【文章內容簡介】 相對一般意義上的計算機，可編程控制器并不僅僅具有計算機的內核，它還配置了許多使其適用于工業(yè)控制的器件。它實質上是經過一次開發(fā)的工業(yè)控制用計算機。但是，從另一個方面來說，它是一種通用機，不經過二次開發(fā)，它就不能在任何具體的工業(yè)設備上使用[4]。 可編程控制器的發(fā)展歷史1968年美國GM(通用汽車)公司提出取代繼電器控制裝置的要求，第二年美國數字公司研制出了第一代可編程序控制器，滿足了GM公司裝配線的要求。隨著集成電路技術和計算機技術的發(fā)展，現在已有第五代PLC產品了。20世紀80年代初，可編程控制器在先進工業(yè)國家中獲得了廣泛的應用。這個時期可編程控制器發(fā)展的特點是大規(guī)模、高速度、高性能、產品系列化。這標志著可編程控制器已步入成熟階段。這個階段的另一個特點是世界上生產可編程控制器的國家日益增多，產量日益上升。許多可編程控制器的生產廠家已聞名于全世界。20世紀末期，可編程控制器的發(fā)展特點是更加適應于現代工業(yè)控制的需要。從控制規(guī)模上來說，這個時期發(fā)展了大型機及超小型機；從控制能力上來說，誕生了各種各樣的特殊功能單元，用于壓力、溫度、轉速、位移等各種控制場合；從產品的配套能力來說，生產了各種人機界面單元、通訊單元，使應用可編程控制器的工業(yè)控制設置的配套更加容易。目前，可編程控制器在機械制造、石油化工、冶金鋼鐵、汽車、輕工業(yè)等領域的應用得到了長足的發(fā)展。PLC經過40多年的發(fā)展，在美、德、日等工業(yè)發(fā)達國家已成為重要的產業(yè)之一。世界總銷售額不斷上升、生產廠家不斷涌現、品種不斷翻新。產量產值大幅度上升而價格則不斷下降。世界上PLC產品可按地域分成三大流派：一個流派是美國產品，一個流派是歐洲產品，一個流派是日本產品。美國和歐洲的PLC技術是在相互隔離情況下獨立研究開發(fā)的，因此美國和歐洲的PLC產品有明顯的差異性。而日本的PLC技術是由美國引進的，對美國的PLC產品有一定的繼承性，但日本的主推產品定位在小型PLC上。美國和歐洲以大中型PLC而聞名，而日本則以小型PLC著稱。目前，世界上有200多個廠家生產PLC，較有名的：美國：AB通用電氣、莫迪康公司；日本：三菱、富士、歐姆龍、松下電工等；德國：西門子公司；法國：TE 施耐德公司；韓國：三星、LG公司等。 PLC的發(fā)展方向及前景目前，國外PLC制造商不斷推出新產品。西門子最初推出S5系列，然后推出S7系列；三菱開始是F系列，FX系列，現在是A系列（AAA2X）。大趨勢是功能越來越多，集成度越來越高，網絡功能越來越強。特別是網絡，因為聯(lián)網是一個大潮流。(1)產品規(guī)模向大、小兩個方向發(fā)展大： I/O點數達14336點、32位為微處理器、多CPU并行工作、大容量存儲器、掃描速度高速化。?。? 由整體結構向小型模塊化結構發(fā)展，增加了配置的靈活性，降低了成本。(2)PLC在閉環(huán)過程控制中應用日益廣泛(3)不斷加強通訊功能(4)新器件和模塊不斷推出高檔的PLC除了主要采用CPU以提高處理速度外，還有帶處理器的EPROM或RAM的智能I/O模塊、高速計數模塊、遠程I/O模塊等專用化模塊。(5)編程工具豐富多樣，功能不斷提高，編程語言趨向標準化有各種簡單或復雜的編程器及編程軟件，采用梯形圖、功能圖、語句表等編程語言，亦有高檔的PLC指令系統(tǒng)。(6)發(fā)展容錯技術采用熱備用或并行工作、多數表決的工作方式。(7)追求軟硬件的標準化。預計21世紀可編程控制器將會有更大的發(fā)展目前的積散控制系統(tǒng)（Distributed Control System）中已有大量的可編程控制器應用。伴隨著計算機網絡的發(fā)展，可編程控制器作為自動化控制網絡或國際通用網絡的重要組成部分，將在眾多領域發(fā)揮越來越大的作用[5]。 PLC的應用領域(1)開關量的邏輯控制這是PLC最基本、最廣泛的應用領域，可用它取代傳統(tǒng)的繼電器控制電路，實現邏輯控制、順序控制，既可用于單臺設備的控制，又可用于多機群控制及自動化流水線。(2)模擬量控制在工業(yè)生產過程中，有許多連續(xù)變化的量，如溫度、壓力、流量、液位和速度等都是模擬量。為了使可編程控制器能處理模擬量信號，PLC廠家生產有配套的A/D和D/A轉換模塊，使可編程控制器可用于模擬量控制。(3)運動控制PLC可以用于圓周運動或直線運動的控制。