【文章內(nèi)容簡介】 命名為 PC（ Programmable Controller） 。值得注意的是，因?yàn)閭€(gè)人計(jì)算機(jī)的簡稱也是 PC（ Personal Computer） ，有時(shí)為了避免混淆，人們習(xí)慣上仍將可編程序控制器簡稱 PLC（盡管這是早期的名稱）。本書采用 PLC 的稱呼。 20 世紀(jì) 80年代后，隨著大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路的迅猛發(fā)展，以 16 位和 32 位微處理器夠成的微機(jī)化可編程序控制器得到了驚人的發(fā)展，使之在概念上，設(shè)計(jì)上，性能價(jià)格比等方面有了重大突破。可編程序具有了高速計(jì)數(shù)，中斷技術(shù)， PID 控制等功能，同時(shí)聯(lián)網(wǎng)通信功能也得到了加強(qiáng)，這些都使得可編程序控制器的應(yīng)用范圍和領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。為了使這一新型的工業(yè)控制裝置的生產(chǎn)和發(fā)展規(guī)范化。國 際電工委員會(huì)（ IEC）制定了 PLC 的標(biāo)準(zhǔn)，并給出了它的定義。 “可編程序控制器是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)，它采用可編程序的存儲(chǔ)器，用來在其內(nèi)部儲(chǔ)存執(zhí)行邏輯運(yùn)算，順序控制，定時(shí)，計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等才操作，并通過數(shù)字式，模擬式的輸入與輸出，控制各類的機(jī)械或生產(chǎn)過程。可編程序控制器及其有關(guān)設(shè)備，都應(yīng)按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)聯(lián)成一個(gè)整體，易于擴(kuò)充功能的原則設(shè)計(jì)?！? 綜上所述， PLC 是以微處理器為基礎(chǔ)，綜合了計(jì)算機(jī)技術(shù)，自動(dòng)控制技術(shù)和通信技術(shù)發(fā)展起來的一種通用工業(yè)自動(dòng)控制裝置。這種裝置具有體積小 ，功能強(qiáng)，程序設(shè)計(jì)簡單，靈活通用，維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，特別是它的高可靠性和較強(qiáng)的適應(yīng)惡劣工業(yè)環(huán)境的能力，得到了用戶的公認(rèn)和好評(píng)。他經(jīng)過短短的幾十年發(fā)展后，現(xiàn)在已成為現(xiàn)代工業(yè)控制的三大支柱（ PLC，機(jī)器人和 CAD/CAM）之一，被廣泛地應(yīng)用于機(jī)械，冶金，化工交通，電力等領(lǐng)域中。 以 PLC 作為控制器的 PLC 控制系統(tǒng)是從根本上改變了傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)的工業(yè)原理和方式。繼電器控制系統(tǒng)是控制功能是通過采用硬件接線的方式來實(shí)現(xiàn)的，而 PLC 控制系統(tǒng)的控制功能是通過存儲(chǔ)程序來實(shí)現(xiàn)的，不僅可以實(shí)現(xiàn)開關(guān)量控制，還可以進(jìn)行模擬量控 制，順序控制。另外，它的定時(shí)和計(jì)數(shù)功能也遠(yuǎn)比繼電器控制系統(tǒng)強(qiáng)很多，一般可以為用戶提供幾十個(gè)甚至上百個(gè)定時(shí)器，計(jì)數(shù)器。隨著計(jì)算機(jī)和通信幾刷的發(fā)展，現(xiàn)代 PLC控制系統(tǒng)已遠(yuǎn)不是幾十年前的哪個(gè)樣子，PLC 的控制從早期的單機(jī)控制發(fā)展到多機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)了工廠自動(dòng)化。盡管現(xiàn)在的河北機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 19 頁 PLC控制系統(tǒng)已發(fā)生了很大的變化，但是從自動(dòng)控制的角度來看， PLC 控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)的繼電器系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上仍有相似之處?