【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 域處于統(tǒng)治地位的 DCS 系統(tǒng)。 現(xiàn)今， PLC 已經(jīng)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(jiǎn)單等特點(diǎn)。在可預(yù)見(jiàn)的將來(lái)， PLC 在工業(yè) 自動(dòng)化控制特別是順序控制中的主導(dǎo)地位，是其他控制技術(shù)無(wú)法取代的 。 PLC 控制系統(tǒng)的發(fā)展前景 PLC 從產(chǎn)生到現(xiàn)在，實(shí)現(xiàn)了接線邏輯到存儲(chǔ)邏輯的飛躍；其功能從弱到強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)了邏輯控制到數(shù)字控制的進(jìn)步；如今的 PLC 在編程， IO 擴(kuò)展，通訊借口，開(kāi)關(guān)量和模擬量的調(diào)節(jié)以及一些特殊功能模塊如高速計(jì)數(shù)輸入和脈沖輸出的應(yīng)用上已經(jīng)基本滿足用戶的需求了。但隨著應(yīng)用需求 及關(guān)聯(lián)產(chǎn)品技術(shù)性能的提升（如步進(jìn)驅(qū)動(dòng)的脈沖響應(yīng)頻率及精度，HMI 及關(guān)聯(lián)系統(tǒng)的通訊功能）， PLC 將繼續(xù)得已完善和發(fā)展。未來(lái)幾年，各廠商會(huì)應(yīng)客戶要求，對(duì) PLC的以下功能進(jìn)行強(qiáng)化： （ 1）運(yùn)動(dòng)控制功能 用戶對(duì) PLC 提出更高的運(yùn)動(dòng)控制功能要求，主要是控制性能和功能方面。這種需求在機(jī)床工具，電子制造和包行業(yè)更加突出。 未來(lái)的發(fā)展方向?qū)⑹牵? 1）脈沖頻率的提高，從 10KHZ， 20KHZ 發(fā)展到目前的 100KHZ 甚至更高； 9 2）功能更強(qiáng)，如 FPX， FX3U， CP1H， EH+SV 等產(chǎn)品都具備插補(bǔ)功能，同時(shí)脈沖路 數(shù)有所增加。 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(duì) 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(diǎn)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。 （ 1）整體式 PLC 整體式 PLC是將電源、 CPU、 I/O 接口等部件都集中裝在一個(gè)機(jī)箱內(nèi)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、價(jià)格低的特點(diǎn)。小型 PLC 一般采用這種整體式結(jié)構(gòu)。整體式 PLC由不同 I/O點(diǎn)數(shù)的基本單元（又稱主機(jī)）和擴(kuò)展單元組成?；締卧獌?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(xiě)入器相連的接口等。擴(kuò)展單元內(nèi)只有 I/O 和電源等，沒(méi)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。 （ 2）模塊式 PLC 模塊式 PLC 是將 PLC 各組成部分，分別作成若干個(gè)單獨(dú)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(diǎn)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)。 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。 （ 1）低檔 PLC 具有邏輯運(yùn)算、定時(shí)、計(jì)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(yùn)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)。 （ 2）中檔 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(yùn)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)。 （ 3）高檔 PLC 除具有中檔機(jī)的功能外，還增加了帶符號(hào)算術(shù)運(yùn)算、矩陣運(yùn)算、位邏輯運(yùn)算、平方根運(yùn)算及其它特殊功能函數(shù)的運(yùn)算、制表及表格傳送功能等。