【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 世紀(jì)，各種自動(dòng)控制產(chǎn)品在向著控制可靠，操作簡(jiǎn)單，通用性強(qiáng)，價(jià)格低廉的方向發(fā)展，使自動(dòng)控制的實(shí)現(xiàn)越來越容易。 自動(dòng)控制裝置的研究，是為了最大限度的滿足人們及機(jī)械設(shè)備的要求。曾一度在控制領(lǐng)域占主導(dǎo)地位的繼電器控制系統(tǒng)，存在著控制能力弱，可靠性低的缺點(diǎn)，并且設(shè)備的固定接線控制裝置不利于產(chǎn)品的更新?lián)Q代。 20世紀(jì) 60 年代末期，在技術(shù)浪潮的沖擊下，為使汽車結(jié)構(gòu)及外型不斷改 進(jìn)，品種不斷增加，需要經(jīng)常變更生產(chǎn)工藝。這就希望在控制成本的前提下，盡可能縮短產(chǎn)品的更新?lián)Q代周期，以滿足生產(chǎn)的需求，使企業(yè)在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中取勝。美國通用汽車公司 (GM)1986 年提出了汽車裝配生產(chǎn)線改造項(xiàng)目控制器的十項(xiàng)指標(biāo)，即新一代控制器應(yīng)具備的 10項(xiàng)指標(biāo)： （ 1）編程簡(jiǎn)單，可在現(xiàn)場(chǎng)修改和調(diào)試程序； （ 2）維護(hù)方便，采用插入式模塊結(jié)構(gòu)； （ 3）可靠性高于繼電器控制系統(tǒng)； （ 4）體積小于繼電器控制柜； （ 5）能與管理中心計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行通信； （ 6）成本可與繼電器控制系統(tǒng)相競(jìng)爭(zhēng)； （ 7）輸入量是 115V 交流電 壓（美國電網(wǎng)電壓 110）； 7 （ 8）輸出量是 115V，輸出電流在 2A，能直接驅(qū)動(dòng)電磁閥； （ 9）系統(tǒng)擴(kuò)展時(shí)，原系統(tǒng)只需作很小改動(dòng)； （ 10）用戶程序存儲(chǔ)器容量至少 4KB。 1969 年，美國數(shù)字設(shè)備公司 (DEC)首先研制出第一臺(tái)符合要求的控制器，及可編程邏輯控制器，并在美國 GE 公司的汽車自動(dòng)裝置上試用成功。此后，這項(xiàng)研究技術(shù)迅速發(fā)展，從美國、日本、歐洲普及到全世界。我國從 1976 年開始研制， 1977 年應(yīng)用于工業(yè)控制。目前世界上已有數(shù)百家廠商生產(chǎn)可編程控制器，型號(hào)多達(dá)數(shù)百種。 可編程控制器 (PLC)的 定義 IEC 在 1987 年對(duì)可編程控制器 (PLC)下的定義是： 可編程控制器 (PLC)是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)；它采用一類可編程的存儲(chǔ)器，用于其內(nèi)部存儲(chǔ)程序，執(zhí)行邏輯計(jì)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)操作等面向用戶的指令；并通過數(shù)字式或模擬式輸入 /輸出控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程?？删幊炭刂破骷捌溆嘘P(guān)外部設(shè)備，都按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)連成一個(gè)整體、易于擴(kuò)充其功能的原則設(shè)計(jì)。 由上述定義可見， PLC 是工業(yè)專用計(jì)算機(jī) ，這種計(jì)算機(jī)采用面向用戶的指令，因而編程方便。它能完成“邏輯運(yùn)算、順 序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)操作”，還具有“數(shù)字量 ,模擬量輸入 /輸出控制”的能力。并且容易與“工業(yè)控制系統(tǒng)連為一體”，易于擴(kuò)充。因而可以說 PLC 是近乎理想的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)。 PLC 的分類及特點(diǎn) PLC 的分類 目前，可編程控制器 (PLC)產(chǎn)品種類很多，型號(hào)和規(guī)格也不統(tǒng)一。