，F(xiàn)在以集中型的 PLC 控制系統(tǒng)為例說明集中型 PLC 控制系統(tǒng)與繼電器控制系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上有那些相同和不同之處，這對(duì)初學(xué)者理解 PLC 控制系統(tǒng)的工作 原理是有幫助的。集中型 PLC 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。 將兩種系統(tǒng)相比，就會(huì)發(fā)現(xiàn) PCL 控制系統(tǒng)與繼電器控制系統(tǒng)輸入，輸出部分基本相同，輸入電路也是由按鈕，開關(guān)，傳感器所構(gòu)成：輸出電路也好似由接觸器，執(zhí)行器，電磁閥多構(gòu)成的。不同的是繼電器控制系統(tǒng)在控制線路被 PLC 中的程序代替，這樣一旦生產(chǎn)工藝發(fā)生變化，就只需要修改程序就可以了。正是上述原因， PLC 控制系統(tǒng)除了可以完成傳統(tǒng)繼電器控制系統(tǒng)所具有的全部功能外，還可以實(shí)現(xiàn)模擬量控制，開環(huán)或閉環(huán)過程控制，甚至多級(jí)分布式控制。隨著微電子技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展， PLC 的成本在降低，傳統(tǒng)的 繼電器控制系統(tǒng)被 PLC 控制系統(tǒng)代替已是發(fā)展的必然趨勢(shì)。 河北機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 20 頁 PLC 控制系統(tǒng)與其他工業(yè)控制系統(tǒng)的比較 PLC 控制系統(tǒng)與繼電器控制系統(tǒng)的比較 表 21 plc 與繼電器控制系統(tǒng)比較表 比較項(xiàng)目 繼電器控制系統(tǒng) PLC控制系統(tǒng) 控制功能的實(shí)現(xiàn) 由許多繼電器，采用接線的方式來完成控制功能 各種控制功能是通過編制的程序來實(shí)現(xiàn)的 對(duì)生產(chǎn)工藝過程變更的適應(yīng)性 適應(yīng)性差。需要重新設(shè)計(jì)，改變繼電器和接線 適應(yīng)性強(qiáng)，只需對(duì)程序進(jìn)行修改 控制速度 低。靠機(jī)械動(dòng)作實(shí)現(xiàn) 極快。靠微處理器進(jìn)行處理 計(jì)數(shù)及其他特殊功能 一般沒有 有 安裝，施工 連線多，施工繁 安裝容易，施工方便 可靠性 差，觸點(diǎn)多，故障多 高，因元器件采用了篩選和老化等可靠性措施 壽命 短 長 可擴(kuò)展性 困難 容易 維護(hù) 工作量大，故障不易查找 有自診能力，維護(hù)工作量小 結(jié)論：由于 PLC 控制系統(tǒng)與繼電器控制系統(tǒng)相比具有無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，因此，在今后的控制系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)被 PLC 控制系統(tǒng)所代替是大勢(shì)所趨。 PLC 控制系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的比較 20世紀(jì) 60 年代，由于小型計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，有人曾試圖用小型計(jì)算 機(jī)來取代當(dāng)時(shí)占統(tǒng)治地位的繼電器控制系統(tǒng)，結(jié)果未獲成功，代只的卻是 PLC 的出現(xiàn)。通過計(jì)算機(jī)與 PLC本 身的工作目的，原理和方式上都存在著較大的差異，其結(jié)果比較見表 22。 