【文章內(nèi)容簡介】 類型的機械或生產(chǎn)過程，PLC 及其有關的外圍設備都應該按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴展其功能的原則而設計。 PLC的發(fā)展歷程1969 年，美國數(shù)字設備公司（DEC）研制出第一臺 PLC，在美國通用汽車自動裝配線上試用，獲得了成功。這種新型的工業(yè)控制裝置及其簡單易懂，操作方便，可靠性高，通用靈活，體積小，使用壽命長等一系列優(yōu)點，很快地在美國其他工業(yè)領域推廣應用。到 1971 年，已經(jīng)成功地應用于飲料冶金造紙等工業(yè)。由于 PLC 同時提高了功能和柔性度，使其應用迅速增長，并普及到許多其他離散零件制造工業(yè)領域，隨后又擴展到與批量生產(chǎn)和連續(xù)生產(chǎn)過程有關的工業(yè)領域。隨著 CIMS（計算機繼承制造系統(tǒng)）的發(fā)展，PLC 當前還被人們應用與工廠通信網(wǎng)絡、柔性制造系統(tǒng)、工業(yè)機器人到大興奮酸性控制系統(tǒng)之中，與其其他智能控制器和計算機系統(tǒng)一起成為計算機綜合控制系統(tǒng)中的重要組成部分，特別是單元級和工作站級。這一新興工業(yè)控制裝置的出現(xiàn)，也受到了世界其他國家的高度重視。1971 年日本從美國引進了這項新技術，很快研制出了日本第一臺 PLC。1973 年，西歐國家也研制出它們的第一臺 PLC。我國從 1974 年開始研制，于 1977 年開始工業(yè)應用。我國可編程控制器的引進、應用、研制、生產(chǎn)是伴隨著改革開放開始的。最初是在引進設備中大量使用了可編程控制器。接下來在各種企業(yè)的生產(chǎn)設備及產(chǎn)品中不斷擴大了 PLC 的應用。目前，我國自己已可以生產(chǎn)中小型可編程控制器，上海東屋電器有限公司生產(chǎn)的 CF 系列、杭州機床電器廠生產(chǎn)的 DKK 及 D 系列、大連組合機床研究所生產(chǎn)的Ｓ系列、蘇州電子計算機廠生產(chǎn)的ＹＺ系列等多種產(chǎn)品已具備了一定的規(guī)模并在工業(yè)產(chǎn)品中獲得了應用。此外，無錫華光公司、上海鄉(xiāng)島公司等中外合資也是我國比較著名的 PLC 生產(chǎn)廠家?？梢灶A期，隨著我國現(xiàn)代化進程的深入， PLC 在我國將有更廣闊的應用天地。 PLC的基本結(jié)構(gòu)及工作原理 PLC的基本結(jié)構(gòu)PLC 實質(zhì)上是一種專用于工業(yè)控制計算機，其硬件結(jié)構(gòu)基本上與微型計算機相同，其結(jié)構(gòu)如下圖 所示。圖 1. 2 PLC 的基本結(jié)構(gòu)1. 中央處理單元（CPU）中央處理單元（CPU）是 PLC 控制中樞。PLC 系統(tǒng)程序賦予功能接收并存儲從編程器鍵入用戶程序和數(shù)據(jù)：檢查電源、存儲器、I/O 以及警戒定時器狀態(tài)，并能診斷用戶程序中語法錯誤。當PLC 投入運行時，首先它以掃描方式接受現(xiàn)場各輸入裝置狀態(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，命令解釋后按指令規(guī)定執(zhí)行邏輯或算數(shù)運算結(jié)果送入I/O 映象區(qū)或者數(shù)據(jù)存儲器內(nèi)。等所有用戶程序執(zhí)行完畢之后，最后將 I/O 映象區(qū)各輸出狀態(tài)或輸出寄存器內(nèi)數(shù)據(jù)傳送到相應輸出裝置，如此循環(huán)運行，直到停止運行。進一步提高 PLC 可靠性，近年來對大型 PLC 還采用雙 CPU 構(gòu)成冗余系統(tǒng)，或采用三 CPU 表決式系統(tǒng)。這樣，某個 CPU 出現(xiàn)故障，整個系統(tǒng)仍能正常運行。2. 存儲器存放系統(tǒng)軟件存儲器稱為系統(tǒng)程序存儲器。存放應用軟件存儲器稱為用戶程序存儲器。PLC 常用存儲器類型有：RAM（Random Assess Memory）這是一種讀/寫存儲器（隨機存儲器） ，其存取速度最快，由鋰電池支持；EPROM（Electrical Programmable Read Only Memory）這是一種可擦除只讀存儲器。斷電情況下，存儲器內(nèi)所有內(nèi)容保持不變。紫外線連續(xù)照射下可以擦除存儲器內(nèi)容；EEPROM （Electrical Erasable Programmable Read Only Memory）這是一種電可擦除只讀存儲器。使用編程器就能容易對其所存儲內(nèi)容進行修改。PLC 存儲空間分配，各種 PLC 的 CPU 最大尋址空間各不相同，PLC 的工作原理，其存儲空間一般包括以下三個區(qū)域：系統(tǒng)程序存儲區(qū)；系統(tǒng) RAM 存儲區(qū)（包括 I/O 映像區(qū)和系統(tǒng)軟設備等） ；用戶程序存儲區(qū)。 