【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 12 PLC 的分類 PLC 發(fā)展到今天，已經(jīng)有了多種形式，而且功能也不盡相同，分類時(shí)，一般按以下原則來考慮 按 I/O點(diǎn)數(shù)容量分類 一 般而言，處理 I/O 點(diǎn)數(shù)越多，則控制關(guān)系就 比較復(fù)雜，用戶要求的程序存儲(chǔ)器容量比較大，要求 PLC 指令及其他功能比較多，指令執(zhí)行的過程也比較快。按 PLC 的輸入、輸出點(diǎn)數(shù)的多少可將 PLC 分為以下三類。 （ 1）小型機(jī) 小型機(jī) PLC 的功能一般以開關(guān)量控制為主，小型 PLC 輸入、輸出點(diǎn)數(shù)一般在 256 點(diǎn)以下，用戶程序存儲(chǔ)器容量在 4K 左右?，F(xiàn)在的高性能小型 PLC 還具有一定的通訊能力和少量的模擬量處理能力。這類的 PLC 的特點(diǎn)是價(jià)格低廉，體積小巧，適合于控制單臺(tái)設(shè)備和開發(fā)機(jī)電一體化產(chǎn)品。 典型的小型機(jī)有 SIEMENS 公司的 S7200 系列、 OMRON 公司的 CPM2A 系列、MITUBISH 公司的 FX 系列和 AB 公司的 SLC500 系列等整體式 PLC 產(chǎn)品。 （ 2）中型機(jī) 中型 PLC 的輸入、輸出總點(diǎn)數(shù)在 256~~2048 點(diǎn)之間，用戶程序存儲(chǔ)器容量達(dá)到 8K 字左右。中型 PLC 不僅具有開關(guān)量和模擬量的控制功能，還具有更強(qiáng)的數(shù)字計(jì)算能力，它的通信功能和模擬量處理功能更強(qiáng)大，中型機(jī)比小型機(jī)更豐富，中型機(jī)適用于更復(fù)雜的邏輯控制系統(tǒng)以及連續(xù)生產(chǎn)線的過程控制系統(tǒng)場(chǎng)合。 典型的中型機(jī)有 SIEMENS 公司的 S7300 系列、 OMRON 公司的 C200H 系列、 AB 公司的 SLC500 系列等模塊式 PLC 產(chǎn)品。 （ 3）大型機(jī) 大型 PLC 的輸入、輸出總點(diǎn)數(shù)在 2048 點(diǎn)以上，用戶程序儲(chǔ)存器容量達(dá)到 16K 以上。大型 PLC 的性能已經(jīng)與工業(yè)控制計(jì)算機(jī)相當(dāng)，它具有計(jì)算、控制和調(diào)節(jié)的能力，還具有強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和通信聯(lián)網(wǎng)能力，有些 PLC 還具有冗余能力。它的監(jiān)視系統(tǒng)采用 CRT 顯示，能夠表示過程的動(dòng)態(tài)流程，記錄各種曲線， PID 調(diào)節(jié)參數(shù)等；它配備多種智能板，構(gòu)成一臺(tái)多功能系統(tǒng)。這種系統(tǒng)還可以和其他型號(hào)的控制器互聯(lián)，和上位機(jī)相聯(lián)，組成一個(gè)集中分散的生產(chǎn)過程和產(chǎn)品質(zhì)量控制系統(tǒng)。大型機(jī)適用于設(shè)備 自動(dòng)化控制、過程自動(dòng)化控制和過程監(jiān)控系統(tǒng)。 典型的大型 PLC 有 SIEMENS 公司的 S7400、 OMRON 公司的 CVM1 和 CS1 系列、 AB公司的 SLC5/05 等系列。 13 按結(jié)構(gòu)形式分 根據(jù) PLC 結(jié)構(gòu)形式的不同， PLC 主要可分為整體式和模塊式兩類。 （ 1）整體式結(jié)構(gòu) 整體式結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是將 PLC 的基本部件，如 CUP 板、輸入板、輸出板、電源板等緊湊的安裝在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)殼內(nèi)，構(gòu)成一個(gè)整體，組成 PLC 的一個(gè)基本單元（主機(jī)）或擴(kuò)展單元?