【文章內容簡介】 計數等順序控 制功能，只是用來取代傳統(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 技術和計算機技術的發(fā)展， 20 世紀 70 年代中期微處理器技術應用到 PLC 中，使 PLC 不僅具有邏輯控制功能，還增加了算術運算、數據傳送和數據處理等功能。 20 世紀 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的迅速發(fā)展， 16 位和 32 位微處理器應用于 PLC 中，使 PLC 得到 迅速發(fā)展。 PLC 不僅控制功能增強，同時可靠性提高，功耗、體積減小，成本降低，編程和故障檢測更加靈活方便，而且具有通信和聯(lián)網、數據處理和圖象顯示等功能，使 PLC 真正成為具有邏輯控制、過程控制、運動控制、數據處理、聯(lián)網通信等功能的名符其實的多功能控制器。 PLC 的發(fā)展過程大致可以分為如下幾個階段： 1970— 1980 年： PLC 的結構定型階段。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位機型、通用計算機型、單板機型等），但迅速被淘汰。最終以微處理器為核心的現(xiàn)有 PLC結構形成，取得 了市場的認可，得以迅速發(fā)展 .推廣。 PLC 的原理、結構、軟件、硬件趨向統(tǒng)一與成熟， PLC 的應用領域由最初的小范圍、有選擇使用、逐步向機床、生產線擴展。 1980— 1990 年： PLC 的普及階段。在這一階段， PLC 的生產規(guī)模日益擴大，價格不斷下降， PLC 被迅速普及。各 PLC生產廠家產品的價格 .品種開始系列化，并且形成了固定 I/O 點型、基本單元加擴展塊型、模塊化結構型這三種延續(xù)至今的基本結構模型。 PLC 的應用范圍開始向順序控制的全部領域擴展。比如三菱公司本階段的主要產品有 小型 PLC 系列產品 ,K/A 系列 中、大型 PLC 產品等。 1990— 2020 年， PLC 的高性能與小型化階段。在這一階段，隨著微電子技術的進步， PLC的功能日益增強， PLC 的 CPU 運算速度大幅度上升、位數不斷增加，使得適用于各種特殊控制的功能模塊不斷被開發(fā)， PLC的應用范圍由單一的順序控制向現(xiàn)場控制拓展。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品有 FX 小型 PLC 系列產品， AIS/A2US/Q2A 系列中，大太原科技大學畢業(yè)設計（論文） 8 型 PLC 系列產品等。 2020 年至今： PLC 的高性能與網絡化階段。在本階段，為了適應信息技術的發(fā)展與工廠 自動化的需要， PLC 的各種功能不斷進步。一方面， PLC 在繼續(xù)提高CPU 運算速度，位數的同時，開發(fā)了適用于過程控制，運動控制的特殊功能與模塊，使 PLC 的應用范圍開始涉及工業(yè)自動化的全部領域。與此同時， PLC的網絡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 /輸出設備，還可以通過各種總線構成網絡，為工廠自動化奠定了基礎。三菱公司本階段的主要產品有 FX 小型 PLC 系列產品（包括最新的 FX3u 系列產品）， Qn,QnPH 系列中，大型 PLC 系列產品等。 PLC 的發(fā)展趨勢 從當前產品技術性能來看， PLC發(fā)展趨勢仍然主要體現(xiàn)在體積的縮小與性能的提高兩大方面。 (1)體積小型化。 電子產品體積的小型化是微電子技術發(fā)展的必然結果?，F(xiàn)代 PLC無論從內部元件組成還是硬件、軟件結構都已經與早期的 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的發(fā)展 狀況如下： ○ 1 我國可編程序控制器的發(fā)展與國際上的發(fā)展有所不同，國際上可編程序控制器的發(fā)展是從研制、開發(fā)、生產到應用，而我國則是從成套設備引進、可 編程序控制器引進應用、消化移植、合資生產到廣泛應用。大致可劃分為下述三個階段： A． 可編程序控制器的初級認識階段（ 70 年代后期到 80 年代初期）國際上可編程序控制器的發(fā)展，首先引起了國內工程技術界的極大興趣，所以我國對可編程序控制器的認識始于 70 年代后期到 80 年代初期的成套設備引進中，當時的上海寶鋼一期工程中有多項工程引進了十幾種機型約 200 多臺可編程序控制器。這些可編程序控制器用于原料碼頭到高爐、軋鋼、鋼管等整個鋼鐵冶煉以及加工生產線上，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 太原科技大學畢業(yè)設計（論文） 9 DDC 系統(tǒng)。