【文章內(nèi)容簡介】 差，觸點多，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 可擴展性 困難 容易 維護 工作量大，故障不易查找 有自診能力，維護工作量小 通過 PLC 與繼電器控制系統(tǒng)的比較， 可以得出結(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，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)所代替是大勢所趨。 (2)PLC 控制系統(tǒng)與計算機系統(tǒng)的比較 。 20 世紀 60年代，由于小型計算機的出現(xiàn)，有人曾試圖用小型計算機來取代當(dāng)時占統(tǒng)治地位的繼電器控制系統(tǒng)，結(jié)果未獲成 ，結(jié)果 卻是 PLC 的出現(xiàn)。通過計算機與 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)果比較見下表 22： 寶雞技師學(xué)院 8 表 22 PLC與計算機系統(tǒng)比較表 比較項目 通用計算機系統(tǒng) PLC 控制系統(tǒng) 工作目的 科學(xué)計算，數(shù)據(jù)管理等 工業(yè)自動控制 工作環(huán)境 對工作環(huán)境要求比較高 對環(huán)境要求低，可在惡劣的工業(yè)現(xiàn)場工作 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 掉電保護等一般性措施 采用多種抗干擾措施，自診斷，斷電保護，可在線維修 編程語言 匯編語言，高級語言 梯形圖，助記符語言， SFC 標準化語言 對操縱人員的要求 需專門培訓(xùn)，并具有一定的計算機基礎(chǔ) 一般技術(shù)人員，稍加培訓(xùn)即可操作使用 對內(nèi)存的要求 容量大 容量小 價格 價格高 價格較低 其他 若用于控制，一般需自行設(shè)計 機種多，模塊種類多，易于集成系統(tǒng) 由表 22得出 結(jié)論：一般情況下，在工業(yè)自 動化工程中采用 PLC 可靠，方便，易于維護。 進入 20 世紀 70年代，采用微處理器的工業(yè)控制計算機出現(xiàn)了。它與 PLC 共同推動著傳統(tǒng)工業(yè)的技術(shù)改造。經(jīng)過較長時間是實踐，人們又發(fā)現(xiàn)， PLC 與一般的工業(yè)控制計算機相比， PLC 還是有著較強的優(yōu)勢，其原因是 PLC 專為在工業(yè)環(huán)境下的應(yīng)用而設(shè)計，在 PLC中采用了如下的硬件和軟件措施： ① 光電耦合隔離和 RC濾波器，有效地防止了干擾信號的進入。 ② 內(nèi)部采用電磁屏蔽，防止輻射干擾。 ③ 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 CPU等內(nèi)部電路進行檢測，一 旦出錯，立即報警。 ④ 對程序及有關(guān)數(shù)據(jù)有電池供電進行后備，一旦斷電或運行停止，有關(guān)狀態(tài)及信息不會丟失。 ⑤ 對采用的器件都進行了嚴格的篩選和簡化，排除了因器件問題而造成的故障。 ⑥ 采用了冗余技術(shù)進行一步增強了可靠性。對某些大型 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)。 寶雞技師學(xué)院 9 ⑦ 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 的平均無故障時間可達到幾萬小時以上。某些 PLC 的生產(chǎn)廠家甚至宣布，今后生產(chǎn) PLC 不再標明可靠性這一指標，因為對 PCL 來講這一指標已毫無意義了。經(jīng)過大 量時間人們發(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)行機構(gòu)引起的，而不是PLC 本身發(fā)生的。 ⑧ 另外， PLC 程序設(shè)計簡單，易學(xué) ，易 懂 ， 易維護，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：計算機在信息處理方面還是優(yōu)于 PLC，所以在一些自動化控制系統(tǒng)中，常常將兩者結(jié)合起來，PLC 做下位機進行現(xiàn)在控制，計算機做上位機信息處理。計算機與 PLC 之間通過通信線路實現(xiàn)信息的轉(zhuǎn)換和交換。這樣相輔相成，構(gòu)成一個功能較強的完整的控制系統(tǒng)。 從 上邊的論述和比較可以看出。由 PLC 的硬件決定了它的可靠性和控制功能比繼電器控制系統(tǒng)高的多，它是專門為工業(yè)控制場合設(shè)計的，所以他的穩(wěn)定性也比一般通用計算機要好的多，而且它操作簡單靈活，易于實現(xiàn)系統(tǒng)升級和功能擴展 ， 所以在本設(shè)計中采用PLC 來進行 控制。 