高檔 PLC 機(jī)具 10 有更強(qiáng)的通信聯(lián)網(wǎng)功能，可用于大規(guī)模過(guò)程控制或構(gòu)成分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)工廠自動(dòng)化。 3．按 I/O 點(diǎn)數(shù)分類 根據(jù) PLC 的 I/O 點(diǎn)數(shù)的多少，可將 PLC 分為小型、中型和大型三類。 (1).小型 PLC—— I/O 點(diǎn)數(shù) 256 點(diǎn)；單 CPU、 8位或 16位處理器、用戶存儲(chǔ)器容量 4K字以下。 如： GEI型 美國(guó)通用電氣（ GE）公司 TI100 美國(guó)德洲儀器公司 F、 F F2 日本三菱電氣公司 C20 C40 日本立石公司（歐姆龍） S7200 德國(guó)西門子公司 EX20 EX40 日本東芝公司 SR20/21 中外合資無(wú)錫華光電子工業(yè)有限公司 (2). 中型 PLC—— I/O 點(diǎn)數(shù) 256～ 2048 點(diǎn)；雙 CPU，用戶存儲(chǔ)器容量 2～ 8K 如： S7300 德國(guó)西門子公司 SR400 中外合資無(wú)錫華光電子工業(yè)有限公司 SU SU6 德國(guó)西門子公司 C500 日本立石公司 GEⅢ GE公司 (3). 大型 PLC—— I/O 點(diǎn)數(shù) 2048 點(diǎn)；多 CPU， 16 位、 32 位處理器，用戶存儲(chǔ)器容量 8～ 16K 如： S7400 德國(guó)西門子公司 GEⅣ GE 公司 C2020 立石公司 K3 三菱公司等 的構(gòu)成 CPU 內(nèi)部結(jié)構(gòu)大概可以分為控制單元、運(yùn)算單元、存儲(chǔ)單元和時(shí)鐘等幾個(gè)主 組成部分 。 11 運(yùn)算器是計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理的中心，它主要由算術(shù)邏輯部件（ ALU： Arithmetic and Logic Unit）、寄存器組和狀態(tài)寄存器組成。 ALU 主要完成對(duì)二進(jìn)制信息的定點(diǎn)算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算和各種移位操作。通用寄存器組是用來(lái)保存參加運(yùn)算的操作數(shù)和運(yùn)算的中間結(jié)果。狀態(tài)寄存器在不同的機(jī)器中有不同的規(guī)定，程序中，狀態(tài)位通常作為轉(zhuǎn)移指令的判斷條件。 控制器是計(jì)算機(jī)的控制中心，它決定了計(jì)算機(jī)運(yùn)行過(guò)程的自動(dòng)化。它不僅要保證程序的正確執(zhí)行，而且要能夠處理異常事件?？刂破饕话惆ㄖ噶羁刂七壿?、時(shí)序控制邏輯、總線控制邏輯、中斷控制邏輯等幾個(gè)部分。 指令控制邏輯要完成取指令、分析指令和執(zhí)行指令的操作。時(shí)序 控制邏輯要為每條指令按時(shí)間順序提供應(yīng)有的控制信號(hào)。一般時(shí)鐘脈沖就是最基本的時(shí)序信號(hào)，是整個(gè)機(jī)器的時(shí)間基準(zhǔn)，稱為機(jī)器的主頻。執(zhí)行一條指令所需要的時(shí)間叫做一個(gè)指令周期，不同指令的周期有可能不同。一般為便于控制，根據(jù)指令的操作性質(zhì)和控制性質(zhì)不同，會(huì)把指令周期劃分為幾個(gè)不同的階段，每個(gè)階段就是一個(gè) CPU 周期。早期 CPU 同內(nèi)存在速度上的差異不大，所以 CPU 周期通常和存儲(chǔ)器存取周期相同，后來(lái)，隨著 CPU 的發(fā)展現(xiàn)在速度上已經(jīng)比存儲(chǔ)器快很多了，于是常常將 CPU 周期定義為存儲(chǔ)器存取周期的幾分之一。 I/O 模塊 I/O 模塊是 PLC 與電氣回路的接口，是通過(guò)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(hào)狀態(tài)，輸出點(diǎn)反映輸出鎖存器狀態(tài)。輸入模塊將電信號(hào)變換成數(shù)字信號(hào)進(jìn)入 PLC 系統(tǒng)，輸出模塊相反。 I/O 分為開(kāi)關(guān)量輸入（ DI），開(kāi)關(guān)量輸出（ DO），模擬量輸入（ AI），模擬量輸出（ AO）等模塊。 開(kāi)關(guān)量是指只有開(kāi)和關(guān)（或 1和 0）兩種狀態(tài)的信號(hào)，模擬量是指連續(xù)變化的量。