【文章內(nèi)容簡介】 輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程?？删幊绦蚩刂破骷捌溆嘘P(guān)的外圍設(shè)備，都應按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體、易于擴充其功能的原則設(shè)計。PLC發(fā)展如此迅速的原因在于它具有一些其它控制系統(tǒng)所不及的一些特點。(1)可靠性可編程控制器不需要大量的活動部件和電子元件，接線大大減少，與此同時，系統(tǒng)的維修簡單，維修時間縮短，因此可靠性得到提高?？删幊炭刂破鞑捎靡幌盗锌煽啃栽O(shè)計方法進行設(shè)計，例如冗余設(shè)計，掉電保護，故障診斷，報警，運行信息顯示和信息保護及恢復等?？删幊炭刂破鞯挠布O(shè)計方面采用了一系列提高第2章可編程序控制器及其l_作原理可靠性的措施，例如，采用可靠性高的工業(yè)級元件，采用先進的電子加工工藝制造，對干擾采用屏蔽、隔離和濾波等。存儲器內(nèi)容的保護，采用看門狗和自診斷措施，便于維修和設(shè)計等。(2)易操作性對PLC的操作包括程序的輸入和程序更改操作，大多數(shù)PLC采用編程器進行程序輸入和更改操作?，F(xiàn)在PLC的編程器大部分可以用電腦直接進行，更改程序也可根據(jù)所需地址編號、繼電器編號或接點號等直接進行搜索或按順序?qū)ふ遥缓罂梢栽诰€或離線更改。PLC有多種程序設(shè)計語言可以使用，編程過程簡單易學。PLC所具有的自診斷功能對維修人員的技術(shù)要求較低，當系統(tǒng)發(fā)生故障時，通過硬件和軟件的自診斷，維修人員可以根據(jù)有關(guān)故障代碼的顯示和故障信號燈的提示等信息，或通過編程器和HMI屏幕的設(shè)定，直接找到故障所在的部位，為迅速排除故障和修復節(jié)省了時間。為便于維修工作的開展，有些PLC制造商提供維修用的專用儀表或設(shè)備，提供故障維修樹等維修用資料。有些廠商還提供維修用的智能卡或插件板，使維修工作變得十分方便。此外，PLC的面板和結(jié)構(gòu)設(shè)計也考慮了維修的方便性，例如，對需要維修的部件設(shè)置在便于維修的位置，信號燈設(shè)置在易于觀察的位置，接線端子采用便于接線和更換的類型等，這些設(shè)計使維修工作能方便地進行，大大縮短了維修時間。采用標準化元件和標準化工藝生產(chǎn)流水作業(yè)，使維修用備品備件簡化等，也使維修工作變得方便。(3)機電一體化為了使工業(yè)生產(chǎn)的過程控制更平穩(wěn)，更可靠，向優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低耗的方向發(fā)展，對過程控制設(shè)備和裝置提出了機電一體化，即儀表、電子、計算機綜合的要求，而PLC正是這一要求的產(chǎn)物，它是專門為工業(yè)過程而設(shè)計的控制設(shè)備，具有體積小、功能強、抗干擾性好等優(yōu)點，它將機械與電氣部件有機地結(jié)合在一個設(shè)備內(nèi)，把儀表、電子和計算機的功能綜合集成在一起，因此，它已經(jīng)成為當今數(shù)控技術(shù)、工業(yè)機器人、離散制造和過程流程等領(lǐng)域的主要控制設(shè)備，成為工業(yè)自動化三大支柱(PLC，機器人，CAD/以M)之一?？删幊炭刂破鳜F(xiàn)在已經(jīng)成為了一個不可代替的控制系統(tǒng)，它們可以與其它系統(tǒng)通訊，提供產(chǎn)品報表，生產(chǎn)調(diào)度，診斷自身和設(shè)備的故障，這些技術(shù)上的改進，基于PLC與組態(tài)軟件的船舶鍋爐監(jiān)控系統(tǒng)讓PLC成為今天的各行各業(yè)的高質(zhì)量和產(chǎn)量的重要的貢獻者。PLC具有體積小、可靠性高、功能強、程序設(shè)計方便、通用性強、維護方便等優(yōu)點，在各個行業(yè)中有著廣泛的應用〔l0j。(1)邏輯控制利用PLC最基本的邏輯運算、定時、計數(shù)等功能可實現(xiàn)對機床、自動生產(chǎn)線、電梯等的擴展。(2)位置控制較高檔次的PLC具有單軸或多軸位置控制模塊，可實現(xiàn)對步進電動機或伺服電動機的速度和加速度的控制，確保運行平滑。