【文章內(nèi)容簡介】 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，一般按以下原則來考慮 按 I/O點數(shù)容量分類 一 般而言，處理 I/O 點數(shù)越多，則控制關系就 比較復雜，用戶要求的程序存儲器容量比較大，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、輸出點數(shù)的多少可將 PLC 分為以下三類。 （ 1）小型機 小型機 PLC 的功能一般以開關量控制為主，小型 PLC 輸入、輸出點數(shù)一般在 256 點以下，用戶程序存儲器容量在 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 的特點是價格低廉，體積小巧，適合于控制單臺設備和開發(fā)機電一體化產(chǎn)品。 典型的小型機有 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 中型 PLC 的輸入、輸出總點數(shù)在 256~~2048 點之間，用戶程序存儲器容量達到 8K 字左右。中型 PLC 不僅具有開關量和模擬量的控制功能，還具有更強的數(shù)字計算能力，它的通信功能和模擬量處理功能更強大，中型機比小型機更豐富，中型機適用于更復雜的邏輯控制系統(tǒng)以及連續(xù)生產(chǎn)線的過程控制系統(tǒng)場合。 典型的中型機有 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 大型 PLC 的輸入、輸出總點數(shù)在 2048 點以上，用戶程序儲存器容量達到 16K 以上。大型 PLC 的性能已經(jīng)與工業(yè)控制計算機相當，它具有計算、控制和調(diào)節(jié)的能力，還具有強大的網(wǎng)絡結構和通信聯(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，構成一臺多功能系統(tǒng)。這種系統(tǒng)還可以和其他型號的控制器互聯(lián)，和上位機相聯(lián)，組成一個集中分散的生產(chǎn)過程和產(chǎn)品質(zhì)量控制系統(tǒng)。大型機適用于設備 自動化控制、過程自動化控制和過程監(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 按結構形式分 根據(jù) PLC 結構形式的不同， PLC 主要可分為整體式和模塊式兩類。 （ 1）整體式結構 整體式結構的特點是將 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標準的機殼內(nèi)，構成一個整體，組成 PLC 的一個基本單元（主機）或擴展單元。基本單元上設有擴展端口，通過擴展電纜與擴展單元相連，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，以構成 PLC 不同的配置。整體式結構的 PLC 體積小，成本底，安裝方便。 微型和小型 PLC 一般為整體式結構。如西門子的 S7200 （ 2）模塊式結構 模塊式結構的 PLC 是由一些模塊單元構成，這些標準模塊如 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。各個模塊功能是獨立的，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 I/O 點的平均價格比模塊式的便宜，在小型控制系統(tǒng)中一般采用整體式結構。但是模塊式 PLC 的硬件組態(tài)方便靈活， I/O 點數(shù)的多少、輸入點數(shù)與輸出點數(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，維修時更換模塊、判斷故障范圍也很方便，因此較復雜的、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和術語，僅個別之處有不同。同時，信號的輸入 /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，利用繼電器機械觸點的串聯(lián)或并聯(lián)，及延時繼電器的滯后動作等組合成控制邏輯，其接線多而復雜、體積大、功耗大、故障率高，一旦系統(tǒng)構成后，想改變或增加功能都很困難。另外，繼電器觸點數(shù)目有限，每個只有 4—— 8 個對觸點。因此，靈活性和擴展性很差。