【文章內(nèi)容簡介】 5） 組成分散控制系統(tǒng)：把 PLC 作為下位機，與上位機的計算機共同組成分散控制系統(tǒng)。 可以說 PLC 幾乎應用到了工業(yè)控制的每一個領域，小到家庭的燈光照明，大到冶金、石化企業(yè)的生產(chǎn)過程都有 PLC 的應用 。 PLC 的發(fā)展階段 雖然 PLC 問世時間不長，但是隨著微處理器的出現(xiàn)，大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路技術的迅速發(fā)展和 數(shù)據(jù)通訊技術的不斷進步， PLC 也迅速發(fā)展，其發(fā)展過程大致可分三個階段： （ 1）早期的 PLC（ 60 年代 末－ 70 年代中期） 早期的 PLC 一般稱為可編程邏輯控制器。這時的 PLC 多少有點繼電器控制裝置的替代物的含義 ［ 9］ ，其主要功能只是執(zhí)行原先由繼電器完成的順序控制，定時等。它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)場的要求。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。在軟件編程上，采用 廣大電氣工程技術人員所熟悉的 繼電器控制線路的方式 —— 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，有故障指使，能重復使用等。其中 PLC 特有的編程語言 —— 梯形圖大慶石油學院本科生畢業(yè)設計（論文） 9 一直沿用至今。 （ 2）中期的 PLC（ 70 年代中期－ 80 年代中，后期） 在 70 年代，微處理器的出現(xiàn)使 PLC 發(fā)生了巨大的變化。美國 、 日本 、 德國等一些廠家先后開始采用微處理器作為 PLC 的中央處理單元（ CPU）。 這樣，使 PLC 的功能大大增強。在軟件方面，除了保持其原有的邏輯運算、計時、計數(shù)等功能以外，還增加了算術運算、數(shù)據(jù)處理和傳送 、通訊、自診斷等功能。在硬件方面，除了保持其原有的開關模塊以外，還增加了模擬量模塊、遠程 I/O 模塊、各種特殊功能模塊。并擴大了存儲器的容量，使各種邏輯線圈的數(shù)量增加，還提供了一定數(shù)量的數(shù)據(jù)寄存器，使 PLC 的應用范圍得以擴大。 （ 3）近期的 PLC（ 80 年代中、后期至今） 進入 80 年代中、后期，由于超大規(guī)模集成電路技術的迅速發(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，各制造廠商還紛紛研制開發(fā)了專用邏輯處理芯片。這樣使得 PLC 軟、硬 件功能發(fā)生了巨大變化。 PLC 的 結(jié)構(gòu)及 工作原理 PLC 的結(jié)構(gòu) PLC 采用了典型的計算機結(jié)構(gòu)，主要由 CPU、 RAM、 ROM 和輸入輸出接口電路等組成，如圖 21 所示。如果將 PLC 看作一個系統(tǒng)，該系統(tǒng)由輸入變量和輸出變量組成。外部的各種開關信號、模擬量信號均作為 PLC 的輸入變量，它們經(jīng)PLC 外部輸入到內(nèi)部寄存器中，經(jīng) PLC 運算處理后送到輸出端子，它們是 PLC 的輸出變量。 PLC 系統(tǒng)各部分的作用說明如下： 圖 21 PLC 結(jié)構(gòu)簡化框圖 （ 1） 中央處理單元 （ CPU） 中央處理單元 （ CPU） 是 PLC 的控制中樞。