繼寶鋼一期工程后，國內許多廠家陸續(xù)引進的設備和生產線大都配備了可編程序控制器，其應用范圍包括電站、石油化工、汽車制造、港口和碼頭等各領域。正是在成套設備引進過程中，我們打開了眼界，了解認識了可編程序控制器，這也促進了可編程序控制器在我國的發(fā)展。 B． 可編程序控制器的引進應用和消化移植階段（ 80 年代初期到 90 年代初期） 80年代初期開始，隨著我國改革開放的不斷深入，在成套設備引進的同時，國外原裝的可編程序控制器開始涌入國內市場。許多部門和單位相繼引進可編程序控制器并自己設計組成控制系統(tǒng)， 其應用范圍也擴大到建材、輕工、煤炭、水處理、食品、制藥、造紙、橡膠和精細化工等工業(yè)領域。 （ 90 年代初期到現(xiàn)在） 進入 90 年代，我國的可編程序控制器進入了廣泛發(fā)展階段，主要表現(xiàn)在以下幾個方面： ○ 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，在當時機械電子工業(yè)部的領導下，于 1991 年成立了可編程序控制器行業(yè)協(xié)會?？删幊绦蚩刂破餍袠I(yè)協(xié)會在政府和企事業(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。同時可編程序控制器的標準化工作也受 到了有關部門的重視，于 1993 年成立了可編程序控制器標準化技術委員會，為我國可編程序控制器的進一步發(fā)展打下了基礎。 PLC 的應用 (1)PLC 的應用領域 PLC 的初期由于其價格高于繼電器控制裝置，使得其應用受到限制。但最近十多年來， PLC 的應用面越來越廣，其主要原因是：一方面由于微處理器芯片幾有關元件的價格大大下降，使得 PLC的成本下降；另一方面 PLC 的功能大大增強，它也能解決復雜的計算和通信問題。目前 PLC在國內外已廣泛應用于鋼鐵、采礦、水泥、 石油 、化工、 電力 、 機械制造 、汽車、裝卸、造紙、紡織、環(huán)保和娛樂等行業(yè)。 PLC 的應用范圍通?？煞殖梢韵?5 種類型： ○1順序控制 這是 PLC 應用最廣泛的領域，也是最適合 PLC 使用的領域。它用來取代傳統(tǒng)的 繼電器順序控制。 PLC 應 用于單機控制、多機群控、生產自動線控制等。例如：注塑機械、印刷機械、包裝機械、切紙機械、組合機床、磨太原科技大學畢業(yè)設計（論文） 10 床、裝配生產線、電鍍流水線及電梯控制等。 ○2運動控制 PLC 制造商目前已提供了拖動步進電機或伺服電機的單軸或多軸位置控制模塊，在多數情況下， PLC 把描述目標位置的數據送給模塊，其輸出移動一軸或數據到目標位置。每個軸移動時，位置控制模塊保持適當的位置和加速度，確保運動平滑。 ○3過程控制 PLC 還能控制大量的過程參數，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，即一個具有 PID控制能力的 PLC 可用于過程控制。當過程控制中某個變量出現(xiàn)偏差時， PID控制算法會計算出正確的輸出，把變量保持在設定植上。 ○4數據處理 在機械加工中， PLC 作為主要的控制和管理系統(tǒng)用于 CNC 和 NC系統(tǒng)中，可以完成大量的數據處理工作。 ○5通信網絡 PLC 的通信包括主機與遠程 I/O 之間的通信、多臺 PLC 之間的通信、 PLC 和其他智能控制設備（如計算機、變頻器、數控裝置）之間的通信。PLC 與其他智 能控制設備一起，可以組成 “ 集中管理、分散控制 ” 的分布式控制系統(tǒng)。 (2) PLC 在我國的應用 雖然我國在 PLC 生產方面比較弱，但在 PLC 應用方面，我國是很活躍的，近年來每年約新投入 10 萬臺套 PLC產品，年銷售額 30 多億人民幣，應用的行業(yè)也很廣。 在我國，一般按 I/O 點數將 PLC 分為以下級別（但不絕對，國外分類有些區(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 在我國應用的 PLC 系統(tǒng)中， I/O64 點以下 PLC銷售額占整個 PLC 的 47%， 64點 ~256 點的占 31%，合計占整個 PLC 銷售額的 78%。 太原科技大學畢業(yè)設計（論文） 11 PLC的硬件結構 PLC 實質是一種專用于工業(yè)控制的計算機其硬件結構基本上與微型計算機從結構上分， 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、內存塊、電源等，這些元素組合成一個不可拆卸的整體。