【正文】 I/O 點數(shù)分配 PLC 程序設(shè)計 模擬調(diào)試 現(xiàn)場聯(lián)機調(diào)試 整理技術(shù)文件 設(shè)計結(jié)束 圖 41 設(shè)計步驟示意圖 河北能源職業(yè)技術(shù)學(xué)院 28 第五章 PLC的硬件知識 本章主要介紹 PLC 的各種硬件模塊，以及 PLC 硬件系統(tǒng)配置的相關(guān)知識。在這一步中可以發(fā)現(xiàn)程序存在的實際問題，然后經(jīng)過修正后使其滿足控制 要求。 ⑹ 模擬調(diào)試 程序編制好后，可以用按鈕和開關(guān)模擬數(shù)字量，電壓源和電流源代替模擬量，進行模擬調(diào)試，使控制程序基本滿足控制要求。首先把工藝流程分為若干階段，確定每一階段的輸入信號和輸出要控制的設(shè)備，還有不同階段之間的關(guān)系，然后畫出程序流程圖，最后再進行程序編制。選擇包括機型、存儲器容量、輸入 /輸出模塊、電源模塊和智能模塊等。并根據(jù)選用的輸入 /輸出設(shè)備的類型和數(shù)量，確定 PLC 的I/O 點數(shù)。 設(shè)計步驟 一般 PLC 控制系統(tǒng)的設(shè)計步驟如圖 41所示，具體操作如下： ⑴控制要求分析 在設(shè) 計 PLC 控制系統(tǒng)之前，必須對工藝流程進行細致的分析，詳細了解控制對象和控制要求，這樣才能真正明白自己要完成的任務(wù)，設(shè)計出令人滿意的控制系統(tǒng)。 ⑶ 考慮到以后控制要求的變化，所以控制系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)考慮到 PLC 的可擴展性。 PLC 控制系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)遵循以下原則： ⑴ 根據(jù)工藝流程進行設(shè)計，力求設(shè)計出來的控制系統(tǒng)能最大限度滿足控制要求。這時響應(yīng)時間最長如 圖 33所示。最短響應(yīng)時間如 圖 32所示。 最短響應(yīng)時間：一個掃描周期剛結(jié)束就收到輸入信號，即收到這個輸入信號與開始下一個掃描周期同時，這樣的響應(yīng)時間最短。 PLC 的輸入 /輸出響應(yīng)時 間 I/O 響應(yīng)時間是指某一輸入信號從變化開始到系統(tǒng)相關(guān)輸出端信號的改變所需要的時間因為 PLC 的循環(huán)掃描工作方式，所以收到輸入信號的時刻不同，響應(yīng)時間的長短也不同。在這個程序執(zhí)行中，輸入信號的狀態(tài)和數(shù)據(jù)保持不變。從相應(yīng)的輸入存儲單元讀入信號的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，然后根據(jù)程序內(nèi)部繼電器、定時器、計數(shù)器數(shù)據(jù)存儲器的狀態(tài)和數(shù)據(jù)進行邏輯運算，得到運算結(jié)果，并將這些結(jié)果存入相應(yīng)的輸出存儲器單元。 一個掃描周期 圖 31 掃描過程 輸入階段 輸入階段 程序執(zhí)行階段 程序執(zhí)行階段 輸出階段 程序執(zhí)行階段 輸出階段 輸入階段 河北能源職業(yè)技術(shù)學(xué)院 22 在這個階段中， PLC 讀取輸入信號的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并把它們存入相應(yīng)的輸入存儲單元 。 循環(huán)掃描技術(shù) PLC 采用循環(huán)掃描技術(shù)可以分為 3 個階段，輸入階段（將外部輸入信號的狀態(tài)傳送到 PLC）、 執(zhí)行程序階段和輸出階段（將輸出信號傳送到外部設(shè)備）。而PLC 則不同，它采用循環(huán)掃描技術(shù)，只有該線圈通電或斷電，并且必須當(dāng)程序掃描到該線圈時，該線圈觸點才會動作。 PLC 的工作原理與繼電器構(gòu)成的控制裝置一樣，但是工作方式不太一樣。