而 PLC 采用存儲器邏輯，其控制邏輯以程序方式存儲在內(nèi)存中，要改變控制邏輯，只需改變程序即可，故稱為“軟接線”。因此靈活性和擴展性都很好。 （ 2）工作方 式 電源接通時，繼電器控制電路中各個繼電器都同時處于受控狀態(tài)，即該吸合的都應該吸合，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）可靠性和可維護性 繼電器控制邏輯使用了大量的機械觸點，連線也多。觸點開閉時會受到電弧的損壞，并有機械磨損，壽命短，因此可靠性和可維護性差。而 PLC 采用微電子技術，大量的開關動作由無觸點的半導體電路來完成，體積小、壽命長、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，并隨時顯示給 操作人員，還能動態(tài)的監(jiān)視控制程序的執(zhí)行情況，為現(xiàn)場調(diào)試和維護提供了方便。 （ 4）控制速度 繼電器控制邏輯依靠觸點的機械動作實現(xiàn)控制，工作頻率底，觸點的開閉動作一般在幾十 MS 數(shù)量級。另外，機械觸點還會出現(xiàn)抖動問題。而 PLC 是由程序指令控制半導體電路來實現(xiàn)控制，屬于無觸點控制，速度極快，一般一條用戶指令執(zhí)行時間在 數(shù)量級，且不會出現(xiàn)抖動。 （ 5）定時控制 繼電器控制邏輯利用時間繼電器進行時間控制。一般來說，時間繼電器存在定時精度不高，定時范圍窄，且易受環(huán)境濕度和溫度變化的影響，調(diào)整時間困難等問題。 PLC使用半導體 集成電路做定時器，時基脈沖由晶體震蕩器發(fā)生，精度相當高，且定時時間不受環(huán)境的影響定時范圍一般從 。用戶和根據(jù)需要在程序中設定定時值，然后用軟件來控制定時時間。 （ 6）設計和施工 使用繼電器控制邏輯完成一項控制工程，其設計、施工、調(diào)試必須依次進行，周期長而且修改困難。工程越大著一點就越突出。而用 PLC完成一項控制工程，在系統(tǒng)設計完成以后，現(xiàn)場施工和控制邏輯的設計（包括梯形圖的設計）可以同時進行，周期短，且調(diào)試和修改都很方便。 從以上幾個方面的比較可知， 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、設計施工周期短、調(diào)試修改方便，而且體積小、功耗低、使用維護方便。但是在很小的系統(tǒng)中使用時，價格要高于繼電器系統(tǒng)。 PLC 控制系統(tǒng)的結構 使用 PLC 可以構成多種形式的控制結構，下面介紹幾種常用的 PLC 控制系統(tǒng)。 單機控制系統(tǒng) 單機控制系統(tǒng)是較普通的一種 PLC 控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用一臺 PLC 控制一個對象，控制系統(tǒng)要求的 I/O 點數(shù)和存儲器容量都比較小，沒有 PLC 的通訊問題，采樣條件和執(zhí)行結構都比較集中，控制系統(tǒng)的構成簡單明了。 如圖 5 所示是一個簡單的單機控制系統(tǒng)，圖 中 PLC 可以選用任何一種類型。在單機控 15 制系統(tǒng)中由于控制對象比較確定，因此系統(tǒng)要完成的功能一般較明確， I/O 點數(shù)、存儲器容量等參數(shù)的余量適中即可等參數(shù)的余量適中即可。 圖 5 簡單的單機控制系統(tǒng) 集中控制系統(tǒng) 集中控制系統(tǒng)用儀態(tài)功能強大的 PLC 監(jiān)視、控制多個設備，形成中央集中式的控制系統(tǒng)。其中，各個設備之間的聯(lián)絡，連鎖關系、運行順序等統(tǒng)一由中央 PLC 來完成，如圖 6示 顯然，集中控制系統(tǒng)比單機控制系統(tǒng)經(jīng)濟的多。但是當其中一個控制對象的控制程序需 要改變時，必須停止運行中央 PLC，其他的控制對象也必須停止運行。當各個控制對象的地理位置距集中控制系統(tǒng)比較遠時，需要大量的電纜線，造成系統(tǒng)成本的增加。為了適應控制系統(tǒng)的改變，采用集中控制系統(tǒng)時，必須注意選擇 I/O 點數(shù)和存儲器容量時要留有足夠的余量，以便滿足增加控制對象的要求。 圖 6 集中控制系統(tǒng) 分散控制系統(tǒng) 分散控制系統(tǒng)的構成如圖 7 所示，每一個控制對象設置一臺 PLC，各臺 PLC 可以通過信號傳遞進行內(nèi)部 連鎖、響應或發(fā)令等，或者由上位機通過數(shù)據(jù)通信總線進行通訊。 