河北機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 21 頁 表 22 PLC與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)比較表 比較項(xiàng)目 通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng) PLC控制系統(tǒng) 工作目的 科學(xué)計(jì)算，數(shù)據(jù)管理等 工業(yè)自動(dòng)控制 工作環(huán)境 對(duì)工作環(huán)境要求比較高 對(duì)環(huán)境要求低，可在惡劣的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)工作 工作方式 中斷處理方式 循環(huán)掃描方式 系統(tǒng)軟件 需配備功能較強(qiáng)的系統(tǒng)的軟件 一般只需要簡單的監(jiān)控程序 采用的特殊措施 掉電保護(hù)等一般性措 施 采用多種抗干擾措施，自診斷，斷電保護(hù)，可在線維修 編程語言 匯編語言，高級(jí)語言 梯形圖，助記符語言， SFC標(biāo)準(zhǔn)化語言 對(duì)操縱人員的要求 需專門培訓(xùn)，并具有一定的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ) 一般技術(shù)人員，稍加培訓(xùn)即可操作使用 對(duì)內(nèi)存的要求 容量大 容量小 價(jià)格 價(jià)格高 價(jià)格較低 其他 若用于控制，一般需自行設(shè)計(jì) 機(jī)種多，模塊種類多，易于集成系統(tǒng) 結(jié)論：一般情況下，在工業(yè)自動(dòng)化工程中采用 PLC可靠，方便，易于維護(hù)。 進(jìn)入 20 世紀(jì) 70 年代，采用微處理器的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)出現(xiàn)了。它與 PLC 共同推動(dòng)著傳統(tǒng)工業(yè)的技術(shù)改造 。經(jīng)過較長時(shí)間是實(shí)踐，人們又發(fā)現(xiàn)， PLC 與一般的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)相比， PLC 還是有著較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，其原因是 PLC 專為在工業(yè)環(huán)境下的應(yīng)用而設(shè)計(jì)，在 PLC中采用了如下的硬件和軟件措施： ⑴ 光電耦合隔離和 RC 濾波器，有效地防止了干擾信號(hào)的進(jìn)入。 ⑵ 內(nèi)部采用電磁屏蔽，防止輻射干擾。 ⑶ 采用優(yōu)良的開關(guān)電源，防止電源線引入的干擾。 具有良好的自診斷功能可對(duì) CPU等內(nèi)部電路進(jìn)行檢測(cè)，一旦出錯(cuò)，立即報(bào)警。 ⑷ 對(duì)程序及有關(guān)數(shù)據(jù)有電池供電進(jìn)行后備，一旦斷電或運(yùn)行停止，有關(guān)狀態(tài)及信息不會(huì)丟失。 ⑸ 對(duì)采用的器件都進(jìn)行了嚴(yán)格的篩選和簡化，排除了因器件問題而造成的故障。 河北機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 22 頁 ⑹ 采用了冗余技術(shù)進(jìn)行一步增強(qiáng)了可靠性。對(duì)某些大型 PLC 還采用了雙 CPU構(gòu)成冗余系統(tǒng)，或三 CPU 構(gòu)成表決式系統(tǒng)。 ⑺ 隨著構(gòu)成 PLC 的元器件性能的提高， PLC 的可靠性也在相應(yīng)的提高。一般PLC的平均無故障時(shí)間可達(dá)到幾萬小時(shí)以上。某些 PLC 的生產(chǎn)廠家甚至宣布 ，今后生產(chǎn) PLC 不再標(biāo)明可靠性這一指標(biāo)，因?yàn)閷?duì) PCL 來講這一指標(biāo)已毫無意義了。經(jīng)過大量時(shí)間人們發(fā)現(xiàn) PLC 系統(tǒng)在使用中發(fā)生的故障大是是由于 PLC 的外部開關(guān)，傳感器，執(zhí)行機(jī)構(gòu)引起的，而不是 PLC 本身發(fā)生的。 ⑻ 另外， PLC 程序設(shè)計(jì)簡單，易學(xué)易懂易維護(hù)，更適合于工程技術(shù)人員。因此， PLC 在工業(yè)控制方面獲得了極大成功，成為工業(yè)控制中的主流。但是必須指出的是：計(jì)算機(jī)在信息處理方面還是優(yōu)于 PLC，所以在一些自動(dòng)化控制系統(tǒng)中，常常將兩者結(jié)合起來， PLC 做下位機(jī)進(jìn)行現(xiàn)在控制，計(jì)算機(jī)做上位機(jī)信息處理。