通常只能按照其用途、功能、結(jié)構(gòu)、點(diǎn)數(shù)等進(jìn)行大致分類。 （ 1）按點(diǎn)數(shù)和功能分類 可編程控制器用于對(duì)外部設(shè)備的控制，外部信號(hào)的輸入及 PLC 運(yùn)算結(jié)果的輸出都要通過 PLC 輸入，輸出端子來進(jìn)行接線，輸入輸出端子的數(shù)目之和被稱作 PLC 的 輸入，輸出點(diǎn)數(shù)，簡(jiǎn)稱 I/O 點(diǎn)數(shù)。 為滿足不同控制系統(tǒng)處理信息量的需求， PLC具有不同的 I/O 點(diǎn)數(shù)、用戶程序存儲(chǔ)量和控制功能。由 I/O 點(diǎn)數(shù)的多少可將 PLC 分成小型，中型和大型。 小型 PLC 的 I/O 點(diǎn)數(shù)小于 256 點(diǎn)，以開關(guān)量控制為主，具有體積小，價(jià)格低的優(yōu)點(diǎn)。 8 適合小型設(shè)備的控制。 中型 PLC 的 I/O 點(diǎn)數(shù)在 256— 1024 之間，功能比較豐富，兼有開關(guān)量和模擬量的控制能力，適用于較復(fù)雜的邏輯控制和閉環(huán)過程控制。 大型 PLC 的 I/O 點(diǎn)數(shù)在 1024 點(diǎn)以上，用于大規(guī)模過程控制，集散式控制和工廠自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)。 各廠家可編程控 制器產(chǎn)品的自我定義的大、中、小各有不同。如有的廠家建議小型PLC 為 512 點(diǎn)一下，中型 PLC 為 512— 2048 點(diǎn)，大型 PLC 在 2048 點(diǎn)以上。 （ 2） 按結(jié)構(gòu)形式分類 根據(jù)結(jié)構(gòu)形式不同，可編程邏輯控制器可分為整體式和模塊式結(jié)構(gòu)兩大類。 小型 PLC 一般采用整體式結(jié)構(gòu)，即將所有電路安裝于 1 個(gè)箱內(nèi)為基本單元，另外可以通過并行接口電路連接 I/O 擴(kuò)展單元。 中型以上 PLC 多采用模塊式，不同功能的模塊，可以組成不同用途的 PLC，適用于不同要求的控制系統(tǒng)。 （ 3） 按用途分類 根據(jù)可 編程控制器的用途， PLC 可分為通用性和專用型兩大類。 通用型 PLC 作為標(biāo)準(zhǔn)裝置，可供各類工業(yè)控制系統(tǒng)選用。 專用型 PLC 是專門為某類控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的，由于其專用，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更為合理，控制性能更完善。 隨著可編程控制器應(yīng)用的逐步普及，專為家庭自動(dòng)化設(shè)計(jì)的超小型 PLC 也正在形成家用微型系列。 PLC 的特點(diǎn) PLC 能如此迅速發(fā)展，除了工業(yè)自動(dòng)化的客觀需求外，還因?yàn)樗哂性S多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。他較好得解決了工業(yè)控制領(lǐng)域中普遍關(guān)心的可靠、安全、靈活、方便、經(jīng)濟(jì)等問題。以下是其主要特點(diǎn) :（ 1） 可靠性高、抗干擾能力強(qiáng) 。（ 2）編程簡(jiǎn)單使用方便 。（ 3）接線簡(jiǎn)單通用性好 。（ 4）可連接為控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng) 。（ 5）維修工作量小，維修方便 。（ 6）體積小、耗能低。 （ 1） 硬件的可靠及抗干擾能力 可編程控制是以微處理器為基礎(chǔ)，綜合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制系統(tǒng)和通信技術(shù)發(fā)展起來的一種通用的工業(yè)自動(dòng)控制裝置。它具有體積小、功能強(qiáng)、靈活通用與維修方便 9 等一系列的優(yōu)點(diǎn)。特別是它的高可靠性和較強(qiáng)的適應(yīng)惡劣環(huán)境的能力，受到用戶的青睞。因而在冶金、化工、交通、電力等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用，成為了現(xiàn)代工業(yè)的三大支柱之一。