【文章內(nèi)容簡介】 LC 自產(chǎn)生至今只有 30 多年的歷史，卻得到了迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，成為當(dāng)代工業(yè)自動化的主要支柱之一。長期以來，PLC 在工業(yè)自動化 控制而發(fā)揮著巨大作用，為各種各樣的自動化控制設(shè)備提供了廣泛、可靠的控制應(yīng)用。這主要是源于它能夠?yàn)樽詣踊刂茟?yīng)用提供安全可靠和比較完善的解決方案，適合當(dāng)前自動化工業(yè)企業(yè)的需要 [9]。 PLC 的發(fā)展歷史 20 世紀(jì) 70 年代大規(guī)模集成電路和微處理機(jī)出現(xiàn)后，正式生產(chǎn)出了現(xiàn)在模式的可編程序邏輯控制器 PLC（ Programmable Logic Controller）產(chǎn)品。這類產(chǎn)品具有穩(wěn)定可靠、價(jià)格便宜、功能齊全、體積小、應(yīng)用靈活方便、工程周期短、操作維護(hù)方便、應(yīng)用領(lǐng)域廣闊等優(yōu)點(diǎn)。隨著集成電路和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在己 誕生了第五代 PLC 產(chǎn)品。而從應(yīng)用角度看， PLC 大概經(jīng)歷了如下幾個(gè)階段： 單機(jī)就地控制，取代繼電器柜，至今仍然是 PLC 應(yīng)用的主流。 數(shù)臺 PLC 與 1 臺 PC相連， PC 完成編程和在運(yùn)行中作為人機(jī)界面（ 80 年代后期）。 90 午代，隨著系統(tǒng)集成能力的提高， PLC 提供系統(tǒng)通信的能力，構(gòu)成可編程控制系統(tǒng) PCS（ Programmable Control System），人機(jī)界面逐步完善，具有離散量和模擬量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的監(jiān)控能力。 隨著近代現(xiàn)場總線、網(wǎng)絡(luò)、工業(yè) PC 機(jī)（ IPC）、軟 PLC 技術(shù)的發(fā)展，以及系統(tǒng)開放性 、電控儀控一體化、管控一體化、 IT 技術(shù)發(fā)展的需求，新型的覆蓋大、中、小系統(tǒng)的 PCS 正在形成。 可編程序控制器的工作原理 PLC 采用循環(huán)（巡回）掃描工作方式，而大、中型 PLC 還增加了中斷工作方式。循環(huán)掃描即可按固定順序，也可按用戶程序所規(guī)定一級順序（高級和低級順序）或可變順序等進(jìn)行。因?yàn)橛械挠脩舫绦虿恍枰繏呙枰淮螆?zhí)行一次，也為的是在控制系統(tǒng)需要處理的 I/O 點(diǎn)數(shù)較多時(shí)，通過不同的模塊組合的安排，采用分時(shí)分批掃描執(zhí)行的辦法，可縮短循環(huán)掃描周期和控制的實(shí)時(shí)性 [10]。 用戶將用戶程序設(shè)計(jì)、調(diào)試后，用編程器鍵入 PLC 的存儲器中，并將現(xiàn)場的輸入信號和被驅(qū)動的執(zhí)行元件相應(yīng)地接在輸入模板的輸入端和輸出模板的輸出端上，然后用 PLC 的控制開關(guān)使其處于運(yùn)行工作方式， PLC 就以循環(huán)掃描的工作方式進(jìn)行工作。在輸入信號、用戶程序的控制上，產(chǎn)生相應(yīng)的輸出信號，完成預(yù)期的控制任務(wù)。 PLC 的典型的循環(huán)順序掃描土作過程如圖 2－ 4 所示。 圖 2－ 可編程控制器的的特點(diǎn) 通用性強(qiáng) ,使用方便。由于 PLC 產(chǎn)品的系列化和模塊化，配備有品種齊全的各種硬件裝置供用戶選用。當(dāng)控制對象的硬件配置確定以后 ,就可通過修改用戶程序 ,方便快速地適應(yīng)工藝條件的變 化。 功能性強(qiáng) ,適應(yīng)面廣?，F(xiàn)代 PLC 不僅具有邏輯運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)、順序控制等功能 ,而且還具有 A/D 和 D/A 轉(zhuǎn)換、數(shù)值運(yùn)算、數(shù)據(jù)處理等功能。因此 ,它既可對開關(guān)量進(jìn)行控制 ,也可對模擬量進(jìn)行控制 ,既可控制 1 臺生產(chǎn)機(jī)械、 1條生產(chǎn)線 ,也可控制 1 個(gè)生產(chǎn)過程。 