；締卧显O(shè)有擴(kuò)展端口，通過擴(kuò)展電纜與擴(kuò)展單元相連，配有許多專用的特殊功 能的模塊，如模擬量輸入 /輸出模塊、熱電偶、熱電阻模塊、通信模塊等，以構(gòu)成 PLC 不同的配置。整體式結(jié)構(gòu)的 PLC 體積小，成本底，安裝方便。 微型和小型 PLC 一般為整體式結(jié)構(gòu)。如西門子的 S7200 （ 2）模塊式結(jié)構(gòu) 模塊式結(jié)構(gòu)的 PLC 是由一些模塊單元構(gòu)成，這些標(biāo)準(zhǔn)模塊如 CUP 模塊、輸入模塊、輸出模塊、電源模塊和各種功能模塊等，將這些模塊插在框架上和基板上即可。各個(gè)模塊功能是獨(dú)立的，外型尺寸是統(tǒng)一的，可根據(jù)需要靈活配置。 目前大、中型 PLC 都采用這種方式。如西門子的 S7300 和 S7400 系列。 整體式 PLC 每一個(gè) I/O 點(diǎn)的平均價(jià)格比模塊式的便宜，在小型控制系統(tǒng)中一般采用整體式結(jié)構(gòu)。但是模塊式 PLC 的硬件組態(tài)方便靈活， I/O 點(diǎn)數(shù)的多少、輸入點(diǎn)數(shù)與輸出點(diǎn)數(shù)的比例、 I/O 模塊的使用等方面的選擇余地都比整體式 PLC 大的多，維修時(shí)更換模塊、判斷故障范圍也很方便，因此較復(fù)雜的、要求較高的系統(tǒng)一般選用模塊式 PLC。 PLC 與繼電器控制系統(tǒng)的區(qū)別 PLC 梯形圖與繼電器控制電路圖非常相似，主要原因是 PLC 梯形圖大致上沿用了繼電器控制的元件符號(hào)和術(shù)語，僅個(gè)別之處有不同。同時(shí)，信號(hào)的輸入 /輸出形式及控制功能也基本上是相 同的，但是 PLC 的控制與繼電器的控制又有根本的不同之處，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。 （ 1）邏輯控制 繼電器控制邏輯采用硬接線邏輯，利用繼電器機(jī)械觸點(diǎn)的串聯(lián)或并聯(lián)，及延時(shí)繼電器的滯后動(dòng)作等組合成控制邏輯，其接線多而復(fù)雜、體積大、功耗大、故障率高，一旦系統(tǒng)構(gòu)成后，想改變或增加功能都很困難。另外，繼電器觸點(diǎn)數(shù)目有限，每個(gè)只有 4—— 8 個(gè)對(duì)觸點(diǎn)。因此，靈活性和擴(kuò)展性很差。而 PLC 采用存儲(chǔ)器邏輯，其控制邏輯以程序方式存儲(chǔ)在內(nèi)存中，要改變控制邏輯，只需改變程序即可，故稱為“軟接線”。因此靈活性和擴(kuò)展性都很好。 （ 2）工作方 式 電源接通時(shí)，繼電器控制電路中各個(gè)繼電器都同時(shí)處于受控狀態(tài)，即該吸合的都應(yīng)該吸合，不該吸合的都因受某種條件限制不能吸合，它屬于并行工作方式。而的控制邏輯中，各內(nèi)部器件都處于周期性循環(huán)掃描過程中，屬于串行工作方式。 14 （ 3）可靠性和可維護(hù)性 繼電器控制邏輯使用了大量的機(jī)械觸點(diǎn)，連線也多。觸點(diǎn)開閉時(shí)會(huì)受到電弧的損壞，并有機(jī)械磨損，壽命短，因此可靠性和可維護(hù)性差。而 PLC 采用微電子技術(shù)，大量的開關(guān)動(dòng)作由無觸點(diǎn)的半導(dǎo)體電路來完成，體積小、壽命長(zhǎng)、可靠性高。 PLC 還配有自監(jiān)和監(jiān)督功能，能檢查出自身的故障，并隨時(shí)顯示給 操作人員，還能動(dòng)態(tài)的監(jiān)視控制程序的執(zhí)行情況，為現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試和維護(hù)提供了方便。 （ 4）控制速度 繼電器控制邏輯依靠觸點(diǎn)的機(jī)械動(dòng)作實(shí)現(xiàn)控制，工作頻率底，觸點(diǎn)的開閉動(dòng)作一般在幾十 MS 數(shù)量級(jí)。另外，機(jī)械觸點(diǎn)還會(huì)出現(xiàn)抖動(dòng)問題。而 PLC 是由程序指令控制半導(dǎo)體電路來實(shí)現(xiàn)控制，屬于無觸點(diǎn)控制，速度極快，一般一條用戶指令執(zhí)行時(shí)間在 數(shù)量級(jí)，且不會(huì)出現(xiàn)抖動(dòng)。 （ 5）定時(shí)控制 繼電器控制邏輯利用時(shí)間繼電器進(jìn)行時(shí)間控制。一般來說，時(shí)間繼電器存在定時(shí)精度不高，定時(shí)范圍窄，且易受環(huán)境濕度和溫度變化的影響，調(diào)整時(shí)間困難等問題。 PLC使用半導(dǎo)體 集成電路做定時(shí)器，時(shí)基脈沖由晶體震蕩器發(fā)生，精度相當(dāng)高，且定時(shí)時(shí)間不受環(huán)境的影響定時(shí)范圍一般從 。用戶和根據(jù)需要在程序中設(shè)定定時(shí)值，然后用軟件來控制定時(shí)時(shí)間。 （ 6）設(shè)計(jì)和施工 使用繼電器控制邏輯完成一項(xiàng)控制工程，其設(shè)計(jì)、施工、調(diào)試必須依次進(jìn)行，周期長(zhǎng)而且修改困難。工程越大著一點(diǎn)就越突出。而用 PLC完成一項(xiàng)控制工程，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成以后，現(xiàn)場(chǎng)施工和控制邏輯的設(shè)計(jì)（包括梯形圖的設(shè)計(jì)）可以同時(shí)進(jìn)行，周期短，且調(diào)試和修改都很方便。 從以上幾個(gè)方面的比較可知， PLC 在性能上比繼電器控制邏輯優(yōu)異 ，特別是可靠性高、通用性強(qiáng)、設(shè)計(jì)施工周期短、調(diào)試修改方便，而且體積小、功耗低、使用維護(hù)方便。但是在很小的系統(tǒng)中使用時(shí)，價(jià)格要高于繼電器系統(tǒng)。 PLC 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 使用 PLC 可以構(gòu)成多種形式的控制結(jié)構(gòu)，下面介紹幾種常用的 PLC 控制系統(tǒng)。 單機(jī)控制系統(tǒng) 單機(jī)控制系統(tǒng)是較普通的一種 PLC 控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用一臺(tái) PLC 控制一個(gè)對(duì)象，控制系統(tǒng)要求的 I/O 點(diǎn)數(shù)和存儲(chǔ)器容量都比較小，沒有 PLC 的通訊問題，采樣條件和執(zhí)行結(jié)構(gòu)都比較集中，控制系統(tǒng)的構(gòu)成簡(jiǎn)單明了。 如圖 5 所示是一個(gè)簡(jiǎn)單的單機(jī)控制系統(tǒng)，圖 中 PLC 可以選用任何一種類型。在單機(jī)控 15 制系統(tǒng)中由于控制對(duì)象比較確定，因此系統(tǒng)要完成的功能一般較明確， I/O 點(diǎn)數(shù)、存儲(chǔ)器容量等參數(shù)的余量適中即可等參數(shù)的余量適中即可。 圖 5 簡(jiǎn)單的單機(jī)控制系統(tǒng) 集中控制系統(tǒng) 集中控制系統(tǒng)用儀態(tài)功能強(qiáng)大的 PLC 監(jiān)視、控制多個(gè)設(shè)備，形成中央集中式的控制系統(tǒng)。其中，各個(gè)設(shè)備之間的聯(lián)絡(luò)，連鎖關(guān)系、運(yùn)行順序等統(tǒng)一由中央 PLC 來完成，如圖 6示 顯然，集中控制系統(tǒng)比單機(jī)控制系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)的多。