【文章內容簡介】 編 程 器其 它 外 設外設接口輸入部件系 統(tǒng)程 序存 儲器用 戶程 序存 儲器微 處 理 器 C P U電 源 部 件I / O擴 展接 口輸出部件/ O擴 展單 元現 場 接 受 信 號驅 動 受 控 單 元I 圖 plc 的硬件結構 PLC 的特點 為適應工業(yè)環(huán)境使用，與一般控制裝置相比較， PLC 機有以下特點： ，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。 ，控制程序可 變，使用方便 PLC 品種齊全的各種硬件裝置，可以組成能滿足各種要求的控制系統(tǒng)，用戶不必自己再設計和制作硬件裝置。用戶在硬件確定以后，在生產工藝流程改變或蘭州理工大學畢業(yè)論文 8 生產設備更新的情況下，不必改變 PLC 的硬設備，只需改編程序就可以滿足要求。因此， PLC 除應用于單機控制外，在工廠自動化中也被大量采用。 ，適應面廣 現代 PLC 不僅有邏輯運算、計時、計數、順序控制等功能，還具有數字和模擬量的輸入輸出、功率驅動、通信、人機對話、自檢、記錄顯示等功能。既可控制一臺生產機械、一條生產線，又可控制一個生產過程。 ，容易掌握 目前，大多數 PLC 仍采用繼電控制形式的“梯形圖編程方式”。既繼承了傳統(tǒng)控制線路的清晰直觀，又考慮到大多數工廠企業(yè)電氣技術人員的讀圖習慣及編程水平，所以非常容易接受和掌握。梯形圖語言的編程元件的符號和表達方式與繼電器控制電路原理圖相當接近。通過閱讀 PLC 的用戶手冊或短期培訓，電氣技術人員和技術工很快就能學會用梯形圖編制控制程序。同時還提供了功能圖、語句表等編程語言。 PLC 在執(zhí)行梯形圖程序時，用解釋程序將它翻譯成匯編語言然后執(zhí)行（ PLC內部增加了解釋程序）。與直接執(zhí)行匯編語言編寫的用戶程序相比，執(zhí) 行梯形圖程序的時間要長一些，但對于大多數機電控制設備來說，是微不足道的，完全可以滿足控制要求。 由于 PLC 采用了軟件來取代繼電器控制系統(tǒng)中大量的中間繼電器、時間繼電器、計數器等器件，控制柜的設計安裝接線工作量大為減少。同時， PLC 的用戶程序可以在實驗室模擬調試，更減少了現場的調試工作量。并且，由于 PLC的低故障率及很強的監(jiān)視功能，模塊化等等，使維修也極為方便。 、重量輕、功耗低、維護方便 PLC 是將微電子技術應用于工業(yè)設備的產品，其結構緊湊，堅固，體積小，重 量輕，功耗低。并且由于 PLC 的強抗干擾能力，易于裝入設備內部，是實現機電一體化的理想控制設備。以三菱公司的 F140M 型 PLC 為例：其外型尺寸僅為 305 110 110mm，重量 ，功耗小于 25VA；而且具有很好的抗振、適應環(huán)境溫、濕度變化的能力。現在三菱公司又有 FX 系列 PLC，與其超小型品種F1 系列相比：面積為 47%，體積為 36%，在系統(tǒng)的配置上既固定又靈活，輸入輸出可達 24～ 128 點。 蘭州理工大學畢業(yè)論文 9 PLC 的工作原理 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。 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。 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。 在用戶程序執(zhí)行過程中，只有輸入點在 I/O 映象區(qū)內的狀態(tài)和數據不會發(fā)生變化，而其他輸出點和軟設備在 I/O 映象區(qū)或系統(tǒng) RAM 存儲區(qū)內的狀態(tài)和數據都有可能發(fā)生變化，而且排在上面的梯形 圖，其程序執(zhí)行結果會對排在下面的凡是用到這些線圈或數據的梯形圖起作用；相反，排在下面的梯形圖，其被刷新的邏輯線圈的狀態(tài)或數據只能到下一個掃描周期才能對排在其上面的程序起作用。 在程序執(zhí)行的過程中如果使用立即 I/O 指令則可以直接存取 I/O 點。