(3)過程控制PLC的模擬量輸入輸出和P工D控制，可構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)，可應用于冶金、化工等行業(yè)。(4)監(jiān)控系統(tǒng)PLC能記憶某些異常情況，并可進行數(shù)據(jù)采集。操作人員還可利用監(jiān)控命令進行生產(chǎn)過程的監(jiān)控，及時調(diào)整相關(guān)參數(shù)。(5)集散控制PLC與PLC，PLC與上位機之間的聯(lián)網(wǎng)，可構(gòu)成工廠自動化網(wǎng)絡系統(tǒng)。(l)向高速度、大容量方向發(fā)展為了提高PLC的處理能力，要求PLC具有更好的響應速度和更大的存儲容量。目前。PLC的掃描速度己成為很重要的一個性能指標。在存儲容量方面，有的PLC最高可達幾十兆字節(jié)。為了擴大存儲容量，有的公司己使用了磁泡存儲器或硬盤。(2)向超大型、超小型兩個方向發(fā)展當前中小型PLC比較多，為了適應市場的多種需要，今后PLC要向多品種多方向發(fā)展，特別是向超大型和超小型兩個方向發(fā)展?，F(xiàn)已有1/0點數(shù)達14336點的超大型PLC，其使用32位微處理器，多CPU并行工作和大容量存儲器，功能非第2章可編程序控制器及其工作原理常強。小型PLC由整體結(jié)構(gòu)向小型模塊化結(jié)構(gòu)發(fā)展，使配置更加靈活，為了市場需要己開發(fā)了各種簡易、經(jīng)濟的超小型微型PLC，最小配置的1/0點數(shù)為8~16點，以適應單機及小型自動控制的需要。(3)PLC大力開發(fā)智能模塊，加強聯(lián)網(wǎng)通信能力為滿足各種自動化控制系統(tǒng)的要求，近年來不斷開發(fā)出許多功能模塊，如高速計數(shù)模塊、溫度控制模塊、遠程I/0模塊、通信和人機接口模塊等。這些帶CPU和存儲器的智能工/0模塊，既擴展了PLC功能，使用也靈活方便，擴大了PLC應用范圍。加強PLC聯(lián)網(wǎng)通信的能力，是PLC技術(shù)進步的潮流。PLC的聯(lián)網(wǎng)通信有兩類:一類是PLC之間聯(lián)網(wǎng)通信，各PLC生產(chǎn)廠家都有自己的專有聯(lián)網(wǎng)手段。另一類是PLC與計算機之間的聯(lián)網(wǎng)通信，一般PLC都有專用通信模塊與計算機通信。為了加強聯(lián)網(wǎng)通信能力，PLC生產(chǎn)廠家之間也在協(xié)商制訂通用的通信標準，以構(gòu)成更大的網(wǎng)絡系統(tǒng)。(4)增強外部故障的檢測與處理能力根據(jù)統(tǒng)計資料表明，在PLC控制系統(tǒng)的故障中，CPU占5%，工/O接口占15%，輸入設(shè)備占45%，輸出設(shè)備占300rk，線路占5%。前二項共20%的故障屬于PLC的內(nèi)部故障，它可通過PLC本身的軟、硬件實現(xiàn)檢測、處理。而其余80%的故障屬于PLC的外部故障。因此，PLC生產(chǎn)廠家都致力于研制、發(fā)展用于檢測外部故障的專用智能模塊，進一步提高系統(tǒng)的可靠性。(5)編程語言多樣化在PLC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不斷發(fā)展的同時，PLC的編程語言也越來越豐富，功能也不斷提高。除了大多數(shù)PLC使用的梯形圖語言外，為了適應各種控制要求，出現(xiàn)了面向順序控制的步進編程語言、面向過程控制的流程圖語言、與計算機兼容的高級語言(BASIC、C語言)等。多種編程語言的并存、互補與發(fā)展是PLC進步的一種趨勢。一般講，PLC分為箱體式和模塊式兩種‘，’，’2〕。但它們的組成是相同的，對箱體式PLC，主要由CPU板、I/O板、顯示面板、內(nèi)存塊、電源等組成，當然按CPU性能分成若干型號，并按工/0點數(shù)又有若干規(guī)格。對模塊式PLC，有CPU模塊、工/0基于PLC與組態(tài)軟件的船舶鍋爐監(jiān)控系統(tǒng)模塊、內(nèi)存模塊、電源模塊、底板或機架。無論哪種結(jié)構(gòu)類型的PLC，都屬于總線式開放型結(jié)構(gòu)，其工/0能力可按用戶需要進行擴展與組合。