【文章內(nèi)容簡介】 的開關(guān)量順序控制，它按照邏輯條件進(jìn)行順序動作，并按照邏輯關(guān)系進(jìn)行連鎖保護(hù)動作的控制，及大量離散量的數(shù)據(jù)采集。傳統(tǒng)上，這些功能是通過氣動或電氣控制系統(tǒng)來實現(xiàn)的。 1968 年美國 GM（通用汽車）公司提出取代繼電氣控制裝置的要求，第二年，美國數(shù)字公司研制 出了基于集成電路和電子技術(shù)的控制裝置，首次采用程序化的手段應(yīng)用于電氣控制，這就是第一代可編程序控制器，稱Programmable Controller（ PC）。 個人計算機(jī)（簡稱 PC）發(fā)展起來后，為了方便，也為了反映可編程控制器的功能特點，可編程序控制器定名為 Programmable Logic Controller（ PLC）。 上世紀(jì) 80 年代至 90 年代中期，是 PLC 發(fā)展最快的時期，年增長率一直保持為 30~40%。在這時期，PLC 在處理模擬量能力、數(shù)字運算能力、人機(jī)接口能力和網(wǎng)絡(luò)能力得到大幅度提高， PLC逐漸進(jìn)入過程控制領(lǐng)域，在某些應(yīng)用上取代了在過程控制領(lǐng)域處于統(tǒng)治地位的 DCS系統(tǒng)。 PLC 具有通用性強(qiáng)、使用方便、適應(yīng)面廣、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、編程簡單等特點。 PLC 在工業(yè)自動化控制特別是順序控制中的地位，在可預(yù)見的將來，是無法取代的。 PLC 的應(yīng)用現(xiàn)狀 自 20 世紀(jì) 60 年代中期以來 PLC 產(chǎn)品在電力、冶金、化工等行業(yè)發(fā)揮了重大作用 , 尤其近 20 年來計算機(jī)和信息技術(shù)的飛速發(fā)展 , 不斷成倍擴(kuò)大的功能和成倍降低的價格 , 使 PLC、通訊聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、過程控制軟件都獲得了長足進(jìn)步 , 也使 PLC 的廣泛應(yīng)用成為可能。下面通過兩組數(shù)據(jù) (引自工控網(wǎng) ) 說明 PLC 的應(yīng)用現(xiàn)狀。 PLC 在冶金行業(yè)的市場將持續(xù)增加 2021 年中國的工業(yè)出現(xiàn)了快速增長 , 工業(yè)產(chǎn)值同比增長在 12% 以上 , 而且中國的最大鋼鐵出口對象 — 美國在 2021 年下半年取消了鋼鐵附加稅 , 中國鋼材對其出口也將迅速回升。這些有利因素刺激了中國冶金行業(yè)的投資。據(jù)調(diào)查 , 中國冶金行業(yè)對設(shè)備的投資同比增長接近 50%。冶金設(shè)備的大量增長帶動了 PLC 在該行業(yè)的增長 , 2021 年 PLC 在冶金行業(yè)的市場達(dá)到 216 億元 , 2021 年有望達(dá)到 3 億元。 PLC 在紡織行業(yè)的應(yīng)用分析。在中國 , PLC 在紡織機(jī)械上的運用已經(jīng)有 17 年的歷史了 , 從最早的進(jìn)口合成纖維生產(chǎn)設(shè)備到目前的中小型紡機(jī) , PLC 無處不在。占各類紡織機(jī)械 60% 以上的織機(jī)平均每臺帶有一個小型的 PLC, 主要用于檢測、報警、速度控制和機(jī)器啟?？刂?。紡機(jī)的比例在紡織機(jī)械中不到 5% , 卻用到更多的 PLC, 單臺紡紗機(jī)最中北大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計說明書 8 多用到 17 臺 PLC, 主要是 60 個 IO 點以下的微型產(chǎn)品。梳棉機(jī)也用微 246。小型 PLC 控制 。其它各類紡織機(jī)械基本上都采用 PLC 控制 , 只有一些相對簡單的設(shè)備采 用單片機(jī)或者其它控制方式。紡織機(jī)械的輔助設(shè)備也主要由 PLC 控制 , 如循環(huán)水系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、蒸氣系統(tǒng)、廢水處理系統(tǒng)、包裝線等。