PLC 控制系統(tǒng)組成 PLC 控制系統(tǒng)像一般的計算機控制系統(tǒng)一樣，也是由硬件和軟件兩個部分組成的，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) 的硬件組成圖 寶雞技師學(xué)院 10 硬件的組成 圖 21為典型 PLC 控制系統(tǒng)的硬件組成圖。 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)模可根據(jù)實際應(yīng)用的需要而定，可大可小。下面對構(gòu)成控制系統(tǒng)的主要部分簡要介紹。 主控模塊 除了早期生產(chǎn)的整體式 PLC（ PLC 的各個不見都在同一機殼內(nèi)）外，目前市場多數(shù)的 PLC 都已采用模塊化的結(jié)構(gòu)（ PLC 的各個部件獨立封裝，稱之為模塊）。在PLC 中各個模塊均通過系統(tǒng)總線相互連接起來構(gòu)成一個系統(tǒng)。在這個系統(tǒng)中最核心的模塊是主控模塊（也稱 CPU），它包括： CPU，存儲器，通信接口等部分。 (1)CPU： CPU 是 PLC 的控制中樞，它由控制器和運算器組成。其中，控制器是用來統(tǒng)一指揮和控制 PLC 工作的部件。運算器則是進行邏輯，算術(shù)等運算部件。 PLC 在 CPU 的控制下使整個機器有條不紊的協(xié)調(diào)工作，以實現(xiàn)對現(xiàn)場各個設(shè)備的控制。 CPU 的具體作用如下： ① 執(zhí)行接受，存儲用戶程序的操作指令。 ② 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)存儲區(qū)。 ③ 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，完成用戶指令規(guī)定的各種操作 。 ④ 響應(yīng)外部設(shè)備（如編程器，打印機）的請求。 PLC中所采用的 CPU隨機型的不同而不同，通常有 3種：通用微處理器（如 8086， 80286，80386 等），單片機芯片，位片式處理器。一般來說，小型 PLC 多 采用 8 位微處理器或單片機作為 CPU，如 Intel8086， Inter96 系列單片機，具有集成度高，運算速度快，可靠性高等優(yōu)點。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。這是一種增強型 8 位微處理器。對大型 PLC，大多采用高速位片式微處理器， 它具有靈活性強，速度快，效率高的優(yōu)點。 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間達幾十萬小時以上。 (2)存儲器： PLC系統(tǒng)中的存儲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)程序存儲區(qū)：采用 PROM 或 EPROM 芯片存儲器。它是由生產(chǎn)廠家直接存放的，永久存儲的程序和指令，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器的程序。 存儲器區(qū)：工作數(shù)據(jù)是 PLC 運行過程中經(jīng)常變化的，需要隨機存取的一些數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)一般不需要長久保存，因此采用隨機存儲器 RAM。數(shù)據(jù)存儲區(qū)包括輸入，輸出數(shù)據(jù)映象區(qū)，定時器 /計數(shù)器預(yù)置和當(dāng)前數(shù)值的數(shù)據(jù)。 寶雞技師學(xué)院 11 用戶程序存儲區(qū)：用于存放用戶經(jīng)編程器或計算機輸入的應(yīng)用程序。一般采用 EPROM或 EEPROM 存儲器，用戶可 重新編程。用戶程序存儲器的容量一般就代表 PLC 的標稱容量。通常，小型機小于 8KB，中型機小于 50KB，而大型機可以在 50KB 以上。 (3)通信接口：主控模塊通常有一個或一個以上的通信接口（簡稱通信口），用以與計算機，編程器相連 ，實現(xiàn)編程，調(diào)試，運行，監(jiān)視等功能。 輸入 /輸出模塊 PLC 的控制對象是工業(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)出各種型號的模塊供用戶選擇。對于輸入 /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，交流新號輸入 /輸出模塊， 220V 交流輸入 /輸出模塊。還有 智能模塊，它本身帶 CPU，存儲器和監(jiān)控系統(tǒng)，可獨立完成各種運算。智能模塊的種類很多，如高速計數(shù)模塊， PID調(diào)節(jié)的模擬量控制模塊，閥門控制模塊，智能存儲模塊和智能 I/O 模塊。 電源模塊 該模塊將交流電源轉(zhuǎn)換成供 CPU 存儲器所需的直流電源，是整個 PLC系統(tǒng)的能源供給中心。