【正文】 第 1 頁 共 40 頁 引言 可編程序控制器 ( PL C) 是以微處理器為基礎 ,綜合計算機技術自動控制技術和通信技術發(fā)展起來的一種新型 、通 用的自動控制裝備 ,它具有結(jié)構簡單 、操作方便 、編程容易 、 系統(tǒng)功能強大靈活且易于擴展 、高性價比 、高可靠性等眾多優(yōu)越性能 ,已成為現(xiàn)代工業(yè)自動化的三大支柱 ( PL C 、機器人 、 CAD/ CAM) 之一 。 本 設計 采用 PLC 和觸摸屏組成一個新的交通燈控制和監(jiān)控實驗裝置 ,該實驗裝置不但 能實現(xiàn)傳統(tǒng)的交通燈控制功能 ,而且具有 倒計時顯示、多車道控 制、 行人過馬路以及特殊情況下的控制等功能 ,同時能對交通燈的運行和 路口車流 情況進行監(jiān)控 。 [摘 要 ]: 目前各大專院校的自動化類、電氣類、機械類等專業(yè)幾乎都設立了《 PLC 原理及應用》課程。從教學的角度看 ,這是一門實踐性很強的課程 ,學生在理論教學方面具有充足的授課時間、豐富的專業(yè)教材 ,與之相比 ,相關的實驗教學手段和實際的讓學興趣的被控模型都顯得明顯不足 ,為了達到培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識 ,提高其工程綜合應用能力的教學目 標，設計了一套便于 實驗教學的新型交通控制實驗裝置 。該實驗面板采用模塊化組合結(jié)構 , 使用靈活 , 性能穩(wěn)定 ,直觀性強 , 具有良好的教學效果。從世界范看 , PL C 及其系統(tǒng)相關產(chǎn)品的產(chǎn)量 、銷量及用量高居各種自動化設備的榜首 。不管是建立新的工業(yè)控制系統(tǒng)還是對老的生產(chǎn)線及設備的改造 ,都會有它的 身影 。實驗教學 就是要提高學生的綜合素質(zhì) ,發(fā)展他們的獨立性 、自主性和實踐創(chuàng)新能力。 從教學的角度看 ,這是一門實踐性很強的課程 ,學生在理論教學方面具有充足的授課時 間 、豐富的專業(yè)教材 ,與之相比 ,相關的實驗教學手段和實際的讓學生感興趣的被控模型都顯得明顯不足 ,為了達到培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識 ,提高其工程綜合應用能 力的教學目 標 。 第 2 頁 共 40 頁 1. PLC 簡介 概述 可編程控制器（ PROGRAMMABLE CONTROLLER，簡稱 PC）。 PLC 是在傳統(tǒng)的順序控制器的基礎上引入了微電子技術、計算機技術、自動控制技術和通訊技術而形成的一代新型工業(yè)控制裝置，目的是用來取代繼電器、執(zhí)行邏輯、記時、計數(shù)等順序控制功能，建立柔性的程控系統(tǒng)。它采用可編程序的存貯器，用來在其內(nèi)部存貯執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術運算等操作的指令，并通過數(shù)字的、模擬的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。 PLC 具有通用性強、使用方便、適應面廣、可靠性高、抗干擾能力強、編程簡單等特點。 PLC 程序既有生產(chǎn)廠家的系統(tǒng)程序，又有用戶自己開發(fā) 的應用程序，系統(tǒng)程序提供運行平臺，同時，還為 PLC 程序可靠運行及信息與信息轉(zhuǎn)換進行必要的公共處理。 PLC 的結(jié)構及基本配置 一般講， PLC 分為箱體式和模塊式兩種。