【正文】 復(fù)雜過(guò)程控制系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)合常見(jiàn)的有三菱公司的 A1NA3N 系列立石公司 C 系列C500C2020H 和通用電氣公司的 90TM7090TM30 等 二按功能點(diǎn)數(shù)分類 按功能輸入輸出點(diǎn)數(shù)和存儲(chǔ)器容量不同可分為小型中型和大型 PLC 三類 1小型 PLC 小型 PLC又稱為低檔 PLC這類 PLC的規(guī)模較小它的輸入輸出點(diǎn)數(shù)一般從 20 點(diǎn)到 128 點(diǎn)用戶存儲(chǔ)容量小于 2KB 具有邏輯運(yùn)算定時(shí)計(jì)數(shù)移位及自診斷監(jiān)控等功能有些還有少量的模擬量 IO算術(shù)運(yùn)算數(shù)據(jù)傳送遠(yuǎn)程 IO和通信等功能可用于開(kāi)關(guān)量控制定時(shí)計(jì)數(shù)控制順序控制及少量模擬量控制等場(chǎng)合通常用來(lái)代替繼電器 接觸器控制在單機(jī)或小規(guī)模生產(chǎn)過(guò)程中使用常見(jiàn)的小型 PLC 產(chǎn)品有三菱公司的 F1FX0 系列歐姆龍 SP20 系列和西門子公司的 S5100US7200 等 2 中型 PLC 中型 PLC 的 IO 點(diǎn)數(shù)通常在 128 點(diǎn)至 512 點(diǎn)之間用戶程序存儲(chǔ)器的容量為 2～ 8KB除具有小型機(jī) 的功能外還具有較強(qiáng)的模擬量 IO數(shù)字運(yùn)算過(guò)程參數(shù)調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)傳送與比較數(shù)值轉(zhuǎn)換中斷控制遠(yuǎn)程 IO 及通信聯(lián)網(wǎng)功能中型 PLC 適用于既有開(kāi)關(guān)量又有模擬量的復(fù)雜控制系統(tǒng)如大型注塑機(jī)控制配料和稱重等中小型連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程控制常見(jiàn)的機(jī)型有三菱公司的 A1S 系列立石公司的 C200HC500西門子公司的 S5115U 等 3 大型 PLC 大型 PLC 又稱為高檔 PLCIO 點(diǎn)數(shù)在 512 點(diǎn)以上其中 IO 點(diǎn)數(shù)大于8192 點(diǎn)的又稱為超大型 PLC 用戶存儲(chǔ)器容量在 8KB 以上除具有中型機(jī)的功能外還具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理模擬調(diào)節(jié)特殊功能函數(shù)運(yùn)算監(jiān)視記錄打印以及強(qiáng)大的 通信聯(lián)網(wǎng)中斷控制智能控制和遠(yuǎn)程控制等功能由于大型 PLC具有比中小型 PLC更強(qiáng)大的功能因此一般用于大規(guī)模過(guò)程控制分布式控制系統(tǒng)和工廠自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)等場(chǎng)合常見(jiàn)的如三菱公司的 A3MA3N立石公司的 C2020HAB公司的 PLC5以及西門子公司的 S5135US5155US7400 等 第三節(jié) PLC 的工作原理 小型 PLC 的工作過(guò)程有兩個(gè)顯著特點(diǎn)周期性順序掃描集中批處理 周期性順序掃描是可編程控制器特有的工作方式 PLC 在運(yùn)行過(guò)程中總是處在不斷循環(huán)的順序掃描過(guò)程中 由于可編程控制器的 IO 點(diǎn)數(shù)較多采用集中批處理的方法可以 簡(jiǎn)化操作過(guò)程便于控制提高系統(tǒng)可靠性因此可編程控制器的另一個(gè)主要特點(diǎn)就是對(duì)輸入采樣執(zhí)行用戶程序輸出刷新實(shí)施集中批處理 一公共處理掃描階段 公共處理包括 PLC 自檢執(zhí)行來(lái)自外設(shè)命令對(duì)看門狗定時(shí)器清零等 二輸入采樣掃描階段 這是第一個(gè)集中批處理過(guò)程在這個(gè)階段中 PLC 按順序逐個(gè)采集所有輸入端子上的信號(hào)不論輸入端子上是否接線 CPU 