其工作原理建立在計算機控制系統(tǒng)工作原理基礎(chǔ)上，但根據(jù)其工業(yè)環(huán)境的應(yīng)用條件，為便于現(xiàn)場電氣技術(shù)人員的使用和維護，它配置了大量接口組件，采用特定監(jiān)控軟件，專用編程器件等。隨著 PLC 的進一步發(fā)展，特殊功能單元的應(yīng)用也越來越多。在出現(xiàn)故障時，通過編程器可能很方便的找出錯誤。 ⑸編程器 幾乎每個 PLC 廠家都有自己的編程器，用戶通過編程器來編寫控制程序，并通過編程器接口將自己的控制程序輸入到 PLC。輸出單元將 CPU 的信號經(jīng)處理后來控制外部設(shè)備的。 ⑶輸入 /輸出單元 輸入 /輸出單元是 PLC 與外部設(shè)備連接的紐帶。 數(shù)據(jù)存儲器：用以存放 PLC運行中的各種數(shù)據(jù)的存儲器。 用戶程序存儲器：用來存放用戶根據(jù)控制要求編制的程序。 系統(tǒng)程序存儲器：用來存入軟件的存儲器。其主要功能是由編程器寫入控制程序和數(shù)據(jù)到存儲器、檢驗用戶程序、從存儲器上讀取和執(zhí)行程序，還可以進行 PLC 內(nèi)部故障的診斷等。它通過系統(tǒng)總線與用戶存儲器、輸入 /輸出（ I/O）、通信端口等單元相連。 中央處理器 系統(tǒng)總線 圖 21 整體式結(jié)構(gòu) 模塊式結(jié)構(gòu)的 PLC 模塊式結(jié)構(gòu)的 PLC 是將中央處理器（ CPU）、存儲器、輸入 /輸出單元、電源電路和通信端口等分別做成相應(yīng)的模塊，應(yīng)用時將這些模塊根據(jù)要求插在機架上，各模塊間通過機架上的總線想到聯(lián)系。 整體式結(jié)構(gòu)的 PLC 整體式結(jié)構(gòu)的 PLC 由中央處理器（ CPU）、存儲器、 I/O 單元、電源電路和通信端口等組成，并將這些組裝在一起。 河北能源職業(yè)技術(shù)學(xué)院 17 第二章 PLC的結(jié)構(gòu)和工作原理 PLC的基本結(jié)構(gòu) PLC 實質(zhì)是一種用于工業(yè)控制的計算機，其硬件結(jié)構(gòu)基本上與微型計算機相同。在選擇可編程控制器產(chǎn)品時應(yīng)進行充分比較， 合理選用。當(dāng)然，經(jīng)濟性還與初期投資和今后的維修費用有關(guān)。一個好的可編程控制器產(chǎn)品，應(yīng)該是它的性能滿足工業(yè)生產(chǎn)過程控制應(yīng)用要求的條件下有較高的性能價格比。例如，提供多種編程語言，供用戶使用；編程語言與計算機匯編語言比較，更易學(xué)習(xí)、掌握和理解；不少制造廠商提供的產(chǎn)品可以進行在線編程，便于程序更改；為了對運行過程進行監(jiān)視和進行模擬操作，還提供各種指令和監(jiān)視顯示；為了使操作人員能及時了解故障部位，各個模 塊設(shè)置相應(yīng)的故障信號燈；此外，標(biāo)準(zhǔn)化機架、方便的通信功能等也使可編程控制器的易操作性得到提高。易操作性還表現(xiàn)在編制的程序能為自控設(shè)計人員、工藝技術(shù)人員、安裝人員和操作人員所理解，以便及時得到溝通，縮短設(shè)計、安裝和調(diào)試時間。 可編程控制器的易操作性表現(xiàn)為易操作、易編程和易維修。例如，采用大規(guī)模或超大規(guī)模集成電路芯片，減少焊點；采用低功耗 CMOS元器件，降低功耗和發(fā)熱；采用表面安裝技術(shù)，增大元件和電路板的接觸面積；優(yōu)化電路設(shè)計；采用高可河北能源職業(yè)技術(shù)學(xué)院 16 靠性元器件 和自動化流水線作業(yè)；接線端座采用插拔式結(jié)構(gòu)，便于減少維修時間；采用模塊式結(jié)構(gòu)，減小故障影響范圍；采用自診斷、冗余技術(shù)、容錯技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計等。對于可維修的系統(tǒng)或設(shè)備，除了可靠性指標(biāo)外，還有可維修性指標(biāo)，通常用平均維修時間等指標(biāo)來表示可維修性。