【文章內(nèi)容簡介】 術(shù)融為一體，具有可靠性高、功能強、應(yīng)用靈活、編程簡單、使用方便等一系列優(yōu)點，以及良好的工業(yè)環(huán)境工作性能和自動控制目標(biāo)實現(xiàn)性能，在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。1969 年，美國數(shù)字設(shè)備公司(DEC)研制出世界上第一臺可編程控制器。早期的可編程控制器由分離元件和中小規(guī)模集成電路組成，主要功能是執(zhí)行原先由繼電器完成的順序控制、定時等。70 年代初期，體積小、功能強和價格便宜的微處理器被用于 PLC，使得 PLC 的功能大大增強。在硬件方面，除了保持其原有的開關(guān)模塊以外，還增加了模擬量模塊、遠(yuǎn)程 1/0 模塊和各種特殊功能模塊。在軟件方面，PLC 采用極易為電氣人員掌握的梯形圖編程語言，除了保持原有的邏輯運算等功能以外，還增加了算術(shù)運算、數(shù)據(jù)處理和傳送、通訊、自診斷等功能。進入 80 年代中、后期，由于超大規(guī)模集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展，微處理器的市場價格大幅度下跌，使得 PLC 所采用的微處理器的檔次普遍提高。而且，為了進一步提高 PLC 的處理速度，各制造廠商還研制開發(fā)了專用邏輯處理芯片，大大提高了 PLC 軟、硬件功能。在發(fā)達工業(yè)國家，PLC 己經(jīng)廣泛的應(yīng)用在所有的工業(yè)部門。據(jù)“美國市場信息”的世界 PLC 以及軟件市場報告稱， 1995 年全球 PLC 及其軟件的市場經(jīng)濟規(guī)模約 50 億美元。 可編程控制器（PLC）的特點隨著電子技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展，PLC 的功能得到大大的增強，具有以下特點〔10]:l)可靠性高。PLC 的高可靠性得益于軟、硬件上一系列的抗干擾措施和它特殊的周期循環(huán)掃描工作方式。2)具有豐富的 1/0 接口模塊。PLC 針對不同的工業(yè)現(xiàn)場信號，有相應(yīng)的1/0 模塊與工業(yè)現(xiàn)場的器件或設(shè)備直接連接。另外為了提高操作性能，它還有多種人機對話的接口模塊。為了組成工業(yè)局部網(wǎng)絡(luò)，它還有多種通訊聯(lián)網(wǎng)的接口模塊。3)采用模塊化結(jié)構(gòu)。為了適應(yīng)各種工業(yè)控制需要，除了單元式的小型PLC 以外，絕大多數(shù) PLC 均采用模塊化結(jié)構(gòu)。PLC 的各個部件，包括 CPU、電源、1/0 等均采用模塊化設(shè)計，由機架及電纜將各模塊連接起來，系統(tǒng)的規(guī)模和功能可根據(jù)用戶的需要自行組合。4)編程簡單易學(xué)。PLC 的編程大多采用類似于繼電器控制線路的梯形圖形式，對使用者來說，不需要具備計算機的專門知識，因此很容易被一般工程技術(shù)人員所理解和掌握。5)安裝簡單，維修方便。PLC 不需要專門的機房，可以在各種工業(yè)環(huán)境下直接運行。各種模塊上均有運行和故障指示裝置，便于用戶了解運行情況和查找故障。由于采用模塊化結(jié)構(gòu)，因此一旦某模塊發(fā)生故障，用戶可以通過更換模塊的方法，使系統(tǒng)迅速恢復(fù)運行。 可編程控制器（PLC）的應(yīng)用由于 PLC 強大功能和優(yōu)點，使得其在我國的水工業(yè)自動化中得到廣泛的應(yīng)用。PLC 在水工業(yè)自動化中的應(yīng)用主要有水廠監(jiān)控系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)、自動加氯、自動加礬、水泵變頻調(diào)速、SCADA 系統(tǒng)和供水管網(wǎng)信息管理系統(tǒng)等。其主要功能是進行工藝參數(shù)的采集、生產(chǎn)過程控制、信息處理、設(shè)備運行狀態(tài)監(jiān)測以及水質(zhì)監(jiān)測等。 可編程控制器（PLC）的組成圖 PLC 結(jié)構(gòu)圖可編程控制器 PC 或 PLC 是一種以微處理器為核心的用于工程自動控制的工業(yè)控制機，其本質(zhì)是一臺工業(yè)控制專用計算機。