一個(gè)設(shè)計(jì)良好的 PLC 能用于有很強(qiáng)的電噪聲、電磁干擾、機(jī)械振動(dòng)、極端溫度和濕度很大的環(huán)境中。 PLC 的硬件系統(tǒng)由主機(jī)系統(tǒng)、輸入輸出擴(kuò)展部件及外部設(shè)備組成。各部分之間通過內(nèi)部系統(tǒng)總線進(jìn)行連接。 CPU 是 PLC 的核心部分，由它實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)內(nèi)部各部分的工作，它的運(yùn)行是按照系統(tǒng)程序所賦予的任務(wù)進(jìn)行的。 PLC 的對(duì)外功能主要是通過各類接口模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)設(shè)備和生產(chǎn)過程的檢測(cè)和控制。 PLC 的電源一般采用開關(guān)電源，其特點(diǎn)是輸入電壓范圍寬、體積小、質(zhì)量輕、效率高、抗干擾性能好。一旦某模塊出現(xiàn)故障，進(jìn)行在線插拔、調(diào)試時(shí)不會(huì)影響各機(jī)的正常 運(yùn)行。 （ 2） 編程簡(jiǎn)單，使用方便 用微機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，常使用匯編語言編程，難于掌握，要求使用者具有一定水平的計(jì)算機(jī)硬件和軟件知識(shí)。 PLC 采用面向控制過程、面向問題的 “ 自然語言 ” 編程，容易掌握。例如，目前大多數(shù) PLC 均采用的梯形圖語言編程方式，既繼承了傳統(tǒng)控制線路的清晰直觀感，又顧及了大多數(shù)電氣技術(shù)人員的讀圖習(xí)慣及應(yīng)用微機(jī)的水平很容易被電氣技術(shù)人員所接受，易于編程，程序改變時(shí)也容易修改，很靈活方便。 （ 3） 接線簡(jiǎn)單，通用性好 PLC 的接線只需將輸入信號(hào)的設(shè)備（按鈕、開關(guān)等）與 PLC輸入端子連接，將接受輸出信號(hào)執(zhí)行控制任務(wù)的執(zhí)行元件（接觸器、電磁閥等）與 PLC輸出端子連接。接線簡(jiǎn)單、工作最少，省去了傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)接線和拆線的麻煩。 PLC 的編程邏輯提供了能隨要求而改變的 “ 接線網(wǎng)絡(luò) ” ，這樣生產(chǎn)線的自動(dòng)化過程就能隨意改變。這種性能使 PLC 具有很高的經(jīng)濟(jì)效益。 用于連接現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的硬件接口實(shí)際上是 PLC 的組成部分，模塊化的自診斷接口電路能指出故障，并易于排除故障與替換故障部件，這樣的軟硬件設(shè)計(jì)就使現(xiàn)場(chǎng)電氣人員與技術(shù)人員易于使用 。 （ 4） 可連接為控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng) PLC 可連成功能很強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)可分為兩類：一類是低速網(wǎng)絡(luò)，采用主從方式通信，傳輸速率從幾千波特到上萬波特，傳輸距離為 500— 2500m；另一類為高速網(wǎng)絡(luò)， 10 采用令牌傳送方式通信，傳輸速率為 1M— 10Mbps，傳輸距離為 500— 1000m，網(wǎng)上結(jié)點(diǎn)可達(dá) 1024 個(gè)。這兩類網(wǎng)絡(luò)可以級(jí)連，網(wǎng)上可兼容不同類型的可編程控制器和計(jì)算機(jī)，從而組成控制范圍很大的局部網(wǎng)絡(luò) 。 （ 5） 易于安裝，便于維護(hù) PLC 安裝簡(jiǎn)單而且功能有效，其相對(duì)小的體積使之能安裝在通常繼電器控制箱所需空間的一半的地方，在從繼電 器系統(tǒng)改換到 PLC 系統(tǒng)的情況下， PLC小型模塊結(jié)構(gòu)使之能安裝在繼電器附近并將連線向已有接線端，其實(shí)改換很方便，只要將輸入 /輸出設(shè)備連向接線端即可。 在大型安裝中，長距離輸入 /輸出站點(diǎn)安放在最優(yōu)地點(diǎn)。