這是由于可編程控制器是為工業(yè)環(huán)境的應(yīng)用而設(shè)計的產(chǎn)品，因而產(chǎn)品的可靠性必然是放在首位考慮的因素。 可靠性是可編程控制器能夠長盛不衰的主要原因。 ⑹安全功能擴展。包括電源冗余、 CPU 冗余、輸入 /輸出冗余和通信系統(tǒng)冗余等。 ⑸冗余功能的擴展?？删幊炭刂破鞯墓δ茉谟嗀洉r已經(jīng)確定，但一些制造廠商也可通過提供不同的系統(tǒng)軟件使用戶得到不同的軟功能。可編程控制器的控制區(qū)域擴展主要表現(xiàn)為通信聯(lián)網(wǎng)功能，當(dāng)可編程控制器的控制區(qū)域擴展時，可通過通信網(wǎng)絡(luò)組成分布式控制系統(tǒng)，因此，用戶在選型時應(yīng)考慮可編程控制器產(chǎn)品是否有通信功能，通信功能的強弱等。因此，用戶選擇 機型時要考慮存儲器容量的可擴展性?？删幊炭刂破鞔鎯ζ魅萘康拇笮∨c用戶應(yīng)用程序的復(fù)雜程度和用戶編程技巧等有關(guān)?？删幊炭刂破鞯目刂迫萘看笮≈饕憩F(xiàn)在它能處理多少輸入 /輸出點數(shù)，而影響輸入 /輸出點數(shù)增加的因素是機器的結(jié)構(gòu)和程序的掃描速度等，用戶在選擇機型時應(yīng)充分考慮輸入 /輸出點數(shù)的可擴展性。 ⑴輸入 /輸出點數(shù)的擴展。 可編程控制器產(chǎn)品本身的發(fā)展建立在可擴展性基礎(chǔ)上。 ⑶抗干擾性能。 ⑵電源要求。 ⑴工作環(huán)境。智能模塊種類和數(shù)量越多，說明 PLC 功能越強大。種類和數(shù)量越多， PLC 的功能就越強大。 內(nèi)部寄存器主要包括定時器、計數(shù)器、中間繼電器、數(shù)據(jù)寄存器和特殊寄存器等。根據(jù)可編程控制器產(chǎn)品的掃描時間和用戶程序，可大致估算程序的掃描周期，其值應(yīng)小于系統(tǒng) WDP 的設(shè)定值。第三部分任務(wù)是用戶程序執(zhí)行，它執(zhí)行的時間隨用戶編制應(yīng)用程序的不同而變化。 PLC 用戶手冊一般給出執(zhí)行指令所用的時間）主要有掃描這些任務(wù)所需時間決定。在系統(tǒng)程序支持下，可編程控制器主要任務(wù)是循環(huán)掃描六大任務(wù)，保證系統(tǒng)正常運行 的公共操作、系統(tǒng)與外界的信息交換和用戶程序執(zhí)行等任務(wù)。 對特殊的應(yīng)用，如需要高速計數(shù)功能、軸定位控制功能等時，需要有特殊的輸入模塊或輸出模塊。用戶應(yīng)根據(jù)實際生產(chǎn)過程中輸入 /輸出信號點數(shù)和信號類型等選擇不同種類的可編程控制器或相應(yīng)的輸入 /輸出單元模塊。 可編程控制器輸入 /輸出單元的種類和點數(shù)多少決定其應(yīng)用規(guī)模的大小。 /輸出點數(shù) 輸入 /輸出點數(shù)是指根據(jù)工業(yè)系統(tǒng)控制要求所得到的對應(yīng)于 PLC 的輸入 /輸出端的個數(shù)。為此，用戶必須根據(jù)實際應(yīng)用情況選擇有相應(yīng)用戶程序存儲器容量和數(shù)據(jù)存儲器容量的可編程控制器產(chǎn)品。 用戶程序是用戶根據(jù)實際生產(chǎn)過程控制的應(yīng)用要求而編寫的，因此，用戶程序存儲器的容量和數(shù)據(jù)存儲器的容量與實際過程控制的要求有關(guān)，其容量是不固定河北能源職業(yè)技術(shù)學(xué)院 13 的。 可編程控制器的存儲器由系統(tǒng)程序存儲器、用戶程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器組成。程序存儲器容量大小決定了用戶所能編寫程序的長度。 存儲器用來存儲程序和系統(tǒng)參數(shù)等。 順序功能表圖編程語言是近 30年來才開發(fā)的編程語言，它采用步描述控制系統(tǒng)的各個操作狀態(tài)，對應(yīng)于每個活動步，相連接的命令或動作被執(zhí)行。