PLC 還具有通訊聯(lián)絡(luò)功能，與上位計(jì)算機(jī)構(gòu)成分布式控制系統(tǒng) ,實(shí)現(xiàn)遙控功能。 可靠性高 ,抗干擾能力強(qiáng)。大多數(shù)用戶都將可靠性作為選擇控制裝置的首要條件。針對 PLC 是專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的 ,故采取了一系列硬件和軟件抗干擾措施。硬件方面 ,隔 離是抗干擾的主要措施之一。 PLC 的輸入、輸出電路一般用光電耦合器來傳遞信號 ,使外部電路與 CPU 之間無電路聯(lián)系 ,有效地抑制了外部干擾源對 PLC的影響 ,同時(shí) ,還可以防止外部高電壓竄入 CPU模塊濾波是抗干擾的另一主要措施 ,在 PLC 的電源電路和 I/O 模塊中 ,設(shè)置了多種濾波電路 ,對高頻干擾信號有良好的抑制作用。軟件方面 ,設(shè)置故障檢測與診斷程序。采用以上抗干擾措施后 ,一般 PLC 平均無故障時(shí)間高達(dá) 4 萬～ 5 萬 h。 編程方法簡單 ,容易掌握 PLC 配備有易于接受和掌握的梯形圖語言。該語言編程元件的符號和表達(dá)方式與繼 電器控制電路原理圖相當(dāng)接近。 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試和維修方便。 PLC 用軟件功能取代了繼電器控制系統(tǒng)中大量的中間繼電器、時(shí)間繼電器、計(jì)數(shù)器等部件 ,控制柜的設(shè)計(jì)、安裝接線工作量大為減少。 PLC 的用戶程序大都可以在實(shí)驗(yàn)室模擬調(diào)試 ,調(diào)試好后再將 PLC 控制系統(tǒng)安裝到生產(chǎn)現(xiàn)場 ,進(jìn)行聯(lián)機(jī)統(tǒng)調(diào)。在維修方面 ,PLC 的故障率很低 ,且有完善的診斷和實(shí)現(xiàn)功能 ,一旦 PLC 外部的輸入裝置和執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)生故障 ,就可根據(jù) PLC上發(fā)光二極管或編程器上提供的信息 ,迅速查明原因。若是 PLC本身問題 ,則可更換模塊 ,迅速排除故障 ,維修極為 方便。 體積小、質(zhì)量小、功耗低。由于 PLC 是將微電子技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)控制設(shè)備的新型產(chǎn)品 ,因而結(jié)構(gòu)緊湊 ,堅(jiān)固 ,體積小 ,質(zhì)量小 ,功耗低 ,而且具有很好的抗震性和適應(yīng)環(huán)境溫度、濕度變化的能力。因此 ,PLC 很容易裝入機(jī)械設(shè)備內(nèi)部 ,是實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化較理想的控制設(shè)備 [12]。 PLC 的分類 目前， PLC 應(yīng)用廣泛，國內(nèi)外生產(chǎn)廠家眾多，所生產(chǎn)的 PLC 產(chǎn)品更是品種繁多，其型號、規(guī)格和性能各不相同。通常，可以按照結(jié)構(gòu)形式的不同及功能的差異進(jìn)行大致的分類。 按結(jié)構(gòu)形式分 按照結(jié)構(gòu)形式的不同， PLC 可分為整體式和模塊式兩種 。 前者具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕、價(jià)格低的優(yōu)點(diǎn)，易于裝在工業(yè)設(shè)備的內(nèi)部，通常適于單機(jī)工作。一般小型和超小型 PLC 多采用這種結(jié)構(gòu)，如日本三菱FX 系列的 PLC。后者配置靈活，裝載和維修方便，功能易于擴(kuò)展，其缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，造價(jià)也較高。一般大、中型 PLC 都采用這種結(jié)構(gòu)，如日本三菱公司的AN 系列。 ２、按功能、點(diǎn)數(shù)分 按功能、輸入輸出點(diǎn)數(shù)和存儲器容量不同， PLC 可分為小型、中型和大型三類。 小型 PLC 又稱為低檔的 PLC。這類 PLC 的規(guī)模較小，它的輸入輸出點(diǎn)數(shù)一般從 20 點(diǎn)到 128 點(diǎn)。