從控制機構配制來說，早期直接用開關量I/O模塊連接位置傳感器和執(zhí)行機構，現在可使用專用的運動控制模塊。如可驅動步進電機或伺服電機的單軸或多軸位置控制模塊。(4)過程控制過程控制是指對溫度、壓力、流量等模擬量的閉環(huán)控制。作為工業(yè)控制計算機，PLC能編制各種各樣的控制算法程序，完成閉環(huán)控制。PID控制是一般閉環(huán)控制系統(tǒng)中常用的控制方法。目前不僅大中型PLC都有PID模塊，而且許多小型PLC也具有PID功能。PID處理一般是運行專用的PID子程序。(5)數據處理現代PLC具有數學運算（含矩陣運算、邏輯運算）、數據傳送、數據轉換、排序、查表、位操作等功能，可以完成數據的采集、分析及處理。這些數據可以與儲存在存儲器中的參考值比較，完成一定的控制操作。(6)通信及聯(lián)網PLC通信包含PLC之間的通信以及PLC與其他智能設備間的通信。隨著計算機控制的發(fā)展，工廠自動化網絡發(fā)展將會加快，各PLC廠商都十分重視PLC的通訊功能，紛紛推出各自的網絡系統(tǒng)。最新生產的PLC都具有通訊接口，實現通訊非常方便。 PLC的主要技術指標1. 存儲器容量存儲器用來存儲程序和系統(tǒng)參數等，其容量是由用戶程序存儲器組成的。程序存儲器容量大小決定了用戶所能編寫程序的最大長度，一般中小型的PLC的存儲器容量在16KB以下，大型的PLC可達到2MB左右。2. 輸入/輸出（I/O）點數輸入/輸出點數是指根據工業(yè)系統(tǒng)控制所得到的對應PLC的輸入/輸出端的個數。I/O點數越多，說明需要控制的器件和設備就越多。3. 掃描時間掃描時間是指CPU內部根據用戶程序，按邏輯順序，從開始到結束掃描一次所需的時間。PLC用戶手冊一般給出執(zhí)行指令所用的時間。 4. 指令種類和數量指令的種類和數量決定用戶編制程序的方式和PLC的處理能力和控制能力。 5. 內部寄存器的種類的數量內部寄存器主要包括定時器、計數器、中間繼電器、數據寄存器和特殊寄存器等。它們主要用來完成計時、技術、中間數據存儲、數據存儲還有其他一些功能。種類和數量越多，PLC的功能就越強大。 6. 擴展能力PLC擴展能力是指PLC是否具有I/O擴展、聯(lián)網等一些功能。 7. 智能模塊的種類的數量智能模塊是指能完成模擬量控制、遠程控制以及通信等功能的模塊。智能模塊種類和數量越多。說明PLC功能越強大。 8. 編程工具可以使用編程器或者使用專用的編程軟件。一般編程只能使用助記符語言，而用編程軟件則可使用梯形圖和助記符等語言來進行編程[6]。 PLC的選型輸入輸出（I/O）點數的估算I/O點數估算時應考慮適當的余量，通常根據統(tǒng)計的輸入輸出點數，再增加10%～20%的可擴展。存儲器容量的估算存儲器容量是可編程序控制器本身能提供的硬件存儲單元大小，程序容量是存儲器中用戶應用項目使用的存儲單元的大小，因此程序容量小于存儲器容量。設計階段，由于用戶應用程序還未編制，因此，程序容量在設計階段是未知的，需在程序調試之后才知道。為了設計選型時能對程序容量有一定估算，通常采用存儲器容量的估算來替代。存儲器內存容量的估算沒有固定的公式，許多文獻資料中給出了不同公式，大體上都是按數字量I/O點數的10～15倍，加上模擬I/O點數的100倍，以此數為內存的總字數（16位為一個字），另外再按此數的25%考慮余量?？刂乒δ艿倪x擇該選擇包括運算功能、控制功能、通信功能、編程功能、診斷功能和處理速度等特性的選擇。（1）運算功能簡單PLC的運算功能包括邏輯運算、計時和計數功能；普通PLC的運算功能還包括數據移位、比較等運算功能；較復雜運算功能有代數運算、數據傳送等；大型PLC中還有模擬量的PID運算和其他高級運算功能。隨著開放系統(tǒng)的出現，目前在PLC中都已具有通信功能，有些產品具有與下位機的通信，有些產品具有與同位機或上位機的通信，有些產品還具有與工廠或企業(yè)網進行數據通信的功能。設計選型時應從實際應用的要求出發(fā)，合理選用所需的運算功能。大多數應用場合，只需要邏輯運算和計時計數功能，有些應用需要數據傳送和比較，當用于模擬量檢測和控制時，才使用代數運算，數值轉換和PID運算等。要顯示數據時需要譯碼和編碼等運算。(2)控制功能控制功能包括PID控制運算、前饋補償控制運算、比值控制運算等，應根據控制要求確定。PLC主要用于順序邏輯控制，因此，大多數場合常采用單回路或多回路控制器解決模擬量的控制，有時也采用專用的智能輸入輸出單元完成所需的控制功能，提高PLC的處理速度和節(jié)省存儲器容量。