【文章內(nèi)容簡介】 榆林學院本科畢業(yè)設計（論文） 4 2 可編程控制器 (PLC)的概述 PLC 的定義 PLC 即可編程控制器（ Programmable logic Controller，是指以計算機技術為基礎的新型工業(yè)控制裝置。在 1987 年國際電工委員會（ International Electrical Committee）頒布的 PLC 標準草案中對 PLC 做了如下定義： “PLC 是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計的數(shù)字運算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲器， 用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、計時、計數(shù)和算術運算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。 可編程控制器實際上是一種工業(yè)控制計算機，它的硬件結(jié)構與一般微機控制系統(tǒng)相似，甚至與之無異?？删幊绦蚩刂破髦饕?CPU(中央處理單元 )存儲器 (RAM和 EPROM),輸入 /輸出模塊 (簡稱為 I/O模塊 )、編程器和電源五大部分組成。近年來發(fā)展極為迅速、應用面極廣的工業(yè)控制裝置。它按照成熟而有效的繼電器控制概念和設計思想，利用不斷發(fā)展的新技術、新電子器件，逐步形成了具有特色的各種系列產(chǎn)品。 PLC 的發(fā)展 1968 年，美國通用汽車公司首先提出可編程控制器的理念。在 1969 年，美國數(shù)字設備公司（ DEC） 終于研制出世界上第一臺 PLC。這是由一種新的控制系統(tǒng)代替繼電器的控制系統(tǒng)，它要求盡可能地縮短汽車流水線控制系統(tǒng)的時間，其核心采用編程方式代替繼電器方式來實現(xiàn)生產(chǎn)線的控制。這種控制系統(tǒng)首先在美國通用汽車的生產(chǎn)線上使用，并獲得了令人滿意的效果。 PLC 在冶金和制造等其他工業(yè)部門相繼得到了應用。 1971 年，日本引進了這項技術，并開始生產(chǎn)自己的 PLC。 1973 年，歐洲一些國家也研制出了 自己的 PLC。1974 年，我國也開始仿照美國的 PLC 技術研制自己的 PLC，終于在 1977 年研制出第一臺具有實用價值的 PLC。 大規(guī)模集成電路和超大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)使得 PLC 在問世后的發(fā)展極為迅速?，F(xiàn)在， PLC 不僅能實現(xiàn)繼電器的邏輯控制功能，同時還具有數(shù)字量和模擬量的采集的控制、 PID 調(diào)節(jié)、通信聯(lián)網(wǎng)、故障自診斷及 DCS 生產(chǎn)監(jiān)控等功能。 毫無疑問， PLC 將在今后的工業(yè)生產(chǎn)中起到非常重要的作用。在 20 世紀 80 年基于 PLC 的運料小車控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn) 5 代，美國的工業(yè)市場調(diào)查報告和 1989 年美國的一份分散控制系統(tǒng) (DCS)的調(diào)研報告中，都能看出 PLC 在工 業(yè)控制中的重要作用。 PLC 的特點 （ 1） 可靠性高，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(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術，采用嚴格的生產(chǎn)工藝制造，內(nèi)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(chǎn)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(shù)百甚至數(shù)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(xiàn)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。 （ 2） 配套齊全，功能完善，適用性強 PLC 發(fā)展到今天，已經(jīng)形成了大、中、小各種規(guī)模的系列化產(chǎn)品?？梢杂糜诟鞣N規(guī)模的工業(yè)控制場合。除了邏輯處理功能以外，現(xiàn)代 PLC大多具有完善的數(shù)據(jù)運算能力，可用于各種數(shù)字控制領域。近年來 PLC的功能單元大量涌現(xiàn)，使 PLC滲透到了位置控制、溫度控制、 CNC 等各種工業(yè)控制中。加上 PLC 通信能力的增強及人機界面技術的發(fā)展，使用 PLC 組成各 種控制系統(tǒng)變得非常容易。 （ 3） 易學易用，深受工程技術人員歡迎 PLC 作為通用工業(yè)控制計算機，是面向工礦企業(yè)的工控設備。它接口容易，編程語言易于為工程技術人員接受。梯形圖語言的圖形符號與表達方式和繼電器電路圖相當接近，只用 PLC 的少量開關量邏輯控制指令就可以方便地實現(xiàn)繼電器電路的功能。