【正文】 業(yè)設(shè)計（論文） 5 PLC 的定義 PLC 問世以來，盡管時間不長，但發(fā)展迅速。用來執(zhí)行諸如邏輯 、 順序 、 計時 、 計數(shù)與演算等功能，并通過數(shù)字或類似的輸入 ／ 輸出模塊，以控制各種機械或工作程序。 ” 以后國際電工委員會（ IEC）又先后頒布了 PLC 標(biāo)準(zhǔn)的草案第一稿，第二稿 ，并在 1987 年 2 月通過了對它的定義 [4]： “ 可編程控制器是一種數(shù)字運算操作的電子 系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計的?？删幊炭刂破骷捌溆嘘P(guān)外部設(shè)備，都按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)聯(lián)成一個整體，易于擴充其功能的原則設(shè)計。它具有豐富的輸入 /輸出接口，并且具有較強的驅(qū)動能力。 PLC 的特點及分類 PLC 的特點 根據(jù) IEC標(biāo)準(zhǔn)草案給 PLC下的定義 [5]：它是在工業(yè)環(huán)境中使用的數(shù)字操作的電子系統(tǒng)，它使用可編程存儲器內(nèi)部儲存的用戶設(shè)計的指令，這些指令用來實現(xiàn)特殊的功能，諸如邏輯運算、順序操作、定時、計數(shù)以及算術(shù)運算以及通過數(shù)字或模擬輸入，輸出來控制各種類型的機械或過程。從上述 PLC的定義，我們可以看到 PLC的許多特點，概括起來有 以下幾點 ： （ 1）高可靠性 ① 所有的 I/O 接口電路均采用光電隔離 ； ② 各輸入端均采用 RC 濾波器，其濾波時間常數(shù)一般為 10~20ms； ③ 各模塊均采用屏蔽措施，以防止輻射干擾 ； ④ 采用性能優(yōu)良的開關(guān)電源 ； 大慶石油學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 6 ⑤ 對采用的器件進(jìn)行嚴(yán)格的篩選 ； ⑥ 良好的自診斷功能，一旦電源或其他軟、硬件發(fā)生異常情況， CPU 立即采用有效措施，以防止故障擴大 ； ⑦ 大型 PLC 還可以采用由雙 CPU 構(gòu)成冗余系統(tǒng)或由三 CPU 構(gòu)成表決系統(tǒng) ，使可靠性更進(jìn)一步提高。有相應(yīng)的 I/O 模塊與工業(yè)現(xiàn)場的器件或設(shè)備，如：按鈕 、 行程開關(guān) 、 接近開關(guān) 、 傳感器及變送器 、 電磁線圈 、 控制閥等直接連接。 （ 3）采用模塊化結(jié)構(gòu) 為了適應(yīng)各種工業(yè)控制需要，除了單元式的小型 PLC 以外，絕大多數(shù) PLC 均采用模塊化結(jié)構(gòu)。 （ 4）編程簡單易學(xué) PLC 的編程大多采用類似于繼電器控制線路的梯形圖形式，對使用者來說，不需要具備計算機的專門知識，因此很容易被一般工程技術(shù)人員所理解和掌握。使用時只需將現(xiàn)場的各種設(shè)備與 PLC 相應(yīng)的 I/O 端相連接，即可投入運行。 由于采用模塊化結(jié)構(gòu)，因此一旦某模塊發(fā)生故障，用戶可以通過更換模塊的方法，使系統(tǒng)迅速恢復(fù)運行。為適 應(yīng)用戶的不同應(yīng)用要求，很多廠家均開發(fā)生產(chǎn)了相互有 關(guān)聯(lián) 的系列產(chǎn)品 ， 為區(qū)別 PLC的綜合特性，通常以下述兩種辦法分類 ： （ 1） 按 I/O點數(shù)及存 儲器容量分類 ① 小 型：最多 I/O為 40/40，用戶存儲器 IKB； 大慶石油學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 ② 中型：最多 I/O為 128/128，用戶存儲器 4KB； ③ 大型： I/O128/128，用戶存儲器 4KB。 （ 2） 按 I/O點總數(shù)分類 隨著微型 PLC技術(shù)的發(fā)展日趨成熟，售價也趨向合理，每臺約 （ 200~400） 美元。 ① 微型： I/O 總點數(shù) （ 20~64） 點，后上移到 128 點。 其特點是體積小、結(jié)構(gòu)緊湊，整個硬件融為一體，除了開關(guān)量 I/O 以外，還可以連接模擬量 I/O 以及其他各種特殊功能模塊。 I/O 的處理方式除了采用一般 PLC 通用的掃描處理方 式外，還能采用直接處理方式，即在掃描用戶程序的過程中，直接讀輸入，刷新輸出。 大型 PLC 的軟、硬件功能極強。通訊聯(lián)網(wǎng)功能強，有各種通訊聯(lián)網(wǎng)的模塊，可以構(gòu)成三級通訊網(wǎng)，實現(xiàn)工廠生產(chǎn)管理自動化。 PLC的另一個發(fā)展方向是大型和超大型，這 些PLC具有上萬個輸入輸出量，用于石化、冶金、汽車制造等領(lǐng)域。主要使用于不連續(xù) I/O狀況，不需在通信與其它先進(jìn)功能，如應(yīng)用于單臺機床控制等場所；二是隨著 PLC技術(shù)的不斷發(fā)展，劃分 PLC規(guī)模的 I/O點數(shù)的界限不斷向上增移。 大慶石油學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 PLC 的應(yīng)用 及發(fā)展階段 PLC 的應(yīng)用 隨著 PLC 技術(shù)的飛躍發(fā)展 ， PLC 系統(tǒng)已成為一種綜合的控制系統(tǒng)，特別是 PLC己經(jīng)深入到智能控制領(lǐng)域中 ， 如在機械手控制、機器人控制 [8]、實現(xiàn)離散數(shù)學(xué)模型等方面都獲得廣泛應(yīng)用，使 PLC 技術(shù)已大大超出了過去僅代替繼電器電路的范疇。 （ 1） 取代繼電器控制：在燈光照明、機床電控、食品加工、印刷機械、電梯、自動化倉庫、生產(chǎn)流水線等方面進(jìn)行邏輯控制。 （ 3） 位置、速度控制：在機器人、機床、電機調(diào)速等領(lǐng)域進(jìn)行位置、速度控制。 （ 5） 組成分散控制系統(tǒng)：把 PLC 作為下位機，與上位機的計算機共同組成分散控制系統(tǒng)。 PLC 的發(fā)展階段 雖然 PLC 問世時間不長，但是隨著微處理器的出現(xiàn)，大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展和 數(shù)據(jù)通訊技術(shù)的不斷進(jìn)步， PLC 也迅速發(fā)展，其發(fā)展過程大致可分三個階段： （ 1）早期的 PLC（ 60 年代 末－ 70 年代中期） 早期的 PLC 一般稱為可編程邏輯控制器。它在硬件上以準(zhǔn)計算機的形式出現(xiàn)，在 I/O 接口電路上作了改進(jìn)以適應(yīng)工業(yè)控制現(xiàn)場的要求。另外還采取了一些措施，以提高其抗干擾的能力。因此， 早期的 PLC 的性能要優(yōu)于繼電器控制裝置，其優(yōu)點包括簡單易懂，便于安裝，體積小，能耗低，有故障指使，能重復(fù)使用等。 （ 2）中期的 PLC（ 70 年代中期－ 80 年代中，后期） 在 70 年代，微處理器的出現(xiàn)使 PLC 發(fā)生了巨大的變化。 這樣，使 PLC 的功能大大增強。在硬件方面，除了保持其原有的開關(guān)模塊以外，還增加了模擬量模塊、遠(yuǎn)程 I/O 模塊、各種特殊功能模塊。 （ 3）近期的 PLC（ 80 年代中、后期至今） 進(jìn)入 80 年代中、后期，由于超大規(guī)模集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展，微處理器的市場價格大幅度下跌，使得各種類型的 PLC 所采用的微處理器的檔次普遍提高。這樣使得 PLC 軟、硬 件功能發(fā)生了巨大變化。如果將 PLC 看作一個系統(tǒng)，該系統(tǒng)由輸入變量和輸出變量組成。 