【文章內(nèi)容簡介】 第 3 章 可編程控制器 PLC 原理及選型 5 第 3 章 可編程控制器 PLC 原理及選型 PLC 發(fā)展歷程 在工業(yè)生產(chǎn)過程中，大量的開關(guān)量順序控制，它按照邏輯條件進(jìn)行順序動作，并按照邏輯關(guān)系進(jìn)行連鎖保護動作的控制，及 大量離散量的數(shù)據(jù)采集。傳統(tǒng)上，這些功能是通過氣動或電氣控制系統(tǒng)來實現(xiàn)的。 1968 年美國 GM（通用汽車）公司提出取代繼電氣控制裝置的要求，第二年，美國數(shù)字公司研制出了基于集成電路和電子技術(shù)的控制裝置，首次采用程序化的手段應(yīng)用于電氣控制，這就是第一代可編程序控制器，稱 Programmable Controller（ PC）。 個人計算機（簡稱 PC）發(fā)展起來后，為了方便，也為了反映可編程控制器的功能特點，可編程序控制器定名為 Programmable Logic Controller（ PLC） 。 上世紀(jì) 80 年代 至 90 年代中期，是 PLC 發(fā)展最快的時期，年增長率一直保持為30~40%。在這時期， PLC 在處理模擬量能力、數(shù)字運算能力、人機接口能力和網(wǎng)絡(luò)能力得到大幅度提高， PLC 逐漸進(jìn)入過程控制領(lǐng)域，在某些應(yīng)用上取代了在過程控制領(lǐng)域處于統(tǒng)治地位的 DCS 系統(tǒng)。 PLC 具有通用性強、使用方便、適應(yīng)面廣、可靠性高、抗干擾能力強、編程簡單等特點。 PLC 在工業(yè)自動化控制特別是順序控制中的地位，在可預(yù)見的將來，是無法取代的。 PLC 的應(yīng)用現(xiàn)狀 自 20 世紀(jì) 60 年代中期以來 PLC 產(chǎn)品在電力、冶金、化工等行業(yè)發(fā)揮了重大作用 , 尤其近 20 年來計算機和信息技術(shù)的飛速發(fā)展 , 不斷成倍擴大的功能和成倍降低的價格 , 使 PLC、通訊聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、過程控制軟件都獲得了長足進(jìn)步 , 也使 PLC 的廣泛應(yīng)用成為可能。下面通過兩組數(shù)據(jù) (引自工控網(wǎng) ) 說明 PLC 的應(yīng)用現(xiàn)狀。 PLC 在冶金行業(yè)的市場將持續(xù)增加 2022 年中國的工業(yè)出現(xiàn)了快速增長 , 工業(yè)產(chǎn)值同比增長在 12% 以上 , 而且中國的最大鋼鐵出口對象 — 美國在 2022 年下半年取消了鋼鐵附加稅 , 中國鋼材對其出口也將迅速回升。這些有利因素刺激了中國冶金行業(yè)的投資。據(jù)調(diào)查 , 中國冶金行業(yè)對 設(shè)備的投資同比增長接近50%。冶金設(shè)備的大量增長帶動了 PLC 在該行業(yè)的增長 , 2022 年 PLC 在冶金行業(yè)的市場達(dá)到 216 億元 , 2022 年有望達(dá)到 3 億元。 河北聯(lián)合大學(xué)電氣工程學(xué)院 6 PLC 在紡織行業(yè)的應(yīng)用分析。在中國 , PLC 在紡織機械上的運用已經(jīng)有 17 年的歷史了 , 從最早的進(jìn)口合成纖維生產(chǎn)設(shè)備到目前的中小型紡機 , PLC 無處不在。占各類紡織機械 60% 以上的織機平均每臺帶有一個小型的 PLC, 主要用于檢測、報警、速度控制和機器啟停控制。紡機的比例在紡織機械中不到 5% , 卻用到更多的 PLC, 單臺紡紗機最多用到 17臺 PLC, 主要是 60個 IO點以下的微型產(chǎn)品。梳棉機也用微小型 PLC 控制。其它各類紡織機械基本上都采用 PLC 控制 , 只有一些相對簡單的設(shè)備采用單片機或者其它控制方式。紡織機械的輔助設(shè)備也主要由 PLC 控制 , 如循環(huán)水系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、蒸氣系統(tǒng)、廢水處理系統(tǒng)、線等。