計(jì)算機(jī)與 PLC 之間通過通信線路實(shí)現(xiàn)信息的轉(zhuǎn)換和交換。這樣相輔相成，構(gòu)成一個(gè)功能較強(qiáng)的完整的控制系統(tǒng)。 PLC 控制系統(tǒng)與集散型控制系統(tǒng)的比較 由前所述可知， PLC 是由繼電器邏輯控制系統(tǒng)發(fā)展而來的。而集散型控制系統(tǒng)DCS（ Distribution Control System） 是由回路儀表控制系統(tǒng)發(fā)展起來的分布式控制系統(tǒng)，它在模擬量處理，回路調(diào)節(jié)等方面有一定的優(yōu)勢(shì)。而 PLC 隨微電技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，無論在功能上，速度上，智能化模塊以及聯(lián)網(wǎng)通信上，都用很大的提高。并開始與小型計(jì)算機(jī)聯(lián)成網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)成了以 PLC 為重要部件的分布式控制系統(tǒng)。隨著 PLC網(wǎng)絡(luò)通信功能不斷增強(qiáng)， PLC 與 PLC 及計(jì)算機(jī)的互聯(lián)，可以形成大規(guī)模的控制系統(tǒng)，在數(shù)據(jù)告訴公路上（ Data Highway） 掛接在線通用計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)在線組態(tài)，編程和下裝，進(jìn)行 在線監(jiān)控整個(gè)生產(chǎn)過程，這樣就已具備了集散控制系統(tǒng)的形態(tài)，加上 PLC 的價(jià)格和可靠性優(yōu)勢(shì)，使之可以與傳統(tǒng)的集散控制系統(tǒng)相互競(jìng)爭。 河北機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 23 頁 PLC 控制系統(tǒng)的組成 PLC 控制系統(tǒng)像一般的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)一樣，也是由硬件和軟件兩個(gè)部分組成的，硬件是指 PLC本身及其外圍設(shè)備，軟件是指管理 PLC 的系統(tǒng)軟件， PLC 的應(yīng)用程序，編程語言和編程支持工具軟件。 圖 21 典型 PLC控制系統(tǒng)的硬件組成 硬件的組成 PLC 控制系統(tǒng)的硬件是由 PLC，輸入 /輸出（ I/O）電路及外圍設(shè)備等 組成的。系統(tǒng)規(guī)?？筛鶕?jù)實(shí)際應(yīng)用的需要而定，可大可小。下面對(duì)構(gòu)成控制系統(tǒng)的主要部分簡要介紹。 PLC 系統(tǒng) （ 1）主控模塊 除了早期生產(chǎn)的整體式 PLC（ PLC 的各個(gè)不見都在同一機(jī)殼內(nèi)）外，目前市場(chǎng)多數(shù)的 PLC 都已采用模塊化的結(jié)構(gòu)（ PLC 的各個(gè)部件獨(dú)立封裝，稱之為模塊）。在PLC中各個(gè)模塊均通過系統(tǒng)總線相互連接起來構(gòu)成一個(gè)系統(tǒng)。在這個(gè)系統(tǒng)中最核心的模塊是主控模塊（也稱 CPU），它包括： CPU，存儲(chǔ)器，通信接口等部分。 ① CPU： CPU 是 PLC 的控制中樞，它由控制器和運(yùn)算器組成。其中， 控制器是河北機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 24 頁 用來統(tǒng)一指揮和控制 PLC 工作的部件。運(yùn)算器則是進(jìn)行邏輯，算術(shù)等運(yùn)算部件。PLC在 CPU 的控制下使整個(gè)機(jī)器有條不紊的協(xié)調(diào)工作，以實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)各個(gè)設(shè)備的控制。 CPU 的具體作用如下： 執(zhí)行接受，存儲(chǔ)用戶程序的操作指令。 用以掃描方式來自輸入單元的數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息，并存入相應(yīng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)。 