【文章內容簡介】 格比高 PLC應用微電子技術和微計算機，簡單型式都具有邏輯、定時、計數等順序控制功能?；拘褪皆偌由夏MI/0、基本算術運算、通信能力等。復雜型式除了具有基本型式的功能外，還具有擴展的計算能力、多級終端機制、智能I/O、PID調節(jié)、過程監(jiān)視、網絡通信能力、遠程I/0、多處理器和高速數據處理能力。一臺可編程序控制器可以同時控制幾臺設備，也可以通過聯網通信，實現分散控制，集中管理。 4)編程方便 PLC適用針對工業(yè)控制的梯形圖、功能塊圖、指令表和順序功能表圖(SFC)編程，不需要太多的計算機編程知識。新的編程工作站配有綜合的軟件工具包，并可在任何兼容的個人計算機上編程。 5)適應工業(yè)環(huán)境，可靠性高，抗干擾能力強 PLC的技術條件能在一般高溫、振動、沖擊和粉塵等惡劣環(huán)境下工作，能在強電磁干擾環(huán)境下可靠工作。 6)安裝、維修簡單與計算機系統相比，PLC安裝不需要特殊機房和嚴格的屏蔽。使用時只要各種器件連接無誤，系統便可正常工作。各個模件上帶有運行和故障指示裝置，便于查找故障，大多數模件可以帶電插拔，模件可更換，使用戶可以在最短的時間內查出故障并排除，最大限度地壓縮故障停機時間，使生產迅速恢復。一些PLC外殼由可在不良工作環(huán)境下工作的合金組成，結構簡單，上面帶有散熱槽，在高溫下，該外殼不像塑料制品那樣變形，還可抗無線電頻率(RF高頻)電磁干擾、防火等。 7)運行速度快 隨著微處理器的應用，PLC的運行速度增快，使它更符合處理高速度復雜的控制任務。 8)總價格低 PLC的重量、體積、功耗和硬件價格一直在降低，雖然軟件價格占的比重有所增加，但是各廠商為了競爭也相應地降低了價格。另外，采用PLC還可以大大縮短設計、編程和投產周期，使總價格進一步降低。 可編程序控制器的最新發(fā)展趨勢現代可編程序控制器的發(fā)展有兩個主要趨勢:其一是向體積更小、速度更快、功能更強和價格更低的微小型方面發(fā)展:其二是向大型網絡化、高可靠性、好的兼容性和多功能方面發(fā)展。 1)大型網絡化 主要是朝DCS方向發(fā)展，使其具有DCS系統的一些功能。網絡化和通信能力強是PLC發(fā)展的一個重要方面，向下可將多個PLC, I/0框架相連。向上可與工業(yè)計算機、以太網、MAP網等相連構成整個工廠的自動化控制系統。 2)多功能 隨著自調整、步進電機控制、位置控制、伺服控制等模塊的出現，使PLC控制領域更加寬廣。 3)高可靠性 由于控制系統的可靠性日益受到人們的重視，一些公司已將自診斷技術、冗余技術、容錯技術廣泛應用到現有產品中，推出了高可靠性的冗余系統，并采用熱備用或并行工作、多數表決的工作方式。例如西門子公司57400系列PLC即使在惡劣、不穩(wěn)定的工作環(huán)境下，堅固、全密封的模板依然可正常工作，在操作運行過程中模板還可熱插拔。 可編程序控制器的工作原理 在繼電器控制電路中，當某些梯級同時滿足導通條件時，這些梯級中的繼電器線圈會同時通電，這是一種并行的工作方式。PLC是采用循環(huán)掃描的工作方式，在PLC執(zhí)行用戶程序時，CPU對梯形圖自上而下、自左向右地逐次進行掃描，程序的執(zhí)行是按語句排列的先后順序進行的，是一種串行的工作方式，不會出現多個線圈同時改變狀態(tài)的情況，這樣有利于避免觸點競爭和時序失配的問題。 PLC上電后首先進行初始化:I/0、內部輔助、特殊輔助、輔助記憶繼電器區(qū)域清零。定時器預置。識別擴展單元。