【文章內(nèi)容簡介】 控制，運動控制的特殊功能與模塊，使 PLC 的應(yīng)用范圍開始涉及工業(yè)自動化的全部領(lǐng)域。與此同時，PLC 的網(wǎng)絡(luò)與通信功能得到迅速發(fā)展，PLC 不僅可以連接傳統(tǒng)的編程與通入/輸出設(shè)備，還可以通過各種總線構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，為工廠自動化奠定了基礎(chǔ)。三菱公司本階段的主要產(chǎn)品有 FX 小型 PLC 系列產(chǎn)品（包括最新的 FX3u 系列產(chǎn)品），Qn,QnPH 系列中，大型 PLC 系列產(chǎn)品等 [2]。 PLC 的發(fā)展趨勢從當(dāng)前產(chǎn)品技術(shù)性能來看，PLC 發(fā)展趨勢仍然主要體現(xiàn)在體積的縮小與性能的提高兩大方面。①體積小型化。電子產(chǎn)品體積的小型化是微電子技術(shù)發(fā)展的必然結(jié)果?，F(xiàn)代 PLC無論從內(nèi)部元件組成還是硬件、軟件結(jié)構(gòu)都已經(jīng)與早期的 PLC 有了很大的不同，PLC 體積被大幅度縮小。②性能的提高。PLC 的性能主要包括 CPU 性能與 I/O 性能兩大方面。可編程序控制器在我國的發(fā)展?fàn)顩r如下： (1) 我國可編程序控制器的發(fā)展與國際上的發(fā)展有所不同，國際上可編程序控制器的發(fā)展是從研制、開發(fā)、生產(chǎn)到應(yīng)用，而我國則是從成套設(shè)備引進、可編程序控制器引進應(yīng)用、消化移植、合資生產(chǎn)到廣泛應(yīng)用。大致可劃分為下述三個階段： ①可編程序控制器的初級認(rèn)識階段（70 年代后期到 80 年代初期）國際上可編程序控制器的發(fā)展，首先引起了國內(nèi)工程技術(shù)界的極大興趣，所以我國對可編程序控制菏澤學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）７器的認(rèn)識始于 70 年代后期到 80 年代初期的成套設(shè)備引進中，當(dāng)時的上海寶鋼一期工程中有多項工程引進了十幾種機型約 200 多臺可編程序控制器。這些可編程序控制器用于原料碼頭到高爐、軋鋼、鋼管等整個鋼鐵冶煉以及加工生產(chǎn)線上，取代了傳統(tǒng)的繼電器邏輯系統(tǒng)，并部分取代了模擬量控制和小型 DDC 系統(tǒng)。繼寶鋼一期工程后，國內(nèi)許多廠家陸續(xù)引進的設(shè)備和生產(chǎn)線大都配備了可編程序控制器，其應(yīng)用范圍包括電站、石油化工、汽車制造、港口和碼頭等各領(lǐng)域。正是在成套設(shè)備引進過程中，我們打開了眼界，了解認(rèn)識了可編程序控制器，這也促進了可編程序控制器在我國的發(fā)展。②可編程序控制器的引進應(yīng)用和消化移植階段（80 年代初期到 90 年代初期）80年代初期開始，隨著我國改革開放的不斷深入，在成套設(shè)備引進的同時，國外原裝的可編程序控制器開始涌入國內(nèi)市場。許多部門和單位相繼引進可編程序控制器并自己設(shè)計組成控制系統(tǒng)，其應(yīng)用范圍也擴大到建材、輕工、煤炭、水處理、食品、制藥、造紙、橡膠和精細(xì)化工等工業(yè)領(lǐng)域。③ 可編程序控制器的廣泛發(fā)展階段（90 年代初期到現(xiàn)在） 進入 90 年代，我國的可編程序控制器進入了廣泛發(fā)展階段，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：(2) 政府重視可編程序控制器的發(fā)展得到了政府的高度重視，在當(dāng)時機械電子工業(yè)部的領(lǐng)導(dǎo)下，于 1991 年成立了可編程序控制器行業(yè)協(xié)會?？删幊绦蚩刂破餍袠I(yè)協(xié)會在政府和企事業(yè)之間起到了橋梁作用，溝通了情況，為做出決策提供了依據(jù)。同時可編程序控制器的標(biāo)準(zhǔn)化工作也受到了有關(guān)部門的重視，于 1993 年成立了可編程序控制器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會，為我國可編程序控制器的進一步發(fā)展打下了基礎(chǔ)。 PLC 的應(yīng)用PLC 的初期由于其價格高于繼電器控制裝置，使得其應(yīng)用受到限制。但最近十多年來，PLC 的應(yīng)用面越來越廣，其主要原因是：一方面由于微處理器芯片幾有關(guān)元件的價格大大下降，使得 PLC 的成本下降；另一方面 PLC 的功能大大增強，它也能解決復(fù)雜的計算和通信問題。