編程器中央處理單元（CPU） 系統(tǒng)程序存儲器 用戶程序存儲器 輸出電路 電 源 輸入電路系統(tǒng)程序存儲區(qū)：系統(tǒng)程序存儲區(qū)中存放著相當于計算機操作系統(tǒng)系統(tǒng)程序。包括監(jiān)控程序、管理程序、命令解釋程序、功能子程序、系統(tǒng)診斷子程序等。由制造廠商將其固化 EPROM 中，用戶不能直接存取。它和硬件一起決定了該 PLC 性能。系統(tǒng) RAM 存儲區(qū)：系統(tǒng) RAM 存儲區(qū)包括 I/O 映像區(qū)以及各類軟設備，如：邏輯線圈、數(shù)據(jù)存儲器、計時器、變址寄存器、累加器等存儲器。I/O 映像區(qū)：PLC 投入運行后，輸入采樣階段才依次讀入各輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)，輸出刷新階段才將輸出狀態(tài)和數(shù)據(jù)送至相應外設。它需要一定數(shù)量存儲單元（RAM）以存放 I/O 狀態(tài)和數(shù)據(jù)，這些單元稱作 I/O 映像區(qū)。一個開關量 I/O 占用存儲單元中一個位（ bit） ，一個模擬量 I/O 占用存儲單元中一個字（16 個 bit） 。整個 I/O 映象區(qū)可以看作兩個部分組成：開關量 I/O 映像區(qū)，模擬量 I/O 映像區(qū)。系統(tǒng)軟設備存儲區(qū)：I/O 映像區(qū)以外，系統(tǒng) RAM 存儲區(qū)還包括 PLC 內(nèi)部各類軟設備（邏輯線圈、數(shù)據(jù)寄存器、計時器、變址寄存器、累加器等）存儲區(qū)。該存儲區(qū)又分為具有失電保持存儲區(qū)域和無失電保持存儲區(qū)域，當前者 PLC 斷電時，有內(nèi)部鋰電池供電，數(shù)據(jù)不會遺失；當后者 PLC斷電時，數(shù)據(jù)被清零。用戶程序存儲區(qū)：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(jù)工程現(xiàn)場的產(chǎn)生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 RAM 存儲器中，以便于用戶隨時修改。也可以將用戶程序存放在 EEPROM 中。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，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(zhuǎn)換成 PLC 能夠接受和處理的數(shù)字信號。輸入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)行部件所能接收的控制信號，以驅(qū)動如電磁閥、燈光顯示、電機等執(zhí)行機構(gòu)。可編程控制器有多種輸入/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/輸出模塊帶有光電耦合電路，其目的是把 PLC 與外部電路隔離起來，以提高 PLC 的抗干擾能力。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)模擬量與數(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)中有工業(yè)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)光電耦合器和輸出鎖存器與 PLC 的 I/O 總線掛接。模擬量輸入模塊接收標準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 當一個 PLC 中心單元的 I/O 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，使可編程控制器的功能更加強大和完善。智能 I/O 接口模塊種類很多，例如高速計數(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)的設計置譯碼模塊、閥門控制模塊、智能存儲模塊以及智能 I/O 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信息打印出來或存放起來，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。6. 電源PLC 中的電源一般有三類：+5V、+ 15V 直流電源；供 PLC 中 TTL 芯片和集成運放使用；供輸出接口使用的高壓大電流的功率電源；鋰電池及其充電電源。考慮到系統(tǒng)的可靠性以及光電隔離器的使用，不同類型的電源其地線也不同。目前 PLC 的發(fā)展非常迅速，型號眾多，各種特殊功能模板不斷涌現(xiàn)。