【文章內(nèi)容簡介】 送給 CPU 模塊。圖 c 是交流輸入電路。光電耦合器中有兩個反并聯(lián)的發(fā)光二極管，顯示用的兩個發(fā)光二極管也是反并聯(lián)的，因此這個電路可以接收外部的交流輸入電壓。圖 c 交流輸入電路 輸出模塊輸出模塊的功率放大元件有大功率晶體管和磁效應管（驅(qū)動直流負載） 、雙向可控硅（驅(qū)動內(nèi)交流負載）和小型繼電器，后者可以驅(qū)動交流負載或直流負載。輸出電流的典型值為 ~2A，負載電源由外部現(xiàn)場提供。輸出電流的額定值與負載的性質(zhì)有關(guān)，但是只能驅(qū)動 100VA/22V 的電感性負載和 100W 的白熾燈。額定負載電流還與溫度有關(guān)，溫度升高時額定負載電流減小，有的可編程序控制器提供了有關(guān)曲線。輸出模塊內(nèi)可能設(shè)置有熔斷器，并在模塊面板上用發(fā)光二極管顯示熔斷器 畢業(yè)設(shè)計（論文）第 17 頁 共 61 頁 17的狀態(tài)。某些新式的模塊用非破壞性的電子保護電路代替熔斷器。 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?qū)崿F(xiàn)的“軟繼電器” ，與繼電器系統(tǒng)中的物理結(jié)構(gòu)在功能上某些相似之處。 可編程序控制器的工作原理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(nèi)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(guān)系來看，處理過程似乎是同時完成的。在內(nèi)部處理聯(lián)合階段。可編程序控制器檢查CPU 模塊內(nèi)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(nèi)部工作。在通信服務(wù)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(nèi)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(guān)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 畢業(yè)設(shè)計（論文）第 18 頁 共 61 頁 18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(guān)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 。 如 圖 所示 。圖 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(nèi) 。 輸 入 采 樣 結(jié) 束 后 ， 轉(zhuǎn) 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(shù) 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(nèi) 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(jīng) 輸 出 電 路 驅(qū) 動 響 應 的 外 設(shè) 。 這 時 才 是 PLC真 正 的 輸 出 。 PLC 的 選 型為了能夠更好的選型，工程設(shè)計選型和估算時，應詳細分析工藝過程的特點、控制要求，明確控制任務(wù)和范圍確定所需的操作和動作，然后根據(jù)控制要第(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 畢業(yè)設(shè)計（論文）第 19 頁 共 61 頁 19求，估算輸入輸出點數(shù)、所需存儲器容量、確定 PLC 的功能、外部設(shè)備特性等，最后選擇有較高性能價格比的 PLC 和設(shè)計相應的控制系統(tǒng)。 輸入輸出（I/O）點數(shù)的估算I/O 點數(shù)估算時應考慮適當?shù)挠嗔浚ǔ８鶕?jù)統(tǒng)計的輸入輸出點數(shù)，再增加10%～20%的可擴展余量后，作為輸入輸出點數(shù)估算數(shù)據(jù)。實際訂貨時，還需根據(jù)制造廠商 PLC 的產(chǎn)品特點，對輸入輸出點數(shù)進行圓整。 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。為了設(shè)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(nèi)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(shù)字量 I/O 點數(shù)的 10～15 倍，加上模擬 I/O 點數(shù)的 100 倍，以此數(shù)為內(nèi)存的總字數(shù)（16 位為一個字），另外再按此數(shù)的 25%考慮余量。 控制功能的選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。(一)運算功能 簡單 PLC 的運算功能包括邏輯運算、計時和計數(shù)功能；普通 PLC 的運算功能還包括數(shù)據(jù)移位、比較等運算功能；較復雜運算功能有代數(shù)運算、數(shù)據(jù)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(xiàn)，目前在 PLC 中都已具有通信功能，有些產(chǎn)品具有與下位機的通信，有些產(chǎn)品具有與同位機或上位機的通信，有些產(chǎn)品還具有與工廠或企業(yè)網(wǎng)進行數(shù)據(jù)通信的功能。設(shè)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(shù)應用場合，只需要邏輯運算和計時計數(shù)功能，有些應用需要數(shù)據(jù)傳送和比較，當用于模擬量檢測和控制時，才使用代數(shù)運算，數(shù)值轉(zhuǎn)換和 PID 運算等。要顯示數(shù)據(jù)時需要譯碼和編碼等運算。(二)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(jù)控制要求確定。PLC 主要用于順序邏輯控制，因此，大多數(shù)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(shù)器、帶速度補償?shù)哪M單元、ASC 碼轉(zhuǎn)換單元等。