它的好壞直接影響到 PLC 的功能和可靠性。目前，大多數(shù) PLC 采用高質(zhì)量的開關(guān)式穩(wěn)壓電源，與普通電源相比， PLC的電源工作穩(wěn)定性好，抗干擾能力也強。有些機器的電源除了供內(nèi)部電路使用外，還向外提供 24VDC 的穩(wěn)壓電源，用于外部傳感器的 需要，這樣就避免了因外部電源不合格而引起的外部故障。 I/O 電路 PLC 的基本功能就是控制，它采集被控對象的各種信號。經(jīng)過 PLC 處理后，通過執(zhí)行裝置實現(xiàn)控制。輸入電路就是被控對象（需要進行控制的機器，設(shè)備和生產(chǎn)過程）進行檢測，采集，轉(zhuǎn)換和輸入。另外，安裝在控制臺上的按鈕，開關(guān)等也可以向PLC 送控制指令。輸出電路的功能就是接受 PLC 輸出的控制信號，對被控 對象執(zhí)行控制任務(wù)。 PLC 的外圍設(shè)備很多，但基本功能不外乎對信息和數(shù)據(jù)的處理。常用的有編程器，可編程終端，打印機，條碼讀入機等等。編程器 PLC 的重要外圍設(shè)備之一，它可以將用戶編寫的程序送到 PLC 的用戶程序存儲器。因此，它的主要任務(wù)是輸入程序，調(diào)試程序和監(jiān)控程序的執(zhí)行過程。可編程終端是具有 I/O 功能的 PLC 人機界面產(chǎn)品。人可以通過觸摸屏幕將信息輸入 PLC中同樣可編程終端也可以將 PLC 的輸入數(shù)據(jù)和信息顯示在屏幕上。 軟件的組成 PLC 控制系統(tǒng)的軟件主要是系統(tǒng)軟件，應(yīng)用軟件，編程語言及編程支持工具軟件幾個部分組成。 如圖 22是 PLC 內(nèi)部工作示意圖。 PLC 系統(tǒng)軟件與工作過程 PLC 系統(tǒng)軟件是 PLC 工作所必須的軟件。在系統(tǒng)軟 件的支持 PLC對用戶程序進行逐條的解釋，并加以執(zhí)行，直到用戶程序結(jié)束，然后返回到程寶雞技師學(xué)院 12 序的起始又開始新的一輪掃描。 PLC 的這種工作方式就稱之為循環(huán)掃描。 圖 22 PLC內(nèi)部工作示意圖 值得注意的是在繼電器控制系統(tǒng)中，一個繼電器的線圈被接通或斷開，繼電器的所用觸點（常開觸點和常閉觸點）都會立即動作。但在 PLC 中，由于采用的是循環(huán)掃描的工作方式，所用只有掃描到“ 線圈”的觸點時，才會動作，沒有掃描到時，觸點就不會動。并且 PLC 掃描一次用戶程序的時間即掃描周期 與擁護程序的長短和掃描速度有關(guān)，一般為1ms 至幾十毫秒?，F(xiàn)以 OMRONP 型機為例來說明 PLC 掃描的工作過程，如上圖在沒有掃描寶雞技師學(xué)院 13 之前， PLC 首 先應(yīng)保證自身的完好性。接通電源之后，為消除各元件狀態(tài)的隨機性，進行清零或復(fù)位處理，檢查 I/O 單元連接是否正確，再執(zhí)行一段程序。使它涉及到各種指令和內(nèi)存單元，如果執(zhí)行的時間不超過規(guī)定的時間范圍，則證明自身完好，否則系統(tǒng)關(guān)閉。上述操作完成后，將時間監(jiān)視定時復(fù)位，才允許掃描用戶程序。 公共操作是在每次掃描程序前又一次自檢，若發(fā)現(xiàn)故障，除了報警顯示燈亮之外，還判斷故障性質(zhì)。一般性 故障，只報警 ， 不停機，等待處理；對于嚴重故障，則停止運行用戶程序，此時 PLC 切斷一切輸出。 數(shù)據(jù) I/O 數(shù)據(jù)輸入 /輸出操作有的稱為 I/O 狀態(tài)刷新。它包括兩種操作：一是采樣輸 入信號（即刷新輸入狀態(tài)的內(nèi)容）；二是送出處理結(jié)果（即按輸出狀態(tài)表的內(nèi)容刷新輸出電路）。 PLC 數(shù)據(jù) I/O 如圖 23 所示 ： 圖 23 PLC數(shù)據(jù) I/O示意圖 (1)輸入映象存儲器及刷新。由上圖所示可知送入 PLC 端子上的輸入信號，經(jīng)過電隔離，電平轉(zhuǎn)換，濾波處 理后，進入緩沖器內(nèi) CPU 的采樣。 在 PLC 的存儲器有一個專門存放I/O 數(shù)據(jù)區(qū)，其中對應(yīng)輸入端子的數(shù)據(jù)區(qū)，稱之為輸入映象存儲器。當(dāng) CPU 采樣時，輸入信號由緩沖區(qū)進入映象區(qū)。接著就是數(shù)據(jù)輸入或輸出狀態(tài)刷新。 只有在采樣刷新的時刻，輸入映象存儲器中的內(nèi)容才與輸入信號（不考慮電路固有的慣性和濾波滯后影響）一致，其他時間范圍輸入信號變化是不會影響映象存儲器的內(nèi)容的。由于 PLC 掃描周期一般只有幾十毫秒，所以兩次采樣時間很短，對一般開關(guān)量來說，可以寶雞技師學(xué)院 14 認為沒有因間斷采樣引起的誤差。即認為輸入信號一旦變化，就能立即進入輸入映象的 存儲器內(nèi)。 (2)輸出映象存儲器及輸出狀態(tài)刷新。同樣道理， CPU 不能直接驅(qū)動負載。按用戶程序要求及當(dāng)前輸入狀態(tài)，要保持到下次刷新為止。同樣，對于