【文章內容簡介】 術融為一體，具有可靠性高、功能強、應用靈活、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實現(xiàn)性能，在工業(yè)生產中得到了廣泛的應用。1969 年，美國數(shù)字設備公司(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模塊以外，還增加了模擬量模塊、遠程 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，還增加了算術運算、數(shù)據處理和傳送、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 己經廣泛的應用在所有的工業(yè)部門。據“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和計算機技術的發(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，有相應的1/0 模塊與工業(yè)現(xiàn)場的器件或設備直接連接。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)局部網絡，它還有多種通訊聯(lián)網的接口模塊。3)采用模塊化結構。為了適應各種工業(yè)控制需要，除了單元式的小型PLC 以外，絕大多數(shù) PLC 均采用模塊化結構。PLC 的各個部件，包括 CPU、電源、1/0 等均采用模塊化設計，由機架及電纜將各模塊連接起來，系統(tǒng)的規(guī)模和功能可根據用戶的需要自行組合。4)編程簡單易學。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。由于采用模塊化結構，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)迅速恢復運行。 可編程控制器（PLC）的應用由于 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用。PLC 在水工業(yè)自動化中的應用主要有水廠監(jiān)控系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)、自動加氯、自動加礬、水泵變頻調速、SCADA 系統(tǒng)和供水管網信息管理系統(tǒng)等。其主要功能是進行工藝參數(shù)的采集、生產過程控制、信息處理、設備運行狀態(tài)監(jiān)測以及水質監(jiān)測等。 可編程控制器（PLC）的組成圖 PLC 結構圖可編程控制器 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的狀態(tài)讀入并按照用戶程序去處理，根據處理結果通過輸出裝置去控制外設。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。CPU 按掃描方式工作，從存貯器中逐條讀取指令，并存入 CPU 內的指令寄存器中。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，產生相應的控制信號，啟閉有關控制門電路，并根據運算結果更新有關標志和輸出映像寄存器的內容，以實現(xiàn)輸出控制、制表、打印或數(shù)據通訊。行系統(tǒng)診斷程序，診斷電源、PLC 內部電路的工作狀態(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。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容用戶存貯器主要用來存放用戶的應用程序。所謂用戶程序是指使用戶根據工程現(xiàn)場的生產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容。數(shù)據存貯器用來存放 PLC 的數(shù)據。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)據在控制器應用中是經常變化、經常存取的，因此數(shù)據存貯器一般選用 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)生產設備或工業(yè)生產過程連接的接口。現(xiàn)場的輸入信號，如按鈕開關，行程開關、限位開關以及傳感輸出的開關量或模擬量(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準電平，所以輸入模塊還需將這些信號轉換成 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，并把它轉換成現(xiàn)場執(zhí)行部件所能接受的控制信號，以驅動如電磁閥、燈光顯示、電機等執(zhí)行機構?？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，部件上都設有輸入接線端子排，為了濾除信號的噪聲和便于 PLC 內部對信號的處理，這些模塊上都帶有濾波、電平轉換、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)字量之間的轉換，即 A/D 或 D/A 轉換。由于工業(yè)控制系統(tǒng)中有傳感器或執(zhí)行機構有一些信號是連續(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 轉換后的二進制數(shù)字量，經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 轉換前的二進制數(shù)字量，經光電禍合器和輸出鎖存器與 PLC 的 1/0 總線掛接?，F(xiàn)在標準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準量程的模擬電壓或電流后，把它轉換成 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)字信號轉換成標準量程的電壓或電流輸出信號，提供給執(zhí)行機構。4)擴展模塊:當一個 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)控制中的廣泛應用和發(fā)展，各可編程控制器制造廠家已經開發(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?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試與試運行是非常有用和方便的。編程器的結構一般包括顯示部分與鍵盤部分。顯示一般用液晶顯示器，主要的顯示內容包括地址、數(shù)據、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，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)象則轉入處理程序，保留現(xiàn)行工作狀態(tài)，關閉全部輸出，然后停機并顯示出錯的信息。(2)與外設通信自診斷正常后 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、錯誤碼進行相應指示，編程器還可以向主機發(fā)送運行、停止、清內存等監(jiān)控命令。在與上位機通信過程中 PLC 將接收上位機發(fā)出的指令進行相應的操作，把現(xiàn)場工作狀態(tài)、PLC 的內部工作狀態(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，如開關的通斷狀態(tài)、形成現(xiàn)場的內存映象。這一過程也稱為輸入采樣或輸出刷新，在一個掃描周期內內存映象的內容不變，即使外部實際開關狀態(tài)己經發(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存映象值而不是當時現(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，內部繼電器等編程元件為相應存儲單元的即時值，而輸入繼電器，輸出繼電器則用的是內存映象值。在一個掃周期內，某個輸入信號的狀態(tài)不管外部實際情況是否己經變化，對整個用戶程序是一致的，不會造成結果混亂。(5)輸出結果將本次的掃描過程中解算最新結果送到輸出模塊取代前一次掃描解算的結果，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