【文章內(nèi)容簡介】 于或等于 64 的 PLC 稱為微型 PLC。 （ 2） 中型機 I/O 總數(shù)在 256～ 1024 的 PLC 稱為中型機，例如 S7300 系列 PLC。中型 PLC采用模塊化結(jié)構(gòu)，根據(jù)工業(yè)需要，可以將相應(yīng)的具有特殊功能的模塊組合在一起，它能執(zhí)行具有強的功能，例如：數(shù)字計算、 PID 調(diào)節(jié)、查表等，同時相應(yīng)的輔助功能也增加，應(yīng)用范圍更廣，功能更強，掃描速度更快，適用于各種復雜環(huán)境。 （ 3） 大型機 I/O 總數(shù)在 1024 以上的稱為大型機，例如 S7400 系列 PLC，其中 I/O 口總西安工程大學本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 數(shù)超過 8192 的 PLC 稱為超大型機。大型機轎中小型機而言，具有更多的功能，包含邏輯和數(shù)字計算、聯(lián)網(wǎng)通信、打印、記錄、模擬調(diào)節(jié)、監(jiān)視、遠程控制、中斷控制及智能控制等。目前相當大一部分大型機使用 32 位處理 器，多 CPU并行工作，存儲容量更大，掃描更快。 2. 按結(jié)構(gòu)形式進行分類 隨著電子產(chǎn)品的日益更新， PLC 的發(fā)展也很快，目前，全世界共有幾百個PLC 生產(chǎn)廠家，有幾千種不同型號。為了方便現(xiàn)場安裝，便于擴展，方便接線，PLC 與普通計算機在結(jié)構(gòu)方面有很大的區(qū)別。更具硬件結(jié)構(gòu)，可將 PLC 氛圍以下三類。 （ 1）整體式 PLC 將電源、 I/O 口、 CPU 等部件集中配置裝在一個箱體內(nèi)，形成一個整體 ,這樣的 PLC 稱為整體式 PLC。這樣的 PLC 體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、價格便宜、重量輕、安裝方便等特點，但是主機 I/O 固定，不方便拓展，因此不太靈活。一般采用這種結(jié)構(gòu)的是小型或超小型 PLC。 （ 2）模塊式 PLC 模塊式結(jié)構(gòu) PLC 又稱為積木式結(jié)構(gòu) PLC，它是將 PLC 各組成部分以獨立模塊的形式分開，如 CPU 模塊、電源模塊、輸出模塊、輸入模塊，有各種功能模塊。模塊式 PLC 由框架或基板和各種模塊組成，將模塊插入在帶有插槽的基板上，組裝在一個機架內(nèi)。采用這種結(jié)構(gòu)的 PLC 配置靈活、裝配方便、便于擴展和維修。中大型 PLC 一般采用模塊式結(jié)構(gòu)。 （ 3）混合式 PLC 混合式結(jié)構(gòu) PLC 是將整體式的結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、安裝方便和模塊式的配置靈活、裝 配方便等優(yōu)點結(jié)合起來的一種新型結(jié)構(gòu) PLC。例如 S7200系列的 PLC，它由西門子公司生產(chǎn)，就采用了這種小型模式， S7300 系列就是采用了這種模式的中型 PLC。 3. 按功能進行分類 根據(jù) PLC 的功能強弱，可將 PLC 分為低、中、高三檔。 （ 1）抵擋 PLC 抵擋 PLC 具有基本控制和一般邏輯運算、計時、計數(shù)等基本功能，有的還西安工程大學本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 具有少量模擬量 I/O、算數(shù)運算、數(shù)據(jù)傳送和比較、通信等功能。這類 PLC 只適合于小規(guī)模的簡單控制，在聯(lián)網(wǎng)中一般作為從機使用。 （ 2）中檔 PLC 中檔 PLC 有較強的控制功能和運算能力，它不僅能完成一般的邏輯運算，也能完成比較復雜的三角函數(shù)、指數(shù)和 PID 運算，工作速度比較快，能控制多個 I/O 模塊。中檔 PLC 可完成小型和較大規(guī)模的控制任務(wù)，在聯(lián)網(wǎng)中不僅可作從機，也可作主機，如 S7300 就屬于中檔 PLC。 （ 3）高檔 PLC 高檔 PLC 有強大的控制運算和運算能力，不僅能完成邏輯運算、三角函數(shù)、指數(shù) PID 運算，還能進行復雜的矩陣運算、制表和表格傳送操作。高檔 PLC 可完成中型和大規(guī)模的控制任務(wù)，在聯(lián)網(wǎng)中一般坐主機，如 S7400 系列。 PLC的特點 PLC 發(fā)展能如此迅速，除了工業(yè)自動化的客觀需求外，還因為其許多獨特的有點。它能較好地解決工業(yè)控制領(lǐng)域中用戶普遍關(guān)心的可靠、安全、靈活、方便經(jīng)濟等問題。它具有以下主要特點： ，抗干擾能力強 繼電 接觸器控制系統(tǒng)使用大量的機械觸點，連接西路比較復雜，且觸點通斷時有可能產(chǎn)生電弧和機械磨損，影響壽命，可靠性差。 PLC 中采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路，比機械觸點繼電器的可靠性要高。在硬件和軟件設(shè)計中都采用了先進技術(shù)以提高可靠性和抗干擾能力。比如，用軟件替代傳統(tǒng)的繼電 接觸器控制系統(tǒng)中的中間繼電器盒時間繼電器，只剩下少量的 I/O 硬件，接觸點因接觸不良造成的故障大大減少，提高了可靠性；所有 I/O 接口電路都采用光隔離，使工業(yè)現(xiàn)場的外電路與 PLC 內(nèi)部電路進行電氣隔離；增加自診斷、糾錯等功能，使其在惡劣工業(yè)現(xiàn)場的可靠性、抗干擾能力提高了。 ，擴展性強 繼電 接觸器控制系統(tǒng)有繼電器等低壓電器采用硬件接線實現(xiàn)，連接線路比較繁雜，而且每個繼電器的觸點數(shù)目有限，當控制系統(tǒng)功能改變時，需改變線路的連線，所以繼電 接觸器控制系統(tǒng)的靈活性、擴展性差；而由 PLC 構(gòu)成的控制西安工程大學本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 9 系統(tǒng)，只需要 在 PLC 的端子上接入相應(yīng)的控制線即可，減少了接線，當控制系統(tǒng)功能改變時，有事只需編程器在線或離線修改程序，就能實現(xiàn)其控制要求。 PLC內(nèi)部有現(xiàn)成大量的編程元件，能進行邏輯判斷、數(shù)據(jù)處理、 PID 調(diào)節(jié)和數(shù)據(jù)通信功能，可以實現(xiàn)非常復雜的控制功能，若元件不夠時，只需加上相應(yīng)的擴展單元即可，因此 PLC 控制系統(tǒng)的靈活性好，擴展能力強。 ，穩(wěn)定性強 繼電 接觸器控制系統(tǒng) 是依靠觸點的機械動作來實現(xiàn)控制的，其觸點的動斷速度一般在幾十毫秒，影響控制速度，有時還會出現(xiàn)抖動現(xiàn)象。 PLC 控制系統(tǒng)由程序指令控制半導體電路 來實現(xiàn)，響應(yīng)速度快，一般執(zhí)行一條用戶指令只需幾微秒， PLC 內(nèi)部有嚴格的同步，不會出現(xiàn)抖動現(xiàn)象。 ，精度較高 繼電 接觸器控制系統(tǒng)的延時控制是通過時間繼電器來完成的，而時間繼電器的延時調(diào)整不方便，而易受環(huán)境溫度和濕度影響，延時精度不高。 PLC 控制系統(tǒng)的延時是通過內(nèi)部時間元件來完成的，不受環(huán)境溫度和濕度的影響，定時元件的延時時間只需要改變定時參數(shù)即可調(diào)整，因此其定時精度較高。 ，維修方便 繼電 接觸器實現(xiàn)一項控制工程，其設(shè)計、施工、調(diào)試、必須與此進行，周期長，維修比較麻煩。 PLC 使用軟件編程取代繼電 控制器中的硬件接線而實現(xiàn)相應(yīng)功能，是安裝接線工作量減少，現(xiàn)場施工與控制程序的設(shè)計還可以同時進行，周期短、調(diào)試快。 PLC 具有完善的自診斷、數(shù)據(jù)存儲及監(jiān)視功能，對于其內(nèi)部工作狀態(tài)、通信狀態(tài)、異常狀態(tài)和 I/O 點的狀態(tài)均有顯示，若控制系統(tǒng)有故障時，工作人員通過它即可迅速查出故障原因，及時排除故障。 