對模塊式 PLC，有 CPU 模塊、 I/O 模塊、內(nèi)存、電源模塊、底板或機架。 PLC 的基本結(jié)構框圖如下： 第 3 頁 共 40 頁 接受 驅(qū)動 現(xiàn)場信號 受控元件 PLC的基本結(jié)構框圖 CPU 的構成 PLC 中的 CPU 是 PLC 的核心，起神經(jīng)中樞的作用，每臺 PLC 至少有一個 CPU，它按PLC 的系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存貯用戶程序和數(shù)據(jù)，用掃描的方式采集由現(xiàn)場輸入裝置送來的狀態(tài)或數(shù) 據(jù)，并存入規(guī)定的寄存器中，同時，診斷電源和 PLC 內(nèi)部電路的工作狀態(tài)和編程過程中的語法錯誤等。它確定了進行控制的規(guī)模、工作速度、內(nèi)存容量等。 CPU 的控制器控制 CPU 工作，由它讀取指令、解釋指令及執(zhí)行指令。 CPU 的運算器用于進行數(shù)字或邏輯運算，在控制器指揮下工作。 CPU 雖然劃分為以上幾個部分，但 PLC 中的 CPU 芯片實際上就是微處理器，由于電路的高度集成，對 CPU 內(nèi)部的詳細分析已無必要，我們只要弄清它在 PLC 中的功能與性能，能正確地使用它就夠了。一般講， CPU 模塊總要有相應的狀態(tài)指示燈，如電源顯示、運行顯示、故障顯示等。它的總線接口，用于接 I/O模板或底板，有內(nèi)存接口，用于安裝內(nèi)存，有外設口，用于接外部設備，有的還有通訊口，用于進行通訊。 I/O 模塊 PLC 的對外功能，主要是通過各種 I/O 接口模塊與外界聯(lián)系的，按 I/O點數(shù)確定模塊規(guī)格及數(shù)量， I/O 模塊可多可少，但其最大數(shù)受 CPU 所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或機架槽數(shù)限制。 電源模塊 有些 PLC中的電源，是與 CPU 模塊合二為一的，有些是分開的，其主要用途是為 PLC各模塊的集成電路提供工作電源。電源以其輸入類型有：交流電源，加的為交流 220VAC 或 110VAC，直流電源，加的為直流電壓，常用的為 24V。 PLC 的外部設備 外部設備是 PLC 系統(tǒng)不可分割的一部分，它有四大類 ： 1） 編程設備：有簡易編程器和智能圖形編程器，用于編程、對系統(tǒng)作一些設定、監(jiān)控 PLC 及 PLC 所控制的系統(tǒng)的工作狀況。 2） 監(jiān)控設備：有數(shù)據(jù)監(jiān)視器和圖形監(jiān)視器。 3） 存儲設備：有存儲卡、存儲磁帶、軟磁盤或只讀存儲器，用于永久性地存儲用戶數(shù)據(jù)，使用戶程序不丟失，如 EPROM、 EEPROM 寫入器等。 PLC 的通信聯(lián)網(wǎng) PLC 具有通信聯(lián)網(wǎng)的功能，它使 PLC 與 PLC 之間、 PLC 與上位計算機以及其他智能設備之間能夠交換信息，形成一個統(tǒng)一的整體，實現(xiàn)分散集中控制。 當然， PLC 之間的通訊網(wǎng)絡是各廠家專用的， PLC 與計算機之間的通訊，一些生產(chǎn)廠家采用工業(yè)標準總線，并向標準通訊協(xié)議靠攏，這將使不同機型的 PLC 之間、 PLC與計算機之間可以方便地進行通訊與聯(lián)網(wǎng)。 