PLC的基本結(jié)構(gòu)框圖如下:編編編編編程器器輸輸輸輸輸輸輸輸入入入入入入入入入入入入入輸輸單單單單單單單單單單單單單單單出出元元元元中央處理單元(CPU)))))單單元元元元元元元元元元元元元元元元系系統(tǒng)程序存貯器器器用戶程序存貯器器器電源源PLC中的CPU是PLC的核心，起神經(jīng)中樞的作用，每臺PLC至少有一個CPU，它按PLC系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存貯用戶程序和數(shù)據(jù)，用掃描的方式采集由現(xiàn)場輸入裝置送來的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并存入規(guī)定的寄存器中，同時，CPU診斷電源和PLC內(nèi)部電路的工作狀態(tài)和編程過程中的語法錯誤等。進入運行后，從用戶程序存貯器中逐條讀取指令，經(jīng)分析后再按指令規(guī)定的任務產(chǎn)生相應的控制信號，去指揮有關(guān)的控制電路，與通用計算機一樣，主要由運算器、控制器、寄存器及實現(xiàn)它們之間聯(lián)系的數(shù)據(jù)、控制及狀態(tài)總線構(gòu)成，還有外圍芯片、總線接口及有關(guān)電路。它確定了進行控制的規(guī)模、工作速度、內(nèi)存容量等。CPU的控制器控制CPU工作，由它讀取指令、解釋指令及執(zhí)行指令。但工作節(jié)奏由震蕩信號控制。第2章可編程序控制器及其工作原理CPU的運算器用于進行數(shù)字或邏輯運算，在控制器指揮下工作。CPU的寄存器參與運算，并存儲運算的中間結(jié)果，它也是在控制器指揮下工作。CPU雖然劃分為以上幾個部分，但PLC中的CPU芯片實際上就是微處理器，由于電路的高度集成，對CPU內(nèi)部的詳細分析已無必要，我們只要弄清它在PLC中的功能與性能，能正確地使用它就夠了。CPU模塊的外部表現(xiàn)就是它的工作狀態(tài)的種種顯示、種種接口及設(shè)定或控制開關(guān)。一般講，CPU模塊總要有相應的狀態(tài)指示燈，如電源顯示、運行顯示、故障顯示等。箱體式PLC的主箱體也有這些顯示。它的總線接口，用于接工/0模板或底板，有內(nèi)存接口，用于安裝內(nèi)存，有外設(shè)口，用于接外部設(shè)備，有的還有通訊口，用于進行通訊。CPU模塊上還有許多設(shè)定開關(guān)，用于對PLC設(shè)定，如設(shè)定起始工作方式、內(nèi)存區(qū)等。PLC的對外功能，主要是通過各種1/0接口模塊與外界聯(lián)系的，按工/0點數(shù)確定模塊規(guī)格及數(shù)量，工/0模塊可多可少，但其最大數(shù)受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或機架槽數(shù)限制。1/0模塊集成了PLC的1/0電路，其輸入暫存器反映輸入信號狀態(tài)，輸出鎖存器反映輸出點狀態(tài)。有些PLC中的電源，是與CPU模塊合二為一的，有些是分開的，其主要用途是為PLC各模塊的集成電路提供工作電源。同時，有的還為輸入電路提供24V的工作電源。電源的輸入類型有:交流電源，加的為交流220VAC或1IOVAC，直流電源，加的為直流電壓，常用的為24V。大多數(shù)模塊式PLC使用底板或機架，其作用是:電氣上，實現(xiàn)各模塊間的聯(lián)系，使CPU能訪問底板上的所有模塊。機械上，實現(xiàn)各模塊間的連接，使各模塊構(gòu)成一個整體。外部設(shè)備是PLC系統(tǒng)不可分割的一部分，它有四大類:基于PLC與組態(tài)軟件的船舶鍋爐監(jiān)控系統(tǒng)(1)編程設(shè)備有簡易編程器和智能圖形編程器，用于編程、對系統(tǒng)作一些設(shè)定、監(jiān)控PLC及PLC所控制的系統(tǒng)的工作狀況等。編程器是PLC開發(fā)應用、監(jiān)測運行、檢查維護不可缺少的器件，但它不直接參與現(xiàn)場控制運行。(2)監(jiān)控設(shè)備有數(shù)據(jù)監(jiān)視器和圖形監(jiān)視器。直接監(jiān)視數(shù)據(jù)或通過畫面監(jiān)視數(shù)據(jù)。(3)存儲設(shè)備有存儲卡、存儲磁帶、軟磁盤或只讀存儲器，用于永久性地存儲用戶數(shù)據(jù)，使用戶程序不丟失，如EPROM、EEpROM等。(4)輸入輸出設(shè)備用于接收信號或輸出信號，一般有條碼讀入器，輸入模擬量的電位器，打印機等。