實際上 PLC 在中國的應(yīng)用已分布到各行各業(yè) , 根據(jù)工控網(wǎng)的調(diào)查 , 2022 年中國控制類產(chǎn)品市場 PLC的占有率已超過 50% , 而且保持著 10%～ 15%的發(fā)展速度。 PLC 控制系統(tǒng)的發(fā)展前景 現(xiàn)在 ,雖然出現(xiàn)了性能更加優(yōu)越的 DCS 和 FCS 控制系統(tǒng) , PLC 控制也終將會被先進(jìn)的 FCS 控制所取代 ,但是目前以及今后相當(dāng)長的一段時間 , PLC 還會與 DCS 和 FCS 共存 ,這主要基于以下原因 :(1) 現(xiàn)在企業(yè)的確正在朝著自動化、信息化、開放化的方向發(fā)展 ,但這并不意味著要將現(xiàn)有控制系統(tǒng)推倒重來。企業(yè)投入大量的人力和財力建立起來的 PLC 控制系統(tǒng)已經(jīng)成型 ,如果要完全推翻再建立新的 DCS 或 FCS 控制系統(tǒng) ,需要更大的資金投入 ,將造成很大的浪費。 (2) 基于以上市場需求 ,許多軟件廠商 (例如 : 華富惠通軟件公司 ) 正在考慮如何 利用企業(yè)已經(jīng)成型的控制系統(tǒng)及新建的廠級網(wǎng)絡(luò) ,開發(fā)控制系統(tǒng)軟件 ,幫助企業(yè)實現(xiàn)工廠自動化、信息化 ,為企業(yè)提供控制系統(tǒng)與管理網(wǎng)絡(luò)的集成。 (3) 目前 , PLC 的功能增強、結(jié)構(gòu)優(yōu)化 , IO 模塊趨向分散化、智能化 ,編程工具和編程語言更具標(biāo)準(zhǔn)化和高級化。 (4) PLC 的聯(lián)網(wǎng)通信能力增強 , 向高速度、多層次、大信息量、高可靠性及開放式的通信發(fā)展。 (5) 現(xiàn)在的 PLC 系統(tǒng)與 DCS 技術(shù)、現(xiàn)場總線IO技術(shù)相結(jié)合 ,結(jié)構(gòu)開放、擴展方便、技術(shù)先進(jìn)、價格低廉。由以上分析可以預(yù)見 ,未來 PLC 將朝著多功能化、集成化、智能 化、標(biāo)準(zhǔn)化、開放化的方向發(fā)展 ,故 PLC 雖然面臨其它自動化控制系統(tǒng)的挑戰(zhàn) ,但同時也在吸收它們的優(yōu)點 , 互相融合 ,不斷創(chuàng)新 ,在今后一段時間內(nèi)將與其它先進(jìn)控制方式并存 ,共同發(fā)展。 可編程序控制器 PLC 的分類 PLC產(chǎn)品種類繁多，其規(guī)格和性能也各不相同。對 PLC的分類，通常根據(jù)其結(jié)構(gòu)形式的不同、功能的差異和 I/O點數(shù)的多少等進(jìn)行大致分類。 第 3 章 可編程控制器 PLC 原理及選型 7 （ 1） 按結(jié)構(gòu)形式分類根據(jù) PLC的結(jié)構(gòu)形式，可將 PLC分為整體式和模塊式兩類。 PLC 整體式 PLC是將電源、 CPU、 I/O接口等部件都集中裝在一個機箱內(nèi)， 具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、價格低的特點。小型 PLC一般采用這種整體式結(jié)構(gòu)。整體式 PLC由不同 I/O點數(shù)的基本單元（又稱主機）和擴展單元組成?；締卧獌?nèi)有 CPU、 I/O接口、與 I/O擴展單元相連的擴展口，以及與編程器或EPROM寫入器相連的接口等。擴展單元內(nèi)只有 I/O和電源等，沒有 CPU。基本單元和擴展單元之間一般用扁平電纜連接。整體式 PLC一般還可配備特殊功能單元，如模擬量單元、位置控制單元等，使其功能得以擴展。 PLC 模塊式 PLC是將 PLC各組成部分，分別 做 成若干個單獨的模塊，如 CPU模塊、 I/O模塊、電源模塊（有的含在 CPU模塊中）以及各種功能模塊。模塊式 PLC由框架或基板和各種模塊組成。模塊裝在框架或基板的插座上。這種模塊式 PLC的特點是配置靈活，可根據(jù)需要選配不同規(guī)模的系統(tǒng)，而且裝配方便，便于擴展和維修。大、中型 PLC一般采用模塊式結(jié)構(gòu)。還有一些 PLC將整體式和模塊式的特點結(jié)合起來，構(gòu)成所謂疊裝式 PLC。疊裝式 PLC其 CPU、電源、I/O接口等也是各自獨立的模塊，但它們之間是靠電纜進(jìn)行聯(lián)接，并且各模塊可以一層層地疊裝。