實際上 PLC 在中國的應(yīng)用已分布到各行各業(yè) , 根據(jù)工控網(wǎng)的調(diào)查 , 2021 年中國控制類產(chǎn)品市場 PLC的占有率已超過 50% , 而且保持著10%～ 15% 的發(fā)展速度。 PLC 控制系統(tǒng)的發(fā)展前景 現(xiàn)在 , 雖然出現(xiàn)了性能更加優(yōu)越的 DCS 和 FCS 控制系統(tǒng) , PLC 控制也終將會被先進(jìn)的 FCS 控制所取代 ,但是目前以及今后相當(dāng)長的一段時間 , PLC 還會與 DCS 和 FCS 共存 ,這主要基于以下原因 :(1) 現(xiàn)在企業(yè)的確正在朝著自動化、信息化、開放化的方向發(fā)展 ,但這并不意味著要將現(xiàn)有控制系統(tǒng)推倒重來。企業(yè)投入大量的人力和財力建立起來的 PLC 控制系統(tǒng)已經(jīng)成型 ,如果要完全推翻再建立新的 DCS 或 FCS 控制系統(tǒng) ,需要更大的資金投入 ,將造成很大的浪費。 (2) 基于以上市場需求 ,許多軟件廠商 (例如 : 華富惠通軟件公司 ) 正在考慮如何利用企業(yè)已經(jīng)成型的控制系統(tǒng)及新建的廠級網(wǎng)絡(luò) ,開發(fā)控制系統(tǒng)軟件 ,幫助企業(yè)實現(xiàn)工廠自動化、信息化 ,為企業(yè)提供控制系統(tǒng)與管理網(wǎng)絡(luò)的集成。 (3) 目前 , PLC 的功能增強(qiáng)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化 , IO 模塊趨向分散化、智能化 ,編程工具和編程語言更具標(biāo)準(zhǔn)化和高級化。 (4) PLC 的聯(lián)網(wǎng)通信能力增強(qiáng) , 向高速度、多層次、大信息量、高可靠性及開放式的通信發(fā)展。 (5) 現(xiàn)在的 PLC 系統(tǒng)與 DCS 技術(shù)、現(xiàn)場總線IO技術(shù)相結(jié)合 ,結(jié)構(gòu)開放、擴(kuò)展方便、技術(shù)先進(jìn)、價格低廉。由以上分析可以預(yù)見 ,未來 PLC 將朝著多功能化、集成化、智能化、標(biāo)準(zhǔn)化、開放化的方向發(fā)展 ,故 PLC 雖然面臨其它自動化控制系統(tǒng)的挑戰(zhàn) ,但同時也在吸收它們的優(yōu)點 , 互相融合 ,不斷創(chuàng)新 ,在今后一段時間 內(nèi)將與其它先進(jìn)控制方式并存 ,共同發(fā)展。 可編程序控制器 PLC 的分類 PLC產(chǎn)品種類繁多，其規(guī)格和性能也各不相同。對 PLC的分類，通常根據(jù)其結(jié)構(gòu)形式的不同、功能的差異和 I/O點數(shù)的多少等進(jìn)行大致分類。 （ 1） 按結(jié)構(gòu)形式分類根據(jù) PLC的結(jié)構(gòu)形式，可將 PLC分為整體式和模塊式兩類。 PLC 整體式 PLC是將電源、 CPU、 I/O接口等部件都集中裝在一個機(jī)箱內(nèi)， 具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、價格低的特點。小型 PLC一般采用這種整體式結(jié)構(gòu)。整體式 PLC中北大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計說明書 9 由不同 I/O點數(shù)的基本單元（又稱主機(jī)）和擴(kuò)展單元組 成。基本單元內(nèi)有 CPU、 I/O接口、與 I/O擴(kuò)展單元相連的擴(kuò)展口，以及與編程器或 EPROM寫入器相連的接口等。擴(kuò)展單元內(nèi)只有 I/O和電源等，沒有 CPU?；締卧蛿U(kuò)展單元之間一般用扁平電纜連接。整體式 PLC一般還可配備特殊功能單元，如模擬量單元、位置控制單元等，使其功能得以擴(kuò)展。 PLC 模塊式 PLC是將 PLC各組成部分，分別作成若干個單獨的模塊，如 CPU模塊、 I/O模塊、電源模塊（有的含在 CPU模塊中）以及各種功能模塊。模塊式 PLC由框架或基板和各種模塊組成。模塊裝在框架或基板的插座上。這種模塊 式 PLC的特點是配置靈活，可根據(jù)需要選配不同規(guī)模的系統(tǒng)，而且裝配方便，便于擴(kuò)展和維修。大、中型PLC一般采用模塊式結(jié)構(gòu)。還有一些 PLC將整體式和模塊式的特點結(jié)合起來，構(gòu)成所謂疊裝式 PLC。