它的軟、硬件配置與計算機極為類似，只不過它比一般計算機具有更強的與工業(yè)過程相連接的接口和更直接的適應(yīng)于控制要求的編程語言。PLC 機硬件主要由中央處理單元(CPU)、存貯器、輸入/輸出單元以及編程器、電源和智能輸入/輸出單元等構(gòu)成。PLC可分為以下幾個部分:l)中央處理單元(CPU):同一般微處理機一樣，中央處理單元是可編程控制的核心部件，它通過輸入裝置將外設(shè)的狀態(tài)讀入并按照用戶程序去處理，根據(jù)處理結(jié)果通過輸出裝置去控制外設(shè)。常用的 CPU 有通用微處理器，如MOTOROLA6800，單片機有 8031，8051 和雙極型位式微處理器，如 AMD2903。目前，小型 PLC 為單 CPU 系統(tǒng)，而中型及大型 PLC 則為雙 CPU 甚至多CPU 系統(tǒng)。對于雙 CPU 來說，一般具有一個位處理器和一個字處理器。字處理器是 CPU 這個核心的核心，常由通用的 8 位、16 位或 32 位微處理器擔(dān)任，位處理器也稱布爾處理機，如美國 ri 公司的 TI 一 530 等，它不僅使 PLC 增加了功能，提高了速度，也加強了 PLC 的保密性能。中央處理器的功能是:CPU 按系統(tǒng)程序所賦予的功能，接收并存貯從編程器輸入的用戶程序和數(shù)據(jù)。CPU 按掃描方式工作，從存貯器中逐條讀取指令，并存入 CPU 內(nèi)的指令寄存器中。指令寄存器的指令操作碼進行譯碼，執(zhí)行指令規(guī)定的任務(wù)，產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號，啟閉有關(guān)控制門電路，并根據(jù)運算結(jié)果更新有關(guān)標(biāo)志和輸出映像寄存器的內(nèi)容，以實現(xiàn)輸出控制、制表、打印或數(shù)據(jù)通訊。行系統(tǒng)診斷程序，診斷電源、PLC 內(nèi)部電路的工作狀態(tài)和編程過程中的語法錯誤。2)存貯器:可編程控制器中存貯器主要用于存放系統(tǒng)程序、用戶程序和數(shù)據(jù)。常用的存貯器形式有 CMOSROM、EPROM 和 EEPROM。系統(tǒng)存貯器用以存貯制造廠家編寫的系統(tǒng)程序。所謂系統(tǒng)程序是指控制和完成 PC 機各種功能的程序，如控制器的監(jiān)控程序、基本指令和功能指令翻譯程序、系統(tǒng)診斷程序、通信管理程序等。機器出廠時，廠家把這些程序存入 EPROM 存貯器或 EEPROM 存貯器。用戶不能訪問和修改存貯器這部分的內(nèi)容用戶存貯器主要用來存放用戶的應(yīng)用程序。所謂用戶程序是指使用戶根據(jù)工程現(xiàn)場的生產(chǎn)過程和工藝要求編寫的控制程序。此程序由使用者通過編程器輸入到 PLC 機的 CMOSRAM 存貯器中，以便于用戶隨時修改。也可將用戶程序存放在 EEPROM 中。為確保 PLC 機控制系統(tǒng)的可靠性， CMOSRAM 存貯器有預(yù)防電源掉電故障的鏗電池保護措施，以防電源掉電后破壞它的存貯內(nèi)容。數(shù)據(jù)存貯器用來存放 PLC 的數(shù)據(jù)。包括輸入、輸出、輔助繼電器狀態(tài)的映像區(qū)，定時器、計數(shù)器、移位寄存器、狀態(tài)寄存器、數(shù)據(jù)寄存器和特殊功能寄存器等狀態(tài)的映像寄存器。由于數(shù)據(jù)在控制器應(yīng)用中是經(jīng)常變化、經(jīng)常存取的，因此數(shù)據(jù)存貯器一般選用 CMOSRAM，以滿足隨機存取的要求。3)輸入/輸出模塊:輸入/輸出模塊是可編程控制器與工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備或工業(yè)生產(chǎn)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)以及傳感輸出的開關(guān)量或模擬量(壓力、流量、溫度、電壓、電流)等，都要通過輸入模塊送到 PLC。由于這些信號電平各式各樣，而可編程控制器 CPU所處理的信息只能是標(biāo)準(zhǔn)電平，所以輸入模塊還需將這些信號轉(zhuǎn)換成 PLC 能夠接受和處理的數(shù)字信號。