通常根據(jù)其 I/O 點的數(shù)量將 PLC 分為三大類：小型機：256 點以下（無模擬量） ；中型機： 256~2048 點（64~128 路模擬量） ；大型機：2048 點以上（128~512 路模擬量） 。具體實現(xiàn)時，通常采用模板式結(jié)構(gòu)，以便用戶根據(jù)實際應用需求進行配置。但一些小型機常制作成一體機，其配置固定，主要供定型成套設備使用；而一些大型機一般在電源或者 CPU，甚至兩者都做了熱備份。1. 3. 2 PLC 的工作原理最初研制生產(chǎn)的 PLC 主要用于代替?zhèn)鹘y(tǒng)的由繼電器接觸器構(gòu)成的控制裝置，但這兩者的運行方式是不相同的：繼電器控制裝置采用硬邏輯并行運行的方式，即如果這個繼電器的線圈通電或斷電，該繼電器所有的觸點（包括其常開或常閉觸點）在繼電器控制線路的哪個位置上都會立即同時動作。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，必須等掃描到該觸點時才會動作。為了消除二者之間由于運行方式不同而造成的差異，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的掃描技術。這樣在對于 I/O 響應要求不高的場合，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。1. PLC 的掃描技術：當 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執(zhí)行上述三個階段。 2. 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。 3. 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)中對應位的狀態(tài)；或者刷新該輸出線圈在 I/O 映象區(qū)中對應位的狀態(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。 即在用戶程序執(zhí)行過程中，只有輸入點在 I/O 映像區(qū)內(nèi)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)不會發(fā)生變化，而其他輸出點和軟設備在 I/O 映象區(qū)或系統(tǒng)RAM 存儲區(qū)內(nèi)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)都有可能發(fā)生變化，而且排在上面的梯形圖，其程序執(zhí)行結(jié)果會對排在下面的凡是用到這些線圈或數(shù)據(jù)的梯形圖起作用；相反，排在下面的梯形圖，其被刷新的邏輯線圈的狀態(tài)或數(shù)據(jù)只能到下一個掃描周期才能對排在其上面的程序起作用。4. 輸出刷新階段 ：當掃描用戶程序結(jié)束后，PLC 就進入輸出刷新階段。在此期間，CPU 按照I/O 映像區(qū)內(nèi)對應的狀態(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)動相應的外設。這時，才是 PLC 的真正輸出。 PLC的特點及功能 PLC 特點 PLC 具有如下特點：1. 高可靠性：所有的 I/O接口電路均采用光電隔離使工業(yè)現(xiàn)場的外電路與 PLC內(nèi)部電路之間電氣上隔離；各輸入端均采用 RC濾波器，其濾波時間常數(shù)一般為 10~20ms；各模塊均采用屏蔽措施以防止屏蔽干擾；采用性能優(yōu)良的開關電源；對采用的器件進行嚴格的篩選；良好的自診斷功能一旦電源或其他軟硬件發(fā)生異常情況 CPU立即采用有效措施以防止故障擴大；大型 PLC還可以采用由雙 CPU構(gòu)成冗余系統(tǒng)或有三 CPU構(gòu)成表決系統(tǒng)，是可靠性進一步提高。2. 豐富的 I/O接口模塊：PLC 針對不同的工業(yè)現(xiàn)場信號如（交流或直流、開關量或模擬量、電壓或電源、脈沖或電位、強電或弱電等） ；有相應的 I/O模塊與工業(yè)現(xiàn)場的器件或設備如（按鈕、行程開關、接近開關、傳感器及變送器、電磁線圈、控制閥） ；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)絡它還有多種通訊聯(lián)網(wǎng)的接口模塊等等。3. 采用模塊化結(jié)構(gòu)：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(jié)構(gòu)，PLC 的各個部件包括 CPU 電源 I/O 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)模和功能可以根據(jù)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環(huán)境下直接運行，使用時只需將現(xiàn)場的各種設備與 P