例如采用PID控制單元、高速計數器、帶速度補償的模擬單元、ASC碼轉換單元等。(3)通信功能大中型PLC系統(tǒng)應支持多種現場總線和標準通信協(xié)議（如TCP/IP），需要時應能與工廠管理網（TCP/IP）相連接。通信協(xié)議應符合ISO/IEEE通信標準，應是開放的通信網絡。 PLC系統(tǒng)的通信接口應包括串行和并行通信接口（RS2232C/422A/423/485）、RIO通信口、工業(yè)以太網、常用DCS接口等；大中型PLC通信總線（含接口設備和電纜）應1：1冗余配置，通信總線應符合國際標準，通信距離應滿足裝置實際要求。 PLC系統(tǒng)的通信網絡中，上級的網絡通信速率應大于1Mbps，通信負荷不大于60%。PLC系統(tǒng)的通信網絡主要形式有下列幾種形式：① PC為主站，多臺同型號PLC為從站，組成簡易PLC網絡；② 1臺PLC為主站，其他同型號PLC為從站，構成主從式PLC網絡；③ PLC網絡通過特定網絡接口連接到大型DCS中作為DCS的子網；④ 專用PLC網絡（各廠商的專用PLC通信網絡）。 為減輕CPU通信任務，根據網絡組成的實際需要，應選擇具有不同通信功能的（如點對點、現場總線、工業(yè)以太網）通信處理器[7] 。(4)編程功能 離線編程方式：PLC和編程器公用一個CPU，編程器在編程模式時，CPU只為編程器提供服務，不對現場設備進行控制。完成編程后，編程器切換到運行模式，CPU對現場設備進行控制，不能進行編程。離線編程方式可降低系統(tǒng)成本，但使用和調試不方便。在線編程方式：CPU和編程器有各自的CPU，主機CPU負責現場控制，并在一個掃描周期內與編程器進行數據交換，編程器把在線編制的程序或數據發(fā)送到主機，下一掃描周期，主機就根據新收到的程序運行。這種方式成本較高，但系統(tǒng)調試和操作方便，在大中型PLC中常采用。 五種標準化編程語言：順序功能圖（SFC）、梯形圖（LD）、功能模塊圖（FBD）三種圖形化語言和語句表（IL）、結構文本（ST）兩種文本語言。選用的編程語言應遵守其標準（IEC6113123），同時，還應支持多種語言編程形式，如C，Basic等，以滿足特殊控制場合的控制要求。 (5)診斷功能 PLC的診斷功能包括硬件和軟件的診斷。硬件診斷通過硬件的邏輯判斷確定硬件的故障位置，軟件診斷分內診斷和外診斷。通過軟件對PLC內部的性能和功能進行診斷是內診斷，通過軟件對PLC的CPU與外部輸入輸出等部件信息交換功能進行診斷是外診斷。 PLC的診斷功能的強弱，直接影響對操作和維護人員技術能力的要求，并影響平均維修時間。 (6)處理速度 PLC采用掃描方式工作。從實時性要求來看，處理速度應越快越好，如果信號持續(xù)時間小于掃描時間，則PLC將掃描不到該信號，造成信號數據的丟失。 處理速度與用戶程序的長度、CPU處理速度、軟件質量等有關。目前，PLC接點的響應快、速度高，～，因此能適應控制要求高、相應要求快的應用需要。掃描周期（處理器掃描周期）應滿足：；。機型的選擇(1)PLC的類型PLC產品種類繁多，其規(guī)格和性能也各不相同。對PLC的分類，通常根據其結構形式的不同、功能的差異和I/O點數的多少等進行大致分類。 ① 按結構形式分類 根據PLC的結構形式，可將PLC分為整體式和模塊式兩類。 Ⅰ 整體式PLC 整體式PLC是將電源、CPU、I/O接口等部件都集中裝在一個機箱內，具有結構緊湊、體積小、價格低的特點。小型PLC一般采用這種整體式結構。整體式PLC由不同I/O點數的基本單元（又稱主機）和擴展單元組成?；締卧獌扔蠧PU、I/O接口、與I/O擴展單元相連的擴展口，以及與編程器或EPROM寫入器相連的接口等。擴展單元內只有I/O和電源等，沒有CPU?；締卧蛿U展單元之間一般用扁平電纜連接。整體式PLC一般還可配備特殊功能單元，如模擬量單元、位置控制單元等，使其功能得以擴展。 Ⅱ 模塊式PLC 模塊式PLC是將PLC各組成部分，分別做成若干個單獨的模塊，如CPU模塊、I/O模塊、電源模塊（有的含在CPU模塊中）以及各種功能模塊。模塊式PLC由框架或基板和各種模塊組成。模塊裝在框架或基板的插座上。這種模塊式PLC的特點是配置靈活，可根據需要選配不同規(guī)模的系統(tǒng)，而且裝配方便，便于擴展和維修。大、中型PLC一般采用模塊式結構。還有一些PLC將整體式和模塊式的特點結合起來，構成所謂疊裝式PLC。疊裝式PLC其CPU、電源、I