它按照 PLC 系統(tǒng)程序賦予的功能編程器 中央處理單元 （ CPU） 輸 入 單元 系統(tǒng)程序存儲器 用戶程序存儲器 輸 出 單元，電 路 電源 大慶石油學院本科生畢業(yè)設計（論文） 10 接收并存儲從編程器鍵入的用戶程序和數(shù)據(jù)；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(shù)據(jù)，并分別存入 I/O 映像區(qū)，然后從用戶程序存儲器中逐條讀取用戶程序，經(jīng)過命令解釋后按指令的規(guī)定執(zhí)行邏輯或算數(shù)運算的結(jié)果送入 I/O 映像區(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 映像區(qū)的各輸出狀態(tài)或輸出寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)傳 送到相應的輸出裝置，如此循環(huán)運行，直到停止運行。為了進一步提高 PLC 的可靠性，近年來對大型 PLC 還采用雙 CPU 構(gòu)成冗余系統(tǒng)，或采用三 CPU 的表決式系統(tǒng)。這樣，即使某個 CPU出現(xiàn)故障，整個系統(tǒng)仍能正常運行。 （ 2） 存儲器 存儲器是具有記憶功能的半導體電路，用來存放系統(tǒng)程序、用戶程序、邏輯變量和其它一些信息， PLC 使用兩種存儲器： ROM 和 RAM。 ROM 中存放系統(tǒng)程序，包括檢查檔字、翻譯程序和監(jiān)控程序。 RAM 中存放用戶程序、邏輯變量和供內(nèi)部程序使用的工作單元。存放系統(tǒng)軟件的存儲器稱為系統(tǒng)程序存儲器，存放應用軟件 的存儲器稱為用戶程序存儲器。 ① 系統(tǒng)程序存儲器 該存儲器存放系統(tǒng)程序 （ 系統(tǒng)軟件 ） 。系統(tǒng)程序是 PLC 研制者所編的程序，它是決定 PLC 性能的關鍵。系統(tǒng)程序包括監(jiān)控程序、解釋程序、故障自診斷程序、標準子程序庫及其他各種管理程序等。系統(tǒng)程序由制造廠家提供，一般都固化在ROM 或 EPROM 中，用戶不能直接存取。系統(tǒng)程序用來管理、協(xié)調(diào) PLC 各部分的工作，翻譯、解釋用戶程序，進行故障診斷等。 ② 用戶程序存儲器 該存儲器存放用戶程序 （ 應用軟件 ） 。用戶程序是用戶為解決實際問題并根據(jù) PLC 的指令系統(tǒng)而編制的程序，它通過編程器輸入 ，經(jīng) CPU 存放入用戶存儲器。為便于程序的調(diào)試、修改、擴充、完善，該存儲器使用 RAM。 ③ 變量 （ 數(shù)據(jù) ） 存儲器 變量存儲器存放 PLC 的內(nèi)部邏輯變量，如內(nèi)部繼電器、 I/O 寄存器、定時器 /計數(shù)器中邏輯變量的現(xiàn)行值等，這些現(xiàn)行值在 CPU 進行邏輯運算時需隨時讀出、更新有關內(nèi)容，所以，變量存儲器也采用 RAM?，F(xiàn)今用戶程序存儲器和變量存儲器常采用低功耗的 CMOSRAM 及鋰電池供電的掉電保持技術，以提高運行可靠性。通常 PLC 產(chǎn)品資料中所指的內(nèi)存儲器容量，是針對用戶程序存儲器而言的，且以字 （ 16 位 ／ 字 ） 為單位來表示存儲器的容 量。 （ 3） 輸入輸出單元 輸入單元是 PLC 與工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的被控設備相連的輸入接口，是現(xiàn)場信號進入 PLC 的橋梁。輸入接口的主要作用是接收指令元件，檢測元件傳來的信號。輸入接口采用光電耦合電路，目的是把 PLC 與現(xiàn)場電路隔離，提高 PLC 的抗干擾能大慶石油學院本科生畢業(yè)設計（論文） 11 力。接口電路內(nèi)部有濾波，電平轉(zhuǎn)移及信號鎖存電路。