【文章內容簡介】 年代中期，是可編程序控制器的初創(chuàng)階段。這一階段的產品主要用于邏輯運算和計時、計數(shù)運算，它的CPU由中小規(guī)模的數(shù)字集成電路組成，它的控制功能較簡單．典型產品有MODICON公司的084＼ALLEN—BRADLEY(AB)公司的PDQDEC的PDP．1同立公司的SCY022等。由于這些產品主要完成邏輯運算功能，因此被稱為可編程序邏輯控制器(ProgrammableLogic ControlletPLC)。第二階段：從20世紀70年代中期到末期，是可編程序控制器的擴展階段，在這一階段，產品的主要控制功能得到了較大的發(fā)展，它的發(fā)展主要來自兩方面，從可編程序控制器發(fā)展而來的控制器，它的主要功能是邏輯運算，同時擴展了其他運算功能；而從模擬儀表發(fā)展而來的控制器，其功能主要是模擬運算，同時擴展了邏輯運算功能。因此，按習慣的分類方法，前者被稱為可編程序邏輯控制器(PLC，后者被稱為單回路或多回路控制器?？删幊绦蚩刂破鞯拿Q縮PC(Programmable Controll)，但是為了與個人計算機(Personal Computer)的名稱縮寫PC相區(qū)別，通常還是把可編程序控制器簡稱為PLC，這一階段的產品有MODICON公司的1828384，西門予公司的SomaticS3系列，富士電機公司的SC系列等產品．第三階段：從20世紀70年代末期到20世紀80年代中期，是PLC通信功能實現(xiàn)階段。與計算機通信的發(fā)展相聯(lián)系，PLC也在通信方面有了很大的發(fā)展，初步形成了分布2式的通信網絡體系，但是，由于制造企業(yè)各自為政，通信系統(tǒng)自成系統(tǒng)，因此，各產品的互相通信是較困難的。在該階段，由于生產過程控制的需要，對PLC的需求大大增加，產品的功能也得到了發(fā)展，數(shù)學運算的功能得到了較大的擴充，產品的可靠性進一步提高。這一階段的產品有西門子公司的SYMATIC S6系列、富士電機公司的MICREX和德州儀器公司的T1530等等。第四階段：從20世紀80年代中期開始是PLC的開放階段。由于開放系統(tǒng)的提出，使PLC也得到了較大的發(fā)展。主要表現(xiàn)在通信系統(tǒng)的開放，使各制造企業(yè)的產品可以通信，通信協(xié)議的標準化使用戶得到了好處。在這一階段，產品的規(guī)模增大，功能不斷完善，大中型的產品多數(shù)有CRT屏幕的顯示功能，產品的擴展也因通信功能的改善而變得方便，此外，還采用了標準的軟件系統(tǒng)，增加了高級編程語占等。這一階段的產品有西門子公司的SYMA7IC S5和s7系列、AB公司的PLC一5等。2．2 PLC的特點PLC能如此迅速發(fā)展的原因是由于它具有通用計算機所不及的一些下列特點?？煽啃詫梢跃S修的產品，可靠性包括產品的有效性和可維修性．PLC的可靠性高，表現(xiàn)在下列幾方面：與繼電器邏輯控制系統(tǒng)比較，PLC可靠性提高的主要原因：①PLC不需要大量的活動部件和電子元器件，它的接線也大大減少。與此同時，系統(tǒng)的維修簡單、維修時間縮短，因此可靠性得到提高。②PLC采用了一系列可靠性設計的方法進行設計，例如冗余設計、掉電保護、故障滲斷和信息保護及恢復等，使可靠性得到提高。③PLC有較強的易操作性，它具有編程簡單、操作方便、維修容易等特點，因此對操作和維修人員的技能要求降低，容易學習和掌握，不容易發(fā)生操作的失誤，可靠性高。與通用的計算機控制系統(tǒng)比較，PLC可靠性提高的主要原因：①PLC是為工業(yè)生產過程控制而專門設計的控制裝置，它具有比通用計算機控制系統(tǒng)更簡單的編程語言和更可靠的硬件。