常用的 I/O 分類如下： 開(kāi)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(hào)類型分，有電流型（ 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(diǎn)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 12 基本配置的能力，即受最大的底板或機(jī)架槽數(shù)限制。 電源模塊 .. PLC控制系統(tǒng) ,它的 CPU模塊工作電壓一般是 5V,而 PLC的輸入 /輸出信號(hào)電 壓一般較高 ,如直流 24V 和交流 220V 等。 PLC 一般使用 220V 交流電源或 24V 直流電源。內(nèi)部的開(kāi)關(guān)電源為各模塊提供 DC 5V,正負(fù) 12V、 24V 等直流電源。 PLC 的選型方法 在 PLC 系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，首先應(yīng)確定控制方案，下一步工作就是 PLC 工程設(shè)計(jì)選型。工藝流程的特點(diǎn)和應(yīng)用要求是設(shè)計(jì)選型的主要依據(jù)。 PLC 及有關(guān)設(shè)備應(yīng)是集成的、標(biāo)準(zhǔn)的，按照易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體，易于擴(kuò)充其功能的原則選型所選用 PLC 應(yīng)是在相關(guān)工業(yè)領(lǐng)域有投運(yùn)業(yè)績(jī)、成熟可靠的系統(tǒng)， PLC 的系統(tǒng)硬件、軟件配置及功能應(yīng)與裝置規(guī)模和控制 要求相適應(yīng)。熟悉可編程序控制器、功能表圖及有關(guān)的編程語(yǔ)言有利于縮短編程時(shí)間，因此，工程設(shè)計(jì)選型和估算時(shí)，應(yīng)詳細(xì)分析工藝過(guò)程的特點(diǎn)、控制要求，明確控制任務(wù)和范圍確定所需的操作和動(dòng)作，然后根據(jù)控制要求，估算輸入輸出點(diǎn)數(shù)、所需存儲(chǔ)器容量、確定 PLC 的功能、外部設(shè)備特性等，最后選擇有較高性能價(jià)格比的 PLC 和設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制系統(tǒng)。 一、輸入輸出（ I/O）點(diǎn)數(shù)的估算 二、存儲(chǔ)器容量的估算 三、控制功能的選擇 該選擇包括運(yùn)算功能、控制功能、通信功能、編程功能、診斷功能和處理速度等特性的選擇。 (一 )運(yùn)算功能 簡(jiǎn)單 PLC的運(yùn)算功能包括邏輯運(yùn)算、計(jì)時(shí)和計(jì)數(shù)功能；普通 PLC 的運(yùn)算功能還包括數(shù)據(jù)移位、比較等運(yùn)算功能；較復(fù)雜運(yùn)算功能有代數(shù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送等；大型 PLC 中還有模擬量的 PID 運(yùn)算和其他高級(jí)運(yùn)算功能。隨著開(kāi)放系統(tǒng)的出現(xiàn)，目前在 PLC 中都已具有通信功能，有些產(chǎn)品具有與下位機(jī)的通信，有些產(chǎn)品具有與同位機(jī)或上位機(jī)的通信，有些產(chǎn)品還具有與工廠或企業(yè)網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的功能。設(shè)計(jì)選型時(shí)應(yīng)從實(shí)際應(yīng)用的要求出發(fā)，合理選 13 用所需的運(yùn)算功能。大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合，只需要邏輯運(yùn)算和計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)功能，有些應(yīng)用需要數(shù)據(jù)傳送和比較，當(dāng)用于模擬量檢 測(cè)和控制時(shí)，才使用代數(shù)運(yùn)算，數(shù)值轉(zhuǎn)換和 PID 運(yùn)算等。要顯示數(shù)據(jù)時(shí)需要譯碼和編碼等運(yùn)算。 (二 )控制功能 控制功能包括 PID控制運(yùn)算、前饋補(bǔ)償控制運(yùn)算、比值控制運(yùn)算等，應(yīng)根據(jù)控制要求確定。 PLC 主要用于順序邏輯控制，因此，大多數(shù)場(chǎng)合常采用單回路或多回路控制器解決模擬量的控制，有時(shí)也采用專用的智能輸入輸出單元完成所需的控制功能，提高 PLC 的處理速度和節(jié)省存儲(chǔ)器容量。例如采用 PID 控制單元、高速計(jì)數(shù)器、帶速度補(bǔ)償?shù)哪M單元、ASC 碼轉(zhuǎn)換單元等。 (三 )通信功能 大中型 PLC 系統(tǒng)應(yīng)支持多種現(xiàn)場(chǎng)總線和 標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議（如 TCP/IP），需要時(shí)應(yīng)能與工廠管理網(wǎng)（ TCP/IP）相連接。通信協(xié)議應(yīng)符合 ISO/IEEE 通信標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)是開(kāi)放的通信網(wǎng)絡(luò)。 PLC 系統(tǒng)的通信接口應(yīng)包括串行和并行通信接口（ RS2232C/422A/423/485）、 RIO 通信口、工業(yè)以太網(wǎng)、常用 DCS 接口等；大中型 PLC 通信總線（含接口設(shè)備和電纜）應(yīng) 1： 1冗余配置，通信總線應(yīng)符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，通信距離應(yīng)滿足裝置實(shí)際要求 . 為減輕 CPU 通信任務(wù)，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)組成的實(shí)際需要，應(yīng)選擇具有不同通信功能的（如點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、現(xiàn)場(chǎng)總線、工業(yè)以太網(wǎng)）通信處理器。 (四 )編程功能 離線編程方式： PLC 和編程器公用一個(gè) CPU，編程器在編程模式時(shí)， CPU 只為編程器提供服務(wù)，不對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行控制。完成編程后，編程器切換到運(yùn)行模式， CPU 對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行控制，不能進(jìn)行編程。離線編程方式可降低系統(tǒng)成本，但使用和調(diào)試不方便。在線編程方式： CPU 和編程器有各自的 CPU，主機(jī) CPU 負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)控制，并在一個(gè)掃描周期內(nèi)與編程器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，編程器把在線編制的程序或數(shù)據(jù)發(fā)送到主機(jī)，下一掃描周期，主機(jī)就根據(jù)新收到的程序運(yùn)行。這種方式成本較高，但系統(tǒng)調(diào)試和操作方便，在大中型 PLC 中常采 用。 (五 )診斷功能 PLC 的診斷功能包括硬件和軟件的診斷。硬件診斷通過(guò)硬件的邏輯判斷確定硬件的故障位置，軟件診斷分內(nèi)診斷和外診斷。通過(guò)軟件對(duì) PLC 內(nèi)部的性能和功能進(jìn)行診斷是內(nèi)診斷，通過(guò)軟件對(duì) PLC的 CPU 與外部輸入輸出等部件信息交換功能進(jìn)行診斷是外診斷。 PLC 的診斷功能的強(qiáng)弱，直接影響對(duì)操作和維護(hù)人員技術(shù)能力的要求，并影響平均維修 14 時(shí)間。 (六 )處理速度 PLC 采用掃描方式工作。從實(shí)時(shí)性要求來(lái)看，處理速度應(yīng)越快越好，如果信號(hào)持續(xù)時(shí)間小于掃描時(shí)間，則 PLC 將掃描不到該信號(hào)，造成信號(hào)數(shù) 據(jù)的丟失。 處理速度與用戶程序的長(zhǎng)度、 CPU 處理速度、軟件質(zhì)量等有關(guān)。目前， PLC 接點(diǎn)的響應(yīng)快、速度高，每條二進(jìn)制指令執(zhí)行時(shí)間約 ～ ，因此能適應(yīng)控制要求高、相應(yīng)要求快的應(yīng)用需要。掃描周期（處理器掃描周期）應(yīng)滿足：小型 PLC 的掃描時(shí)間不大于 ；大中型 PLC的掃描時(shí)間不大于 。 四、機(jī)型的選擇 (一 )PLC 的類型 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(chǎng)安裝和控制室安裝兩類；按 CPU字長(zhǎng)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(diǎn)數(shù)選型。 整體型 PLC的 I/O 點(diǎn)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(diǎn)數(shù)，功能擴(kuò)展