生產(chǎn)大國，有 100 多家 PLC 廠商，著名的有 AB公司、通用電氣（ GE）公司、莫迪康（ MODICON）公司。國內(nèi)公司在開展 PLC 業(yè)務(wù)時有較大的競爭優(yōu)勢，如：需求優(yōu)勢、產(chǎn)品定制優(yōu)勢、成本優(yōu)勢、服務(wù)優(yōu)勢、響應(yīng)速度優(yōu)勢。以適應(yīng)單機及小型自動控制的需要。 PLC 與 PLC 之間的聯(lián)網(wǎng)通信、 PLC 與上位計算機的聯(lián)網(wǎng)通信已得到廣泛應(yīng)用。 （ 3） 向模塊化、智能化發(fā)展 為滿足工業(yè)自動化各種控制系統(tǒng)的需要，近年來， PLC廠家先后開發(fā)了不少新器件和模塊，如智能 I/O 模塊、溫度控制模塊和專門用于檢測 PLC外部故障的專用智能模塊等，這些模塊的開發(fā)和應(yīng)用不僅增強了功能，擴展了 PLC 的應(yīng)用 范圍，還提高了系統(tǒng)的可靠性。其輸入、輸出點數(shù)的數(shù)目之和稱為 PLC 的輸入 /輸出點數(shù)，簡稱 I/O 點數(shù)。 （ 1）小型機 小型 PLC 輸入、輸出總點數(shù)一般在 256 點以下，用戶程序存儲器容量在 4K字左右。 (3) 大型機 大型 PLC 的輸入、輸出總點數(shù)載 2084 點以上，用戶程序存儲器容量達到 16K字以上。 （ 1）整體式結(jié)構(gòu) 把 PLC 的 CPU、存儲器、輸入 /輸出單元、電源等集成在一個基本單元中，其結(jié)構(gòu) 緊 湊，體積小，成本低，安裝方便。各模塊功能是獨立的，外形尺寸是統(tǒng)一的。PLC 能在惡劣的環(huán)境中可靠的工作，平均無故障時間達到數(shù)萬小時以上，已被公認為最可靠的工業(yè)控制設(shè)備之一。與繼電器系統(tǒng)和通用計算機相比， PLC 更能適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境要求。在 PLC 控制系統(tǒng)中，只需在 PLC的端子上接入相應(yīng)的輸入 /輸 出信號線即可，不需要進行大量且復(fù)雜的硬接線，并且 PLC 有較強的帶負載能力，可以直接驅(qū)動一般的電磁閥和交流接觸器。用戶在購買 PLC 后，只需按說明書的提示，做少量的接線和進行簡易的用戶程 序編制工作，就可靈活方便地將 PLC 應(yīng)用于生產(chǎn)實踐。當(dāng)發(fā)生故障時，可以根據(jù) PLC 的狀態(tài)指示燈顯示或編程器提供的信息迅速查找到故障原因，排除故障。 1） 開關(guān)量的邏輯控制 這是 PLC 最基本、最廣泛的應(yīng) 用領(lǐng)域。目前，大多數(shù)的 PLC制造商都提供拖動步進電機或伺服電機的單軸或多軸位置控制模塊，這一功能可廣泛用于各種機械，如金屬切削機床、金屬成型機床、機器人、電梯等。過程 16 控制在冶金、化工、熱處理、鍋爐控制等場合有非常廣泛的應(yīng)用。數(shù)據(jù)處理一般用于大型控制系統(tǒng)，如造紙、冶金、食品工業(yè)中的一些大型控制系統(tǒng)。其中， CPU是 PLC 的核心，輸入單元與輸出單元是連接現(xiàn)場輸入 /輸出設(shè)備與 CPU 之間的接口電路，通信接口用于與編程器、上位計算機等外設(shè)連接。 中央處理單元（ CPU） 同一般的 微機一樣， CPU 是 PLC的核心。