由于它采用圖形化方式表示功能塊之間 的連接關(guān)系，具有直觀清晰、易于操作和更改等特點，受到過程控制工程界的重視，并成為可編程控制器一種重要的編程語言。 指令表編程語言是一種用與匯編語言類似的助記符號進行編程的編程語言，它用一系列可編程控制器操作指令組成的助記符號來描述控制邏輯關(guān)系?？删幊炭刂破鞯漠a(chǎn)品符合基本級表示該產(chǎn)品能解決小系統(tǒng)的可移植性，符合可重復(fù)使用級和全兼容級的產(chǎn)品能夠解決功能塊程序的可移植性。為此， IEC 611313 指定了標(biāo)準(zhǔn)編程語言，為便于制造商產(chǎn)品與標(biāo)準(zhǔn)的一致， PLCopen制定了三個一致性等級。不同可編程控制器產(chǎn)品可能擁有其中一種、兩種或多種編程語言。 1． 4 PLC的主要技術(shù)指標(biāo) 編程語言是可編程控制器標(biāo)準(zhǔn)化和易操作性的重要指標(biāo)。 表 12 列出了它們的主要功能 . 表 12： 類型 功能 低檔 開關(guān)運算、邏輯運算、計時和計數(shù) 中檔 開關(guān)量和模擬量控制、數(shù)字運算、中斷控制、通信 高檔 開關(guān)量和模擬量控制、矩陣運算、數(shù)據(jù)管理、通信聯(lián)網(wǎng) 根據(jù)可使用的編程語言，可編程控制器可分為傳統(tǒng)可編程控制器、標(biāo)準(zhǔn)編程語言可編程控制器和基于 PC 的軟邏輯可編程控制器等。另外大型 PLC 還可以采用三 CPU 構(gòu)成表決式系統(tǒng)，使機器具有更高的可靠性。 ⑶大型 PLC 輸入 /輸出點數(shù)大于 512 的 PLC 稱為大型 PLC。 ⑵中型 PLC 輸入 /輸出點數(shù)在 128512 點之間的 PLC 稱為中型 PLC。 表 11: 類型 輸入 /輸出總點數(shù) 信號類型 用 戶程序容量 結(jié)構(gòu)形式 超小型 ≦ 64 開關(guān)量 ≦ 1KB 整體型 小型 ≦ 512 開關(guān)量 ≦ 8KB 整體型 中型 ≦ 1024 開關(guān)量、模擬量 ≦ 16KB 模塊型 大型 ≦ 4096 有特殊 I/O 單元 ≦ 32KB 模塊型 超大型 ≧ 4096 功能強，與 DCS 相當(dāng) ≧ 32KB 模塊型 但是有的書籍又有下列說法： ⑴小型 PLC 連接開關(guān)量 I/O 模塊、模擬量 I/O 模塊以及其它各種特殊功能模塊，能執(zhí)行包括邏輯運算、計時、計數(shù)、算術(shù)運算、數(shù) 輸入 /輸出點數(shù)在 128點以下的 PLC 稱為小型 PLC。按其處理的輸入 /輸出點數(shù)的多少，可分為超小型、小型、中型 、大型、超大型五種類型。模塊式結(jié)構(gòu)的可編程控制器具有輸入 /輸出點數(shù)可自由配置，模塊組合靈活等特點，適用于復(fù)雜過程控制系統(tǒng)的應(yīng)用場合。一些產(chǎn)品的機架或背板上還安裝了與輸入 /輸出擴展機河北能源職業(yè)技術(shù)學(xué)院 10 連接的接口插座等。模塊結(jié)構(gòu)型可編程控制器把中央處理單元和存儲器做成獨立的組件模塊，把輸入 /輸出等單元做成各自相對獨立的模塊，然后組裝在一個帶有電源單元的機架或背板上。整體結(jié)構(gòu)的可編程控制器具有輸入 /輸出點數(shù)少、體積小等優(yōu)點，適用于單體設(shè)備的開關(guān)量控制和機電一體化產(chǎn)品的開發(fā)應(yīng)用等場合。整體結(jié)構(gòu)型可編程控制器把中央處理單元、存儲器、輸入 /輸出單元、輸入 /輸出擴展接口單元、外部設(shè)備接口單元和電源單元等集中在一個機箱內(nèi)，輸入 /輸出端及電源進出接線端分別設(shè)置在機箱的上下兩側(cè)。主要有整體式和模塊使兩種結(jié)構(gòu)形式。 1． 3 PLC 的分類 可編程控制器產(chǎn)品的種類很多，一般可以從它的結(jié)構(gòu)形式、輸入 /輸出點數(shù)以及功能范圍 進行分類。 為使工業(yè)生產(chǎn)