目前 PLC 在國內(nèi)外已廣泛應(yīng)用于鋼鐵、采礦、水泥、石油、化工、電力、機械制造、汽車、裝卸、造紙、紡織、環(huán)保和娛樂等行業(yè)。PLC 的應(yīng)用范圍通常可分成以下 5 種類型：（1）順序控制 這是 PLC 應(yīng)用最廣泛的領(lǐng)域，也是最適合 PLC 使用的領(lǐng)域。它用來取代傳統(tǒng)的 繼電器順序控制。PLC 應(yīng)用于單機控制、多機群控、生產(chǎn)自動線控制等。例如：注塑機械、印刷機械、包裝機械、切紙機械、組合機床、磨床、裝配生產(chǎn)線、電鍍流水線及電梯控制等。(2)運動控制 PLC 制造商目前已提供了拖動步進電機或伺服電機的單軸或多軸位置控制模塊，在多數(shù)情況下，PLC 把描述目標(biāo)位置的數(shù)據(jù)送給模塊，其輸出移動一軸或數(shù)據(jù)到目標(biāo)位置。每個軸移動時，位置控制模塊保持適當(dāng)?shù)奈恢煤图铀俣?，確保運動平滑。（3）過程控制 PLC 還能控制大量的過程參數(shù)，例如：溫度、流量、壓力、液位和速度。PID 模塊提供了使 PLC 具有閉環(huán)控制的功能，即一個具有 PID 控制能力的 PLC 可用于過程控制。當(dāng)過程控制中某個變量出現(xiàn)偏差時，PID 控制算法會計算出正確的輸出，把變量保持在設(shè)定值上。（4）數(shù)據(jù)處理 在機械加工中，PLC 作為主要的控制和管理系統(tǒng)用于 CNC 和 NC 系統(tǒng)中，可以完成大量的數(shù)據(jù)處理工作。（5）通信網(wǎng)絡(luò) PLC 的通信包括主機與遠(yuǎn)程 I/O 之間的通信、多臺 PLC 之間的通信、PLC 和其他智能控制設(shè)備（如計算機、變頻器、數(shù)控裝置）之間的通信。PLC 與其他智能控制設(shè)備一起，可以組成“集中管理、分散控制”的分布式控制系統(tǒng) [3]。菏澤學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）８2 PLC 在我國的應(yīng)用 雖然我國在 PLC 生產(chǎn)方面比較弱，但在 PLC 應(yīng)用方面，我國是很活躍的，近年來每年約新投入 10 萬臺套 PLC 產(chǎn)品，年銷售額 30 多億人民幣，應(yīng)用的行業(yè)也很廣。 在我國，一般按 I/O 點數(shù)將 PLC 分為以下級別（但不絕對，國外分類有些區(qū)別）： 微型：32 I/O 小型：256 I/O 中型：1024 I/O 大型：4096 I/O 巨型：8192 I/O 在我國應(yīng)用的 PLC 系統(tǒng)中，I/O64 點以下 PLC 銷售額占整個 PLC 的 47%，64 點~256 點的占 31%，合計占整個 PLC 銷售額的 78%。 PLC 的硬件結(jié)構(gòu)PLC 實質(zhì)是一種專用于工業(yè)控制的計算機其硬件結(jié)構(gòu)基本上與微型計算機從結(jié)構(gòu)上分，PLC 分為固定式和組合式（模塊式）兩種。固定式 PLC 包括 CPU 板、I/O 板、顯示面板、內(nèi)存塊、電源等，這些元素組合成一個不可拆卸的整體。模塊式 PLC 包括 CPU模塊、I/O 模塊、內(nèi)存、電源模塊、底板或機架，這些模塊可以按照一定規(guī)則組合配置。其結(jié)構(gòu)如圖 21 所示。系統(tǒng)程序存儲器 系統(tǒng)程序存儲器 電源編輯器圖 21 PLC 的結(jié)構(gòu)圖中央處理單元(CPU)是 PLC 的控制中樞，它按照 PLC 系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存儲從編程器鍵入的用戶程序和數(shù)據(jù)、檢查電源、存儲器 I/O 以及警戒定時器的狀態(tài)；并能診斷用戶程序中的語法錯誤。當(dāng) PLC 投入運行時，首先它以掃描的方式接收現(xiàn)場各輸入裝置的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并分別存入 I/O 映象區(qū)，然后從用戶程序存儲器中逐條讀取用戶程序，經(jīng)過命令解釋后，按指令的規(guī)定執(zhí)行邏輯或算數(shù)運算的結(jié)果送入 I/O 映象區(qū)或數(shù)據(jù)寄存器內(nèi)，等所有的用戶程序執(zhí)行完畢之后，最后將 I/O 映象區(qū)的各輸出狀態(tài)或輸出寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)傳送到相應(yīng)的輸出裝置，如此循環(huán)運行直到停止運行 [4]。 