PLC的組成及工作原理 PLC的組成 用 PLC 實施控制，其實質(zhì)是按一定算法進行 I/O 交換，并將這個變換予以物理實現(xiàn)。 I/O 變換、物理變換是 PLC 實施控制的兩個基本點。而 I/O 變換實際上是信息處理，信息處理通常采用計算機技術(shù)。物理實現(xiàn)要求 PLC 的輸入應(yīng)當排除干擾信號適應(yīng)于工業(yè)現(xiàn)場。輸出應(yīng)放大到工業(yè)控制水平，能為實現(xiàn)控制系統(tǒng)西安工程大學本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 10 方便使用。而通用計算機只考慮信息本身，別的不多考慮。因此 PLC 是微型計算機技術(shù)與機電控制技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是一種以微處理器為核心，用于電氣控制的特殊計算機，它采用典型計算機結(jié)構(gòu)，主要由中央處理器（ CPU）、存儲器、I/O 口、電源、通信接口、擴展接口等單元組成，這些單元部件都是通過內(nèi)部總線進行連接的，如圖所示 21 和 22 所示。 地址總線 控制總線 開關(guān)或傳感器 繼電器接點 照明 行程開關(guān) 電磁裝置 電動機 模擬量輸入 其他執(zhí)行裝 置或接觸器 地址總線 控制總線 數(shù)據(jù)總線 圖 21 PLC的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 PLC 和 CPU 與一般的計算機控制系統(tǒng)一樣，由運算器和控制器構(gòu)成，是整個系統(tǒng)的核心，類似于人類的大腦和神經(jīng)中樞。它是 PLC 的運算、控制中心，用來實現(xiàn)邏輯和算術(shù)運算，并對全機進行控制，按 PLC 中系統(tǒng)程序賦予的功能，有條不紊地指揮 PLC 進行工作，主要完成以下任務(wù)。 ① 控制從編程器、上位計算機和其他外部設(shè)備鍵入的用戶程序數(shù)據(jù)的接受和存儲。 ② 用掃描方式通過輸入單元接受現(xiàn)場輸入信號，并存入指定的映像寄存器或數(shù)據(jù)寄存器。 ③ 診斷電源和 PLC 內(nèi)部電路的工作故障和編程中的語法錯誤。 ④ PLC 進入運行狀態(tài)后，執(zhí)行相應(yīng)工作：從存儲器 逐條讀取用戶指令，經(jīng)過命令解釋后，按指令規(guī)定的任務(wù)產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號去啟閉控制電路，通俗講 輸 入 接 口 輸出接口 I/O 數(shù)據(jù)存儲器 中 央 處 理 器 單 元 存 儲 器 編程單元 西安工程大學本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 11 就是執(zhí)行用戶程序，產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號；進行數(shù)據(jù)處理，分時、分渠到執(zhí)行數(shù)據(jù)存取、傳送、組合、比較、變換等動作，完成用戶程序中規(guī)定的邏輯運算或算術(shù)運算等任務(wù)；根據(jù)運算結(jié)果，更新有關(guān)標志位的狀態(tài)和輸出寄存器的內(nèi)容，再由輸入映像寄存器的內(nèi)容，實現(xiàn)輸出控制、制表、打印、數(shù)據(jù)通信等。 EPROM A/D、 D/A 盒式存儲器 計算機 其他設(shè)備 內(nèi)部存儲器 輸入接線端子 輸出接線端子 圖 22 PLC邏輯結(jié)構(gòu)圖 PLC 中的存儲器與普通微機系統(tǒng)的存儲器的結(jié)構(gòu)類似，它由系統(tǒng)程序存儲器和用戶程序存儲器等部分構(gòu)成。 （ 1）系統(tǒng)程序存儲器 系統(tǒng)程序存儲器是用 EPROM 或 EEPROM 來存儲廠家編寫的系統(tǒng)程序。系統(tǒng)程序是指控制和完成 PLC 各種功能的程序，相當于單片機的監(jiān)控程序或微機的操作系統(tǒng)，在很大程度上它決定該系列 PLC 的性能與質(zhì)量，用戶無法更改或條用。