【文章內容簡介】 一是可靠性差，排除故障困難。繼電器控制系統(tǒng)是接觸控制，長期使用后機械性 觸點易損壞。如果某個繼電器損壞，甚至某一個繼電器中的某一對觸點接觸不良，都會影響整個系統(tǒng)的正常運行。查找和排除故障往往是非常困難的，有時可能會花費大量的時間。 二是靈活性差，總體成本較高。繼電器本身并不貴，但是控制柜內部的安裝、接線工作量極大，因此整個控制柜的價格是相當?shù)母?。如果工藝要求發(fā)生變化，控制柜內的元件和接線也需要作相應的變動。但是，這種改造的工期長、費用高，以至于有的用戶寧愿放棄舊的控制柜的改造，另外再制作一臺新的控制柜。 現(xiàn)代社會要求制造業(yè)對市場要求作出迅速的反應，生產(chǎn)出小批量、多品種、多規(guī)格、低成本和高質量的產(chǎn)品，傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)已經(jīng)成為實現(xiàn)這一目標的障礙。以汽車制造為例， 20 世紀 60 年代，汽車生產(chǎn)流水線的自動控制系統(tǒng)基本上都是由繼電器控制裝置構成的。 20 世紀 60 年代末期，美國的汽車制造業(yè)競爭激烈，各生產(chǎn)廠家的汽車型號不斷更新，它必然要求加工的生產(chǎn)線隨之改變，并對整個控制系統(tǒng)重新配置。隨著生產(chǎn)的發(fā)展，汽車型號更新的周期愈來愈短，這樣，繼電器控制裝置就需要經(jīng)常更新和安裝，十分費時、費工、費料，甚至阻礙了更新周期的縮短。為了改變這一情況，美國通用汽車公司（ GM）在 1968 年公開招標，要求用新的控 制裝置取代繼電器控制裝置，并提出了以下 10 項招標指標。 （ 1）編程方便，現(xiàn)場可修改程序。 （ 2）維修方便，采用模塊化結構。 （ 3）可靠性高于繼電器控制裝置。 （ 4）體積小于繼電器控制裝置。 （ 5）數(shù)據(jù)可直接送入管理計算機。 （ 6）成本可與繼電器控制裝置競爭。 （ 7）輸入可以為市電。 （ 8）輸出為市電，輸出電流在 2A 以上，能直接驅動電磁閥、接觸器等。 （ 9）在擴展時，原系統(tǒng)只需少量的變更。 常州 **職業(yè)技術學院 電子與電氣工程學院 畢業(yè)設計論文 4 （ 10）用戶程序存儲器容量至少能至少擴展到 10KB。 這就是著名的“ GM 十條 ”。這些要求實際上提出了將繼電器控制系統(tǒng)的簡 單易懂、使用方便的優(yōu)點與計算機的功能完善、靈活性和通用性好的優(yōu)點結合起來，將繼電器硬線邏輯控制轉變?yōu)橛嬎銠C的邏輯控制的設想。 1969 年，美國數(shù)字設備公司（ DEC）研制出第一臺 PLC，在美國通用汽車自動裝配線上試用，獲得了成功。這種新型的工業(yè)控制裝置以其簡單易懂，操作方便、可靠性高、通用靈活、體積小、使用壽命長等一系列優(yōu)點，很快地在美國其他工業(yè)領域得到了推廣應用。到 1971 年，已經(jīng)成功地應用于食品、飲料、冶金、造紙等工業(yè)。 這一新型工業(yè)控制裝置的出現(xiàn)，也受到了世界其他國家的高度重視。 1971 年日本從美國引進 了這項新技術，很快研制出了日本第一臺 PLC。 1973 年，西歐國家也研制出了它們的第一臺 PLC。我國從 1974 年開始研制，于 1977 年開始工業(yè)應用。 PLC 的定義與發(fā)展 PLC 的定義 PLC 問世以來，盡管時間不常，但發(fā)展迅速。為了使其生產(chǎn)與發(fā)展標準化，美國電氣制造商協(xié)會 NEMA 經(jīng)過 4 年的調查工作，于 1984 年首先將其正式命名為 PC，并作了以下定義： PC 是一個數(shù)字式的電子裝置，它使用了可編程序的記憶體存儲指令，用來執(zhí)行諸如邏輯、順序、計時、計數(shù)和演算等功能，并通過數(shù)字或類似的輸入 /輸出模塊，控制 各種機械或工作程序。