【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 計(jì)數(shù)等順序控 制功能，只是用來(lái)取代傳統(tǒng)的繼電器控制 ,通常稱為可編程邏輯控制器（ Programmable Logic Controller ）。隨著 微電子 技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展， 20 世紀(jì) 70 年代中期微處理器技術(shù)應(yīng)用到 PLC 中，使 PLC 不僅具有邏輯控制功能，還增加了算術(shù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送和數(shù)據(jù)處理等功能。 20 世紀(jì) 80 年代以后，隨著大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路等微電子技術(shù)的迅速發(fā)展， 16 位和 32 位微處理器應(yīng)用于 PLC 中，使 PLC 得到 迅速發(fā)展。 PLC 不僅控制功能增強(qiáng)，同時(shí)可靠性提高，功耗、體積減小，成本降低，編程和故障檢測(cè)更加靈活方便，而且具有通信和聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)處理和圖象顯示等功能，使 PLC 真正成為具有邏輯控制、過(guò)程控制、運(yùn)動(dòng)控制、數(shù)據(jù)處理、聯(lián)網(wǎng)通信等功能的名符其實(shí)的多功能控制器。 PLC 的發(fā)展過(guò)程大致可以分為如下幾個(gè)階段： 1970— 1980 年： PLC 的結(jié)構(gòu)定型階段。在這一階段，由于 PLC 剛誕生，各種類型的順序控制器不斷出現(xiàn)（如邏輯電路型、 1位機(jī)型、通用計(jì)算機(jī)型、單板機(jī)型等），但迅速被淘汰。最終以微處理器為核心的現(xiàn)有 PLC結(jié)構(gòu)形成，取得 了市場(chǎng)的認(rèn)可，得以迅速發(fā)展 .推廣。 PLC 的原理、結(jié)構(gòu)、軟件、硬件趨向統(tǒng)一與成熟， PLC 的應(yīng)用領(lǐng)域由最初的小范圍、有選擇使用、逐步向機(jī)床、生產(chǎn)線擴(kuò)展。 1980— 1990 年： PLC 的普及階段。在這一階段， PLC 的生產(chǎn)規(guī)模日益擴(kuò)大，價(jià)格不斷下降， PLC 被迅速普及。各 PLC生產(chǎn)廠家產(chǎn)品的價(jià)格 .品種開(kāi)始系列化，并且形成了固定 I/O 點(diǎn)型、基本單元加擴(kuò)展塊型、模塊化結(jié)構(gòu)型這三種延續(xù)至今的基本結(jié)構(gòu)模型。 PLC 的應(yīng)用范圍開(kāi)始向順序控制的全部領(lǐng)域擴(kuò)展。比如三菱公司本階段的主要產(chǎn)品有 小型 PLC 系列產(chǎn)品 ,K/A 系列 中、大型 PLC 產(chǎn)品等。 1990— 2020 年， PLC 的高性能與小型化階段。在這一階段，隨著微電子技術(shù)的進(jìn)步， PLC的功能日益增強(qiáng)， PLC 的 CPU 運(yùn)算速度大幅度上升、位數(shù)不斷增加，使得適用于各種特殊控制的功能模塊不斷被開(kāi)發(fā)， PLC的應(yīng)用范圍由單一的順序控制向現(xiàn)場(chǎng)控制拓展。此外， PLC 的體積大幅度縮小，出現(xiàn)了各類微型化 PLC。三菱公司本階段的主要產(chǎn)品有 FX 小型 PLC 系列產(chǎn)品， AIS/A2US/Q2A 系列中，大太原科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 型 PLC 系列產(chǎn)品等。 2020 年至今： PLC 的高性能與網(wǎng)絡(luò)化階段。在本階段，為了適應(yīng)信息技術(shù)的發(fā)展與工廠 自動(dòng)化的需要， PLC 的各種功能不斷進(jìn)步。