輸出模塊的作用是接收中央處理器處理過的數(shù)字信號，并把它轉(zhuǎn)換成現(xiàn)場執(zhí)行部件所能接受的控制信號，以驅(qū)動如電磁閥、燈光顯示、電機等執(zhí)行機構(gòu)?？删幊炭刂破饔卸喾N輸入/輸出模塊，其類型有數(shù)字量輸入/輸出模塊和模擬量輸入/輸出模塊。這些模塊又分直流和交流、電壓和電流類型，每種類型又有不同的參數(shù)等級，主要有數(shù)字量輸入/輸出模塊和模擬量輸入/輸出模塊，部件上都設(shè)有輸入接線端子排，為了濾除信號的噪聲和便于 PLC 內(nèi)部對信號的處理，這些模塊上都帶有濾波、電平轉(zhuǎn)換、信號鎖存電路。數(shù)字量輸入模塊帶有光電禍合電路，其目的是把 PLC 與外部電路隔離開來，以提高 PLC 的抗千擾能力。數(shù)字量輸出有繼電器輸出、晶體管輸出和可控硅輸出三種方式。模擬量輸入/輸出模塊主要用來實現(xiàn)模擬量一數(shù)字量之間的轉(zhuǎn)換，即 A/D 或 D/A 轉(zhuǎn)換。由于工業(yè)控制系統(tǒng)中有傳感器或執(zhí)行機構(gòu)有一些信號是連續(xù)變化的模擬量，因此這些模擬量必須通過模擬量輸入/輸出模塊與 PLC 的中央處理器連接。模擬量輸入模塊 A/D 轉(zhuǎn)換后的二進制數(shù)字量，經(jīng)光電禍合器和輸入鎖存緩沖器與 PLC 的 1/0 總線掛接。模擬量輸出模塊 D/A 轉(zhuǎn)換前的二進制數(shù)字量，經(jīng)光電禍合器和輸出鎖存器與 PLC 的 1/0 總線掛接?，F(xiàn)在標(biāo)準(zhǔn)量程的模擬電壓主要是 0 一 5 伏和 O 一 10 伏兩種，模擬電流主要是 0 一 ZomA 和 4 一 ZomA 兩種。另外還有。一 somV，o 一 IV、一 5 一+SV、一 10 一+10V，o 一 10mA 等。模擬量輸入模塊接收到標(biāo)準(zhǔn)量程的模擬電壓或電流后，把它轉(zhuǎn)換成 8 位、10位或 12 位的二制數(shù)字信號，送給中央處理器進行處理。模擬量輸出模塊將中央處理器的二進制數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)量程的電壓或電流輸出信號，提供給執(zhí)行機構(gòu)。4)擴展模塊:當(dāng)一個 PLC 中心單元的 1/0 點數(shù)不夠用時，就要對系統(tǒng)進行擴展，擴展接口就是用于連接中心基本單元與擴展單元的。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，各可編程控制器制造廠家已經(jīng)開發(fā)出一系列的智能接口模塊，使可編程控制器的功能更加強大和完善。智能1/0 接口模塊種類很多，例如高速技術(shù)模塊、PLCA 控制模塊、數(shù)字位基于PLC 的變頻恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計置譯碼模塊、閥門控制模塊、中斷控制模塊、智能存貯模塊以及智能 1/0 模塊等。5)編程器:它的作用是供用戶進行程序的編制、編輯、調(diào)試和監(jiān)視。有的編程器還可與打印機或磁帶機相連，以將用戶程序和有關(guān)信息打印出來或存放在磁帶上，磁帶上的信息可以重新裝入 PLC。目前編程器主要有以下三種類型:便攜式編程器(也叫簡易編程器)。圖形編程器。用于 IBM 一 PC 及其兼容機的編程器。便于攜帶的特點，一般只能用指令形式編程，通過按鍵輸入指令，通過數(shù)碼管或液晶顯示器加以顯示、這種編程器適合小型可編程控制器的編程要求。圖形編程器以液晶顯示器(LCD)或陰極射線管(CRT)作屏幕，用來顯示編程內(nèi)容和提供如輸入、輸出、輔助繼電器的占有情況、程序容量等各種信息，還可在調(diào)試程序、檢查程序執(zhí)行時顯示各種信號狀態(tài)、出錯提示等。使用圖形編程器可以月多種編程語言編程，梯形圖顯示在屏幕上十分直觀。圖形編程器還可與打印機、錄音機、繪畫儀等設(shè)備連接，有較強的監(jiān)控功能。但它的價格高，適用于中、大型可編程控制器的編程要求。用于 IBM一 PC 及其兼容機的編程器是個人計算機加上適當(dāng)?shù)挠布涌诤蛙浖鳛榫幊唐?，也可直接編制成梯形圖，其監(jiān)控功能也很強。編程器工作方式主要有編程和監(jiān)控兩種，編程工作方式是在 PLC 機處于停機狀態(tài)時可以進行編程，它的功能主要是輸入新的程序，或者對已有的程序予以編輯和修改。