PLC具有通信聯(lián)網(wǎng)的功能，它使PLC與PLC之間、PLC與上位計算機以及其他智能設(shè)備之間能夠交換信息，形成一個統(tǒng)一的整體，實現(xiàn)分散集中控制〔’3’們。現(xiàn)在幾乎所有的PLC新產(chǎn)品都有通信聯(lián)網(wǎng)功能，它和計算機一樣具有RS一232接口，通過雙絞線、同軸電纜或光纜，可以在幾公里甚至幾十公里的范圍內(nèi)交換信息。當然，PLC之間的通訊網(wǎng)絡是各廠家專用的，PLC與計算機之間的通訊，一些生產(chǎn)廠家采用工業(yè)標準總線，并向標準通訊協(xié)議靠攏，這將使不同機型的PLC之間、PLC與計算機之間可以方便地進行通訊與聯(lián)網(wǎng)。當PLC啟動后，先進行初始化操作，包括對工作內(nèi)存的初始化、復位所有的定時器、將輸入輸出繼電器清零，檢查1/0單元連接是否完好等。PLC的工作過程具體分為4個階段:(1)公共處理掃描階段公共處理包括PLC自檢，執(zhí)行來自外設(shè)的命令、看門狗定時器(WDT)清零等。第2章可編程序控制器及其工作原理PLC自檢就是CPU檢測PLC各器件的狀態(tài)，以提高系統(tǒng)的可靠性。CPU對PLC自檢結(jié)束后，就檢查是否有外設(shè)請求，如是否進入編程狀態(tài)，是否需要通信服務等。采用看門狗技術(shù)也是提高系統(tǒng)可靠性的一種有效措施，它是在PLC內(nèi)部設(shè)置一個監(jiān)視定時器，這是一個硬件時鐘，是為了監(jiān)視PLC的每次掃描時間而設(shè)置的，對它設(shè)置好規(guī)定的時間，每個掃描周期都要監(jiān)視掃描時間是否超過規(guī)定值。如果程序運行正常，則在每次掃描周期的公共處理階段對WDT進行清零。如果程序運行失常進入死循環(huán)，則WDT得不到按時清零而造成超時溢出，從而給出報警信號或者停止PLC工作。(2)輸入采樣掃描階段輸入采樣掃描過程中，PLC按順序逐個采集所有輸入端子上的信號，不論輸入端子上是否接線，CPU順序讀取全部輸入端，將所有的采集到的一批輸入信號寫到輸入映象寄存器中。在此掃描周期內(nèi)，用戶程序依據(jù)的輸入信號的狀態(tài)，都從輸入映象寄存器中讀取，而不管此時外部信號的狀態(tài)是否變化。(3)執(zhí)行用戶程序掃描階段在執(zhí)行用戶程序掃描階段，CPU對用戶程序按順序進行掃描。每掃描到一條指令，所需要的輸入信息狀態(tài)均從輸入映象寄存器中去讀取，而不是直接使用現(xiàn)場的立即輸入信號。對于其他信息，則是從PLC的元件映象寄存器中讀取。在執(zhí)行用戶程序中，每一次運算中間結(jié)果都立即寫入元件映象寄存器中，這樣該元件的狀態(tài)馬上就可以被后面將要掃描的指令所利用。對輸出繼電器的掃描結(jié)果，是先將結(jié)果寫入元件映象寄存器中的輸出映象寄存器中，待輸出刷新階段集中進行批處理，所以執(zhí)行用戶階段也是批處理過程。(4)輸出刷新掃描階段這是第三個集中批處理過程。當CPU對全部用戶程序掃描結(jié)束后，將元件映象寄存器中各輸出繼電器的狀態(tài)同時送到輸出鎖存器中，再由輸出鎖存器經(jīng)輸出端子去驅(qū)動各輸出繼電器所帶的負載。在此階段結(jié)束后，CPU進入下一個掃描周期。(l)輸入映象寄存器中的數(shù)據(jù)，是在輸入采樣階段掃描到的輸入信號的狀態(tài)基于PLC與組態(tài)軟件的船舶鍋爐監(jiān)控系統(tǒng)集中寫進去的，在本掃描周期中，它不隨外部輸入信號的變化而變化。(2)輸出映象寄存器中的狀態(tài)，是由用戶程序中的輸出指令的執(zhí)行結(jié)果來決定的。(3)輸出鎖存器中的數(shù)據(jù)是在輸出刷新階段，從輸出映象寄存器集中寫進去的。(4)輸出端子的輸出狀態(tài)，是由輸出鎖存器中的數(shù)據(jù)確定的。(5)執(zhí)行用戶程序時所需要的輸入、輸出狀態(tài)，是從輸入映象寄存器和輸出映象寄存器中讀出的。PLC的掃描周期與PLC的時鐘頻率、用戶程序的長短以及系統(tǒng)配置有關(guān)“5一”。從PLC的輸入端有一個輸入信號發(fā)生變化到PLC的輸出端對該輸入變化做出反應需要一段時間，這段時間成為滯后時間。滯后時間與以下因素有關(guān):(l)輸入濾波器的時間常數(shù)(輸入延遲)因為PLC的輸入濾波器是一個積分環(huán)節(jié)。因此，輸入濾波器的輸