一方面， PLC 在繼續(xù)提高CPU 運(yùn)算速度，位數(shù)的同時(shí)，開(kāi)發(fā)了適用于過(guò)程控制，運(yùn)動(dòng)控制的特殊功能與模塊，使 PLC 的應(yīng)用范圍開(kāi)始涉及工業(yè)自動(dòng)化的全部領(lǐng)域。與此同時(shí)， PLC的網(wǎng)絡(luò)與通信功能得到迅速發(fā)展， PLC 不僅可以連接傳統(tǒng)的編程與通入 /輸出設(shè)備，還可以通過(guò)各種總線構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，為工廠自動(dòng)化奠定了基礎(chǔ)。三菱公司本階段的主要產(chǎn)品有 FX 小型 PLC 系列產(chǎn)品（包括最新的 FX3u 系列產(chǎn)品）， Qn,QnPH 系列中，大型 PLC 系列產(chǎn)品等。 PLC 的發(fā)展趨勢(shì) 從當(dāng)前產(chǎn)品技術(shù)性能來(lái)看， PLC發(fā)展趨勢(shì)仍然主要體現(xiàn)在體積的縮小與性能的提高兩大方面。 (1)體積小型化。 電子產(chǎn)品體積的小型化是微電子技術(shù)發(fā)展的必然結(jié)果?，F(xiàn)代 PLC無(wú)論從內(nèi)部元件組成還是硬件、軟件結(jié)構(gòu)都已經(jīng)與早期的 PLC 有了很大的不同， PLC體積被大幅度縮小。 (2)性能的提高。 PLC 的性能主要包括 CPU 性能與 I/O 性能兩大方面。 可編程序控制器在我國(guó)的發(fā)展 狀況如下： ○ 1 我國(guó)可編程序控制器的發(fā)展與國(guó)際上的發(fā)展有所不同，國(guó)際上可編程序控制器的發(fā)展是從研制、開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)到應(yīng)用，而我國(guó)則是從成套設(shè)備引進(jìn)、可 編程序控制器引進(jìn)應(yīng)用、消化移植、合資生產(chǎn)到廣泛應(yīng)用。大致可劃分為下述三個(gè)階段： A． 可編程序控制器的初級(jí)認(rèn)識(shí)階段（ 70 年代后期到 80 年代初期）國(guó)際上可編程序控制器的發(fā)展，首先引起了國(guó)內(nèi)工程技術(shù)界的極大興趣，所以我國(guó)對(duì)可編程序控制器的認(rèn)識(shí)始于 70 年代后期到 80 年代初期的成套設(shè)備引進(jìn)中，當(dāng)時(shí)的上海寶鋼一期工程中有多項(xiàng)工程引進(jìn)了十幾種機(jī)型約 200 多臺(tái)可編程序控制器。這些可編程序控制器用于原料碼頭到高爐、軋鋼、鋼管等整個(gè)鋼鐵冶煉以及加工生產(chǎn)線上，取代了傳統(tǒng)的繼電器邏輯系統(tǒng)，并部分取代了模擬量控制 和小型 太原科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 DDC 系統(tǒng)。繼寶鋼一期工程后，國(guó)內(nèi)許多廠家陸續(xù)引進(jìn)的設(shè)備和生產(chǎn)線大都配備了可編程序控制器，其應(yīng)用范圍包括電站、石油化工、汽車制造、港口和碼頭等各領(lǐng)域。正是在成套設(shè)備引進(jìn)過(guò)程中，我們打開(kāi)了眼界，了解認(rèn)識(shí)了可編程序控制器，這也促進(jìn)了可編程序控制器在我國(guó)的發(fā)展。 B． 可編程序控制器的引進(jìn)應(yīng)用和消化移植階段（ 80 年代初期到 90 年代初期） 80年代初期開(kāi)始，隨著我國(guó)改革開(kāi)放的不斷深入，在成套設(shè)備引進(jìn)的同時(shí)，國(guó)外原裝的可編程序控制器開(kāi)始涌入國(guó)內(nèi)市場(chǎng)。許多部門和單位相繼引進(jìn)可編程序控制器并自己設(shè)計(jì)組成控制系統(tǒng)， 其應(yīng)用范圍也擴(kuò)大到建材、輕工、煤炭、水處理、食品、制藥、造紙、橡膠和精細(xì)化工等工業(yè)領(lǐng)域。 （ 90 年代初期到現(xiàn)在） 進(jìn)入 90 年代，我國(guó)的可編程序控制器進(jìn)入了廣泛發(fā)展階段，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： ○ 2 政府重視 可編程序控制器的發(fā)展得到了政府的高度重視，在當(dāng)時(shí)機(jī)械電子工業(yè)部的領(lǐng)導(dǎo)下，于 1991 年成立了可編程序控制器行業(yè)協(xié)會(huì)?？删幊绦蚩刂破餍袠I(yè)協(xié)會(huì)在政府和企事業(yè)之間起到了橋梁作用，溝通了情況，為做出決策提供了依據(jù)。同時(shí)可編程序控制器的標(biāo)準(zhǔn)化工作也受 到了有關(guān)部門的重視，于 1993 年成立了可編程序控制器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)，為我國(guó)可編程序控制器的進(jìn)一步發(fā)展打下了基礎(chǔ)。 PLC 的應(yīng)用 (1)PLC 的應(yīng)用領(lǐng)域 PLC 的初期由于其價(jià)格高于繼電器控制裝置，使得其應(yīng)用受到限制。但最近十多年來(lái)， PLC 的應(yīng)用面越來(lái)越廣，其主要原因是：一方面由于微處理器芯片幾有關(guān)元件的價(jià)格大大下降，使得 PLC的成本下降；另一方面 PLC 的功能大大增強(qiáng)，它也能解決復(fù)雜的計(jì)算和通信問(wèn)題。目前 PLC在國(guó)內(nèi)外已廣泛應(yīng)用于鋼鐵、采礦、水泥、 石油 、化工、 電力 、 機(jī)械制造 、汽車、裝卸、造紙、紡織、環(huán)保和娛樂(lè)等行業(yè)。 PLC 的應(yīng)用范圍通?？煞殖梢韵?5 種類型： ○1順序控制 這是 PLC 應(yīng)用最廣泛的領(lǐng)域，也是最適合 PLC 使用的領(lǐng)域。它用來(lái)取代傳統(tǒng)的 繼電器順序控制。 PLC 應(yīng) 用于單機(jī)控制、多機(jī)群控、生產(chǎn)自動(dòng)線控制等。例如：注塑機(jī)械、印刷機(jī)械、包裝機(jī)械、切紙機(jī)械、組合機(jī)床、磨太原科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 床、裝配生產(chǎn)線、電鍍流水線及電梯控制等。 ○2運(yùn)動(dòng)控制 PLC 制造商目前已提供了拖動(dòng)步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)的單軸或多軸位置控制模塊，在多數(shù)情況下， PLC 把描述目標(biāo)位置的數(shù)據(jù)送給模塊，其輸出移動(dòng)一軸或數(shù)據(jù)到目標(biāo)位置。每個(gè)軸移動(dòng)時(shí)，位置控制模塊保持適當(dāng)?shù)奈恢煤图铀俣?，確保運(yùn)動(dòng)平滑。 ○3過(guò)程控制 PLC 還能控制大量的過(guò)程參數(shù)，例如：溫度、流量、壓力、液位和速度 。 PID 模塊提供了使 PLC 具有閉環(huán)控制的功能，即一個(gè)具有 PID控制能力的 PLC 可用于過(guò)程控制。當(dāng)過(guò)程控制中某個(gè)變量出現(xiàn)偏差時(shí)， PID控制算法會(huì)計(jì)算出正確的輸出，把變量保持在設(shè)定植上。 ○4數(shù)據(jù)處理 在機(jī)械加工中， PLC 作為主要的控制和管理系統(tǒng)用于 CNC 和 NC系統(tǒng)中，可以完成大量的數(shù)據(jù)處理工作。 ○5通信網(wǎng)絡(luò) PLC 的通信包括主機(jī)與遠(yuǎn)程 I/O 之間的通信、多臺(tái) PLC 之間的通信、 PLC 和其他智能控制設(shè)備（如計(jì)算機(jī)、變頻器、數(shù)控裝置）之間的通信。PLC 與其他智 能控制設(shè)備一起，可以組成 “ 集中管理、分散控制 ” 的分布式控制系統(tǒng)。 (2) PLC 在我國(guó)的應(yīng)用 雖然我國(guó)在 PLC 生產(chǎn)方面比較弱，但在 PLC 應(yīng)用方面，我國(guó)是很活躍的，近年來(lái)每年約新投入 10 萬(wàn)臺(tái)套 PLC產(chǎn)品，年銷售額 30 多億人民幣，應(yīng)用的行業(yè)也很廣。 在我國(guó)，一般按 I/O 點(diǎn)數(shù)將 PLC 分為以下級(jí)別（但不絕對(duì)，國(guó)外分類有些區(qū)別）： 微型： 32 I/O 小型： 256 I/O 中型： 1024 I/O 大型： 4096 I/O 巨型： 8192 I/O 在我國(guó)應(yīng)用的 PLC 系統(tǒng)中， I/O64 點(diǎn)以下 PLC銷售額占整個(gè) PLC 的 47%， 64點(diǎn) ~256 點(diǎn)的占 31%，合計(jì)占整個(gè) PLC 銷售額的 78%。 太原科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 PLC的硬件結(jié)構(gòu) PLC 實(shí)質(zhì)是一種專用于工業(yè)控制的計(jì)算機(jī)其硬件結(jié)構(gòu)基本上與微型計(jì)算機(jī)從結(jié)構(gòu)上分， PLC分為固定式和組合式（模塊式）兩種。固定式 PLC 包括 CPU 板、I/O 板、顯示面板、內(nèi)存塊、電源等，這些元素組合成一個(gè)不可拆卸的整體。模塊式 PLC 包括 CPU 模塊、 I/O 模塊、內(nèi)存、電源模塊、底板或機(jī)架，這些模塊可以按照一定規(guī)則組合配置。 其結(jié)構(gòu)如圖 。 圖 PLC的結(jié)構(gòu)圖 中央處理單元 (CPU)是 PLC 的控制中樞，它按 照 PLC 系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存儲(chǔ)從編程器鍵入的用戶程序和數(shù)據(jù)、檢查電源、存儲(chǔ)器 I/O 以及警戒定時(shí)器的狀態(tài)；并能診斷用戶程序中的語(yǔ)法錯(cuò)誤。當(dāng) PLC 投入運(yùn)行時(shí)，首先它以掃描的方式接收現(xiàn)場(chǎng)各輸入裝置的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并分別存入 I/O 映象區(qū)，然后從用戶程序存儲(chǔ)器中逐條讀取用戶程序，經(jīng)過(guò)命令解釋后，按指令的規(guī)定執(zhí)行邏輯或算數(shù)運(yùn)算的結(jié)果送入 I/O 映象區(qū)或數(shù)據(jù)寄存器內(nèi)，等所有的用戶程序執(zhí)行完畢之后，最后將 I/O 映象區(qū)的各輸出狀態(tài)或輸出寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)傳送到相應(yīng)的輸出裝置，如此循環(huán)運(yùn)行直到停止運(yùn)行。 太原科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 PLC的工作原理 PLC 的 CPU 則采用順序邏輯掃描用戶程序的運(yùn)行方式，即如果一個(gè)輸出線圈或邏輯線圈被接通或斷開(kāi)，該線圈的所有觸點(diǎn) (包括其常開(kāi)或常閉觸點(diǎn) )不會(huì)立即動(dòng)作，必須等掃描到該觸點(diǎn)時(shí)才會(huì)動(dòng)作。 考慮到繼電器控制裝置各類觸點(diǎn)的動(dòng)作時(shí)間一般在 100ms 以上，而 PLC 掃描用戶程序的時(shí)間一般均小于 100ms，因此， PLC 采用了一種不同于一般微型計(jì)算機(jī)的運(yùn)行方式 掃描技術(shù)。這樣在對(duì)于 I/O 響應(yīng)要求不高的場(chǎng)合， PLC 與繼電器控制裝置的處理結(jié)果上就沒(méi)有什么區(qū)別了。 當(dāng) PLC 投入運(yùn)行后，其工作過(guò)程一般分為三個(gè)階段，即輸入 采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新三個(gè)階段。