(三)通信功能 大中型 PLC 系統(tǒng)應支持多種現(xiàn)場總線和標準通信協(xié)議（如 畢業(yè)設(shè)計（論文）第 20 頁 共 61 頁 20TCP/IP），需要時應能與工廠管理網(wǎng)（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(wǎng)絡(luò)。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(wǎng)、常用 DCS 接口等；大中型 PLC 通信總線（含接口設(shè)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(wǎng)絡(luò)中，上級的網(wǎng)絡(luò)通信速率應大于 1Mbps，通信負荷不大于 60%。PLC 系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)；2）1 臺 PLC 為主站，其他同型號 PLC 為從站，構(gòu)成主從式 PLC 網(wǎng)絡(luò)；3）PLC 網(wǎng)絡(luò)通過特定網(wǎng)絡(luò)接口連接到大型 DCS 中作為 DCS 的子網(wǎng)；4）專用 PLC 網(wǎng)絡(luò)（各廠商的專用 PLC 通信網(wǎng)絡(luò)）。為減輕 CPU 通信任務(wù)，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)組成的實際需要，應選擇具有不同通信功能的（如點對點、現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網(wǎng)）通信處理器。(四)編程功能 PLC 的編程有離線編程和在線編程兩種，設(shè)計時應根據(jù)應用要求合理選用。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(wù)，不對現(xiàn)場設(shè)備進行控制。完成編程后，編程器切換到運行模式，CPU 對現(xiàn)場設(shè)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(diào)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(xiàn)場控制，并在一個掃描周期內(nèi)與編程器進行數(shù)據(jù)交換，編程器把在線編制的程序或數(shù)據(jù)發(fā)送到主機，下一掃描周期，主機就根據(jù)新收到的程序運行。這種方式成本較高，但系統(tǒng)調(diào)試和操作方便，在大中型 PLC 中常采用。(五)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(nèi)診斷和外診斷。通過軟件對PLC 內(nèi)部的性能和功能進行診斷是內(nèi)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(shù)能力的要求，并影響平均維修時間。(六)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(shù)據(jù)的丟失。處理速度與用戶程序的長度、CPU 處理速度、軟件質(zhì)量等有關(guān)。目前，PLC 接點的響應快、速度高，每條二進制指令執(zhí)行時間約～，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：小型 PLC 的掃描時間不大于 ；大中型 PLC 的 畢業(yè)設(shè)計（論文）第 21 頁 共 61 頁 21掃描時間不大于 。 機型的選擇(一)PLC 的類型PLC 按結(jié)構(gòu)分為整體型和模塊型兩類，按應用環(huán)境分為現(xiàn)場安裝和控制室安裝兩類；按 CPU 字長分為 1 位、4 位、8 位、16 位、32 位、64 位等。從應用角度出發(fā)，通?？砂纯刂乒δ芑蜉斎胼敵鳇c數(shù)選型。整體型 PLC 的 I/O 點數(shù)固定，因此用戶選擇的余地較小，用于小型控制系統(tǒng)；模塊型 PLC 提供多種 I/O 卡件或插卡，因此用戶可較合理地選擇和配置控制系統(tǒng)的 I/O 點數(shù)，功能擴展方便靈活，一般用于大中型控制系統(tǒng)。(二)輸入、輸出模塊的選擇輸入、輸出模塊的選擇應考慮與應用要求的統(tǒng)一。例如對輸入模塊，應考慮信號電平、信號傳輸距離、信號隔離、信號供電方式等應用要求。對輸出模塊，應考慮選用的輸出模塊類型，通常繼電器輸出模塊具有價格低、使用電壓范圍廣、壽命短、響應時間較長等特點；可控硅輸出模塊適用于開關(guān)頻繁，電感性低功率因數(shù)負荷場合，但價格較貴，過載能力較差。輸出模塊還有直流輸出、交流輸出和模擬量輸出等，與應用要求應一致?？筛鶕?jù)應用要求，合理選用智能型輸入輸出模塊，以便提高控制水平和降低應用成本?？紤]是否需要擴展機架或遠程 I/O 機架等。(三)電源的選擇PLC 的供電電源，除了引進設(shè)備時同時引進 PLC 應根據(jù)產(chǎn)品說明書要求設(shè)計和選用外，一般 PLC 的供電電源應設(shè)計選用 220VAC 電源，與國內(nèi)電網(wǎng)電壓一致。重要的應用場合，應采用不間斷電源或穩(wěn)壓電源供電。如果 PLC 本身帶有可使用電源時，應核對提供的電流是否滿足應用要求，否則應設(shè)計外接供電電源。為防止外部高壓電源因誤操作而引入 PLC，對輸入和輸出信號的隔離是必要的，有時也可采用簡單的二極管或熔絲管隔離。(四)存儲器的選擇由于計算機集成芯片技術(shù)的發(fā)展，存儲器的價格已下降，因此，為保證應用項目的正常投運，一般要求 PLC 的存儲器容量，按 256 個 I/O 點至少選 8K 存儲器選擇。需要復雜控制功能時，應選擇容量更大，檔次更高的存儲器。(五)冗余功能的選擇1．控制單元的冗余（1）重要的過程單元：CPU（包括存儲器）及電源均應 1：1 冗余。（2）在需要時也可選用 PLC 硬件與熱備軟件構(gòu)成的熱備冗余系統(tǒng)、兩重化或三重化冗余容錯系統(tǒng)等。 畢業(yè)設(shè)計（論文）第 22 頁 共 61 頁 222． I/O 接口單元的冗余（1）控制回路的多點 I/O 卡應冗余配置。（2）重要檢測點的多點 I/O 卡可冗余配置。（3）根據(jù)需要對重要的 I/O 信號，可選用兩重化或三重化的 I/O 接口單元。(六)經(jīng)濟性的考慮選擇 PLC 時，應考慮性能價格比?？紤]經(jīng)濟性時，應同時考慮應用的可擴展性、可操作性、投入產(chǎn)出比等因素，進行比較和兼顧，最終選出較滿意的產(chǎn)品。輸入輸出點數(shù)對價格有直接影響。每增加一塊輸入輸出卡件就需增加一定的費用。當點數(shù)增加到某一數(shù)值后，相應的存儲器容量、機架、母板等也要相應增加，因此，點數(shù)的增加對 CPU 選用、存儲器容量、控制功能范圍等選擇都有影響，在估算和選用時應充分考