P L C 控制對象 A 控制對象 B 控制對象 C P L C 控 制 對 象 16 分散控制系統(tǒng)常用于多臺機械生產(chǎn)線的控制，各個生產(chǎn)線之間有數(shù)據(jù)連接。由于各個控制對象都由自己的 PLC 進行控制，當其中一個 PLC 停止運行時不需要停止運行其他的 PLC。 隨著 PLC 性能的不斷提高，由 PLC 擔當?shù)蛯涌刂迫蝿眨ㄟ^網(wǎng)絡連接， PLC 與過程控制相結合的分散控制系統(tǒng)將是計算機控制的重要發(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。具有相同 I/O 點數(shù)時，雖然分散控制系統(tǒng)中多用了一臺或幾臺 PLC，導致價格偏高，但是從維護、試運轉(zhuǎn)或增設控 制對象等方面來看，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)絡及特點 網(wǎng)絡概述 分散控制系統(tǒng)的控制思想就是集中操作、分散操作。一個實際的工業(yè)控制過程中是比較復雜的，一個控制過程可能由多個控制任務完成。這些控制任務既有獨立性，有與其他任務有聯(lián)系，而這些相對獨立的任務需要構成一個整體。當控制系統(tǒng)達到一定規(guī)模時，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)絡系統(tǒng)。雖然現(xiàn)在對網(wǎng)絡的系統(tǒng)結構 等問題還沒有同意的標準，但是很顯然，網(wǎng)絡控制系統(tǒng)比分散控制系統(tǒng)更能準確的描述現(xiàn)實控制系統(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)絡工廠 隨著低層控制單元 PLC 價格的減低、技術的成熟，以及各種行業(yè)的 I/O 標準化，必然會導致網(wǎng)絡工廠的實現(xiàn)成為現(xiàn)實。在工廠里，每臺設備都帶有標準的網(wǎng)絡接口，可以隨時隨地接入網(wǎng)絡，而每臺設備都處于網(wǎng)絡的不同層次中，各個操作控制點可根據(jù)不同組態(tài)時分配給它的功能發(fā)揮不同的作用。 網(wǎng)絡控制系統(tǒng)的特點 上機位 PLC A PLC B PLC C 控制對象 A 控制對象 B 控制對象 C 17 （ 1）對大、中、小控制任務都具有適應性； （ 2）與現(xiàn)存系統(tǒng)有可連接性； （ 3）保證系統(tǒng)有長期的使用價值。 網(wǎng)絡控制系統(tǒng) PLC 的影響 PLC 網(wǎng)絡控制系統(tǒng)的發(fā)展，使 PLC 的應用更加廣泛。許多 PLC 產(chǎn)品都在 PLC 上加上了具有網(wǎng)絡功能的硬件和軟件，因此，組成 PLC 網(wǎng)絡非常方便。 PLC 網(wǎng)絡系統(tǒng)對任何一個站的操作都和使用同 PLC 一樣方便，并且在網(wǎng)絡中任何一個站都可以對其他站的元件及數(shù)據(jù)乃至程序進行操作。 網(wǎng)絡控制系統(tǒng)的設計 在輔助繼電器（位）、數(shù)據(jù)繼電器（字）專門開辟一個地址范圍，將其分配個各臺 PLC，使得臺 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)動其本身的軟件，以達到通訊的目的。各站主機之間元件狀態(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)在比較通用的設計思想。由于各個 PLC 廠家各自開發(fā)自己的網(wǎng)絡通訊系統(tǒng)，采用自己的通行協(xié)議和接口，設備的不兼容想限制的 PLC 的進一步發(fā)展，為此美國通用汽車公司編制了一個工廠自動化協(xié)議（ MAP）。希望各個廠家生產(chǎn)的設備能用一種同意的語言標準進行通訊。 MAP 的體系結構是以估計標準化組織（ ISO）推薦的開發(fā)系統(tǒng)互連（ OSI）參考模型為基礎，對參考模 型的每一層都列出了合適于工業(yè)應用的特定標準。 訪問控制技術 最常用的訪問控制技術有：查詢、沖突檢測和令牌傳遞。一般查詢和令牌傳遞沒有沖突檢測的速率高，但是可靠性好，最大延遲時間可以控制，控制網(wǎng)絡經(jīng)常采用這種控制技術；沖突檢測通訊效率較高，速度較快，但各個站點通訊機會不均，在商務網(wǎng)絡中使用較多。 3 系統(tǒng)硬件設計