各 PLC 生產(chǎn)廠家都提供了多種形式的 I/O 部件或模塊供用戶選用。 輸出單元也是 PLC 與現(xiàn)場設備之間的連接部件，負責把輸出信號送給控制對象的輸出接口。輸出接口電路一般由微電腦輸出接口和功率放大電路組成，其作用將中央處理器送出的弱 電信號轉(zhuǎn)換成現(xiàn)場需要的電平信號，驅(qū)動被控設備的執(zhí)行元件。輸出接口電路也采用光電耦合，每一點輸出都有一個內(nèi)部電路，由指示電路，隔離電路，繼電器組成。輸出接口電路也有輸出狀態(tài)鎖存、顯示、電平轉(zhuǎn)移和輸出接線端子排，輸出部件或模塊也有多種類型供選用。 （ 4） 電源 PLC 的電源在整個系統(tǒng)中起著十分重要的作用。如果沒有一個良好的、可靠得電源系統(tǒng)是無法正常工作的，因此 PLC 的制造商對電源的設計和制造也十分重視。一般交流電壓波動在 +10%（ +15%） 范圍內(nèi)，可以不采取其它措施而將 PLC直接連接到交流電網(wǎng)上去。 PLC 的工作原理 PLC 雖具有微機的許多特點，但它的工作方式卻與微機有很大的不同。微機一般采用等待命令的工作方式，如常見的鍵盤掃描方式或 I/O 掃描方式，有鍵按下或 I/O 動作則轉(zhuǎn)入相應子程序，無鍵按下則繼續(xù)掃描。 PLC 則采用循環(huán)掃描工作方式，在 PLC 中 用戶程序中有眾多的操作需要執(zhí)行，但是一個 CPU 每一個時刻只能執(zhí)行一個操作而不能同時執(zhí)行多個操作，因此用戶程序是按先后次序存放的， CPU按程序的順序依次執(zhí)行各個操作。即 CPU 從第一條指令開始執(zhí)行，直到遇到結(jié)束符又返回第一條執(zhí)行，如此周而復始不斷循環(huán) [10]。 PLC 的工作過程基本上是用戶的梯形圖程序的執(zhí)行過程，即在系統(tǒng)軟件的控制下順次掃描各輸入點的狀態(tài)，按用戶程序解算控制邏輯，然后順序向各個輸出點發(fā)出相應的控制信號。除此之外，為提高工作的可靠性和及時地接收外來的控制命令，每個掃描周期還要進行故障自診斷和處理與編程器、計算機的通信請求，因此， PLC 工作過程分為以下五步： （ 1） 自診斷 自診斷功能可使 PLC 系統(tǒng)防患于未然，而在發(fā)生故障時能盡快的修復，為此PLC 每次掃描用戶程序以前都對 CPU、存儲器、輸入輸出模塊等進行故障診斷，若自診斷正常便繼續(xù)進行掃描，而一旦發(fā)現(xiàn)故障或異?，F(xiàn)象則轉(zhuǎn)入處理程序，保留現(xiàn)行工作狀態(tài)，關閉全部輸出，然后停機并顯示出錯的信息。 （ 2） 與外設通信 自診斷正常后 PLC 即掃描編程器、上位機等通信接口，如有通信請求便響應處理。在與編程器通信過程中，編程器把指令和修改參數(shù)發(fā)送給主機，主機把要顯示的狀態(tài)、數(shù)據(jù)、錯誤碼進行相應指示，編程器還可以向主機發(fā)送運行、停止、大慶石油學院本科生畢業(yè)設計（論文） 12 清內(nèi)存等監(jiān)控命 令。在與上位機通信過程中 PLC 將接收上位機發(fā)出的指令進行相應的操作，把現(xiàn)場狀態(tài)、 PLC 的內(nèi)部工作狀態(tài)、各種數(shù)值參數(shù)發(fā)送給上位機以及執(zhí)行啟動、停機、修改參數(shù)等命令。 （ 3） 輸入現(xiàn)場狀態(tài) 完成前兩步工作后 PLC 便掃描各個輸入點，讀入各點的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，如開關的通斷狀態(tài)、形成現(xiàn)場的內(nèi)存映象。