中型 PLC 的 I/O 點(diǎn)數(shù)通常在 120 點(diǎn)至 512 點(diǎn)之間，用戶程序存儲器的容量為 2KB8KB。大型 PLC 又稱為高檔的 PLC， I/O 點(diǎn)數(shù)在 512 點(diǎn)以上，其中 I/O 點(diǎn)數(shù)大于 8192 點(diǎn)的又稱為超大型 PLC，用戶程序存儲器容量在 8KB 以上。 可編程控制器應(yīng)用領(lǐng)域 在發(fā)達(dá)的工業(yè)國家 ,PLC 已經(jīng)廣泛應(yīng)用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機(jī)械制造、汽車、輕紡、交通運(yùn)輸、環(huán)保及文化娛樂等各行各業(yè)。隨著 PLC 性能價(jià)格比的不斷提高 ,一些過去使用專用計(jì)算機(jī)的場合 ,也轉(zhuǎn)向使用 PLC。 PLC的應(yīng)用范圍在不斷擴(kuò)大 ,可歸納為如下幾個(gè)方面。 開關(guān)量的邏輯 控制 這是 PLC 最基本最廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。 PLC 取代繼電器控制系統(tǒng) ,實(shí)現(xiàn)邏輯控制。例如：機(jī)床電氣控制，沖床、鑄造機(jī)械、運(yùn)輸帶、包裝機(jī)械的控制，注塑機(jī)的控制，化工系統(tǒng)中各種泵和電磁閥的控制，冶金企業(yè)的高爐上料系統(tǒng)、軋機(jī)、連鑄機(jī)、飛剪的控制，電鍍生產(chǎn)線、啤酒灌裝生產(chǎn)線、汽車配裝線、電視機(jī)和收音機(jī)的生產(chǎn)線控制等。 運(yùn)動控制 PLC 可用于對直線運(yùn)動或圓周運(yùn)動的控制。早期直接用開關(guān)量 I/O 模塊連接位置傳感器與執(zhí)行機(jī)構(gòu) ,現(xiàn)在一般使用專用的運(yùn)動控制模塊。世界上各主要 PLC 廠家生產(chǎn)的 PLC 幾乎都有 運(yùn)動控制功能。 PLC 的運(yùn)動控制功能廣泛地用于各種機(jī)械。例如 :金屬切削機(jī)床、金屬成型機(jī)械、配裝機(jī)械、機(jī)器人和電梯等。 閉環(huán)過程控制 過程控制是指對溫度、壓力、流量等連續(xù)變化的模擬量的閉環(huán)控制。 PLC 通過模擬量 I/O 模塊實(shí)現(xiàn)模擬量與數(shù)字量之間的 A/D,D/A 轉(zhuǎn)換 ,并對模擬量進(jìn)行閉環(huán) PID 控制 ,可用 PID 子程序來實(shí)現(xiàn) ,也可使用專用的 PID 模塊。 PLC 的模擬量控制功能已經(jīng)廣泛應(yīng)用于塑料擠壓成型機(jī)、加熱爐、熱處理爐、鍋爐等設(shè)備，還廣泛地應(yīng)用于輕工、化工、機(jī)械、冶金、電力和建材等行業(yè)。 數(shù)據(jù)處理 現(xiàn)代的 PLC 具有數(shù)學(xué)運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳遞、轉(zhuǎn)換、排序和查表、位操作等功能，可以完成數(shù)據(jù)的采集、分析和處理。這些數(shù)據(jù)可以與存貯在存儲器中的參考值比較 ,也可以用通訊功能傳送到別的智能裝置，或?qū)⑵浯蛴≈票怼?shù)據(jù)處理一般用在大、中型控制系統(tǒng) ,如柔性制造系統(tǒng)、過程控制系統(tǒng)等。 機(jī)器人控制 機(jī)器人作為工業(yè)過程自動生產(chǎn)線中的重要設(shè)備，已成為未來工業(yè)生產(chǎn)自動化的 3 大支柱之一。現(xiàn)在許多機(jī)器人制造公司，選用 PLC 作為機(jī)器人控制器來控制各種機(jī)械動作。隨著 PLC 體積進(jìn)一步縮小，功能進(jìn)一步增強(qiáng)， PLC 在機(jī)器人 控制中的應(yīng)用必將更加普遍。 通訊聯(lián)網(wǎng) PLC 的通訊包括 PLC 之間的通訊、 PLC 與上位計(jì)算機(jī)和其他智能設(shè)備之間的通訊。 PLC 和計(jì)算機(jī)具有接口，用雙絞線、同軸電纜或光纜將其聯(lián)成網(wǎng)絡(luò)，以實(shí)現(xiàn)信息的交換，并可構(gòu)成“集中管理，分散控制”的分布式控制系統(tǒng)。目前 PLC與 PLC 的通訊網(wǎng)絡(luò)是各廠家專用的。 