PLC 的工作原理 PLC 采用循環(huán)掃描的工作方式，在 PLC 中用戶程序按先后順序存放， CPU 從第一條指令開始執(zhí)行程序，直到遇到結(jié)束符后又返回到第一條，如此周而復始不斷循環(huán)。全過程掃描一次所需的時間稱為掃描周期。在 PLC 處于運行狀態(tài)時，從內(nèi)部處理、通信操作、程序輸入、程序執(zhí)行、程序輸出，一直循環(huán)掃描工作。在此階段，順序讀入所有輸入端子的通斷狀態(tài)，并將讀入的信息存入內(nèi)存中所對應的映像寄存器與外界隔離， 即使輸入信號發(fā)生變化，其映像寄存器的內(nèi)容也不會發(fā)生變化，只有在下一個掃描周期的輸入處理階段才能被讀入信息。遇到程序跳轉(zhuǎn)指令，根據(jù)跳轉(zhuǎn)條件是否滿足來決定程序的跳轉(zhuǎn)地址。對每個器件來說，器件映象寄存器中所寄存的內(nèi)容，會隨著程序執(zhí)行過程而變化。 PLC 的基本性能指標 可編程控制器的基本性能可用如下八條予以概 括： 工作速度 工作速度是指 PLC 的 CPU 執(zhí)行指令的速度及對急需處理的輸入信號的響應速度。速度高了，才可能通過運行程序?qū)崿F(xiàn)控制，才可能不斷擴大控制規(guī)模，才可能發(fā)揮 PLC 的多種多樣的作用。不同的 PLC。少的幾十條，多的幾百條。但各種 PLC 總有一些基本指令，而且各種的 PLC都有這些基本指令，故常以執(zhí)行一條基本指令的時間來衡量這個速度。并隨著微處理器技 術的進步，這個時間還在縮短。從討論 PLC 的工作原理知，從對 PLC 加入輸入信號，到 PLC 產(chǎn)生輸出，最理想的情況也要延遲一個 PLC 運行程序的周期。不理想時，還要多延長一個周期。這時，要多等待一個周期， PLC 的輸入映射區(qū)才能接受到這個新的輸入信號。對急需 處理的輸人信號延遲多長時間 PLC 能予以響應，要另作要求。不同的 PLC 措施也不完全相同，提高響應速度的效果也不同。 第 7 頁 共 40 頁 這個效果可從兩個方面來衡量：一是能否對幾個輸入信號作快速響應；二是快速響應的速度有多快。 工作速度關系到 PLC 對輸入信號的 響應速度，是 PLC 對系統(tǒng)控制是否及時的前提。這就是把工作速度作為 PLC第一指標的原因。 控制規(guī)模與速度有關。為了避免這個情況， PLC的工作速度就要快。 控制規(guī)模還與內(nèi)存區(qū)的大小有關。同時點數(shù)多，系統(tǒng)的存儲器輸入、輸出的信號區(qū)（輸入輸出繼電器區(qū)或稱輸入、輸出映射區(qū)）也大。 控制規(guī)模還與輸入、輸出電路數(shù)有關。這些電路集成于 I/O 模塊中，而每個模塊有多少路的 I/O 點總是有數(shù)的。 控制規(guī)模還與 PLC 指令系統(tǒng)有關。 控制規(guī)模是對 PLC 其它性能指標起著制約作用的指標；也是 PLC 劃分為微、小、中、大和特大型 組成模塊 PLC 的結(jié)構雖有箱體及模塊式之分，但從質(zhì)上看，箱體也是模塊，只是它集成了更多的功能。 這個性能含義是指某型號 PLC 具有多少種模塊，各種模塊都有什么規(guī)格，并各具什么特點。但模塊的功能則單一些。但功能則多樣些，以至于集成為箱體。 常見的 PLC 模塊有： CPU 模塊，它是 PLC 的硬件核心。 電源模塊，它為 PLC 運行提供內(nèi)部工作電源，而且，有的還可為輸入信號提供電源。 內(nèi)存模塊，它主要存儲用戶程序，有的 還為系統(tǒng)提供輔加的工作內(nèi)存。 