監(jiān)控工作方式可以對運行中的控制器工作狀態(tài)進行監(jiān)視和跟蹤，一般可以對某一線圈或觸點的工作狀態(tài)進行監(jiān)視，也可以對成組器件的工作狀態(tài)進行監(jiān)視，還可以跟蹤某一器件在不同時間的工作狀態(tài)，除搜索、監(jiān)視、跟蹤外，還可以對一些器件進行操作。因此編程器的監(jiān)控方式對控制器中新輸入程序的調(diào)試與試運行是非常有用和方便的。編程器的結(jié)構(gòu)一般包括顯示部分與鍵盤部分。顯示一般用液晶顯示器，主要的顯示內(nèi)容包括地址、數(shù)據(jù)、工作方式、指令執(zhí)行情況及系統(tǒng)工作狀態(tài)等。鍵盤有單功能鍵和雙功能鍵，在使用雙功能鍵的時候鍵盤中都備有一個選擇鍵，以選擇其中一種方式工作。 可編程控制器的工作方式及過程、圖 一個掃描周期PLC 的工作方式: PLC 處于運行狀態(tài)時,從內(nèi)部處理,通信操作,程序輸入,程序執(zhí)行,程序輸出,一直循環(huán)掃描工作.PLC 的工作過程基本上是用戶的梯形圖程序的執(zhí)行過程，是在系統(tǒng)軟件的控制下順次掃描各輸入點的狀態(tài)，按用戶程序解算控制邏輯，.然后順序向各個輸出點發(fā)出相應(yīng)的控制信號。除此之外，為提高工作的可靠性和及時的接收外來的控制命令，每個掃描周期還要進行故障自診斷和處理與編程器、計算機的通信。因此，PLC 工作過程分為以下五步:(1)自診斷自診斷功能可使 PLC 系統(tǒng)防患于未然，而在發(fā)生故障時能盡快的修復(fù)，為此 PLC 每次掃描用戶程序以前都對 CPU、存儲器、輸入輸出模塊等進行故障診斷，若自診斷正常便繼續(xù)進行掃描，而一旦發(fā)現(xiàn)故障或異?，F(xiàn)象則轉(zhuǎn)入處理程序，保留現(xiàn)行工作狀態(tài)，關(guān)閉全部輸出，然后停機并顯示出錯的信息。(2)與外設(shè)通信自診斷正常后 PLC 即掃描編程器、上位機等通信接口，如有通信請求便響應(yīng)處理。在與編程器通信過程中，編程器把指令和修改參數(shù)發(fā)送給主機，主機把要顯示的狀態(tài)、數(shù)據(jù)、錯誤碼進行相應(yīng)指示，編程器還可以向主機發(fā)送運行、停止、清內(nèi)存等監(jiān)控命令。在與上位機通信過程中 PLC 將接收上位機發(fā)出的指令進行相應(yīng)的操作，把現(xiàn)場工作狀態(tài)、PLC 的內(nèi)部工作狀態(tài)、各種數(shù)值參數(shù)發(fā)送給上位機以及執(zhí)行啟動、停機、修改參數(shù)等命令。(3)輸入現(xiàn)場狀態(tài)完成前兩步工作后 PLC 便掃描各個輸入點，讀入各點的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，如開關(guān)的通斷狀態(tài)、形成現(xiàn)場的內(nèi)存映象。這一過程也稱為輸入采樣或輸出刷新，在一個掃描周期內(nèi)內(nèi)存映象的內(nèi)容不變，即使外部實際開關(guān)狀態(tài)己經(jīng)發(fā)生了變化也只能在下一個掃描過程中的輸入采樣時刷新，解算用戶邏輯所用的輸入值是該輸入值的內(nèi)存映象值而不是當(dāng)時現(xiàn)場的實際值。(4)解算用戶邏輯即執(zhí)行用戶程序。一般是從用戶出現(xiàn)存儲器的最低地址存放的第一條程序開始，在無跳轉(zhuǎn)的情況下按存儲器地址的遞增方向順序的掃描用戶程序，按用戶程序進行邏輯判斷和算術(shù)運算，因此稱之為解算用戶邏輯。解算過程中所用的計數(shù)器、定時器，內(nèi)部繼電器等編程元件為相應(yīng)存儲單元的即時值，而輸入繼電器，輸出繼電器則用的是內(nèi)存映象值。在一個掃周期內(nèi)，某個輸入信號的狀態(tài)不管外部實際情況是否己經(jīng)變化，對整個用戶程序是一致的，不會造成結(jié)果混亂。(5)輸出結(jié)果將本次的掃描過程中解算最新結(jié)果送到輸出模塊取代前一次掃描解算的結(jié)果，也稱為輸出刷新。解算用戶邏輯到用戶程序為止，每一步所得到的輸出信號被存入輸出信號寄存表并未發(fā)送到輸出模塊，相當(dāng)于輸出信號被輸出門阻隔，待全部解算完成后打開輸出門一并