采用了經簡化的編程語言，編程的出錯率大大降低，而為工業(yè)惡劣操作環(huán)境設計的硬件使可靠性大大提高。因此，PLC的可靠性較通用計算機控制系統(tǒng)的可靠性有較大提高。②在PLC的硬件設計方面，采用了一系列提高可靠性的措施。例如，采用可靠性高的元件；采用先迸的工藝制造流水線生產；對干擾采用屏蔽、隔離和濾波等，設有對電源的掉電保護、存儲器內容的保護并采用看門狗和其他自診斷措施、便于維修的設計等等。③在PLC的軟件設計方面，也采取了一系列提高系統(tǒng)可靠性的措旌。例如，采用軟件濾波，軟件自診斷、簡化編程語言、信息保護和恢復、報警和運行信息的顯示等等。一份用戶選用PLC原因的調查報告指出，在各種選用PLC的原因中，第一位的原因是由于PLC可靠性高的用戶達93％。其次，才是性能和維修方便等原因?？梢姡煽啃愿呤荘LC的主要特點。(2)易操作性PLC的易操作性表現(xiàn)在下列三個方面：①操作方便。對PLC的操作包括程序輸入的操作和程序更改的操作。大多數(shù)PLC采用編程器進行程序輸入和更改的操作。編程器至少提供了輸入信息的顯示，對大中型的PLC，編程器采用CRT屏幕顯示，因此，程序的輸入直接可以顯示。更改程序的操作也可直接根據(jù)所需的地址編號、繼電器編號或觸點號進行搜索或順序尋找，然后進行更改。更改的信息可在液晶屏或CRT屏幕上顯示。所以PLC具有操作方便的特點．②編程方便。PLC有多種程序設計語言可供使用。對電氣技術人員來說，梯形圖由于與電氣原理圖較為接近，容易掌握和理解。所以有利于程序的編寫和學習。采用布爾助記符編程語言時，由于符號是功能的簡單縮寫，十分有利于編程人員的編程。雖然功能表圖、功能模塊圖和高級描述語句的編程方法應用尚未普及，但是，由于它們具有功能清晰、易于理解等優(yōu)點，正為廣大技術人員所接納和采用并發(fā)揮出更有效的功能特點。③維修方便。PLC所具有的自診斷功能對維修人員維修技能的要求降低了。當系統(tǒng)發(fā)生故障時，通過硬件和軟件的自診斷，維修人員可根據(jù)有關故障信號燈的提示和故障代碼的顯示，或通過編程器和CRT屏幕的顯示，很快地找到故障所在的部位，為迅速排除故障和修復節(jié)省了時間。為便于維修工作的開展，有些PLC的制造企業(yè)提供了維修用的專用儀表或設備，提供了故障樹等維修用的資料．有些廠商還提供維修用的智能卡件或插件板，使維修工作變得十分方便。PLC的面板和結構的設計也考慮了維修的方便性，例如，對需維修的部件設置在便于維修的位置，信號燈設置在易于觀察的部位，接線端子采用便于接線與更換的類型等，這些設計使維修工作能方便地進行，從而大大節(jié)省維修時間。采用標準化元件和標準化工藝生產流水線作業(yè)，使維修用的備品備件簡化，也使維修變得方便。 (3)靈活性PLC的靈活性表現(xiàn)在下列三方面： ①編程的靈活性。PLC采用的編程語占有梯形圖、布爾助記符、功能表圖、功能模塊圖和語句描述編程語言，只要掌握其中一種語言就可以進行編程。編程方法的多樣性使編程方便，應用面拓展。由于采用軟連接的方法，在生產工藝流程更改或者生產設備更換時，可以不必改變PLC的硬設備，通過程序的編制與更改就能適應生產的需要。這種編程的靈活性是繼電器J頤序控制系統(tǒng)所不能比擬的。正是由于編程的柔性特點，使PLC能大量地替代繼電器順序控制系統(tǒng)，成為當今工業(yè)控制領域的重要控制設備。在柔性制造單元(FMC)、柔性制造系統(tǒng)(FMS)、計算機集成制造系統(tǒng)(CIMS)和計算機集成過程控制系統(tǒng)(CIPS)qb，PLC正成為主要的控制設備，得到廣泛的應用 ②擴展的靈活性。PLC的擴展靈活性是它的一個重要的特點。