然后進入循環(huán)掃描工作過程，掃描過程如圖21所示。這個工作過程分為內部處理、外設端口服務、程序輸入處理、程序執(zhí)行、程序輸出幾個階段。全過程掃描一次所需的時間稱為掃描周期。內部處理階段:CPU都要進行復位監(jiān)視定時器、硬件檢查、用戶內存檢查等操作。通信操作服務階段:PLC與一些智能模塊通信，響應編程器鍵入的命令，更新編程器的顯示內容等。當PLC處于停止(STOP)狀態(tài)時只進行內部處理和外設端口服務操作等內容。在PLC處于運行(RUN)狀態(tài)時從內部處理、外設端口服務、程序輸入、程序執(zhí)行、程序輸出，一直循環(huán)掃描工作。 圖21 PLC工作掃描流程圖 1)輸入處理階段 輸入處理也叫輸入采樣。在此階段，PLC以掃描方式讀入所有輸入端子的通斷狀態(tài)，并將讀入的信息存入內存中所對應的映像寄存器，在此輸入映像寄存器被刷新，接著進入程序執(zhí)行階段。自此輸入映像寄存器就與外界隔離，即使輸入信號發(fā)生變化其映像寄存器的內容也不發(fā)生變化，只有在下一個掃描周期的輸入處理階段才能被讀入信息，也就是說，各輸入映像寄存器的狀態(tài)要保持一個掃描周期不變。 2)程序執(zhí)行階段 在程序執(zhí)行階段，根據梯形圖程序先左后右、先上后下的掃描原則，PLC逐句掃描執(zhí)行用戶程序，遇到跳轉指令，則根據轉移條件來決定程序的走向。從用戶程序涉及到輸入輸出狀態(tài)時，PLC從輸入映像寄存器中讀出上一階段采入的對應輸入端子狀態(tài)，從輸出映像寄存器中讀出對應映像寄存器的當前狀態(tài)，根據用戶程序進行邏輯運算，運算結果再存入有關器件寄存器中。對每個器件而言，器件映像寄存器中所寄存的內容會隨著程序執(zhí)行過程而變化。 執(zhí)行用戶程序階段的掃描時間是影響掃描周期時間長短的主要因素，而且不是固定的，其原因主要取決于以下幾方面因素:①用戶程序中所用語句條數的多少。②每條指令的執(zhí)行時間不同。③程序中有改變程序流向的指令。 3)輸出刷新階段 程序執(zhí)行完以后，將所有輸出繼電器的元件映像寄存器的狀態(tài)傳送到相應的輸出鎖存電路中，通過隔離電路，驅動功率放大電路，使輸出端子向外界輸出控制信號，形成PLC的實際輸出，驅動相應外設。 可編程序控制器的基本結構可編程序控制器主要是由CPU模塊、輸入模塊、輸出模塊和編程器組成。CPU模塊CPU模塊主要是由微處理器（CPU芯片）和存儲器組成。在可編程序控制器控制系統中，CPU模塊相當于人的大腦和心臟。它不斷地采集輸入信號，執(zhí)行用戶程序，刷新系統的輸出；存儲器用來儲存程序和數據。I/O模塊輸入模塊和輸出模塊簡稱為I/O模塊，它們是系統的眼、耳、手、腳，是聯系外部現場和CPU模塊的橋梁。輸入模塊用來接收和采集輸入信號，輸入信號有兩類：一類是從按鈕、選擇開關、數字撥碼開關、限位開關、接近開關、光電開關、壓力繼電器等來的開關量輸入信號；另一類是由電位器、熱電偶、測速發(fā)電機、各種變送器提供的模擬量輸入信號。 可編程序控制器通過輸出模塊控制接觸器、電磁閥、電磁鐵、調節(jié)閥、調速裝置等執(zhí)行器，可編程序控制器控制的另一類外部負載是指示燈、數字顯示裝置和報警裝置等。 CPU模塊的工作電壓一般是5V ，而可編程序控制器的輸入/輸出信號電壓一般較高，如直流24V和交流220V。從外部引入的尖峰電壓和干擾噪聲可能損壞CPU模塊中的元器件，或使可編程序控制器不能正常工作。