但是當(dāng)其中一個(gè)控制對(duì)象的控制程序需 要改變時(shí)，必須停止運(yùn)行中央 PLC，其他的控制對(duì)象也必須停止運(yùn)行。當(dāng)各個(gè)控制對(duì)象的地理位置距集中控制系統(tǒng)比較遠(yuǎn)時(shí)，需要大量的電纜線，造成系統(tǒng)成本的增加。為了適應(yīng)控制系統(tǒng)的改變，采用集中控制系統(tǒng)時(shí)，必須注意選擇 I/O 點(diǎn)數(shù)和存儲(chǔ)器容量時(shí)要留有足夠的余量，以便滿足增加控制對(duì)象的要求。 圖 6 集中控制系統(tǒng) 分散控制系統(tǒng) 分散控制系統(tǒng)的構(gòu)成如圖 7 所示，每一個(gè)控制對(duì)象設(shè)置一臺(tái) PLC，各臺(tái) PLC 可以通過信號(hào)傳遞進(jìn)行內(nèi)部 連鎖、響應(yīng)或發(fā)令等，或者由上位機(jī)通過數(shù)據(jù)通信總線進(jìn)行通訊。 P L C 控制對(duì)象 A 控制對(duì)象 B 控制對(duì)象 C P L C 控 制 對(duì) 象 16 分散控制系統(tǒng)常用于多臺(tái)機(jī)械生產(chǎn)線的控制，各個(gè)生產(chǎn)線之間有數(shù)據(jù)連接。由于各個(gè)控制對(duì)象都由自己的 PLC 進(jìn)行控制，當(dāng)其中一個(gè) PLC 停止運(yùn)行時(shí)不需要停止運(yùn)行其他的 PLC。 隨著 PLC 性能的不斷提高，由 PLC 擔(dān)當(dāng)?shù)蛯涌刂迫蝿?wù)，通過網(wǎng)絡(luò)連接， PLC 與過程控制相結(jié)合的分散控制系統(tǒng)將是計(jì)算機(jī)控制的重要發(fā)展方向。 與集中控制系統(tǒng)相比，分散控制系統(tǒng)的可靠性大大加強(qiáng)。具有相同 I/O 點(diǎn)數(shù)時(shí)，雖然分散控制系統(tǒng)中多用了一臺(tái)或幾臺(tái) PLC，導(dǎo)致價(jià)格偏高，但是從維護(hù)、試運(yùn)轉(zhuǎn)或增設(shè)控 制對(duì)象等方面來看，其靈活性要大的多，總的成本核算是合理的。 圖 7 分散控制系統(tǒng) PLC 網(wǎng)絡(luò)及特點(diǎn) 網(wǎng)絡(luò)概述 分散控制系統(tǒng)的控制思想就是集中操作、分散操作。一個(gè)實(shí)際的工業(yè)控制過程中是比較復(fù)雜的，一個(gè)控制過程可能由多個(gè)控制任務(wù)完成。這些控制任務(wù)既有獨(dú)立性，有與其他任務(wù)有聯(lián)系，而這些相對(duì)獨(dú)立的任務(wù)需要構(gòu)成一個(gè)整體。當(dāng)控制系統(tǒng)達(dá)到一定規(guī)模時(shí)，分散控制系統(tǒng)解決方案并不理想，因此許多廠家開發(fā)了自己的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。雖然現(xiàn)在對(duì)網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 等問題還沒有同意的標(biāo)準(zhǔn)，但是很顯然，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)比分散控制系統(tǒng)更能準(zhǔn)確的描述現(xiàn)實(shí)控制系統(tǒng)，并且控制、改變更加靈活，組態(tài)也更容易，能夠?qū)崿F(xiàn)管控一體化的控制思想。 網(wǎng)絡(luò)工廠 隨著低層控制單元 PLC 價(jià)格的減低、技術(shù)的成熟，以及各種行業(yè)的 I/O 標(biāo)準(zhǔn)化，必然會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)工廠的實(shí)現(xiàn)成為現(xiàn)實(shí)。