順序讀取全部輸入端將所有采集到的一批輸入信號(hào)寫到輸入映像寄存器中在當(dāng)前的掃描周期內(nèi)用戶程序依據(jù)的輸入信號(hào)狀態(tài)均從輸入映像寄存器中去取而不管此時(shí)外部輸入信號(hào)的狀態(tài)是否變化如果此時(shí)外部輸入信號(hào)的狀 態(tài)發(fā)生了變化也只能在下一個(gè)掃描周期的輸入采樣掃描階段去讀取 三執(zhí)行用戶程序掃描階段 這是第二個(gè)集中批處理過(guò)程在執(zhí)行用戶程序階段 CPU 對(duì)用戶程序按順序進(jìn)行掃描每掃描到一條指令所需的輸入信息狀態(tài)均從輸入映像寄存器中讀取而不是直接使用現(xiàn)場(chǎng)的立即輸入信號(hào)對(duì)其他信息則是從 PLC 的元件映像寄存器中讀取在執(zhí)行用戶程序中每一次運(yùn)算的中間結(jié)果都立即寫入元件映像寄存器中這樣該狀態(tài)馬上就可以被后面將要掃描到的指令所利用對(duì)輸出繼電器的掃描結(jié)果也不是馬上去驅(qū)動(dòng)外部負(fù)載而是將其結(jié)果寫入元件映像寄存器中的輸出映像寄存器中待輸出刷新階段集 中批處理所以執(zhí)行用戶程序階段也是集中批處理過(guò)程 四輸出刷新掃描階段 這是第三個(gè)集中批處理過(guò)程當(dāng) CPU 對(duì)全部用戶程序掃描結(jié)束后將元件映像寄存器中各輸出繼電器的狀態(tài)同時(shí)送到輸出鎖存器中再由輸出鎖存器經(jīng)輸出端子去驅(qū)動(dòng)各輸出繼電器所帶的負(fù)載在輸出刷新階段結(jié)束后 CPU 進(jìn)入下一個(gè)掃描周期 第四節(jié) PLC 的組成 一中央處理單元 CPU PLC常用的 CPU有通用微處理器單片機(jī)和位片式微處理器通用微處理器常用的是 8 位機(jī)和 16 位機(jī)如 80808086M68008028680386 等單片機(jī)常用的有803180518096等位片式微處 理器常用的有 AMD2901AMD2903等小型 PLC大多采用8 位微處理器或單片機(jī)中型 PLC 大多采用 16 位微處理器或單片機(jī)大型 PLC 大多采用高速位片式處理器 PLC的檔次越高所用的 CPU的位數(shù)越多運(yùn)算速度越快功能越強(qiáng) 二存儲(chǔ)器 存儲(chǔ)器主要用來(lái)存放系統(tǒng)程序用戶程序和數(shù)據(jù)根據(jù)存儲(chǔ)器在系統(tǒng)中的作用可將其分為系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器和用戶存儲(chǔ)器 系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器用來(lái)存放制造商為用戶提供的監(jiān)控程序模塊化應(yīng)用功能子程序命令解釋程序故障診斷程序及其他管理程序 用戶存儲(chǔ)器是專門提供給用戶存放程序和數(shù)據(jù)的所以用戶存儲(chǔ)器通常又分為用戶程序存儲(chǔ) 器和用戶數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器兩個(gè)部分用戶存儲(chǔ)器有 RAMEPROMEEPROM 三種類型用戶程序存儲(chǔ)器用來(lái)存放用戶編寫的應(yīng)用程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器用來(lái)存放控制過(guò)程中不斷改變的信息如輸入輸出信號(hào)各種工作狀態(tài)計(jì)數(shù)值定時(shí)值運(yùn)算的中間結(jié)果等 三輸入輸出模塊及特殊功能模塊 1 輸入模塊用來(lái)接收和采集輸入信號(hào)輸入信號(hào)有兩類一類是由按鈕開(kāi)關(guān)行程開(kāi)關(guān)數(shù)字撥碼開(kāi)關(guān)接近開(kāi)關(guān)光電開(kāi)關(guān)壓力繼電器等提供的開(kāi)關(guān)量輸入信號(hào)另一類是從電位器熱電測(cè)速電機(jī)各種變送器送來(lái)的連續(xù)變化的模擬量輸入信號(hào)輸入模塊還需要將這些不同的電平信號(hào)轉(zhuǎn)換成 CPU 能夠接收和處理的數(shù)字信號(hào) 2 