對于雙 CPU 系統(tǒng)，一般一個為字處理 器，一般采用 8位或 16 位處理器；另一個為位處理器，采用由各廠家設(shè)計制造的專用芯片。 在 PLC 中 CPU 按系統(tǒng)程序賦予的功能，指揮 PLC 有條不紊地進行工作，歸納起來主要有以下幾個方面： 1） 接收從編程器輸入的用戶程序和數(shù)據(jù)。 5）根據(jù)執(zhí)行的結(jié)果，更新有關(guān)標志位的狀態(tài)和輸出映象寄存器的內(nèi)容，通過輸出單元實現(xiàn)輸出控制。 系統(tǒng)程序是由 PLC 的制造廠家編寫的，和 PLC 的硬件組成有關(guān)，完成系統(tǒng)診斷、命令解釋、功能子程序調(diào)用管理、邏輯運算、通信及各種參數(shù)設(shè)定等功能，提供 PLC 運行的平臺。為了防止干擾對RAM 中程序的破壞，當(dāng)用戶程序經(jīng)過運行正常，不需要改變，可將其固化在只讀存儲器 EPROM 中。在 PLC的工作數(shù)據(jù)存儲器中，設(shè)有存放輸入輸出繼電器、輔助繼電器、定時器、計數(shù)器等邏輯器件的存儲區(qū)，這些器件的狀態(tài)都是由用戶程序的初始設(shè)置和運行情況而確定的。 輸入 /輸出單元 輸入 /輸出單元通常也稱 I/O 單元或 I/O模塊，是 PLC與工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場之間的連接部件。另外， I/O 接口上通常還有狀態(tài)指示，工作狀況直觀，便于維護。 常用的開關(guān)量輸出接口按輸出開關(guān)器件不同有三種類型：是繼電器輸出、晶體管輸出和雙向晶閘管輸出。當(dāng)系統(tǒng)的 I/O 點數(shù)不夠時，可通過 PLC 的 I/O 擴展接口對系統(tǒng)進行擴展。 與計算機連接，可組成多級分布式控制系統(tǒng)，實現(xiàn)控制與管理相結(jié)合。 PLC 的智能接口模塊種類很多，如：高速計數(shù)模塊、閉環(huán)控制模塊、運動控制模塊、中斷控制模塊等。專用編程器是由 PLC 廠家生產(chǎn)，專供 該廠家生產(chǎn)的某些 PLC 產(chǎn)品使用，它主要由鍵盤、顯示器和外存儲器接插口等部件組成。有些簡易編程器帶有存儲盒，可用來儲存用戶程序，如三菱的 FX20PE 簡易編程器。大多數(shù)智能編程器帶有磁盤驅(qū)動器，提供錄音機接口和打印機接口。這樣，用戶只用較少的投資即可得到高性能的 PLC 程序開發(fā)系統(tǒng)。 電源 PLC 配有開關(guān)電源，以供內(nèi)部電路使用。許多 PLC 還向外提供直流 24V 穩(wěn)壓電源，用于對外部傳感器供電。 PLC 內(nèi)部的半導(dǎo)體存儲器稱為內(nèi)存儲器。最簡單、最普遍的人 /機 接口裝置由安裝在控制臺上的按鈕、轉(zhuǎn)換開關(guān)、撥碼開關(guān)、指示燈、LED 顯示器、聲光報警器等器件構(gòu)成。每一次掃描所用的時間稱為 掃描周期或工作周期。 PLC是基于電子計算機，且適用于工業(yè)現(xiàn)場工作的電控制器。而 PLC 則還要考慮信息入出的可靠性、實時性，以及信息的使用等問題。 PLC 程序既有生產(chǎn)廠家的系統(tǒng)程序 (不可更改 )，又有用戶自行開發(fā)的應(yīng)用（用戶）程序。 可靠物理實現(xiàn)主要靠輸人（ INPUT）及輸出（ OUTPUT）電路。