為不熟悉電子電路、不懂計算機原理和匯編語言的人使用計算機從事工業(yè)控制打開了方便之門。 （ 4） 系統(tǒng)的設計、建造工作量小，維護方便，容易改造 PLC 用存儲邏輯代替接線邏輯，大大減少了控制設備外部的接線，使控制系統(tǒng)設計及建造的周期大 為縮短，同時維護也變得容易起來。更重要的是使同一設備經(jīng)過改變程序改變生產(chǎn)過程成為可能。這很適合多品種、小批量的生產(chǎn)場合。 （ 5） 體積小，重量輕，能耗低 以超小型 PLC為例，新近出產(chǎn)的品種底部尺寸小于 100mm，重量小于 150g，功耗僅數(shù)瓦。由于體積小很容易裝入機械內(nèi)部，是實現(xiàn)機電一體化的理想控制設備。 榆林學院本科畢業(yè)設計（論文） 6 PLC 的基本組成及各部分的作用 PLC 是一種通用的工業(yè)控制裝置，其組成與一般的微機系統(tǒng)基本相同。按結(jié)構形式的不同， PLC 可分為整體式和組合式兩類。 整體式 PLC 是將中央處理單元 (CPU)、存儲器、輸入 單元、輸出單元、電源、通信接口等組裝成一體，構成主機。另外還有獨立的 I/0 擴展單元與主機配合使用。主機中， CPU 是 PLC 的核心， I/0單元是連接 CPU 與現(xiàn)場設備之間的接口電路，通信接口用于 PLC與編程器和上位機等外部設備的連接。 組合式 PLC 將 CPU 單元、輸入單元、輸出單元、智能 I/0 單元、通信單元等分別做成相應的電路板或模塊，各模塊插在底板上，模塊之間通過底板上的總線相互聯(lián)系。裝有 CPU 單元的底板稱為 CPU底板，其它稱為擴展底板。 CPU 底板與擴展底板之間通過電纜連接，距離一般不超過 的 PLC，都可以根據(jù)需要進行配置與組合。 中央處理單元 (CPU)： CPU 在 PLC 中的作用類似于人體的神經(jīng)中樞，它是 PLC 的運算、控制中心。它按照系統(tǒng)程序所賦予的功能，完成以下任務 : (1) 接收并存儲從編程器輸入的用戶程序和數(shù)據(jù)； (2) 診斷電源、 PLC 內(nèi)部電路的工作狀態(tài)和編程的語法錯誤 。 (3) 用掃描的方式接收輸入信號，送入 PLC 的數(shù)據(jù)寄存器保存起來 。 (4) PLC 進入運行狀態(tài)后，根據(jù)存放的先后順序逐條讀取用戶程序，進行解釋和執(zhí)行，完成用戶程序中規(guī)定的各種操作 。 (5) 將用戶程序的執(zhí)行結(jié)果送 至輸出端。 現(xiàn)代 PLC 使用的 CPU 主要有以下幾種 : (1) 通用微處理器，如 8080, 8088, Z80A, 8085 等。通用微處理器的價格便宜，通用性強，還可以借用微機成熟的實時操作系統(tǒng)、豐富的軟硬件資源。 (2) 單片機，如 8051 等。單片機由于集成度高、體積小、價格低和可擴充性好，很適合在小型 PLC 上使用，也廣泛地用于 PLC 的智能 UO模塊。 (3) 位片式微處理器，如 AMD2900 系列等。位片式微處理器是獨立于微型機的另一分支。它主要追求運算速度快，它以 4位為一片。用幾個位片級聯(lián)，可以組成任意字長的微處理器 。改變微程序存儲器的內(nèi)容，可以改變計算機的指令系統(tǒng)。位片式結(jié)構可以使用多個微處理器，將控制任務劃分為若干個可以并行處理的部分，幾個微處理器同時進行處理。這種高運算速度與可以適應用戶需要的指令系統(tǒng)相結(jié)合，很適合于以順序掃描方式工作的 PLC 使用。 存儲器 基于 PLC 的運料小車控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn) 7 根據(jù)存儲器在系統(tǒng)中的作用，可以把它們分為以下 3種 : (1) 系統(tǒng)程序存儲器 :和各種計算機一樣， PLC 也有其固定的監(jiān)控程序、解釋程序，它們決定了 PLC 的功能，稱為系統(tǒng)程序，系統(tǒng)程序存儲器就是用來存放這部分程序的。系統(tǒng)程序是不能由用戶更改的，故所使用的存儲器為只讀存 儲器 ROM或 EPROM. (2) 用戶程序存儲器 :用戶根據(jù)控制功能要求而編制的應用程序稱為用戶程序，用戶程序存放在用戶程序存儲器中。由于用戶程序需要經(jīng)常改動、調(diào)試，故用戶程序存儲器多為可隨時讀寫的 RAM。由于 RAM 掉電會丟失數(shù)據(jù)，因此使用 RAM作用戶程序存儲器的 PLC，都有后備電池 (鏗電池 )保護 RAM，以免電源掉電時，丟失用戶程序。當用戶程序調(diào)試修改完畢，不希望被隨意改動時，可將用戶程序?qū)懭?EPROM. (3) 工作數(shù)據(jù)存儲器 :工作數(shù)據(jù)是經(jīng)常變化、經(jīng)常存取的一些數(shù)據(jù)。這部分數(shù)據(jù)存儲在 RAM 中，以適應隨機存取的要求。在 PLC的工作數(shù)據(jù)存儲區(qū)，開辟有元件映象寄存器和數(shù)據(jù)表。元件映象寄存器用來存儲 PLC 的開關量輸入 /輸出和定時器、計數(shù)器、輔助繼電器等內(nèi)部繼電器的 ON/OFF 狀態(tài)。數(shù)據(jù)表用來存放各種數(shù)據(jù)，它的標準格式是每一個數(shù)據(jù)占一個字。