它可根據(jù)應用的規(guī)模不斷擴展，即可進行容量的擴展，功能的擴展，應用和控制范圍的擴展。它不僅可以通過增加輸入輸出單元來增加點數(shù)，通過擴展單元來擴大容量和功能，也可以通過多臺PLC的通信來擴大容量和功能，甚至可通過與集散控制系統(tǒng)(DCS)或其他上位機的通信來擴展它的功能，并與外部設備進行數(shù)據(jù)的交換等。這種擴展的靈活性大大地方便了用戶。 ③操作的靈活性。操作的靈活性是指設計的工作量大大減少，編程的工作量和安裝施工的工作量大大減少，操作十分靈活方便，監(jiān)視和控制變得容易。在繼電器順序控制系統(tǒng)中所需的一些操作可以簡化，不同的生產過程可采用相同的控制臺或控制屏等。2．3 PLC的工作原理 可編程序控制器的工作原理可編程序控制器是從繼電器控制系統(tǒng)發(fā)展而來的，它的梯形圖程序與繼電器系統(tǒng)電路圖相似，梯形圖中的某些編程元件也沿用了繼電器這一名稱，如輸入、輸出繼電器等。這種計算機程序實現(xiàn)的“軟繼電器”，與繼電器系統(tǒng)中的物理結構在功能上某些相似之處。可編程序控制器有兩種基本的工作狀態(tài)，即運行（RUN）狀態(tài)與停止（STOP）狀態(tài)。在運行狀態(tài)，可編程控制器通過執(zhí)行反映控制要求的用戶程序來實現(xiàn)控制功能。為了使可編程序控制器的輸出及時地響應隨時可能變化的輸入信號，用戶程序不是只執(zhí)行一次，而是反復不斷地重復執(zhí)行，直至可編程序控制器停機或切換到STOP工作狀態(tài)。除了執(zhí)行用戶程序之外，在每次循環(huán)過程中，可編程序控制器還要完成，內部處理、通信處理等工作，一次循環(huán)可分為5個階段（見左上圖）。可編程序控制器的這種周而復始的循環(huán)工作方式稱為掃描工作方式。由于計算機執(zhí)行指令的速度極高，從外部輸入輸出關系來看，處理過程似乎是同時完成的。在內部處理聯(lián)合階段?？删幊绦蚩刂破鳈z查CPU模塊內部的硬件是否正常，將監(jiān)控定時器復位，以及完成一些別的內部工作。在通信服務階段，可編程序控制器與別的帶微處理器的智能裝置通信，響應編程器鍵入的命令，更新編程器的顯示內容。當可編程序控制器處于停止（STOP）狀態(tài)時，只執(zhí)行以上的操作?？删幊绦蚩刂破魈幱冢≧UN）狀態(tài)時，還要完成另外3個階段的操作（見右圖），圖中僅畫出了與用戶程序執(zhí)行過程有關的3個階段。 掃描周期可編程序控制器在RUN工作狀態(tài)時，執(zhí)行一次上圖所示的掃描操作所需的時間稱為掃描周期，其典型值為1~100ms。指令執(zhí)行所需的時間與用戶程序的長短、指令的種類和CPU執(zhí)行指令的速度有很大的關系。當用戶程序較長時，指令執(zhí)行時間在掃描周期中占相當大的比例。不過嚴格地來說掃描周期還包括自診斷、通信等。第(N1)個掃描周期輸出刷新第(N+1)個掃描周期輸入采樣第N個掃描周期輸入采樣輸出刷新用戶程序執(zhí)行 PLC的掃描運行方式(1)輸入采樣階段在輸入采樣階段，PLC以掃描方式依次讀入所有的數(shù)據(jù)和狀態(tài)它們存入I/O映象區(qū)的相應單元內。輸入采樣結束后，轉入用戶程序行和輸出刷新階段。在這兩個階段中，即使輸入數(shù)據(jù)和狀態(tài)發(fā)生變化I/O映象區(qū)的相應單元的數(shù)據(jù)和狀態(tài)也不會改變。所以輸入如果是脈沖信號，它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的CPU總是由上而下，從左到右的順序依次的掃描梯形圖。