【正文】 成電路還沒有投入大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)，CPU以分立元件組成；存儲器為磁心存儲器，存儲容量有限；用戶指令一般只有二三十條，還沒有成型的編程語言；機型單一，沒有形成系列。進入70年代，隨著中小規(guī)模集成電路的工業(yè)化生產(chǎn)，可編程序控制器技術(shù)得到了較大的發(fā)展。軟件開發(fā)有自診斷程序，程序存儲開始使用EPROM?？删幊绦蚩刂破鏖_始向多處理器發(fā)展，使可編程序控制器的功能和處理速度大為增強，并具有通信和遠程I/O能力，增加了多種特殊功能，如浮點運算、三角函數(shù)、查表、列表等，自診斷和容錯技術(shù)也迅速發(fā)展。使得可編程序控制器能夠滿足工業(yè)生產(chǎn)過程的各個領(lǐng)域，可編程序控制器已完全取代了傳統(tǒng)的邏輯控制裝置，模擬量儀表控制裝置和以小型機為核心的DDC（直接數(shù)字控制）控制裝置。梯形圖語言和語句表語言完全成熟，基本上標(biāo)準(zhǔn)化，SFC（順序功能圖）語言逐步普及，專用的編程器已被個人計算機和相應(yīng)編程軟件所替代，人機界面裝置日趨完善，已能進行對整個工廠的監(jiān)控、管理，并發(fā)展了冗余技術(shù)，大大加強了可靠性。1968年，美國最大的汽車制造商——通用汽車公司為了適應(yīng)生產(chǎn)工藝不斷更新的需要，要求尋找一種更好的控制器。70年代中期，由于大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)，使8位微處理器和位片處理器相繼問世，使可編程控制技術(shù)產(chǎn)生了飛躍。在這個時期，日本、德國和法國相繼研制出自己的PLC，我國在1974年也開始研制。這時面向工程技術(shù)人員的編程語言發(fā)展成熟，出現(xiàn)了工藝人員使用的圖形語言。 進入八九十年代后，PLC的軟硬件功能進一步得到加強，PLC已發(fā)展成為一種可提供諸多功能的成熟的控制系統(tǒng)，能與其他設(shè)備通信，生成報表，調(diào)度產(chǎn)出，可診斷自身故障及機器故障。盡管PLC功能越來越強，但它仍然保留了先前的簡單與易于使用的特點。無疑，PLC將在今后的工業(yè)自動化中扮演重要角色。(2) 多功能：為了適應(yīng)特殊功能的需要，連續(xù)推出多種智能模塊，如模擬量輸入輸出、回路控制、通信控制、機械運動控制、高速計數(shù)、中斷輸入等。(3) 高可靠性、好兼容性：由于現(xiàn)代控制系統(tǒng)的可靠性和兼容性日漸受到人們的重視，一些公司將自診斷技術(shù)、冗余技術(shù)、容錯技術(shù)廣泛應(yīng)用到現(xiàn)有產(chǎn)品中。大致可劃分為下述三個階段：(1) 可編程序控制器的初級認(rèn)識階段（70年代后期到80年代初期）國際上可編程序控制器的發(fā)展，首先引起了國內(nèi)工程技術(shù)界的極大興趣，所以我國對可編程序控制器的認(rèn)識始于70年代后期到80年代初期的成套設(shè)備引進中。(2) 可編程序控制器的引進應(yīng)用和消化移植階段（80年代初期到90年代初期）80年代初期開始，隨著我國改革開放的不斷深入，在成套設(shè)備引進的同時，國外原裝的可編程序控制器開始涌入國內(nèi)市場。