輸出模塊的作用是接收中央處理器處理過(guò)的數(shù)字信號(hào)并把它轉(zhuǎn)換成現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行部件能接收的信號(hào)用來(lái)控制接觸器電磁閥調(diào)節(jié)閥調(diào)速裝置等控制的另一類負(fù)載是指示燈數(shù)字顯示器和報(bào)警裝置等 3 特殊功能模塊 隨著可編程控制器在工業(yè)控制中的廣泛應(yīng)用和發(fā)展為了增強(qiáng)可編程控制器的功能擴(kuò)大其應(yīng)用范圍生產(chǎn)廠家開(kāi)發(fā)了許多供用戶選用的特殊功能模塊 1 模擬量輸入輸出模塊模擬量的輸入在過(guò)程中應(yīng)用很廣泛如溫度壓力流量位移等工業(yè)檢測(cè)都是對(duì)應(yīng)電壓電流大小的模擬量模擬量經(jīng)傳感器或變送器轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸入模塊用 AD 轉(zhuǎn)換器將它們轉(zhuǎn)換成數(shù)字量送給 CPU 進(jìn)行 處理因此模擬量輸入模塊又叫 AD 轉(zhuǎn)換輸入模塊模擬量的輸出模塊是將 CPU 處理后的二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬電壓或電流再去控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)因此模擬量輸出模塊又叫 DA轉(zhuǎn)換輸出模塊 2 高速計(jì)數(shù)模塊高速計(jì)數(shù)模塊是工業(yè)控制中常用的智能模塊之一它可以把過(guò)程控制變量如位置信號(hào)速度值流量值累計(jì)等送入可編程控制器這些參量的變化速度很快脈沖寬度小于可編程控制器掃描周期按正常掃描輸入輸出信號(hào)來(lái)處理會(huì)丟失部分參量因此使用脫離可編程控制器獨(dú)立計(jì)數(shù)的高速計(jì)數(shù)器對(duì)這些參量進(jìn)行計(jì)數(shù)高速計(jì)數(shù)模塊可對(duì)幾十 kHz甚至上 MHz的脈沖計(jì)數(shù)當(dāng)計(jì)數(shù)器的當(dāng)前值等于或大于預(yù)置值時(shí)輸出被驅(qū)動(dòng) 3 PID 過(guò)程控制模塊比例積分微分控制模塊是實(shí)現(xiàn)對(duì)連續(xù)變化的模擬量閉環(huán)控制的智能模塊可將 PID模塊看作一個(gè)過(guò)程調(diào)節(jié)器在 PID模塊上有輸入輸出接口和進(jìn)行閉環(huán)控制運(yùn)算的 CPU 模塊一般可以控制多個(gè)閉環(huán) 4 通信模塊可編程控制器的通信模塊相當(dāng)于局域網(wǎng)中的網(wǎng)絡(luò)接口通過(guò)通信模塊數(shù)據(jù)總線和可編程控制器的主機(jī)連接用硬件和軟件一起來(lái)實(shí)現(xiàn)通信協(xié)議可編程控制器的通信模塊一般配有幾種接口可以通過(guò)通信模塊上的選擇開(kāi)關(guān)進(jìn)行接口選擇實(shí)現(xiàn)與別的可編程控制器智能控制設(shè)備或計(jì)算機(jī)之間的通信 四電源 PLC 配有 開(kāi)關(guān)式穩(wěn)壓電源模塊用來(lái)將外部供電電源轉(zhuǎn)換成使 PLC 內(nèi)部的 CPU存儲(chǔ)器和 IO 接口等電路工作所需的直流電源 PLC 的電源部件有很好的穩(wěn)壓措施因此對(duì)外部電源的穩(wěn)定性要求不高小型 PLC的電源往往和 CPU單元合為一體大中型 PLC 都有專用電源模塊 五外部設(shè)備接口 外部設(shè)備接口是可編程控制器主機(jī)實(shí)現(xiàn)人－機(jī)對(duì)話機(jī)－機(jī)對(duì)話的通道通過(guò)它可編程控制器可以和編程器彩色圖形顯示器打印機(jī) IO 擴(kuò)展單元等相連也可以與其他可編程控制器或上位計(jì)算機(jī)連接外部設(shè)備接口一般是 RS232C或 RS422A或 RS485PLC 的選型輸入輸出設(shè)備選擇控制柜的設(shè)計(jì)及各種圖形的繪制等系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)應(yīng)遵循的原則有如下幾方面 1 充分發(fā)揮 PLC 的控制功能最大限度地滿足控制系統(tǒng)的要求 