并對控制線路進行邏輯運算，并以此刷新該邏輯線圈或輸出線圈在系統(tǒng)RAM存儲區(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。例如：算術運算、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳達等。(3)輸出刷新階段在輸出刷新階段，CPU按照I/O映象區(qū)內對應的數(shù)據(jù)和狀態(tài)刷新所有的數(shù)據(jù)鎖存電路，再經輸出電路驅動響應的外設。這時才是PLC真正的輸出。 PLC的體系結構PLC實質上是一種被專用于工業(yè)控制的計算機，其硬件結構和微機是基本一致的。如下圖所示：編程器中央處理單元（CPU）輸入電路輸出電路系統(tǒng)程序存儲區(qū)用戶程序存儲區(qū)電源PLC硬件的基本結構它的硬件結構與一般微機控制系統(tǒng)相似，甚至與之無異?？删幊绦蚩刂破髦饕蒀PU（中央處理單元）、存儲器（RAM和EPROM）、輸入/輸出模塊（簡稱I/O模塊）、編程器和電源五大部分組成。1. CPU模塊CPU模塊又叫中央處理單元或控制器，它主要由微機處理器（CPU）和存儲器組成。CPU的作用類似于人類的大腦和心臟。它采用掃描方式工作，每一次掃描要完成以下工作：(1) 輸入處理：將現(xiàn)場的開關量輸入信號和數(shù)據(jù)分別讀入輸入映像寄存器和數(shù)據(jù)寄存器。(2) 程序執(zhí)行：逐條讀入和解釋用戶程序，產生相應的控制信號去控制有關的電路，完成數(shù)據(jù)的存取、傳送和處理工作，并根據(jù)運算結果更新各有關寄存器的內容。(3) 輸出處理：將輸出映像寄存器的內容送給輸出模塊，去控制外部負載。2 . I/O模塊I/O模塊是系統(tǒng)的眼、耳、手、腳，是聯(lián)系外部現(xiàn)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(shù)字開關、限位開關、接收開關、關電開關、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、各種變送器提供的連續(xù)變化的模擬量輸入信號?？删幊绦蚩刂破魍ㄟ^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(shù)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。從外部引入的尖蜂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，所以CPU模塊不能直接與外部輸入/輸出裝置相連。I/O模塊除了傳遞信號外，還有電平轉換與噪聲隔離的作用。編程器除了用來輸入和編輯程序外，還可以用來監(jiān)視可編程序控制器運行時梯形圖中各種編程元件的工作狀態(tài)。編程器可以永久地連續(xù)在可編程序控制器上，將它取下來后可編程序控制器也可以運行。一般只在程序輸入、調試階段和檢修時使用，一臺編程器可供多臺可編程序控制器公用。4. 開關量I/O模塊開關量模塊的輸入輸出信號僅有接通和斷開兩種狀態(tài)。電壓等級有直流5V，12V，24V，48V和交流110V，220V等。輸入輸出電壓的允許范圍很寬，如某交流220V輸入模塊的允許低電壓為0~70V，高電壓為70~256V，頻率為47~63HZ。各I/O點的通/斷狀態(tài)用發(fā)光二極管或其它元件顯示在面板上，外部I/O接線一般接在模塊的接線端子上，某些模塊使用可拆除的插座型端子板，在不拆去端子的外部連線的情況下，可以迅速地更換模。開關量I/O模塊可能4，8，16，32，64點。