系統(tǒng)程序有系統(tǒng)管理程序、用戶程序編輯和指令解釋程序、標準子程序和調(diào)用管理程序這 3 種類型。 ① 系統(tǒng)管理程序：由它決定系統(tǒng)的工作節(jié)拍，包括 PLC 運行管理（各種操作的時間分配安排）、存儲空間管理（生成用戶數(shù)據(jù)區(qū)）和系統(tǒng)自診斷管理（如電源、系統(tǒng)出錯，程序語法、句法檢驗等）。 其他接口 外存接口 ROM RAM 鍵盤與顯示 中央處理器（ CPU） 輸入接口光耦合 輸出接口繼電器或晶體管 西安工程大學本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 12 ② 用戶程序編輯和指令解釋程序：編輯程序能將用戶程序變?yōu)閮?nèi)碼形式以便于程序的修改調(diào)試，駕駛程序能將編程語言變?yōu)闄C器語言便于 CPU 的操作和運行。 ③ 標準子程序和調(diào)用管理程序：為了提高運行速度，在程序執(zhí)行中某些信息處理（ I/O 處理）貨特殊運算等都是通過標準子程序來完成的。 （ 2）用戶程序存儲器 用戶程序存儲器用來存放用戶的應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)，它包括用戶程序存儲器（程序區(qū)）和用戶數(shù)據(jù)存儲器（數(shù)據(jù)區(qū)）兩種。 程序存儲器以存儲用戶程序，數(shù)據(jù)存儲器用來存儲輸入、輸出以及內(nèi)部接點和線圈的狀態(tài)以及特殊功能要求的數(shù)據(jù)。 用戶存儲器的內(nèi)容有用戶根據(jù)控制需要可讀、可寫、可任意修改和增刪。通常的用戶存儲器形式有高密度、低功耗的 CMOSRAM、 EPROM 和 EEOROM3種。 3. I/O 單元 I/O單元又稱為 I/O模塊，它是 PLC與工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備或工業(yè)過程連接的接口?，F(xiàn)場的輸入信號，如按鈕開關(guān)、行程開關(guān)、限位開關(guān)以及各種傳感器輸出的開關(guān)量或模擬量等，都要通過輸入模塊傳送到 PLC 中。由于這些信號電平各式各樣，而 PLC 的 CPU 處理的信號只能是標準電平，所以輸入模塊還需要將這些信號轉(zhuǎn)換成 CPU能夠接收和處理的數(shù)字信號。輸出模塊的作用是接收 CPU 處理過的數(shù)字信號，并把它轉(zhuǎn)換成現(xiàn)場的執(zhí)行部件所能接受的控制信號，以驅(qū)動負載，如電磁閥、電動機、燈光顯示等。 PLC 提供了各種操作 電平和驅(qū)動能力的 I/O 模塊供用戶選擇，如數(shù)字量 I/O模塊、模擬量 I/O 模塊。這些模塊又分為直流與交流、電壓與電流等類型。 （ 1）數(shù)字量輸入模塊 數(shù)字量輸入模塊又稱為開關(guān)量輸入模塊，它將工業(yè)現(xiàn)場的開關(guān)量信號轉(zhuǎn)換為標準量信號傳送給 CPU，并保證信息的正確和控制器不受其干擾。它一般是采用光電耦合電路與現(xiàn)場輸入信號相連，這樣可以防止使用環(huán)境中的強電干擾進入PLC。光電耦合電路的核心是光電耦合器，其結(jié)構(gòu)由發(fā)光二級管和光敏晶體管構(gòu)成?，F(xiàn)場輸入信號的電源可由用戶提供，直流輸入信號的電源也可由 PLC 自身西安工程大學本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 13 提供。數(shù)字量輸入模塊根據(jù)使用電源的不同分為直流輸入（直流 12V 或 24V）模塊和交流輸入（交流 100～ 120V或 200～ 240V）模塊兩種。 ① 直流輸入模塊 當外部檢測開關(guān)接點接入的是直流電壓時，需使用直流輸入模塊對信號進行檢測。下面以某一輸入點的直流輸入模塊進行講解。 直流輸入模塊的原理圖如圖 23 所示。外部檢測開關(guān) S 的一端接外部直流電源（直流 12V或 24V）， S的另一端與 PLC的輸入模塊的一個信號輸入端子相連，外部直流電源的另一端接 PLC 輸入模塊的公共端