這樣，不但系統(tǒng)可以靈活配置，還可做得體積小巧。 （ 2） 按功能分類根據(jù) PLC所具有的功能不同，可將 PLC分為低檔、中檔、高檔三類。 PLC 具有邏輯運算、定時、計數(shù)、移位以及自診斷、監(jiān)控等基本功能，還可有少量模擬量輸入／輸出、算術(shù)運算、數(shù)據(jù)傳送和比較、通信等功能。主要用于邏輯控制、順序控制或少量模擬量控制的單機控制系統(tǒng)。 PLC 除具有低檔 PLC的功能外，還具有較強的模擬量輸入 /輸出、算術(shù)運算、數(shù)據(jù)傳送和比較、數(shù)制轉(zhuǎn)換、遠(yuǎn)程 I/O、子程序、通信聯(lián)網(wǎng)等功能。有些還可增設(shè)中斷控制、 PID控制等功能，適用于復(fù)雜控制系統(tǒng)。 PLC 除具有中檔機的功能外，還增加了帶 符號算術(shù)運算、矩陣運算、位邏輯運算、平方根運算及其它特殊功能函數(shù)的運算、制表及表格傳送功能等。高檔 PLC機具有更強的通信聯(lián)網(wǎng)功能，可用于大規(guī)模過程控制或構(gòu)成分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，實現(xiàn)工廠自動化。 （ 3） 按 I/O點數(shù)分類根據(jù) PLC的 I/O點數(shù)的多少，可將 PLC分為小型、中型和大型三類。 PLC——I/O點數(shù) 小于 256點；單 CPU、 8位或 16位處理器、用戶存儲器容量 4K字以下。 2. 中型 PLC——I/O點數(shù) 256～ 2048點；雙 CPU，用戶存儲器容量 2～ 8K。 河北聯(lián)合大學(xué)電氣工程學(xué)院 8 PLC——I/O點數(shù) 2048點；多 CPU， 16位、 32位處理器，用戶存儲器容量 8～ 16K。 PLC 的選型方法 在 PLC 系統(tǒng)設(shè)計時，首先應(yīng)確定控制方案，下一步工作就是 PLC 工程設(shè)計選型。工藝流程的特點和應(yīng)用要求是設(shè)計選型的主要依據(jù)。 PLC 及有關(guān)設(shè)備應(yīng)是集成的、標(biāo)準(zhǔn)的，按照易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴充其功能的原則選型所選用 PLC 應(yīng)是在相關(guān)工業(yè)領(lǐng)域有投運業(yè)績、成熟可靠的系統(tǒng)， PLC 的系統(tǒng)硬件、軟件配置及功能應(yīng)與裝置規(guī)模和控制要求相適應(yīng)。熟悉可編程序控制器、功能表圖及有關(guān)的編程語言有利于縮短編程時間，因此，工程設(shè)計選型和 估算時，應(yīng)詳細(xì)分析工藝過程的特點、控制要求，明確控制任務(wù)和范圍確定所需的操作和動作，然后根據(jù)控制要求，估算輸入輸出點數(shù)、所需存儲器容量、確定PLC 的功能、外部設(shè)備特性等，最后選擇有較高性能價格比的 PLC 和設(shè)計相應(yīng)的控制系統(tǒng)。 PLC 電源的選擇 PLC 的供電電源，除了引進(jìn)設(shè)備時同時引進(jìn) PLC 應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品說明書要求設(shè)計和選用外，一般 PLC 的供電電源應(yīng)設(shè)計選用 220VAC 電源，與國內(nèi)電網(wǎng)電壓一致。重要的應(yīng)用場合，應(yīng)采用不間斷電源或穩(wěn)壓電源供電。 如果 PLC 本身帶有可使用電源時，應(yīng)核對提供的電流是否滿足應(yīng) 用要求，否則應(yīng)設(shè)計外接供電電源。為防止外部高壓電源因誤操作而引入 PLC，對輸入和輸出信號的隔離是必要的，有時也可采用簡單的二極管或熔絲管隔離 。 PLC 按結(jié)構(gòu)分為整體型和模塊型兩類，按應(yīng)用環(huán)境分為現(xiàn)場安裝和控制室安裝兩類；按 CPU 字長分為 1 位、 4 位、 8 位、 16 位、 32 位、 64 位等。