PLC 與計(jì)算機(jī)之間的通訊，一些 PLC 生產(chǎn)廠家采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)總線 ,并向標(biāo)準(zhǔn)通訊協(xié)議靠攏 [13]。 第三章 熱水器控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案 太陽能本身是一個(gè)不斷變化、而影響其變化的因素又較多、極其復(fù)雜的非線性變量，太陽熱水系統(tǒng)工 程是一個(gè)非線性系統(tǒng)，很難建立精確的數(shù)學(xué)模型，因此采用傳統(tǒng)的控制方法難以得到較佳的控制效果。而模糊控制是以模糊數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)發(fā)展起來的一種新的控制方法。這種控制方法是一種智能的、非線性的控制方法，對那些無法取得數(shù)學(xué)模型或數(shù)學(xué)模型相當(dāng)粗糙的系統(tǒng)可以取得較滿意的控制效果，解決一些用傳統(tǒng)控制方法無法解決的問題。太陽能熱水器控制器采用 PID控制算法，這種算法對固定參數(shù)的線性定常系統(tǒng)是非常有效的。通過調(diào)整 PID控制器的參數(shù)，一般都能得到比較滿意的控制效果。 系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)方案 根據(jù)控制系統(tǒng)要求 ,首先確定 PLC 的 控制規(guī)模 ,估算出所需要的 I/O 點(diǎn)數(shù) 數(shù)字輸入 /輸出量、模擬輸入 /輸出量 ,再增加 10%～ 20%的備用量以便隨時(shí)增加控制功能保證系統(tǒng)投入運(yùn)行后能夠替換個(gè)別故障點(diǎn)或彌補(bǔ)遺漏的點(diǎn)數(shù)。統(tǒng)計(jì)出I/O 總點(diǎn)數(shù)后即可以確定 PLC 的控制規(guī)模 從而確定存儲器 用于存儲用戶程序和數(shù)據(jù) 的容量。存儲器容量除了根據(jù) PLC 的控制規(guī)模確定也可以按照如下方法計(jì)算再增加 25%～ 30 %的備用量以便隨時(shí)增加用戶程序。 一種方法是根據(jù)編程實(shí)際使用的節(jié)點(diǎn)數(shù)計(jì)算即編完程序之后根據(jù)節(jié)點(diǎn)數(shù)計(jì)算出實(shí)際使用容量。另一種方法是估算法只有開關(guān)量時(shí)所 需內(nèi)存總數(shù) 開關(guān)量 輸入 /輸出 總數(shù) 10 只有模擬量輸入時(shí) ,所需內(nèi)存總數(shù) 模擬量路數(shù) 120 在模擬量輸入、輸出同時(shí)存在時(shí)所需內(nèi)存總數(shù) 模擬量路數(shù) 250 同時(shí) ,應(yīng)考慮 PLC 提供的內(nèi)部繼電器和寄存器的數(shù)量 ,以便節(jié)省資源。因?yàn)楸鞠到y(tǒng)是對開關(guān)量控制的應(yīng)用系統(tǒng) ,并對控制速度要求不高 ,選用核心部件為公司的 FX_2nMRES/UL 系列 3點(diǎn)編程控制器 ,該編程控制器具有自診斷功能 ,采用循環(huán)掃描工作方式 ,這完全能滿足要求。 FX_2nMRES/U 屬微型編程控制器、輸入輸出控制方式為循環(huán)掃描方式、編程語言為梯形圖語言、點(diǎn)的 編程控制器具有點(diǎn)輸入 ,1 點(diǎn)輸出FX_2n32MRES/UL 可編程控制器作為該系統(tǒng)的核心，它含有 16 個(gè)輸入點(diǎn)（漏型）和 16 個(gè)輸出點(diǎn)（繼電器型），足夠設(shè)計(jì)所用 [15]。 ① FX_2n32MRES/UL 簡介 FX_2n32MRES/UL 屬于 FX2N 系列 PLCFX2N 系列 PLC 是 FX 系列中高級的模塊。它擁有無以匹及的速度、高級的功能、邏輯選件以及定位控制等特點(diǎn)， FX是從 16 到 25FX_2n32MRES/UL 的特點(diǎn) FX_2n32MRES/UL 屬于 FX2N 系列 PLCFX2N 系列 PLC 是 FX 系列中最 高級的模塊。它擁有無以匹及的速度、高級的功能、邏輯選件以及定位控制等特點(diǎn)， FX是從 16 PLC 硬件控制框圖 上位機(jī)采用 PC 機(jī)，下位機(jī)選用日本三菱公司的 FX2n 系列的 32 點(diǎn)