隨著應(yīng)用能力的提高和市場需求的擴大，一些部門和單位本著技貿(mào)結(jié)合、消化移植的方針，一方面進行二次開發(fā)和應(yīng)用研究，一方面也在引進可編程序控制器的生產(chǎn)線，建立生產(chǎn)可編程序控制器的合資企業(yè)，積極開發(fā)自己的產(chǎn)品。可編程序控制器行業(yè)協(xié)會在政府和企事業(yè)之間起到了橋梁作用，溝通了情況，為做出決策提供了依據(jù)。② 應(yīng)用更加廣泛。 PLC的分類可編程控制器一般從點數(shù)、功能、結(jié)構(gòu)形式和流派等方面進行分類[2]。小型PLC的輸入/輸出端子數(shù)量為256點以下；中型PLC的輸入/輸出端子數(shù)量為1024點以下；大型PLC的輸入/輸出端子數(shù)量為1024以上。小型PLC主要用于完成邏輯運算、計時、計數(shù)、移位、步進控制等功能。大型PLC，除完成中型PLC的功能外，還有更強的連網(wǎng)、監(jiān)視、記錄、打印、中斷、智能、遠程控制等功能。(2) 根據(jù)結(jié)構(gòu)形式進行分類按照結(jié)構(gòu)形式分，PLC有整體式和模塊式兩種。它的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)緊湊、體積較小，成本低，安裝方便，缺點是輸入輸出點數(shù)是固定的，不一定能適應(yīng)具體的控制現(xiàn)場的需要。② 模塊式PLC是由多個模塊組成的，通過內(nèi)部總線連接在一起，用戶可以根據(jù)需要組建自己的PLC系統(tǒng)。缺點是體積較大、插件較多，影響工作的可靠性，并且價格較高。按地域分為4個流派：① 美國產(chǎn)品，性價比適中，使用比較方便；② 歐洲產(chǎn)品，性價比適中，易用性一般，擴展性強；③ 日本產(chǎn)品，性價比高，使用方便，擴展性一般；④ 中國產(chǎn)品，性價比特別高，使用比較方便，擴展性一般。但由于有特殊的接口器件及監(jiān)控軟件，其外形不像計算機，編程語言、工作原理與普通計算機相比也有一定的區(qū)別。普通計算機一般采用等待命令的工作方式，如常見的鍵盤掃描方式或I/O掃描方式。PLC周而復(fù)始的循環(huán)執(zhí)行這4個階段，這種工作方式稱為掃描工作方式。內(nèi)部處理階段是運行PLC內(nèi)部系統(tǒng)的管理程序，該程序是廠家在PLC出廠時就已經(jīng)固化好了的，與用戶的控制程序無關(guān)，一般比較固定，其運行時間與用戶程序運行時間相比要短的多。并近似的認(rèn)為每重復(fù)一次這3個階段所用的時間為一個掃描周期。(1) 輸入采樣階段 PLC以掃描工作方式，按順序?qū)⑺行盘栞斎氲郊拇孑斎霠顟B(tài)的輸入映像寄存器中存儲，這一過程稱為采樣。 圖21 PLC的工作過程圖(2) 程序執(zhí)行階段PLC按順序?qū)Τ绦蜻M行掃描，即從上到下、從左到右的掃描每條指令，并分別從輸入映像寄存器、內(nèi)部元件寄存器（內(nèi)部寄存器、定時器、計數(shù)器等）和輸出映像寄存器中獲取所需的數(shù)據(jù)進行運算、處理，再將程序執(zhí)行的結(jié)果寫入寄存執(zhí)行結(jié)果的輸出映像寄存器中進行保存。這就是說反映各輸出元件狀態(tài)的輸出元件映像存儲器中所儲存的內(nèi)容才固定下來。PLC的這種工作方式同一般單純用硬件組成的控制電路或由控制計算機組成的控制電路是不同的。PLC重復(fù)執(zhí)行上述三個階段，每重復(fù)一次的時間即為一個掃描周期，用T表示。PLC的一個掃描周期一般為40~100ms。