即使用I/O 指令的話，輸入過程影像寄存器的值不會被更新，程序直接從 I/O 模塊取值，輸出過程影像寄存器會被立即更新，這跟立即輸入有些區(qū)別。 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。這時，才是 PLC 的真正輸出。 PLC 工作方式與特點 ： PLC 的工作方式是一個不斷循環(huán)的順序掃描工作方式。每一次掃描所用的時間稱為掃描周期或工作周期。 PLC 運行正常時，掃描周期的長短蘭州理工大學畢業(yè)論文 10 與 CPU 的運算速度有關，與 I/O 點的情況有關，與用戶應用程序的長短及編程情況等均有關。通常用 PLC 執(zhí)行 1K 指令所需時間來說明其掃描速度。 ：指從 PLC 的外部輸入信號發(fā)生變化至它所控制的外部輸出信號發(fā)生變化的時間間隔。一般為幾十 — 100ms。引起輸出滯后的因素： 輸入模塊的濾波時間、輸出模塊的滯后時間、掃描方式引起的滯后。 PLC 是集中采樣，在程序處理階段即使輸入發(fā)生了變化，輸入映象寄存器中的內容也不會變化，要到下一周期的輸入采樣階段才會改變。 PLC 是串行工作，所以 PLC 的運行結果與梯形圖程序的順序有關。這與繼電器控制系統(tǒng) “并行 ”工作有質的區(qū)別。避免了觸點的臨界競爭，減少繁瑣的聯(lián)鎖電路。 可編程控制器的應用領域 目前， PLC 在國內外已廣泛應用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機械制造、汽車、輕紡、交通運及文化娛樂等各個行業(yè)，使用情 況大致可歸納為如下幾類。 這是 PLC 最基本、最廣泛的應用領域，它取代傳統(tǒng)的繼電器電路，實現邏輯控制、順序控制，既可用于單臺設備的控制，也可用于多機群控及自動化流水線。如注塑機、印刷機、訂書機械、組合機床、磨床、包裝生產線、電鍍流水線等。 在工業(yè)生產過程當中，有許多連續(xù)變化的量，如溫度、壓力、流量、液位和速度等都是模擬量。為了控制器處理模擬量，必須實現模擬量（ Analog）和數字量（ Digital）之間的 A/D 轉換及 D/A 轉換。 PLC 產配套的 A/D 和 D/A 轉換模塊，使可編程控制器用于模擬量控制。 PLC 可以用于圓周運動或直線運動的控制。從控制機構配置來說，早期直接用于開關量 I/O 模塊連接位和執(zhí)行機構，現在一般使用專用的運動控制模塊。如可驅動步進電機或伺服電機的單軸或多軸位置控 制， 世界上各主要 PLC 廠家的產品幾乎都有運動控制功能，廣泛用于各種機械、機床、機器人、電梯等場合 。 蘭州理工大學畢業(yè)論文 11 過程控制是指對溫度、壓力、流量等模擬量的閉環(huán)控制。作為工業(yè)控制計算機， PLC 能編制各種各樣控制算法程序，完成閉環(huán)控制。 PID 調節(jié)是一般閉環(huán)控制系統(tǒng)中用得較多的調節(jié)方法。大中型 PLC 都有 PID 模塊 ,目前許多小型 PLC 也具有此功能模塊。 PID 處理一般是運行專用的 PID 子程序。過程控制在冶金、化工、熱爐控制等場合有非常廣泛的應用。 現代 PLC 具有數學運算（含矩陣運算、函數運算、邏輯運算）、數據傳送、數據轉換、排序、查表、功能，可以完成數據的采集、分析及處理。這些數據可以與存儲在存儲器中的參考值比較，完成一定控制操作，也可以利用通信功能傳送到別的智能裝置，或將它們打印制表。數據處理一般用于大型控制系統(tǒng)控制的柔性制造系統(tǒng)；也可用于過程控 制系統(tǒng)，如造紙、冶金、食品工業(yè)中的一些大型控制系統(tǒng)。 PLC 通信含 PLC 間的通信及 PLC 與其它智能設備間的通信。隨著計算機控制的發(fā)展，工廠自動化網絡發(fā)展得很快，各 PLC 廠商都十分重視 PLC 的通信功能，紛紛推出各自的網絡系統(tǒng)。新近生產的 PLC 都具有通信接接口 ,通信非常方便。依靠先進的工業(yè)網絡技術可以迅速有效地收集、傳送生產和管理數據。因此，網絡在自動化系統(tǒng)集成工程中的重要性越來越顯著，甚至有人提出 網絡就是控制器 的觀點說法。 