這一過程也稱為輸入采樣或輸入刷新，在一個掃描周期內(nèi)內(nèi)存映象的內(nèi)容不變，即使外部實際開關狀態(tài)己經(jīng)發(fā)生了變化也只能在下一個掃描過程中的輸入采樣時刷新，解算用戶邏輯所用的輸入值是該輸入值的內(nèi)存映象值而不是當時現(xiàn)場的 實際值。 （ 4） 解算用戶邏輯 即執(zhí)行用戶程序。一般是從存儲器的最低地址存放的第一條程序開始，在無跳轉(zhuǎn)的情況下按存儲器地址的遞增方向順序的掃描用戶程序，按用戶程序進行邏輯判斷和算術運算，因此稱之為解算用戶邏輯。解算過程中所用的計數(shù)器、定時器、內(nèi)部繼電器等編程元件為相應存儲單元的即時值，而輸入繼電器、輸出繼電器則用的是內(nèi)存映象值。在一個掃描周期內(nèi)，某個輸入信號的狀 態(tài)不管外部實際情況是否己經(jīng)變化，對整個用戶程序是一致的，不會造成結(jié)果混亂。 （ 5） 輸出結(jié)果將本次掃描過程解算得到的最新結(jié) 果 送到輸出模塊 圖 22 PLC 的工作過程 取代前一次掃描解 算 結(jié)果，也稱為輸出刷新。解算用戶邏輯時，每一步所得到的輸出信號被存入輸出映像寄存器而并未發(fā)送到輸出模塊，相當于輸出信號被 自診斷 與外設通信 輸入現(xiàn)場狀態(tài) 解算用戶邏輯 輸出結(jié)果 大慶石油學院本科生畢業(yè)設計（論文） 13 輸出門阻隔，待全部解算完成后打開輸出門一并輸出，所用輸出信號由輸出狀態(tài)表送到輸出模塊，其相應開關動作。 在依次完成上述五個步驟操作后 PLC 又開始進行 下一次掃描。如此不斷的反復循 環(huán)掃描，實現(xiàn)對全過程及設備的連續(xù)控制，直至接收到停止命令、停電、出現(xiàn)故 障或載物 。 PLC 的工作過程如圖 22 所示。 本章小結(jié) 本章主要 介紹了可編程控制器的基本知識。第一部分介紹了 PLC 的由來及定義。第二部分介紹了 PLC 的特點及三種分類。第三部分介紹了它的應用 及三個發(fā)展階段。第四部分介紹了 PLC 的基本結(jié)構(gòu)，畫出了結(jié)構(gòu)圖，能清晰地顯示出 PLC的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)并講述了各個組成部分的作用 ， 還介紹了 PLC 的工作原理 。 大慶石油學院本科生畢業(yè)設計（論文） 14 第 3 章 PLC 控制系統(tǒng)及程序的設計方法 可編程控制器技術最主要是應用于自動 化控制工程中，如何綜合地運用前面學過知識點，根據(jù)實際工程要求合理組合成控制系統(tǒng)， 在此介紹組成可編程控制器控制系統(tǒng)的一般方法 [11]。 系統(tǒng)設計的主要內(nèi)容及基本要求 系統(tǒng)設計的主要內(nèi)容 （ 1）擬定控制系統(tǒng)設計的技術條件。技術條件一般以設計任務書的形式來確定，它是整個設計的依據(jù)； （ 2）選擇電氣傳動形式和電動機、電磁閥等執(zhí)行機構(gòu)； （ 3）選定 PLC 的型號； （ 4）編制 PLC 的輸入 ／ 輸出分配表或繪制輸入 ／ 輸出端子接線圖； （ 5）根據(jù)系統(tǒng)設計的要求編寫軟件規(guī)格說明書，然后再用相應的編程語言（常用梯形圖）進行程序設計； （ 6）了解并遵循用戶認知心理學，重視人機界面的設計，增強人與機器之間的友善關系； （ 7）設計操作臺、電氣柜及非標準電器元部件； （ 8）編寫設計說明書和使用說明書； 根據(jù)具體任務，上述內(nèi)容可適當調(diào)整。 PLC 程序設計的基本要求 編制一個較好的 PLC 控制程序一般需要注意以下幾個方面 ： ① 正確性 一個程序必須經(jīng)過實際檢驗，以證明其運行的正確性，這是對 PLC 程序最基本的要求。而正確，規(guī)范地使用各種指令，正確合理地使用各