疊裝式 PLC其 CPU、電源、 I/O接口等也是各自獨立的模塊，但它們之間是靠電纜進(jìn)行聯(lián)接，并且各模塊可以一層層地疊裝。這樣，不但系統(tǒng)可以靈活配置，還可做得體積小巧。 （ 2） 按功能分類根據(jù) PLC所具有的功能不同，可將 PLC分為低檔、中檔、高檔三類。 PLC 具有邏輯運算、定時、計數(shù)、移位以及自診斷、監(jiān)控等基本功能，還 可有少量模擬量輸入／輸出、算術(shù)運算、數(shù)據(jù)傳送和比較、通信等功能。主要用于邏輯控制、順序控制或少量模擬量控制的單機(jī)控制系統(tǒng)。 PLC 除具有低檔 PLC的功能外，還具有較強(qiáng)的模擬量輸入／輸出、算術(shù)運算、數(shù)據(jù)傳送和比較、數(shù)制轉(zhuǎn)換、遠(yuǎn)程 I/O、子程序、通信聯(lián)網(wǎng)等功能。有些還可增設(shè)中斷控制、 PID控制等功能，適用于復(fù)雜控制系統(tǒng)。 PLC 除具有中檔機(jī)的功能外，還增加了帶符號算術(shù)運算、矩陣運算、位邏輯運算、平方根運算及其它特殊功能函數(shù)的運算、制表及表格傳送功能等。高檔 PLC機(jī)具有更強(qiáng)的通信聯(lián)網(wǎng)功能，可用 于大規(guī)模過程控制或構(gòu)成分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，實現(xiàn)工廠自動化。 （ 3） 按 I/O點數(shù)分類根據(jù) PLC的 I/O點數(shù)的多少，可將 PLC分為小型、中型和大型三類。 PLC—— I/O點數(shù)小于 256點；單 CPU、 8位或 16位處理器、用戶存儲器容量 4K字以下。 2. 中型 PLC—— I/O點數(shù) 256～ 2048點；雙 CPU，用戶存儲器容量 2～ 8K。 中北大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計說明書 10 PLC—— I/O點數(shù) 2048點；多 CPU， 16位、 32位處理器，用戶存儲器容量 8～16K . 今后一段時間內(nèi)將與其它先進(jìn)控制方式并存 ,共同發(fā)展。 CPU 的構(gòu)成 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。 CPU 是 PLC 的核心，起神經(jīng)中樞的作用，每套 PLC 至少有一個 CPU，它按 PLC 的系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存貯用戶程序和數(shù)據(jù)，用掃描的方式采集由現(xiàn)場輸入裝置送來的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并存入規(guī)定的寄存器中，同時，診斷電源和 PLC 內(nèi)部電路的工作狀態(tài)和編程過程中 的語法錯誤等。進(jìn)入運行后，從用戶程序存貯器中逐條讀取指令，經(jīng)分析后再按指令規(guī)定的任務(wù)產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號，去指揮有關(guān)的控制電路。 CPU 主要由運算器、控制器、寄存器及實現(xiàn)它們之間聯(lián)系的數(shù)據(jù)、控制及狀態(tài)總線構(gòu)成， CPU 單元還包括外圍芯片、總線接口及有關(guān)電路。內(nèi)存主要用于存儲程序及數(shù)據(jù)，是 PLC 不可缺少的組成單元。在使用者看來，不必要詳細(xì)分析 CPU 的內(nèi)部電路，但對各部分的工作機(jī)制還是應(yīng)有足夠的理解。 CPU 的控制器控制 CPU 工作，由它讀取指令、解釋指令及執(zhí)行指令。但工作節(jié)奏由震蕩信號控制。運算器用于進(jìn)行數(shù)字或邏輯運算 ，在控制器指揮下工作。寄存器參與運算，并存儲運算的中間結(jié)果，它也是在控制器指揮下工作。 CPU 速度和內(nèi)存容量是 PLC 的重要參數(shù)，它們決定著 PLC 的工作速度， IO 數(shù)量及軟件容量等，因此限制著控制規(guī)模。 （一） I/O模塊 PLC 與電氣回路的接口，是通過輸入輸出部分（ I/O）完成的。 