在工廠里，每臺(tái)設(shè)備都帶有標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)接口，可以隨時(shí)隨地接入網(wǎng)絡(luò)，而每臺(tái)設(shè)備都處于網(wǎng)絡(luò)的不同層次中，各個(gè)操作控制點(diǎn)可根據(jù)不同組態(tài)時(shí)分配給它的功能發(fā)揮不同的作用。 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的特點(diǎn) 上機(jī)位 PLC A PLC B PLC C 控制對(duì)象 A 控制對(duì)象 B 控制對(duì)象 C 17 （ 1）對(duì)大、中、小控制任務(wù)都具有適應(yīng)性； （ 2）與現(xiàn)存系統(tǒng)有可連接性； （ 3）保證系統(tǒng)有長(zhǎng)期的使用價(jià)值。 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng) PLC 的影響 PLC 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的發(fā)展，使 PLC 的應(yīng)用更加廣泛。許多 PLC 產(chǎn)品都在 PLC 上加上了具有網(wǎng)絡(luò)功能的硬件和軟件，因此，組成 PLC 網(wǎng)絡(luò)非常方便。 PLC 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)對(duì)任何一個(gè)站的操作都和使用同 PLC 一樣方便，并且在網(wǎng)絡(luò)中任何一個(gè)站都可以對(duì)其他站的元件及數(shù)據(jù)乃至程序進(jìn)行操作。 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 在輔助繼電器（位）、數(shù)據(jù)繼電器（字）專門開辟一個(gè)地址范圍，將其分配個(gè)各臺(tái) PLC，使得臺(tái) PLC 可以寫其中一 些元件而其他所有的站都可以讀這些元件，然后再由這些元件去驅(qū)動(dòng)其本身的軟件，以達(dá)到通訊的目的。各站主機(jī)之間元件狀態(tài)信息的交換是由 PLC 系統(tǒng)自己去完成的，不需要用戶管理，這是現(xiàn)在比較通用的設(shè)計(jì)思想。由于各個(gè) PLC 廠家各自開發(fā)自己的網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)，采用自己的通行協(xié)議和接口，設(shè)備的不兼容想限制的 PLC 的進(jìn)一步發(fā)展，為此美國(guó)通用汽車公司編制了一個(gè)工廠自動(dòng)化協(xié)議（ MAP）。希望各個(gè)廠家生產(chǎn)的設(shè)備能用一種同意的語言標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行通訊。 MAP 的體系結(jié)構(gòu)是以估計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化組織（ ISO）推薦的開發(fā)系統(tǒng)互連（ OSI）參考模型為基礎(chǔ)，對(duì)參考模 型的每一層都列出了合適于工業(yè)應(yīng)用的特定標(biāo)準(zhǔn)。 訪問控制技術(shù) 最常用的訪問控制技術(shù)有：查詢、沖突檢測(cè)和令牌傳遞。一般查詢和令牌傳遞沒有沖突檢測(cè)的速率高，但是可靠性好，最大延遲時(shí)間可以控制，控制網(wǎng)絡(luò)經(jīng)常采用這種控制技術(shù)；沖突檢測(cè)通訊效率較高，速度較快，但各個(gè)站點(diǎn)通訊機(jī)會(huì)不均，在商務(wù)網(wǎng)絡(luò)中使用較多。 3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)