完成上述三個(gè)階段稱作一個(gè)掃描周期。在整個(gè)運(yùn)行期間， PLC 的 CPU 以一定的掃描速度重復(fù)執(zhí)行上述三個(gè)階段。 輸入采樣階段 在輸入采樣階段， PLC 以掃描方式依次地讀入所有輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并將它們存入 I/O 映象區(qū)中的相應(yīng)得單元內(nèi)。輸入采樣結(jié)束后，轉(zhuǎn)入用戶程序執(zhí)行和輸出刷新階段。在這兩個(gè)階段中，即使輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)發(fā)生變化， I/O映象區(qū)中的相應(yīng)單元的狀態(tài)和數(shù)據(jù)也不會(huì)改變。因此，如果輸入是脈沖信號(hào)，則該脈沖信號(hào)的寬度必須大于一個(gè)掃描周期，才能保證在任何情況下，該輸入均能被讀 入。 用戶程序執(zhí)行階段 在用戶程序執(zhí)行階段， PLC 總是按由上而下的順序依次地掃描用戶程序 (梯形圖 )。在掃描每一條梯形圖時(shí)，又總是先掃描梯形圖左邊的由各觸點(diǎn)構(gòu)成的控制線路，并按先左后右、先上后下的順序?qū)τ捎|點(diǎn)構(gòu)成的控制線路進(jìn)行邏輯運(yùn)算，然后根據(jù)邏輯運(yùn)算的結(jié)果，刷新該邏輯線圈在系統(tǒng) RAM 存儲(chǔ)區(qū)中對(duì)應(yīng)位的狀態(tài)；或者刷新該輸出線圈在 I/O 映象區(qū)中對(duì)應(yīng)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。 輸出刷新階段 當(dāng)掃描用戶程序結(jié)束后， PLC 就進(jìn)入輸出刷新階段。在此期間， CPU 按照 I/O映象區(qū)內(nèi)對(duì)應(yīng)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)刷新所有的輸出鎖存電路，再經(jīng)輸出電路驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的外設(shè)。 太原科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 PLC 的掃描工作過(guò)程如圖 、圖 圖 PLC 的掃描工作過(guò)程圖 圖 PLC的掃描周期圖 PLC的特點(diǎn) 可靠性高，抗干擾能力強(qiáng) 高可靠性是電氣控制設(shè)備的關(guān)鍵性能。 PLC 由 于采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術(shù)，采用嚴(yán)格的生產(chǎn)工藝制造，內(nèi)部電路采取了先進(jìn)的抗干擾技術(shù)，具有很高的可靠性。例如三菱公司生產(chǎn)的 F 系列 PLC 平均無(wú)故障時(shí)間高達(dá) 30 萬(wàn)小時(shí)。一些使用冗余 CPU 的 PLC 的平均無(wú)故障工作時(shí)間則更長(zhǎng)。從 PLC 的機(jī)外電路來(lái)說(shuō)，使用 PLC 構(gòu)成控制系統(tǒng)，和同等規(guī)模的繼電接觸器系統(tǒng)相比，電氣接線及開(kāi)關(guān)接點(diǎn)已減少到數(shù)百甚至數(shù)千分之一，故障也就大大降低。此外， PLC帶有硬件故障自我檢測(cè)功能，出現(xiàn)故障時(shí)可及時(shí)發(fā)出警報(bào)信息。在應(yīng)用軟件中，應(yīng)用者還可以編入外圍器件的故障自診斷程序，使系統(tǒng)中除 PLC 以外的電路及設(shè)備也獲得故障自診斷保護(hù)。這樣，整個(gè)系統(tǒng)具有極高的可靠性也就不奇怪了。 輸入刷新 程序執(zhí)行 輸出刷新 一 個(gè)掃描周期 輸入刷新 讀 用 戶 輸 出 設(shè) 備 輸 入 端 子 輸 入 鎖