輸出電路內(nèi)外也是電隔離的，靠光耦元件或輸出繼電器建立聯(lián)系。但由于它們都是由高度集成化的電路組成的，所以，所占體積并不大。輸出鎖存器與輸出點也是一一對應(yīng)的 這里的輸入暫存器及輸出鎖存器實際就是 PLC處理器 I/O口的寄存器。 這個區(qū)的每一對應(yīng)位（ bit）稱之為輸入繼電器，或稱軟接點。一個輸出鎖存器也有一個內(nèi)存位（ bit）與其對應(yīng)，這個位稱為輸出繼電器，或稱輸出線圈。這樣，用戶所要編的程序只是，內(nèi)存中輸入映射區(qū)到輸出映射區(qū)的變換，特別是怎么按輸入的時序變換成輸出的時序 。 圖 3— 1所示的流程圖反映的就是上述過程。又由于這個過程是永不停止地循環(huán)反復(fù)地進行著，所以，輸出總是反映輸入的變化的。速度快、執(zhí)行指令時間短，是 PLC 實現(xiàn)控制的基礎(chǔ)。除了 I/O刷新及運行用戶程序，還要做些公共處理工作。只要循環(huán)超時，它可報警，或作相應(yīng)處理 。 也就是說，實際的 PLC 工作過程總是：公共處理 —— I/O 刷新 —— 運行用戶程序 —— 再公共處理 —— ??反復(fù)不停地重復(fù)著。在中斷方式下，需處理的控制先申請中斷，被響應(yīng)后正運行的程序停止運行，轉(zhuǎn)而去處理中斷工作（運行有
。是用計算機進行實時控制的一種方式。 通訊處理是實現(xiàn) PLC 與 PLC，或 PLC與計算機，或 PLC與其它工業(yè)控制裝置或智能部件間信息交換的。 監(jiān)控循環(huán)時間的目的是避免 死循環(huán) ，避免程序不能反復(fù)不斷地重復(fù)執(zhí)行。而且這個速度還在不斷提高中。當(dāng)然，這個滯后不宜太大，否則，所實現(xiàn)的控制不那么及時，也就失去控制的意義。 有了上述過程，用 PLC 實現(xiàn)控制顯然是可能的。由于 PLC 有強大的指令系統(tǒng)，編寫出滿足這個要求的程序是完全可能的，而且也是較為容易的。這個映射也稱輸出刷新。由于它的狀態(tài)是由輸入刷新得到的，所以，它反映的就是輸入狀態(tài)。把輸人暫存器的信息讀到 PLC 的內(nèi)存中，稱輸入刷新。每一輸入點都有一個對應(yīng)的存儲其信息的暫存器。 I/O 電路是很多的，每一輸入點或輸出點都要有一個 I或 O電路。輸入電路要對輸入信號進行濾波，以去掉高頻干擾。用戶程序由用戶按控制要求設(shè)計。 實現(xiàn)控制要點 輸入輸出信息變換、可靠物理實現(xiàn)，可以說是 PLC 實現(xiàn)控制的兩個基本 要點。 PLC 基于電子計算機，但并不等同于普通計算機。 PLC就是這樣周而復(fù)始地重復(fù)上述循環(huán)掃描的 。半智能型 CRT 人 /機接口裝置可長期安裝在控制臺上，通過通信接口接收來自 PLC 的信息并在 CRT 上顯示出來；而智能型終端人 /機接口裝置有自己的微處理器和存儲器，能夠與操作人員快速交換信息，并通過通信接口與 PLC 相連，也可作為獨立的節(jié)點接入 PLC 網(wǎng)絡(luò)。外存儲器一般是通過編程器或其它智能模塊提供的接口，實現(xiàn)與內(nèi)存儲器之間相互傳送用戶程序。 EPROM 寫入器是用來將用戶程序固化到 EPROM 存儲器中的一種 PLC 外部設(shè)備。對電網(wǎng)提供的電源穩(wěn)定度要求不高，一般允許電源電壓在其額定值177。它既可以編制、修改 PLC的梯形圖程序，又可以監(jiān)視系統(tǒng)運行、打印文件、系統(tǒng)仿真等。