PLC 具有通信聯(lián)網的功能，它使 PLC 與 PLC 之間、 PLC 與 上位計算機以及其他智能設備之間能夠交換信息，形成一個統(tǒng)一的整體，實現分散集中控制。多數 PLC 具有 RS232 接口，還有一些內置有支持各自通信協(xié)議的接口。 PLC 的通信現在主要采用通過多點接口（ MPI）的數據通訊、 PROFIBUS 或 工業(yè)以太網 進行聯(lián)網。 蘭州理工大學畢業(yè)論文 12 PLC 的國內外狀況 世界上公認的第一臺 PLC 是 1969 年美國數字設備公司（ DEC）研制的。限于當時 的元器件條件及計算機發(fā)展水平，早期的 PLC 主要由分立元件和中小規(guī)模集成電路組成，可以完成簡單的邏輯控制及定時、計數功能 .20 世紀 70 年代初出現了微處理器。人們很快將其引入可編程控制器，使 PLC 增加了運算、數據傳送及處理完成了真正具有計算機特征的工業(yè)控制裝置。為了方便熟悉繼電器、接觸器系統(tǒng)的工程技術人員使用控制器采用和繼電器電路圖類似的梯形圖作為主要編程語言，并將參加運算及處理的計算機存儲元件器命名。此時的 PLC 為微機技術和繼電器常規(guī)控制概念相結合的產物。 20 世紀 70 年代中末期，可編程控制器進入實用化發(fā)展階段 ，計算機技術已全面引入可編程控制器中，使其功能發(fā)生了飛躍。更高的運算速度、超小型體積、更可靠的工業(yè)抗干擾設計、模擬量運算、 PID 功能及極高的性價比奠定了它在現代工業(yè)中的地位。 20 世紀 80 年代初，可編程控制器在先進工業(yè)國家中已獲得廣泛應用期可編程控制器發(fā)展的特點是大規(guī)模、高速度、高性能、產品系列化。這個階段的另一個特點是世界編程控制器的國家日益增多，產量日益上升。這標志著可編程控制器已步入成熟階段。 20 世紀末期，可編程控制器的發(fā)展特點是更加適應于現代工業(yè)的需要。從控制規(guī)模上來說，這個時期型機和超小型機；從控 制能力上來說，誕生了各種各樣的特殊功能單元，用于壓力、溫度、轉速、位移等各式各樣的控制場合；從產品的配套能力來說，生產了各種人機界面單元、通信單元，使應用可編程控制控制設備的配套更加容易。目前，可編程控制器在機械制造、石油化工、冶金鋼鐵、汽車、輕工業(yè)等領域的應用都得到了長足的發(fā)展。 我國可編程控制器的引進、應用、研制、生產是伴隨著改革開放開始的。最初是在引進設備中大量使用 .程控制器。接下來在各種企業(yè)的生產設備及產品中不斷擴大了 PLC 的應用。目前，我國自己已可以生產中小型可編程控制器。上海東屋電氣有限公司生 產的 CF 系列、杭州機床電器廠生產的 DKK 及 D 系列、大連組合機床研究所生產的 S 系列、蘇州電子計算機廠生產的 YZ 系列等多種產品已具備了一定的規(guī)模并在工業(yè)產品中獲得了應用。此外，無錫華光公司、上海鄉(xiāng)島公司等中外合資企業(yè)也是我國比較著名的 PLC 生產廠家?？梢灶A期 ,隨著我國現代化進程的深入， PLC 在我國將有更廣闊的應用天地。 21 世紀， PLC 會有更大的發(fā)展。從技術上看，計算機技術的新成果會更多蘭州理工大學畢業(yè)論文 13 地應用于可編程控制器的設計和制造上，會有運算速度更快、存儲容量更大、智能更強的品種出現；從產品規(guī)模上看，會進一步向超小 型及超大型方向發(fā)展；從產品的配套性上看，產品的品種會更豐富、規(guī)格更齊全，完美的人機界面、完備的通信設備會更好地適應各種工業(yè)控制場合的需求；從市場上看，各國各自生產多品種產品的情況會隨著國際競爭的加劇而打破，會出現少數幾個品牌壟斷國際市場的局面，會出現國際通用的編程語言；從網絡的發(fā)展情況來看 ,可編程控制器和其它工業(yè)控制計算機組網構成大型的控制系統(tǒng)是可編程控制器技術的發(fā)展方向。目前的計算集散控制系統(tǒng) DCS（ Distributed Control System）中已有大量的可編程控制器應用。伴隨著計算機網絡的發(fā)展