模塊式 PLC 包括 CPU 模塊、 I/O 模塊、內存、電源模塊、底板或機架，這些模塊可以按照一定規(guī)則組合配置。 其結構如圖 。 圖 PLC的結構圖 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從編程器鍵入的用戶程序和數據、檢查電源、存儲器 I/O 以及警戒定時器的狀態(tài)；并能診斷用戶程序中的語法錯誤。當 PLC 投入運行時，首先它以掃描的方式接收現(xiàn)場各輸入裝置的狀態(tài)和數據，并分別存入 I/O 映象區(qū)，然后從用戶程序存儲器中逐條讀取用戶程序，經過命令解釋后，按指令的規(guī)定執(zhí)行邏輯或算數運算的結果送入 I/O 映象區(qū)或數據寄存器內，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)或輸出寄存器內的數據傳送到相應的輸出裝置，如此循環(huán)運行直到停止運行。 太原科技大學畢業(yè)設計（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行方式，即如果一個輸出線圈或邏輯線圈被接通或斷開，該線圈的所有觸點 (包括其常開或常閉觸點 )不會立即動作，必須等掃描到該觸點時才會動作。 考慮到繼電器控制裝置各類觸點的動作時間一般在 100ms 以上，而 PLC 掃描用戶程序的時間一般均小于 100ms，因此， PLC 采用了一種不同于一般微型計算機的運行方式 掃描技術。這樣在對于 I/O 響應要求不高的場合， PLC 與繼電器控制裝置的處理結果上就沒有什么區(qū)別了。 當 PLC 投入運行后，其工作過程一般分為三個階段，即輸入 采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新三個階段。完成上述三個階段稱作一個掃描周期。在整個運行期間， PLC 的 CPU 以一定的掃描速度重復執(zhí)行上述三個階段。 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)和數據，并將它們存入 I/O 映象區(qū)中的相應得單元內。輸入采樣結束后，轉入用戶程序執(zhí)行和輸出刷新階段。在這兩個階段中，即使輸入狀態(tài)和數據發(fā)生變化， I/O映象區(qū)中的相應單元的狀態(tài)和數據也不會改變。因此，如果輸入是脈沖信號，則該脈沖信號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。 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，又總是先掃描梯形圖左邊的由各觸點構成的控制線路，并按先左后右、先上后下的順序對由觸點構成的控制線路進行邏輯運算，然后根據邏輯運算的結果，刷新該邏輯線圈在系統(tǒng) RAM 存儲區(qū)中對應位的狀態(tài)；或者刷新該輸出線圈在 I/O 映象區(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。 輸出刷新階段 當掃描用戶程序結束后， PLC 就進入輸出刷新階段。在此期間， CPU 按照 I/O映象區(qū)內對應的狀態(tài)和數據刷新所有的輸出鎖存電路，再經輸出電路驅動相應的外設。 太原科技大學畢業(yè)設計（論文） 13 PLC 的掃描工作過程如圖 、圖 圖 PLC 的掃描工作過程圖 圖 PLC的掃描周期圖 PLC的特點 可靠性高，抗干擾能力強 高可靠性是電氣控制設備的關鍵性能。 PLC 由 于采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術，采用嚴格的生產工藝制造，內部電路采取了先進的抗干擾技術，具有很高的可靠性。例如三菱公司生產的 F 系列 PLC 平均無故障時間高達 30 萬小時。一些使用冗余 CPU 的 PLC 的平均無故障工作時間則更長。從 PLC 的機外電路來說，使用 PLC 構成控制系統(tǒng)，和同等規(guī)模的繼電接觸器系統(tǒng)相比，電氣接線及開關接點已減少到數百甚至數千分之一，故障也就大大降低。此外， PLC帶有硬件故障自我檢測功能，出現(xiàn)故障時可及時發(fā)出警報信息。在應用軟件中，應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 以外的電路及設備也獲得故障自診斷保護。這樣，整個系統(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 個掃描周期 輸入刷新 讀 用 戶 輸 出 設 備 輸 入 端 子 輸 入 鎖