一部數(shù)字電子計算機若是從事執(zhí)行 PC 功能，也被視為 PC，但不包括鼓式或類似的機械式順序控制器。 但是為了避免與個人計算機的簡稱混淆，通常還是將可編程控制器簡稱為 PLC。 以后國際電工委員會又先后發(fā)布了 PLC 標準的草案第一稿、第二稿，并在 1987 年2 月通過了對它的定義： PLC 是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境應用設計的。它采用一類可編程的存儲器，用于其內部存儲程序，執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計算機與算術操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入 /輸出控制各類機械或生產(chǎn)過程。 PLC 及其有關外部設備，都按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)聯(lián)成一個整體、易于擴充其功能的設計原則。 總之， PLC 是一臺專用計算機，它是專為工業(yè)環(huán)境應用而設計制造的計算機。它具有多輸入 /輸出接口，并且具有較強的驅動能力。但 PLC 產(chǎn)品并不針對某一具體工業(yè)應用，在實際應用時，其硬件需根據(jù)實際需要進行配置，其軟件需根據(jù)控制要求進行設計編制。 PLC 的發(fā)展階段 PLC 問世以來，隨著微處理器的出現(xiàn)，大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路技術的快速發(fā)展和數(shù)據(jù)通信技術的不斷進步， PLC 也迅速發(fā)展。其發(fā)展過程大致可分為以下 3 個階段。 （ 1） 早期的 PLC（ 20 世紀 60 年代末至 70 年代中期） 這時的 PLC 主要是作為繼電器控制裝置的替代物而出現(xiàn)的，其主要功能是執(zhí)行原先由繼電器完成黨的順序控制、定時等功能，將繼電器的“硬件線 ” 控制方式變?yōu)椤败浗泳€”方式。 早期的 PLC 在硬件上以準計算機的形式出現(xiàn)，在 I/O 接口電路上作了改進以適應工業(yè)控制現(xiàn)場的需求。裝置中的器件主要采用分立元件和中小規(guī)模集成電路，存儲器采用磁芯存儲器。另外還采取了一些措施，以提高其抗干擾的能力。 常州 **職業(yè)技術學院 電子與電氣工程學院 畢業(yè)設計論文 5 在軟件編程方面，采用了廣大電氣工程技術人員所熟悉的繼電器控制器接線方式，即梯形圖。因此，早期的 PLC 的 性能要優(yōu)于繼電器控制裝置，其優(yōu)點包括簡單易懂、便于安裝、體積小、能耗低、有故障顯示、能重復使用等。梯形圖作為 PLC 特有的編程語言一直沿用至今。 （ 2） 中期的 PLC（ 20 世紀 70 年代中期至 80 年代中、后期） 20 世紀 70 年代初期，出現(xiàn)了微處理器，由于其體積小、功能強、價格便宜，很快被用于 PLC。美國、日本、德國等一些產(chǎn)家先后開始采用微處理器作為 PLC 的中央處理單元，使 PLC 的功能增強、工作速度加快、體積減小、可靠性提高、成本下降。 在硬件方面，除了保持其原有的開關模塊外，中期的 PLC 增加了模擬量模塊、遠程的 I/O 模 塊、各種特殊功能模塊；擴大了存儲器的容量，增加了各種邏輯線圈的數(shù)量；還提供了一定數(shù)量的數(shù)據(jù)寄存器，使 PLC 應用范圍得以擴大。 在軟件方面，除了保持原有的邏輯運算、計時、計數(shù)等功能以外，中期的 PLC 還增加了算術運算、數(shù)據(jù)處理和傳送、通信、自診斷等功能，指令系統(tǒng)大為豐富，系統(tǒng)可靠性也得到了提高。 （ 3） 近期的 PLC（ 20 世紀 80 年代中、后期至今） 進入 20 世紀 80 年代中、后期，由于超大規(guī)模集成電路技術的迅猛發(fā)展，微處理器的市場價格大幅度下跌，使得各種類型的 PLC 所采用的微處理器的檔次普遍提高。而且，為了進一步提高 PLC 的處理速度，各制造商還紛紛研制開發(fā)了專用邏輯處理芯片。這樣使得 PLC 在軟、硬件功能上都發(fā)生了巨大變化。 現(xiàn)代 PLC 不僅能夠完全勝任對大量開關量信號的邏輯控制，還具有了很強的數(shù)學運算、數(shù)據(jù)處理、運動控制、 PID 控制等模擬信號處理能力。同時 PLC 的聯(lián)網(wǎng)通信能力大大增強，可以構成功能完善的分布式控制系統(tǒng)，實現(xiàn)工廠自動化管理。在發(fā)達的工業(yè)化國家，先代的 PLC 已經(jīng)廣泛應用于所有的部門。 PLC 的分類 目前， PLC 的種類很多，規(guī)格性能不一。對 PLC 的分類，通?？筛鶕?jù)它的結構形式、容易或功能進行。 按結構形 式的分類 按照硬件的結構形式， PLC 可分為以下 3 類。 （ 1）整體式 PLC：這種結構的 PLC 將電源、 CPU、輸入 /輸出部件等集中配置在一起，裝在一個箱體內，通常稱為主機。整體式結構的 PLC 具有結構緊湊、體積小、重量輕、價格較低等特點，但主機的 I/O 點數(shù)固定，使用上不太靈活。小型的 PLC 通常使用這種結構，適用于比較簡單的控制場合。 （ 2）模塊式 PLC：也稱為積木式結構，即把 PLC 的各組成部分以模塊的形式分開，如電源模塊、 CPU 模塊、輸入模塊、輸出模塊等，把這些模塊插在底板上，組裝在一個機架內。這種結構的 PLC 配 置靈活、裝配方便、便于擴展、但結構較復雜，價格較高。大型的 PLC 通常采用這種結構，適用于比較復雜的控制場合。 （ 3）疊裝式 PLC：這是一種新的結構形式，它吸收了整體式和模塊式 PLC 的優(yōu)點，如三菱公司的 FX2 系列 PLC，它的基本單元、擴展單元和擴展模塊等高等寬，但是長度不同，它們不用基板，僅用扁平電纜，緊密拼裝以后組成一個整齊的長方體，輸入、輸出點數(shù)的配置也相當?shù)撵`活。 按容量的分類 PLC 的容量主要是指其輸入 \輸出點數(shù)（端口數(shù)）。按容量大小，可將 PLC 分為以下 3 類： 常州 **職業(yè)技術學院 電子與電氣工程學院 畢業(yè)設計論文 6 小型 PLC： I/O 點數(shù)一般在 256 點 以下； 中型 PLC： I/O 點數(shù)一般在 2561024 點之間； 大型 PLC： I/O 點數(shù)在 1024 點以上。 按功能分類 按 PLC 功能上的強弱，可分為以下三類： （ 1） 低檔機：具有邏輯運算、計時、計數(shù)等功能，有的有一定的算術運算、數(shù)據(jù)處理和傳送功能，可實現(xiàn)邏輯、順序、計時計數(shù)等控制功能。 （ 2） 中檔機：除具有低檔機的功能以外，還具有較強的模擬量輸入 /輸出、算術運算、數(shù)據(jù)傳送等功能，可完成既有開關量又有模擬量的控制任務。 （ 3） 高檔機：除具有中檔機的功能外，還具有帶符號運算、矩陣運算等功能，使得運算能力更強，還 具有模擬量調節(jié)、強大的聯(lián)網(wǎng)通信等功能，能進行智能控制、運程控制、大規(guī)?？刂?，可構成分布式控制系統(tǒng)，實現(xiàn)工廠自動化管理。 當然，上述分類的標準不是固定的，而是隨 PLC 整體性能的提高在不斷變化。 PLC 特點 作為一種新型的工業(yè)自動控制裝置， PLC 具有以下一些特點。 高可靠性和強抗干擾能力 高可靠性和強抗干擾能力是 PLC 最突出的特點之一，主要表現(xiàn)如下。 ●用軟件代替?zhèn)鹘y(tǒng)繼電器控制系統(tǒng)中大量的中間繼電器和時間繼電器，僅剩下與輸入和輸出有關的少量器件，接線大大減少，因觸點接觸不良造成的故障大為減少。 ●所 有的 I/O 接口電路均采用光電隔離，使工業(yè)現(xiàn)場的外電路與 PLC 內部電路之間在電氣上隔離。 ●各輸入端均采用 RC 濾波器，并采用屏蔽措施。 ●采用性能良好的開關電源。 ●對采用的器件進行嚴格的選擇。 ●良好的自診斷功能，一旦電源或其他軟件、硬件發(fā)生異常情況， CPU 立即采用有效措施，以防止故障擴大。 ●大型的 PLC 還可以采用由雙 CPU 構成冗余系統(tǒng)或有 3 個 CPU 構成的表決系統(tǒng)，使可靠性更進一步增強。 因此， PLC 具有很高的可靠性和很強的抗干擾能力，平均無故障工作時間可達數(shù)萬小時?？梢灾苯佑糜谟袕娏业母蓴_的工業(yè)現(xiàn)場控制 并持續(xù)工作。 配套齊全，功能完善，適用性強 PLC 發(fā)展到今天，已經(jīng)形成了大、中、小各種規(guī)模的系列化產(chǎn)品?？梢杂糜诟鞣N規(guī)模的工業(yè)控制場合。除了邏輯處理功能以外，現(xiàn)代 PLC 大多具有完善的數(shù)據(jù)運算能力，可用于各種數(shù)字控制領域。近年來 PLC 的功能單元大量涌現(xiàn)，使 PLC 滲透到了位置控制、溫度控制、 CNC 等各種工業(yè)控制中。加上 PLC 通信能力的增強及人機界面技術的發(fā)展，使用 PLC 組成各種控制系統(tǒng)變得非常容易。 易學易用，深受工程技術人員歡迎 PLC 作為通用工業(yè)控制計算機，是面向工礦企業(yè)的工控設備。它接口容易 ，編程語言易于為工程技術人員接受。梯形圖語言的圖形符號與表達方式和繼電器電路圖相當接近，只用 PLC 的少量開關量邏輯控制指令就可以方便地實現(xiàn)繼電器電路的功能。為不熟悉電子電路、不懂計算機原理和匯編語言的人使用計算機從事工業(yè)控制打開了方便之門。 系統(tǒng)的設計、建造工作量小，維護方便，容易改造 常州 **職業(yè)技術學院 電子與電氣工程學院 畢業(yè)設計論文 7 PLC 用存儲邏輯代替接線邏輯，大大減少了控制設備外部的接線，使控制系統(tǒng)設計及建造的周期大為縮短，同時維護也變得容易起來。更重要的是使同一設備經(jīng)過改變程序改變生產(chǎn)過程成為可能。這很適合多品種、小批量的生產(chǎn)場合。 體 積小，重量輕，能耗低 以超小型 PLC 為例，新近出產(chǎn)的品種底部尺寸小于 100mm，重量小于 150g，功耗僅數(shù)瓦。由于體積小很容易裝入機械內部，是實現(xiàn)機電一體化的理想控制設備。 豐富的 I/O 接口模塊 為了實現(xiàn)與工業(yè)生產(chǎn)過程中的各種工業(yè)現(xiàn)場設備的相互連接， PLC 除具有普通計算機的基本部分（如 CPU、存儲器等）外，還有豐富的 I/O 接口模塊。對不同的工業(yè)現(xiàn)場信號，設計有相應的 I/O 模塊與工業(yè)現(xiàn)場的器件或設備直接相連接。 另外，為了提高系統(tǒng)的操作靈活性，許多 PLC 還有多種人機對話模塊，為了組成工業(yè)局部網(wǎng)絡，還有 多種通信聯(lián)網(wǎng)的接口模塊等。 靈活性好 為了適應各種行業(yè)控制需要，除了一些小型的 PLC 以外，絕大多數(shù) PLC 均采用模塊化結構。 PLC 的各個部件，包括 CPU、電源、 I/O 等均用模塊化設計，由機架及電纜將各種模塊連接起來，系統(tǒng)的規(guī)模和功能可根據(jù)用戶的需要自行組合。 相對于傳統(tǒng)的電氣控制線路， PLC 為改進和修改原設備提供了極其方便的手段，通過修改或重新編寫應用