一個掃描周期內(nèi)輸入刷新之前，若外部輸入信號狀態(tài)沒有變化，則此次的輸入刷新就沒有變化，經(jīng)運算處理后，相應(yīng)的輸出刷新和輸出控制信號也沒有變化，只是重新被刷新一次。不管輸出控制信號有沒有變化，一個掃描周期內(nèi)對所有輸出只刷新一次，即前一次和后一次的輸出狀態(tài)的變化，至少要經(jīng)歷一個掃描周期的時間。PLC的這種“串行工作方式”，可以避免繼電器、接觸器控制系統(tǒng)中觸點競爭和時序失配的問題，還可以增強系統(tǒng)抗干擾能力。但是這種工作方式又導(dǎo)致輸出對輸入在時間上的滯后，對于要求快速響應(yīng)的控制系統(tǒng)，這也是PLC的缺點之一。 可編程控制器實現(xiàn)控制的要點入出信息變換、可靠物理實現(xiàn)，可以說是PLC實現(xiàn)控制的兩個基本要點[1]。PLC程序既有生產(chǎn)廠家的系統(tǒng)程序(不可更改)，又有用戶自行開發(fā)的應(yīng)用（用戶）程序。用戶程序由用戶按控制要求設(shè)計。可靠物理實現(xiàn)主要靠輸人（INPUT）及輸出（OUTPUT）電路。輸入電路要對輸入信號進行濾波，以去掉高頻干擾。輸出電路內(nèi)外也是電隔離的，靠光耦元件或輸出繼電器建立聯(lián)系。 I/O電路是很多的，每一輸入點或輸出點都要有一個輸入或輸出電路。但由于它們都是由高度集成化的電路組成的，所以，所占體積并不大。每一輸入點都有一個對應(yīng)的存儲其信息的暫存器。輸出鎖存器與輸出點也是一一對應(yīng)的，這里的輸入暫存器及輸出鎖存器實際就是PLC處理器I/O口的寄存器。把輸人暫存器的信息讀到PLC的內(nèi)存中，稱輸入刷新。這個區(qū)的每一對應(yīng)位（bit）稱之為輸入繼電器，或稱軟接點。由于它的狀態(tài)是由輸入刷新得到的，所以，它反映的就是輸入狀態(tài)。一個輸出鎖存器也有一個內(nèi)存位（bit）與其對應(yīng)，這個位稱為輸出繼電器，或稱輸出線圈。輸出刷新主要也是靠運行系統(tǒng)程序?qū)崿F(xiàn)的。這是一個數(shù)據(jù)及邏輯處理問題。 可編程控制器基本特點從討論PLC的工作原理知，PLC的輸入與輸出在物理上是彼此隔開的，其間的聯(lián)系是靠運行存儲于它的內(nèi)存中的程序?qū)崿F(xiàn)。它的工作基礎(chǔ)是用好信息。信息便于處理，便于傳遞，便于存儲，信息還可重用等等。下面介紹PLC的四個特點。這主要與它具有豐富的處理信息的指令系統(tǒng)及存儲信息的內(nèi)部器件有關(guān)。凡普通計算機能做到的，它也都可作到。PLC還有豐富的外部設(shè)備，可建立友好的人機界面，以進行信息交換。而且讀、寫時可在圖文并茂的畫面上進行。PLC還具有通訊接口，可與計算機鏈接或聯(lián)網(wǎng)，與計算機交換信息。PLC還有強大的自檢功能，可進行自診斷，其結(jié)果可自動記錄。(2) 使用方便用PLC實現(xiàn)對系統(tǒng)的控制是非常方便的。編程序比接線，更改程序比更改接線，當(dāng)然要方便得多。而且，這些模塊是配套的，已實現(xiàn)了系列化與規(guī)格化。所以，硬件系統(tǒng)配置與建造也非常方便。對軟件講，它的程序可編，也不難編。具體地講，PLC有五個方面的方便： ① 配置方便：可接控制系統(tǒng)的需要確定要使用哪家的 PLC，那種類型的，用什么模塊，要多少模塊，確定后，到市場上定貨購買即可。外部接線有接線器，接線簡單，而且一次接好后，更換模塊時，把接線器安裝到新模塊上即可，都不必再接線。