同時，由于 PLC 產(chǎn)品不斷更新?lián)Q代，所以專用編程器的生命周期也十分有限。它既可聯(lián)機編程，又可脫機編程。 簡易型編程器只能聯(lián)機編程，而且不能直接輸入和編輯梯形圖程序，需將梯形圖程序轉(zhuǎn)化為指令表程序才能輸入。它是開發(fā)、應(yīng)用、維護 PLC不可缺少的工具。 智能接口模塊 智能接口模塊是一獨立的計算機系統(tǒng)，它有自己的 CPU、系統(tǒng)程序、存儲器以及與 PLC 系統(tǒng)總線相連的接口。 PLC 通過這些通信接口可與監(jiān)視器、打印機、其它 PLC、計算機等設(shè)備實現(xiàn)通信。 PLC的 I/O接口所能接受的輸入信號個數(shù)和輸出信號個數(shù)稱為 PLC輸入 / 輸出（ I/O）點數(shù)。 I/O 接口的主要類型有：數(shù)字量（開關(guān)量）輸入、數(shù)字量（開關(guān)量）輸出、模擬量輸入、模擬量輸出等。 由于外部輸入設(shè)備和輸出設(shè)備所需的信號電平是多種多樣的，而 PLC 內(nèi)部CPU 的處理的信息只能是標準電平，所以 I/O 接口要實現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換。 由于系統(tǒng)程序及工作數(shù)據(jù)與用戶無直接聯(lián)系，所以在 PLC 產(chǎn)品樣本或使用手冊中所列存儲器的形式及容量是指用戶程序存儲器。 工作數(shù)據(jù)是 PLC 運行過程中經(jīng)常變化、經(jīng)常存取的一些數(shù)據(jù)。 用戶程序是隨 PLC 的控制對象而定的，由用戶根據(jù)對象生產(chǎn)工藝的控制要求而編制的應(yīng)用程序。 存儲器 存儲器主要有兩種：一種是可讀 /寫操作的隨機存儲器 RAM，另一種是只讀存儲器 ROM、 PROM 、 EPROM 和 EEPROM。 3） 通過輸入接口接收現(xiàn)場的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并存入輸入映象寄 存 器或數(shù)據(jù)寄存器中。位處理器為從處理器，主要用于處理位操作指令和實現(xiàn) PLC 編程語言向機器語言的轉(zhuǎn)換。小型 PLC 大多采用 8位通用微處理器和單片微處理器；中型 PLC 大多采用 16 位通用微處理器或單片微處理器；大型 PLC 大多采用高速位片式微處理器。無論是哪種結(jié)構(gòu)類型的 PLC，都可根據(jù)用戶需要進行配置與組合。PLC 與其它智能控制設(shè)備一起，可以構(gòu)成“集中管理、分散控制”的分布式控制系統(tǒng)，滿足工廠自動化系統(tǒng)發(fā)展的需要。 4） 數(shù)據(jù)處理 PLC 具有數(shù)學(xué)運算（含矩陣運算、函數(shù)運算、邏輯運算）、數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、排序、查表、位操作等功能，可以完成數(shù)據(jù)的采集、分析及處理。PLC 采用相應(yīng)的 A/D 和 D/A 轉(zhuǎn)換模塊及各種各樣的控制算法程序來處理模擬量，完成閉環(huán)控制。如機床電氣控制、裝配生產(chǎn)線、電梯控制、冶金系統(tǒng)的高爐上料系統(tǒng)以及各種生產(chǎn)線的控制。對于復(fù)雜的控制系