I/O 模塊集成了 PLC的 I/O 電路，其輸入暫存器反映輸入信號狀態(tài)，輸出點反映輸出鎖存器狀態(tài)。輸入模塊將電信號變換成數(shù)字信號進(jìn)入 PLC 系統(tǒng)，輸出模塊相反。 I/O 分為開關(guān)量輸入（ DI），開關(guān)量輸出（ DO），模擬量輸入（ AI），模擬量輸出（ AO）等模塊。 常用的 I/O 分類如下：開關(guān)量：按電壓水平分，有 220VAC、 110VAC、 24VDC，按隔離方式分，有繼電器隔離和晶體管隔離。模擬量：按信號類型分，有電流型中北大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計說明書 11 （ 420mA,020mA）、電壓型（ 010V,05V,1010V）等，按精度分，有 12bit,14bit,16bit等。除了上述通用 IO 外，還有特殊 IO 模塊，如熱電阻、熱電偶、脈沖等模塊。按 I/O點數(shù)確定模塊規(guī)格及數(shù)量， I/O 模塊可多可少，但其最大數(shù)受 CPU 所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或機(jī)架槽數(shù)限制。 （二） 電源 模塊 PLC 電源用于為 PLC 各模塊的集成電路提供工作電源。同時，有的還為輸入電路提供 24V 的工作電源。電源輸入類型有：交流電源（ 220VAC 或 110VAC），直流電源（常用的為 24VDC）。 底板或機(jī)架大多數(shù)模塊式 PLC 使用底板或機(jī)架，其作用是：電氣上，實現(xiàn)各模塊間的聯(lián)系，使 CPU 能訪問底板上的所有模塊，機(jī)械上，實現(xiàn)各模塊間的連接，使各模塊構(gòu)成一個整體。 系統(tǒng) 各模塊的選擇 PLC 的選擇 PLC 按結(jié)構(gòu)分為整體型和模塊型兩類，按應(yīng)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(yīng)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(kuò)展方便靈活，一般用于大中型控制系統(tǒng)。 輸入輸出模塊的選擇 輸入輸出模塊的選擇應(yīng)考慮與應(yīng)用要求的統(tǒng)一。例如對輸入模塊，應(yīng)考慮信號電平、信號傳輸距離、信號隔離、信號供電方式等應(yīng)用要求。對輸出模塊，應(yīng)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(yīng)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(fù)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(yīng)用要求應(yīng)一致?？筛鶕?jù)應(yīng)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(yīng)用成本?？紤]是否需要擴(kuò)展機(jī)架或遠(yuǎn)程 I/O機(jī)架等。 中北大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計說明書 12 活，一般用于大中型控制系統(tǒng)。 電源的選擇 PLC 的供電電源，除了引進(jìn)設(shè)備時同時引進(jìn) PLC 應(yīng)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(yīng)設(shè)計選用 220VAC 電源，與國內(nèi)電網(wǎng)電壓一致。 重要的應(yīng)用場合，應(yīng)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(yīng)核對提供的電流是否滿足應(yīng)用要求，否則應(yīng)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 存儲器的選擇 由于計算機(jī)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(yīng)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(fù)雜控制功能時，應(yīng)選擇容量更大，檔次更高的存儲器 。 4 各部分硬件設(shè)