③ 編程方便：PLC內(nèi)部雖然沒有什么實際的繼電器、時間繼電器、計數(shù)器，但它通過程序（軟件）與系統(tǒng)內(nèi)存，這些器件卻實實在在地存在著。PLC還有存儲數(shù)據(jù)的內(nèi)存區(qū)，可存儲控制過程的所有要保存的信息。PLC的外設(shè)很豐富，編程器種類很多，用起來都較方便，還有數(shù)據(jù)監(jiān)控器，可監(jiān)控PLC的工作。這些也為PLC編程提供了方便。其次即使PLC出現(xiàn)故障，維修也很方便。而且，PLC本身還可作故障情況記錄。同時，診斷出故障后排故也很簡單。(3) 工作可靠用PLC實現(xiàn)對系統(tǒng)的控制是非?？煽康摹Ｊ聦嵣?，如果PLC工作不可靠，就無法在工業(yè)環(huán)境下運用，也就不成其為PLC了。而且，CPU板還有抗電磁干擾的屏蔽措施。② 在軟件方面：PLC的工作方式為掃描加中斷，這既可保證它能有序地工作，避免繼電控制系統(tǒng)常出現(xiàn)的“冒險競爭”，其控制結(jié)果總是確定的；而且又能應(yīng)急處理急于處理的控制，保證了PLC對應(yīng)急情況的及時響應(yīng)，使PLC能可靠地工作。可通過編制相應(yīng)的用戶程序，對PLC的工作狀況，以及PLC所控制的系統(tǒng)進行監(jiān)控，以確保其可靠工作。PLC也是如此。使用PLC的投資雖大，但它的體積小、所占空間小，輔助設(shè)施的投入少；使用時省電，運行費少；工作可靠，停工損失少；維修簡單，維修費少；還可再次使用以及能帶來附加價值等等，從中可得更大的回報。 PLC的主要技術(shù)指標(biāo)及抗干擾分析(1) 存儲器容量 存儲器用來存儲程序和系統(tǒng)參數(shù)等，其容量是由用戶程序存儲器組成的。(2) 輸入/輸出（I/O）點數(shù)輸入/輸出點數(shù)是指根據(jù)工業(yè)系統(tǒng)控制所得到的對應(yīng)PLC的輸入/輸出端的個數(shù)。(3) 掃描時間掃描時間是指CPU內(nèi)部根據(jù)用戶程序，按邏輯順序，從開始到結(jié)束掃描一次所需的時間。(4) 指令種類和數(shù)量指令的種類和數(shù)量決定了用戶編制程序的方式和PLC的處理能力和控制能力。它們主要用來完成計時、技術(shù)、中間數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)存儲還有其他一些功能。(6) 擴展能力 PLC擴展能力是指PLC是否具有I/O擴展、聯(lián)網(wǎng)等一些功能。智能模塊種類和數(shù)量越多說明PLC功能越強大。一般編程只能使用助記符語言，而用編程軟件則可使用梯形圖和助記符等語言來進行編程。干擾類型通常按干擾產(chǎn)生的原因、噪聲干擾模式和噪聲的波形性質(zhì)的不同劃分。共模干擾和差模干擾是一種比較常用的分類方法。若PLC系統(tǒng)置于所射頻場內(nèi)，就回收到輻射干擾，其影響主要通過兩條路徑：一是直接對PLC內(nèi)部的輻射，由電路感應(yīng)產(chǎn)生干擾；而是對PLC通信內(nèi)網(wǎng)絡(luò)的輻射，由通信線路的感應(yīng)引入干擾。(2) 來自系統(tǒng)外引線的干擾主要通過電源和信號線引入，通常稱為傳導(dǎo)干擾。(3) 來自電源的干擾PLC系統(tǒng)的正常供電電源均由電網(wǎng)供電。