底板、機架模塊，它為 PLC 各模塊的安裝提供基板，并為模塊間的聯(lián)系提供總線。不同廠家或同一廠家但不同類型的 PLC 都不大相同。擴展箱體也依 I/O點數(shù)的多少劃分有不同的規(guī)格。如 A/D（模入）模塊、 D/A（模出）模塊、高速計數(shù)模塊、位控模塊、溫度模塊等等。智能模塊的種類、特性也大不相同，性能好的 PLC，這些模塊種類多，性能也好。通訊模塊代表 PLC的組網(wǎng)能力，代表著當今 PLC 性能的重要方面。 除了模塊， PLC 還有外部設備。然而，要對 PLC 編程，要監(jiān)控 PLC 及其所控制的系統(tǒng)的工作狀況，以及存儲用戶程序、打印數(shù)據(jù)等，就得使用 PLC 的外部設備。 PLC 的外部設備有四大類： 編程設備：簡單的為簡易編程器，多只接受助記將編程，個別的也可用圖形編程（如日本東芝公司的 EX 型可編程控制器）。有的還有專用的計算機，可用其它高級語編程。編程器還可監(jiān)控 PLC 及 PLC 所控制的系統(tǒng)的工作狀況，以進行 PLC 用戶程序的調(diào)試。除了不能改變 PLC 的用戶程序，編程器能做的它都能做，是使用 PLC 很好的界面。 存儲設備：它用于永久性地存儲用戶數(shù)據(jù)，使用戶程序不丟失。而為實現(xiàn)這些存儲，相應的就有存卡器、磁帶機、軟驅(qū)或 ROM 寫入器，以及相應的接口部 件。 輸入輸出設備：它用以接收信號或輸出信號，便于與 PLC 進行人機對話。輸出的有打印機、編程器、監(jiān)控器雖也可對 PLC輸入信息，從 PLC 輸出信息，但輸入輸出設備實現(xiàn)人機對話更方便，可在現(xiàn)場條件下實現(xiàn)，并便于使用。 外部設備已發(fā)展成為 PLC 系統(tǒng)的不可分割的一個部分。 內(nèi)存容量 PLC 內(nèi)存有用戶及系統(tǒng) 兩大部分。系統(tǒng)內(nèi)存是與 CPU 配置在一起的。 用戶內(nèi)存大小與可存儲的用戶程序量有關。從發(fā)展趨勢看，內(nèi)存容量總是在不斷增大著。系統(tǒng)內(nèi)存對于用戶，主要體現(xiàn)在 PLC 能提供多少內(nèi)部器件。在物理上并無這些器件，僅僅為 RAM。 內(nèi)存器件種類越多，數(shù)量越多，越便于 PLC 進行種種邏輯量及模擬控制。 PLC 內(nèi)部器件有： I/O 繼電器，或稱映射區(qū)。 內(nèi)部繼電器數(shù)，有的稱為標志位數(shù)，代表著 PLC 的內(nèi)部繼電器數(shù)。內(nèi)部繼電器多，便于 PLC 建立復雜的時序關系，以實現(xiàn)多種多樣的控制要求。 有的內(nèi)部繼電器還可丟電保持，即它的狀態(tài)（ ON 或 OFF）、 PLC 丟電后，靠內(nèi)部電池仍予以保持。保持繼電器可增強 PLC 控制能力，特別對記錄故障，故障排除后恢復運行，更顯得有用。定時值可任意設定。 計數(shù)器，可進行計數(shù)，到達某設定計數(shù)值可發(fā)送相應信號。 數(shù)據(jù)存儲區(qū)，用以存儲工作數(shù)據(jù)。這個存儲區(qū)的大小代表 PLC 的性能也是越大越好。小型機也如此。而過去同是小型機的 C60P 的 DM 區(qū)才 64個字。 此外還有其它一些內(nèi)部器件，了解某 PLC 性能時，也都必須掌握它。 指令系統(tǒng) PLC 有多少條指令，各條指令又具有什么功能，是了解與使用 PLC的重要方面。功能很強的指令，綜合多種作用的指令日見增多。這類指令不管什么樣的 PLC都總是有的。