執(zhí)行監(jiān)控程序和用戶程序。完成數(shù)據(jù)和信息的處理，產(chǎn)生相應(yīng)的內(nèi)部控制信號(hào)，完成用戶指令規(guī)定的各種操作。 響應(yīng)外部設(shè)備（如編程器，打印機(jī)）的請(qǐng)求。 PLC 中所采用的 CPU 隨機(jī)型的不同而不同，通常有 3 種：通用微處理器（如8086， 80286， 80386 等），單片機(jī)芯片，位片式處理器。一般來說，小型 PLC 大采用 8 位微處理器或單片機(jī)作為 CPU，如 Intel8086， Inter96 系列單片機(jī)，具有集成度高，運(yùn)算速度快，可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。如日本歐姆龍公司生產(chǎn)的 OMRONC200H 型PLC采用的是 Motorola 公司生產(chǎn)的 MC68B09 的 CPU 芯片。這是一種增強(qiáng)型 8位微處理器。對(duì)大型 PLC，大多采用高速位片式微處理器，它具有靈活性強(qiáng)，速度快，效率高的優(yōu)點(diǎn)。 目前，一些廠家生產(chǎn)的 PLC 中，還采用了冗余技術(shù)，即采用雙 CPU 或三 CPU工作，進(jìn)一步提高了 系統(tǒng)可靠性。采用冗余技術(shù)可使 PLC 的平均無故障工作時(shí)間達(dá)幾十萬小時(shí)以上。 ② 存儲(chǔ)器： PLC 系統(tǒng)中的存儲(chǔ)器主要用于存放系統(tǒng)程序，用戶程序和工作狀態(tài)數(shù)據(jù)。 系統(tǒng)程序存儲(chǔ)區(qū)：采用 PROM 或 EPROM 芯片存儲(chǔ)器。它是由生產(chǎn)廠家直接存放的，永久存儲(chǔ)的程序和指令，稱為監(jiān)控程序。監(jiān)控程序和 PLC 的硬件組成與專用部件的特性有關(guān)，用戶不能隨意訪問和修改這部分存儲(chǔ)器的程序。 存儲(chǔ)器區(qū)：工作數(shù)據(jù)是 PLC 運(yùn)行過程中經(jīng)常變化的，需要隨機(jī)存取的一些數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)一般不需要長久保存，因此采用隨機(jī)存儲(chǔ)器 RAM。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)包括輸入，輸出數(shù)據(jù)映象區(qū)，定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器預(yù)置和當(dāng)前數(shù)值的數(shù)據(jù)。 用戶程序存儲(chǔ)區(qū)：用于存放用戶經(jīng)編程器或計(jì)算機(jī)輸入的應(yīng)用程序。一般采用 EPROM 或 EEPROM 存儲(chǔ)器，用戶可檫寫重新編程。用戶程序存儲(chǔ)器的容量一般就河北機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 25 頁 代表 PLC 的標(biāo)稱容量。通常，小型機(jī)小于 8KB，中型機(jī)小于 50KB，而大型機(jī)可以在 50KB 以上。 ③ 通信接口：主控模塊通常有一個(gè)或一個(gè)以上的通信接口（簡稱通信口），用以與計(jì)算機(jī)，編程器相連，實(shí)現(xiàn)編程，調(diào)試，運(yùn)行，監(jiān)視等功能。 （ 2）輸入 /輸出模塊 PLC 的控制 對(duì)象是工業(yè)生產(chǎn)過程，它與工業(yè)生產(chǎn)過程的聯(lián)系是通過 I/O 模塊實(shí)現(xiàn)的。生產(chǎn)過程有許多控制變量，如溫度，壓力，液位，速度，電壓，開關(guān)量，繼電器狀態(tài)等，因此，需要有相應(yīng)的 I/O 模塊作為 CPU 與工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的橋梁。且這些模塊應(yīng)具有較好的抗干擾能力。目前，生產(chǎn)廠家已開發(fā)出各種型號(hào)的模塊供用戶選擇。對(duì)于輸入 /輸出模塊有：數(shù)字量輸入 /輸出模塊，開關(guān)量輸入 /輸出模塊，模擬量輸入 /輸出模塊，交流新號(hào)輸入 /輸出模