從應(yīng)用角度出發(fā)，通常可按控制功能或輸入輸出點數(shù)選型。 整體型 PLC 的 I/O 點數(shù)固定，因此用戶選擇的余地較小，用于小型控制系統(tǒng)；模塊型 PLC 提供多種 I/O 卡件或插卡，因此用戶可較合理地選擇和配置控制系統(tǒng)的 I/O 點數(shù)，功能擴展方便靈活， 一般用于大中型控制系統(tǒng)。 第 3 章 可編程控制器 PLC 原理及選型 9 輸入輸出（ I/O）點數(shù)的估算 I/O 點數(shù)估算時應(yīng)考慮適當(dāng)?shù)挠嗔?，通常根?jù)統(tǒng)計的輸入輸出點數(shù)，再增加10%～ 20%的可擴展余量后，作為輸入輸出點數(shù)估算數(shù)據(jù)。實際訂貨時，還需根據(jù)制造廠商 PLC 的產(chǎn)品特點，對輸入輸出點數(shù)進(jìn)行圓整。 輸入輸出模塊的選擇 輸入輸出模塊的選擇應(yīng)考慮與應(yīng)用要求的統(tǒng)一。例如對輸入模塊，應(yīng)考慮信號電平、信號傳輸距離、信號隔離、信號供電方式等應(yīng)用要求。對輸出模塊，應(yīng)考慮選用的輸出模塊類型，通常繼電器輸出模塊具有價格低、使用電壓范圍廣、壽命短、 響應(yīng)時間較長等特點；可控硅輸出模塊適用于開關(guān)頻繁，電感性低功率因數(shù)負(fù)荷場合，但價格較貴，過載能力較差。輸出模塊還有直流輸出、交流輸出和模擬量輸出等，與應(yīng)用要求應(yīng)一致?？筛鶕?jù)應(yīng)用要求，合理選用智能型輸入輸出模塊，以便提高控制水平和降低應(yīng)用成本?？紤]是否需要擴展機架或遠(yuǎn)程 I/O機架等 。 存儲器容量的估算 存儲器容量是可編程序控制器本身能提供的硬件存儲單元大小，程序容量是存儲器中用戶應(yīng)用項目使用的存儲單元的大小，因此程序容量小于存儲器容量。設(shè)計階段，由于用戶應(yīng)用程序還未編制，因此，程序容量在設(shè)計階段 是未知的，需在程序調(diào)試之后才知道。為了設(shè)計選型時能對程序容量有一定估算，通常采用存儲器容量的估算來替代。 存儲器內(nèi)存容量的估算沒有固定的公式，許多文獻(xiàn)資料中給出了不同公式，大體上都是按數(shù)字量 I/O 點數(shù)的 10～ 15 倍，加上模擬 I/O 點數(shù)的 100 倍，以此數(shù)為內(nèi)存的總字?jǐn)?shù)（ 16 位為一個字），另外再按此數(shù)的 25%考慮余量 。 存儲器的選擇 由于計算機集成芯片技術(shù)的發(fā)展，存儲器的價格已下降，因此，為保證應(yīng)用項目的正常投運，一般要求 PLC 的存儲器容量，按 256 個 I/O 點至少選 8K 存儲器選擇。需要復(fù)雜控制功能 時，應(yīng)選擇容量更大，檔次更高的存儲器 。 河北聯(lián)合大學(xué)電氣工程學(xué)院 10 第 4 章 西門子 STEP7 軟件介紹 西門子 STEP7 的概述 STEP7 是用于 SIMATIC 可編程控制器組態(tài)和編程的標(biāo)準(zhǔn)軟件包，其用戶接口是基于當(dāng)前最新水平的人機控制工程設(shè)計，可以輕松方便的使用。 STEP7 編程軟件適用于 SIMATICS M C7 和基于 PC 的 WinAC，是供其編程、監(jiān)控和藏書設(shè)置的標(biāo)準(zhǔn)工具。 STEP7 是一個強大的工程工具，用于整個項目流程設(shè)置。從項目實施的計劃配置、實施模塊測試、繼承測試調(diào)試到運行維護階段，都需要不同功能的工程工具 。 STEP7 工程工具包含了整個羨慕流程的各種功能要求： CAD/CAE 支持、硬件組態(tài)、網(wǎng)絡(luò)組態(tài)、仿真、過程診斷等。 STEP7 的構(gòu)成組件 STEP7 不是一個單一的應(yīng)用程序，而是有一系列應(yīng)用程序 [工具 ]構(gòu)成的軟件包。 STEP7 主要包括以下組件： SIMATIC 管理器，程序編輯器，符號編輯器，硬件組態(tài)，硬件診斷，網(wǎng)絡(luò)組態(tài)。 SIMATIC 管理器：在 SIMATIC 管理器 [SIMATIC Manager]環(huán)境中進(jìn)行項目的編程和組態(tài)，每個操作所需的工具均由