2 力求控制系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)實(shí)用操作方便 3 保證控制系統(tǒng)安全可靠 4 控制系統(tǒng)要具有可擴(kuò)展性 二軟件設(shè)計(jì) 可編程控制器系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的任務(wù)就是編寫出能滿足生產(chǎn)控制要求的 PLC用戶應(yīng)用程序即繪制出梯形圖編制出指令語(yǔ)句表軟件設(shè)計(jì)應(yīng)遵循的原則有如下兩方面 1 邏輯關(guān)系簡(jiǎn)明易讀易改 2 少占內(nèi)存空間減少掃描時(shí)間 第二節(jié) 可編程控制器系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟 可編程控制器系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般方法和步驟的流程圖如圖 31 所示 圖 31 PLC 系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖 第三節(jié) 可編程控制器控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) PLC 的選擇主要應(yīng)從 PLC 的機(jī)型容量 IO 模塊電源模塊特殊功能模塊通信聯(lián)網(wǎng)能力等方面加以綜合考慮 一 PLC 機(jī)型的選擇 PLC 機(jī)型選擇的基本原則應(yīng)是在功能滿足要求的前提下保證可靠維護(hù)使用方便力爭(zhēng)具有最佳的性能價(jià)格比具體選擇 時(shí)應(yīng)主要考慮以下幾個(gè)方面 1 結(jié)構(gòu)合理機(jī)型統(tǒng)一 PLC 主要有整體式模塊式疊裝式幾種結(jié)構(gòu)形式整體式 PLC 的每一個(gè) IO 點(diǎn)的平均價(jià)格比模塊式的便宜且體積相對(duì)較小因此在控制規(guī)模不大工藝過(guò)程固定環(huán)境條件較好的場(chǎng)合應(yīng)優(yōu)先考慮采用整體式 PLC但模塊式 PLC在功能擴(kuò)展方面優(yōu)于整體式模塊式 PLC的選擇余地都比整體式 PLC大維修更換模塊判斷故障方面較方便因此一般用于控制功能較復(fù)雜的控制系統(tǒng) 2 功能與任務(wù)相適應(yīng) 對(duì)于只有開(kāi)關(guān)量控制的場(chǎng)合當(dāng)對(duì)控制速度要求不高時(shí)可選用一般的低檔小型機(jī)具有邏輯運(yùn)算定時(shí)計(jì)數(shù)等基本功能能滿足相應(yīng)的控制要求 對(duì)于控制比較復(fù)雜控制要求較高的大中型控制系統(tǒng)例如要求實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制PID 調(diào)節(jié)通信聯(lián)網(wǎng)等功能時(shí)可視控制規(guī)模及復(fù)雜程度選用掃描速度快控制功能強(qiáng)聯(lián)網(wǎng)通信能力強(qiáng)的中高檔 PLC 3 響應(yīng)速度要求 如果設(shè)備的實(shí)時(shí)性要求高或者某些功能或信號(hào)有特殊的速度要求時(shí)則應(yīng)考慮 PLC的響應(yīng)速度或響應(yīng)時(shí)間可選用掃描速度高的 PLC或選用具有快速響應(yīng)模塊如高速計(jì)數(shù)模塊和中斷響應(yīng)處理功能的 PLC 等 二 PLC 容量的選擇 PLC 的容量包括兩個(gè)方面一是 IO 點(diǎn)數(shù)二是用戶存儲(chǔ)器容量 1IO 點(diǎn)數(shù)的選擇 首先根據(jù)被控對(duì)象的 IO設(shè)備對(duì)所需的 IO點(diǎn)數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)開(kāi)關(guān) 量輸入點(diǎn)數(shù)與開(kāi)關(guān)量輸出點(diǎn)數(shù)之比可按 32 估算通常 IO 點(diǎn)數(shù)是根據(jù)統(tǒng)計(jì)的點(diǎn)數(shù)數(shù)據(jù)再加上10％～