尤其是電網(wǎng)內(nèi)部的變化，入開關(guān)操作浪涌、大型電力設(shè)備起停、交直流傳動裝置引起的諧波、電網(wǎng)短路暫態(tài)沖擊等，都通過輸電線路傳到電源原邊。實際上，由于分布參數(shù)特別是分布電容的存在，絕對隔離是不可能的。與PLC控制系統(tǒng)連接的各類信號傳輸線，除了傳輸有效的各類信息之外，總會有外部干擾信號侵入，此干擾主要有兩種途徑：① 通過變送器供電電源或共用信號儀表的供電電源串入的電網(wǎng)干擾，這往往被忽視。由信號引入干擾會引起I/O信號工作異常和測量精度大大降低，嚴(yán)重時將引起元器件損傷。PLC控制系統(tǒng)因信號引入干擾造成I/O模件損壞數(shù)相當(dāng)嚴(yán)重，由此引起系統(tǒng)故障的情況也很多。正確的接地，既能抑制電磁干擾的影響，又能抑制設(shè)備向外發(fā)出干擾；而錯誤的接地，反而會引入嚴(yán)重的干擾信號，使PLC系統(tǒng)將無法正常工作。接地系統(tǒng)混亂對PLC系統(tǒng)的干擾主要是各個接地點電位分布不均，不同接地點間存在地電位差，引起地環(huán)路電流，影響系統(tǒng)正常工作。此外，屏蔽層、接地線和大地有可能構(gòu)成閉合環(huán)路，在變化磁場的作用下，屏蔽層內(nèi)有會出現(xiàn)感應(yīng)電流，通過屏蔽層與芯線之間的耦合，干擾信號回路。PLC工作的邏輯電壓干擾容限較低，邏輯地電位的分布干擾容易影響PLC的邏輯運算和數(shù)據(jù)存貯，造成數(shù)據(jù)混亂、程序丟失或死機。(6) 來自PLC系統(tǒng)內(nèi)部的干擾主要由系統(tǒng)內(nèi)部元器件及電路間的相互電磁輻射產(chǎn)生，如邏輯電路相互輻射及其對模擬電路的影響，模擬地與邏輯地的相互影響及元器件間的相互不匹配使用等。 PLC控制系統(tǒng)工程應(yīng)用的抗干擾設(shè)計這三點就是抑制電磁干擾的基本原則[6]。PLC控制系統(tǒng)的抗干擾是一個系統(tǒng)工程，要求制造單位設(shè)計生產(chǎn)出具有較強抗干擾能力的產(chǎn)品，且有賴于使用部門在工程設(shè)計、安裝施工和運行維護中予以全面考慮，并結(jié)合具有情況進行綜合設(shè)計，才能保證系統(tǒng)的電磁兼容性和運行可靠性。(1) 設(shè)備選型在選擇設(shè)備時，首先要選擇有較高抗干擾能力的產(chǎn)品，其包括了電磁兼容性（EMC），尤其是抗外部干擾能力，如采用浮地技術(shù)、隔離性能好的PLC系統(tǒng)；其次還應(yīng)了解生產(chǎn)廠給出的抗干擾指標(biāo)，如共模擬制比、差模擬制比，耐壓能力、允許在多大電場強度和多高頻率的磁場強度環(huán)境中工作；另外是靠考查其在類似工作中的應(yīng)用實績。在選擇國外進口產(chǎn)品要注意：我國是采用220V高內(nèi)阻電網(wǎng)制式，而歐美地區(qū)是110V低內(nèi)阻電網(wǎng)。(2) 綜合抗干擾設(shè)計主要考慮來自系統(tǒng)外部的幾種如果抑制措施。另外還必須利用軟件手段，進一步提高系統(tǒng)的安全可靠性。工業(yè)現(xiàn)場電磁環(huán)境復(fù)雜，有時只采用硬件措施不能完全消除干擾的影響，必須用軟件措施加以配合。其中，微型的有SIMATIC S7200系列，最小配置為8DI/6DO，可擴展2～7個模塊，最大I/O點數(shù)為64 DI/DO、12 AI/4 AO；中小型的有SIMATIC S7300系列；中高檔性能的有S7400系列。SIMATIC S7300的大量功