長距離站通過同軸電纜雙扭線連向 CPU，這種配置大大減少了物料和勞力，長距離子系統(tǒng)方法也意味著系統(tǒng)不同部分可在到達(dá)安裝場(chǎng)地前由 PLC 制造商預(yù)先連好線，這一方法大大減少了電氣技術(shù)人員的現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)間。 從一開始， PLC 便以易維護(hù)作為設(shè)計(jì)目標(biāo)。由于幾乎所有器件都是固態(tài)的，維護(hù)時(shí)只需更換模塊級(jí)插入式部件，故障檢測(cè)電路將診斷 指示器嵌在每一部件中，就能指示是否正常工作，借助于編程設(shè)備可見輸入 /輸出是 ON 還是 OFF，還可寫編程指令來報(bào)告故障。 PLC 的這些及其它特性使之成為任何一個(gè)控制系統(tǒng)的有益部分。一旦安裝后，其作用立即顯現(xiàn)，其收益也馬上實(shí)現(xiàn)，向其他智能設(shè)備一樣 ,PLC 的潛在優(yōu)點(diǎn)還取決于應(yīng)用時(shí)的創(chuàng)造性。 PLC 的工作原理 PLC 具有微機(jī)的許多特點(diǎn)，但它的工作方式卻與微機(jī)有很大不同。微機(jī)一般采用等待命令的工作方式。 PLC 則采用循環(huán)掃描工作方式。在 PLC中，用戶程序按先后順序存放， CPU 從第一條指令開始執(zhí)行程序，直至遇到結(jié)束 符后又返回第一條。如此周而復(fù)始不斷循環(huán)。每一個(gè)循環(huán)稱為一個(gè)掃描周期。 所謂 I/O 刷新即對(duì) PLC 的輸入進(jìn)行一次讀取，將輸入端各變量的狀態(tài)重新讀入 PLC中存入內(nèi)部寄存器，同時(shí)將新的運(yùn)算結(jié)果送到輸出端。這實(shí)際是將輸入、輸出狀態(tài)的寄存器內(nèi)容進(jìn)行了一次更新，故稱為 “I （輸入） /O(輸出 ) 刷新 ” 。 由此可見，若輸入變量在 I/O 刷新期間狀態(tài)發(fā)生變化，則本次掃描期間輸出端也會(huì) 11 相應(yīng)的發(fā)生變化，或者說輸出輸入產(chǎn)生了響應(yīng)。反之，若在本次 I/O刷新之后，輸入變量才發(fā)生變化，則本次掃描輸出不變，即不響應(yīng)，而要到下一次掃描期間輸出 才會(huì)產(chǎn)生響應(yīng)。由于 PLC 采用循環(huán)掃描的工作方式，所以它的輸出對(duì)輸入的響應(yīng)速度要受掃描周期的影響。掃描周期的長短主要取決于這幾個(gè)因數(shù)：一是 CPU 執(zhí)行指令的速度，二是每條指令占用的時(shí)間，三是指令條數(shù)的多少，即程序的長短。 對(duì)于慢速控制系統(tǒng)，響應(yīng)速度常常不是主要的，故這種方式不但沒有壞處反而可以增強(qiáng)系統(tǒng)抗干擾能力。因?yàn)楦蓴_常是脈沖式的、短時(shí)的，而由于系統(tǒng)響應(yīng)較慢，常常要幾個(gè)掃描周期才響應(yīng)一次，而多次掃描后，瞬間干擾所引起的誤動(dòng)作將會(huì)大大減少，故增加了抗干擾能力。 但對(duì)控制時(shí)間要求較嚴(yán)格、響應(yīng)速度要求較快的系統(tǒng)，這 一問題就需慎重考慮。應(yīng)對(duì)響應(yīng)時(shí)做出精確的計(jì)算，精心編排程序，合理安排指令的順序，以盡可能減少周期造成的響應(yīng)延時(shí)等的不良影響。 PLC的編程語言 PLC 為用戶提供了完整的編程語言，以適應(yīng)編制用戶程序的需要。 PLC 提供的編程語言通常有以下幾種：梯形圖、指令表、功能圖和功能塊圖。 （ 1） 梯形圖 (LAD) 梯形圖 (LAD)編程語言是從繼電器控制系統(tǒng)原理圖的基礎(chǔ)上演變而來的。 PLC梯形圖與繼電器控制系統(tǒng)的基本思想是一致的，只是在使用符號(hào)和表達(dá)方式上有一定區(qū)別。梯形圖的一個(gè)關(guān)鍵概念是“能流” (Power Flow)。如果有“能流”從左至右流向線圈，則線圈被激勵(lì)。如沒有，則線圈未被激勵(lì)?！澳芰鳌币酝ㄟ^被激勵(lì) (ON)的常開接點(diǎn)和未被激勵(lì) (OFF)的常閉接點(diǎn)自左向右流。“能流”在任何時(shí)候都不會(huì)通過接點(diǎn)自右向左流。 在梯形圖中，觸點(diǎn)代表邏輯“輸入”條件，如開關(guān)、按鈕、內(nèi)部條件等；線圈通常代表邏輯“輸出”結(jié)果，如燈、電機(jī)接觸器、中間繼電器等。對(duì) S7— 200 的 PLC來說，還有一種輸出“盒”，它代表附加的指令，如定時(shí)器、計(jì)