它存儲用戶程序執(zhí)行時的某些可變參數(shù)值，如定時器和計數(shù)器的當前值和設定值。它還用來存放 A/0 轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字和數(shù)學運算的結(jié)果等。根據(jù)需要，部分數(shù)據(jù)在停電時用后備電池維持其當前值，在停電時可保持數(shù)據(jù)的存儲器區(qū)域稱為數(shù)據(jù)保持區(qū)。 I/0單元 I/0 單元也稱為 I/0 模塊。 PLC 通過 I/0 單元與工業(yè)生產(chǎn)過程現(xiàn)場相聯(lián)系。輸入單元接收用戶設備的各種控制信號，如限位開關、操作按鈕、選擇開關、行程開關以及其他一些傳感器的信號。通過接口電路將這些信號轉(zhuǎn)換成中央處理器能 夠識別和處理的信號，并存到輸入映像寄存器。運行時 CPU 從輸入映像寄存器讀取輸入信息并進行處理，將處理結(jié)果放到輸出映像寄存器。輸出映像寄存器由輸出點對應的觸發(fā)器組成，輸出接口電路將其由弱電控制信號轉(zhuǎn)換成現(xiàn)場需要的強電信號輸出，以驅(qū)動電磁閥、接觸器、指示燈被控設備的執(zhí)行元件 . 電源部分 PLC 一般使用 220V 的交流電源，內(nèi)部的開關電源為 PLC 的中央處理器、存儲器等電路提供 5V, +12V, +24V 的直流電源，使 PLC 能正常工作。 電源部件的位置形式可有多種，對于整體式結(jié)構的 CPU，通常電源封裝到機殼內(nèi)部 。對于模塊式 PLC，有的采用單獨電源模塊，有的將電源與 CPU 封裝到一個模塊中。 擴展接口 榆林學院本科畢業(yè)設計（論文） 8 擴展接口用于將擴展單元以及功能模塊與基本單元相連，使 PLC 的配置更加靈活以滿足不同控制系統(tǒng)的需要。 6．通信接口 為了實現(xiàn)“人一機”或“機一機”之間的對話， PLC 配有多種通信接口。 PLC通過這些通信接口 可以與監(jiān)視器、打印機和其他的 PLC 或計算機相連。當 PLC 與打印機相連時，可將過程信息、系統(tǒng)參數(shù)等輸出打印 。當與監(jiān)視器相連時 .可將過程圖像顯示出來 。當與其他 PLC 相連時，可以組成多機系統(tǒng)或連成網(wǎng)路，實現(xiàn)更大規(guī)模的控制 。當與計算機相連時，可以組成多級控制系統(tǒng)，實現(xiàn)控制與管理相結(jié)合的綜合性控制。 編程器 編程器的作用是提供用戶進行程序的編制、編輯、調(diào)試和監(jiān)視。 編程器有簡易型和智能型兩類。簡易型的編程器只能聯(lián)機編程，且往往需要將梯形圖轉(zhuǎn)化為機器語言助記符后，才能輸入。它一般由簡易鍵盤和發(fā)光二級管或其他顯示管件 組成。智能型的編程器又稱為圖形編程器，它可以聯(lián)機編程，也可以脫機編程，具有 LCD 或 CRL圖形顯示功能，可以直接輸入梯形圖和通過屏幕對話。還可以利用 PC 作為編程器， PLC 生產(chǎn)廠家配有相應的編程軟件，使用編程軟件可以在屏幕上直接生成和編輯梯形圖、語句表、功能塊圖和順序功能圖程序，并可以實現(xiàn)不同編程語言的互相轉(zhuǎn)換。程序被下載到 PLC，也可以將 PLC 中的程序上傳到計算機。程序可以存盤或打印，通過網(wǎng)絡，還可以實現(xiàn)遠程編程和傳送?，F(xiàn)在很多 PLC 已不再提供編程器，而是提供微機編程軟件了，并且配有相應的通信連接電纜。 PLC 的應用領域 目前， PLC 在國內(nèi)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、交通運輸、環(huán)保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。 (1)開關量的邏輯控制 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(xiàn)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(chǎn)線、電鍍流水線等。 (2)模擬量控制 在工業(yè)生產(chǎn)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。 為了使可編程控制器處理模擬量，必須實現(xiàn)模擬量（ Analog）基于 PLC 的運料小車控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn) 9 和數(shù)字量（ Digital）之間的 A/D 轉(zhuǎn)換及 D/A 轉(zhuǎn)換。 PLC 廠家都生產(chǎn)配套的 A/D和D/A轉(zhuǎn)換模塊，使可編程控制器用于模擬量控制。 (3)運動控制 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模塊連接位置傳感器和執(zhí)行機構，現(xiàn)在一般使用專用的運動控制模塊。如可驅(qū)動步進電機或伺服電機的單軸或多軸位置控制模塊。世界上各主要 PLC廠家的產(chǎn)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。 (4)過 程控制 過程控制是指對溫度、壓力、流量等模擬