在I/O模塊中，用光電耦合器、光電可控硅、小型繼電器等器件來隔離外部輸入電路和負載，I/O模塊除了傳遞信號外，還有電平轉換與隔離的作用。編程器編程器除了用來輸入和編輯用戶程序外，還可以用來監(jiān)視可編程序控制器運行時各種編程元件的工作狀態(tài)。電源可編程序控制器使用220V交流電源或24V直流電源?？删幊绦蚩刂破鲀炔康闹绷鞣€(wěn)壓電源為各模塊內的電路供電。某些可編程序控制器可以為輸入電路和外部電子檢測裝置（如接近開關）提供24V直流電源，驅動現場執(zhí)行機構的直流電源一般由用戶提供。 可編程序控制器的I/0滯后現象 由于PLC是掃描工作過程，在程序執(zhí)行階段即使輸入發(fā)生了變化，輸入狀態(tài)映像寄存器的內容也不會變化，要等到下一周期的輸入處理階段才能改變。暫存在輸出映像寄存器中的輸出信號，等到一個循環(huán)周期結束，CPU集中將這些輸出信號全部輸送給輸出鎖存器。由此可以看出，全部輸入輸出狀態(tài)的改變需要一個掃描周期。換言之，輸入輸出的狀態(tài)保持一個掃描周期。掃描周期越長，滯后現象越嚴重。一般掃描周期只有十幾毫秒到幾十毫秒，因此對一般工業(yè)控制設備或者對輸入信號變化較慢的系統來說，這種滯后現象是完全允許的。若要輸出對輸入作出快速響應的場合，則可采取相應的措施如選用高速CPU提高掃描速度，采用快速響應模塊、高速計數模塊以及不同的中斷處理等措施來盡量減少滯后時間。影響I/0滯后的主要原因有:輸入濾波器對信號的延遲。輸出繼電器的動作延遲。程序設計不當的附加影響等[2]。 可編程序控制器編程語言的國際標準 現代的可編程序控制器一般備有多種編程語言，供擁護選擇，不同廠家的可編程序控制器的編程語言有較大的區(qū)別，用戶不得不學習多種編程語言。 IEC（國際電工委員會）于1994年5月公布可編程序控制器標準（IEC1131），該標準由以下5部分組成：通用信息，設備與測試要求，可編程序控制器的編程語言，用戶指南與通信。其中的第三部分（IEC11313）是可編程序控制器的編程語言標準。 IEC11313標準使用戶在使用新的可編程序控制器時，可以減少重新培訓的時間；對于廠家，使用標準將減少產品開發(fā)的時間，可以投入更多的精力去滿足用戶的特殊要求。 IEC11313詳細地說明了句法、語義和下述5種編程語言的表達方式：順序功能圖（Sequential function chart）。梯形圖（Ladder diagram）功能塊圖（Function block diagram）指令表（Instruction list）結構文本（Structured）標準語言中有兩種圖形語言梯形圖（LD）和功能塊圖（FBD），還有兩種文字語言指令表（IL）和結構文本（ST），可以認為順序功能圖（SFC）是一種結構塊控制程序流程圖。1）梯形圖（LD）梯形圖是使用得最多的可編程序控制器圖形語言編程語言。梯形圖與繼電器控制系統惡毒電路圖很相似，具有直觀易懂的優(yōu)點，很容易被工廠熟悉繼電器控制的電氣人員掌握，特別使用于開關邏輯控制。有時把梯形圖稱為電路或者程序，把梯形圖的設計叫做編程。 （a）錯誤的梯形圖 （b）正確的梯形圖 圖22梯形圖的特點梯形圖的特點可編程序控制器梯形圖中的某些編程元件沿用了繼電器這一名稱，如：輸入繼電器、輸出繼電器、內部輔助繼電器等等，但是它們不是真實的物理繼電器（即硬件繼電器），而是在軟件中使用的編程元件。每一編程元件與可編程序控制器存儲器中元件映像寄存器的一個存儲單元相對應。