PLC 的工作原理PLC 的 CPU 則采用順序邏輯掃描用戶程序的運行方式，即如果一個輸出線圈或邏輯線圈被接通或斷開，該線圈的所有觸點(包括其常開或常閉觸點)不會立即動作，必須中央處理單元（CPU ）輸入電路輸出電路菏澤學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）９等掃描到該觸點時才會動作。考慮到繼電器控制裝置各類觸點的動作時間一般在 100ms 以上，而 PLC 掃描用戶程序的時間一般均小于 100ms，因此，PLC 采用了一種不同于一般微型計算機的運行方式掃描技術(shù)。這樣在對于 I/O 響應(yīng)要求不高的場合，PLC 與繼電器控制裝置的處理結(jié)果上就沒有什么區(qū)別了。當(dāng) PLC 投入運行后，其工作過程一般分為三個階段，即輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新三個階段。完成上述三個階段稱作一個掃描周期。在整個運行期間，PLC的 CPU 以一定的掃描速度重復(fù)執(zhí)行上述三個階段。1 輸入采樣階段在輸入采樣階段，PLC 以掃描方式依次地讀入所有輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并將它們存入I/O 映象區(qū)中的相應(yīng)得單元內(nèi)。輸入采樣結(jié)束后，轉(zhuǎn)入用戶程序執(zhí)行和輸出刷新階段。在這兩個階段中，即使輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)發(fā)生變化，I/O 映象區(qū)中的相應(yīng)單元的狀態(tài)和數(shù)據(jù)也不會改變。因此，如果輸入是脈沖信號，則該脈沖信號的寬度必須大于一個掃描周期，才能保證在任何情況下，該輸入均能被讀入。2 用戶程序執(zhí)行階段在用戶程序執(zhí)行階段，PLC 總是按由上而下的順序依次地掃描用戶程序(梯形圖)。在掃描每一條梯形圖時，又總是先掃描梯形圖左邊的由各觸點構(gòu)成的控制線路，并按先左后右、先上后下的順序?qū)τ捎|點構(gòu)成的控制線路進行邏輯運算，然后根據(jù)邏輯運算的結(jié)果，刷新該邏輯線圈在系統(tǒng) RAM 存儲區(qū)中對應(yīng)位的狀態(tài)；或者刷新該輸出線圈在 I/O 映象區(qū)中對應(yīng)位的狀態(tài)；或者確定是否要執(zhí)行該梯形圖所規(guī)定的特殊功能指令。3 輸出刷新階段當(dāng)掃描用戶程序結(jié)束后，PLC 就進入輸出刷新階段。在此期間，CPU 按照 I/O 映象區(qū)內(nèi)對應(yīng)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)刷新所有的輸出鎖存電路，再經(jīng)輸出電路驅(qū)動相應(yīng)的外設(shè) [5]。PLC 的掃描工作過程如圖 22 所示圖 22 PLC 的掃描工作過程 本章小結(jié)PLC 作為一種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，雖然生產(chǎn)廠家眾多，產(chǎn)品種類眾多；但它們都具有相同的工作原理，使用方法也大同小異。本章從多個層面介紹和講解了有關(guān) PLC 的基本概念。（1） PLC 是計算機技術(shù)與繼電接觸式控制技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計?？煽啃愿撸褂梅奖?，應(yīng)用廣泛。PLC 功能的不斷增強，使 PLC 的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴大和延伸，應(yīng)用方式也更加豐富。（2） PLC 可以在任何工業(yè)自動化領(lǐng)域使用，但最適合的地方還是以開關(guān)量為主的單機控制系統(tǒng)和制造業(yè)自動化控制系統(tǒng)。（3） PLC 最顯著的特點是抗干擾能力強、可靠性高、使用簡單、系統(tǒng)柔性大和功能強。（4） PLC 的組成部件主要有中央處理單元（CPU）、存儲器、輸入/輸出用戶輸入設(shè)備輸入端子輸入鎖存器輸入映像寄存器程序執(zhí)行輸出映像寄存器輸出鎖存器輸出端子用戶輸出設(shè)備菏澤學(xué)