該存儲單元如果為“1”狀態(tài)，則表示梯形圖中對應編程元件的線圈“通電”，其常開觸點接通，常閉觸點斷開，以后我們稱這種狀態(tài)是該編程元件為“1”狀態(tài)，或者稱該編程元件ON。如果該存儲單元為“0”狀態(tài)，對應的編程元件的線圈和觸點的狀態(tài)與上述的相反，稱該編程元件為“0”狀態(tài)，對應的編程元件的線圈和觸點的狀態(tài)與上述的相反，稱該編程元件為“0”狀態(tài)，或稱該編程元件OFF。梯形圖兩側的垂直公共線稱為公共母線。在分析梯形圖的邏輯關系時，為了借用繼電器電路圖的分析方法，可以左右兩側母線之間有一個左正右負的直流電源電壓，這一方向與執(zhí)行用戶程序時的邏輯運算的順序是一致的。某些可編程序控制器的梯形圖去掉了右邊的垂直線。根據梯形圖中各觸點的狀態(tài)和邏輯關系，求出與圖中各線圈對應的編程元件的ON/OFF狀態(tài)，稱為梯形圖的邏輯解算。邏輯解算是按梯形圖中從上到下、從左到右的順序進行的。解算的結果，馬上可以被后面的邏輯解算所利用。邏輯解算是根據輸入映像寄存器中的值，而不是根據解算瞬時外部輸入觸點的狀態(tài)來進行的。梯形圖中各編程元件的常開觸點和常閉觸點均可以無限多次地使用。 可編程序控制器特殊功能模塊現代工業(yè)控制給可編程序控制器提出了許多新的課題，僅僅用通用I/O模塊來解決，在硬件方面費用太高，在軟件方面編程相當麻煩，某些控制任務甚至無法用通用I/O模塊來完成。為了增強可編程序控制器的功能，擴大其應用范圍，可編程序控制器廠家開發(fā)了品種繁多的特殊用途I/O模塊，包括帶微機處理器的智能I/O模塊。 模擬量輸入輸出模塊在工業(yè)控制中，某些輸入量（如壓力、溫度、流量、轉速等）是模擬量，某些執(zhí)行機構要求可編程序控制器輸出模擬信號，而可編程序控制器的CPU只能處理數字量。模擬量首先被傳感器和變送器轉換為標準的電流或電壓，可編程序控制器用A/D轉換器將它們轉換成數字量。這些數字量可能是二進制的，也可能是十進制的，帶正負號的電流或電壓在A/D轉換后用二進制原碼或補碼表示。D/A轉換器將可編程序控制器的數字輸出量轉換為模擬電壓或電流，再去控制執(zhí)行機構。模擬量I/O模塊的主要任務就是完成A/D轉換（模擬量輸入）和D/A轉換（模擬量輸出）。A/D、D/A轉換器的二進制位數反映了它們的分辨率，位數越多，分辨率越高。模擬量輸入/模擬量輸出模塊的另一個重要指標是轉換時間。第3章 PID控制及其調節(jié)規(guī)律 PID控制 PID控制的概念PID控制是一種負反饋控制，它所組成的控制系統由PID控制器和被控對象組成，具有一般閉壞反饋控制系統的結構，通過負反饋作用使被控系統趨于穩(wěn)定。常規(guī)PID控制系統原理框圖如圖31所示。PID控制器綜合了關于系統過去、現在和未來三方面的信息，對動態(tài)過程無需太多的預先知識，控制效果能夠滿足要求[12]。圖31 PID控制系統原理 PID控制的特點 在生產過程自動控制的發(fā)展歷程中，PID控制是歷史最久、生命力最強的基本控制方式。在本世紀40年代以前，除在最簡單的情況下可采用開關控制外，它是唯一的控制方式。PID控制具有很多優(yōu)點： ①算法簡單，使用方便，容易通過簡單的硬件和軟件方式實現。 ②適應性強，可以廣泛的應用于各種行業(yè): ③魯林性強，它的控制品質對被控對象特性的變化不大敏感。由于具有這些優(yōu)點，PID控制直到現仍然是應用最廣泛的基本控制方式之一[13]。 PID控制器PID控制器是一種線性控制器，