PLC 系統(tǒng)各部分的作用說明如下： 圖 21 PLC 結(jié)構(gòu)簡化框圖 （ 1） 中央處理單元 （ CPU） 中央處理單元 （ CPU） 是 PLC 的控制中樞。當(dāng) PLC 投入運行時，首先它以掃描的方式接收現(xiàn)場各輸入裝置的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并分別存入 I/O 映像區(qū)，然后從用戶程序存儲器中逐條讀取用戶程序，經(jīng)過命令解釋后按指令的規(guī)定執(zhí)行邏輯或算數(shù)運算的結(jié)果送入 I/O 映像區(qū)或數(shù)據(jù)寄存器內(nèi)。為了進(jìn)一步提高 PLC 的可靠性，近年來對大型 PLC 還采用雙 CPU 構(gòu)成冗余系統(tǒng)，或采用三 CPU 的表決式系統(tǒng)。 （ 2） 存儲器 存儲器是具有記憶功能的半導(dǎo)體電路，用來存放系統(tǒng)程序、用戶程序、邏輯變量和其它一些信息， PLC 使用兩種存儲器： ROM 和 RAM。 RAM 中存放用戶程序、邏輯變量和供內(nèi)部程序使用的工作單元。 ① 系統(tǒng)程序存儲器 該存儲器存放系統(tǒng)程序 （ 系統(tǒng)軟件 ） 。系統(tǒng)程序包括監(jiān)控程序、解釋程序、故障自診斷程序、標(biāo)準(zhǔn)子程序庫及其他各種管理程序等。系統(tǒng)程序用來管理、協(xié)調(diào) PLC 各部分的工作，翻譯、解釋用戶程序，進(jìn)行故障診斷等。用戶程序是用戶為解決實際問題并根據(jù) PLC 的指令系統(tǒng)而編制的程序，它通過編程器輸入 ，經(jīng) CPU 存放入用戶存儲器。 ③ 變量 （ 數(shù)據(jù) ） 存儲器 變量存儲器存放 PLC 的內(nèi)部邏輯變量，如內(nèi)部繼電器、 I/O 寄存器、定時器 /計數(shù)器中邏輯變量的現(xiàn)行值等，這些現(xiàn)行值在 CPU 進(jìn)行邏輯運算時需隨時讀出、更新有關(guān)內(nèi)容，所以，變量存儲器也采用 RAM。通常 PLC 產(chǎn)品資料中所指的內(nèi)存儲器容量，是針對用戶程序存儲器而言的，且以字 （ 16 位 ／ 字 ） 為單位來表示存儲器的容 量。輸入接口的主要作用是接收指令元件，檢測元件傳來的信號。接口電路內(nèi)部有濾波，電平轉(zhuǎn)移及信號鎖存電路。 輸出單元也是 PLC 與現(xiàn)場設(shè)備之間的連接部件，負(fù)責(zé)把輸出信號送給控制對象的輸出接口。輸出接口電路也采用光電耦合，每一點輸出都有一個內(nèi)部電路，由指示電路，隔離電路，繼電器組成。 （ 4） 電源 PLC 的電源在整個系統(tǒng)中起著十分重要的作用。一般交流電壓波動在 +10%（ +15%） 范圍內(nèi)，可以不采取其它措施而將 PLC直接連接到交流電網(wǎng)上去。微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，有鍵按下或 I/O 動作則轉(zhuǎn)入相應(yīng)子程序，無鍵按下則繼續(xù)掃描。即 CPU 從第一條指令開始執(zhí)行，直到遇到結(jié)束符又返回第一條執(zhí)行，如此周而復(fù)始不斷循環(huán) [10]。除此之外，為提高工作的可靠性和及時地接收外來的控制命令，每個掃描周期還要進(jìn)行故障自診斷和處理與編程器、計算機的通信請求，因此， PLC 工作過程分為以下五步： （ 1） 自診斷 自診斷功能可使 PLC 系統(tǒng)防患于未然，而在發(fā)生故障時能盡快的修復(fù)，為此PLC 每次掃描用戶程序以前都對 CPU、存儲器、輸入輸出模塊等進(jìn)行故障診斷，若自診斷正常便繼續(xù)進(jìn)行掃描，而一旦發(fā)現(xiàn)故障或異?，F(xiàn)象則轉(zhuǎn)入處理程序，保留現(xiàn)行工作狀態(tài)，關(guān)閉全部輸出，然后停機并顯示出錯的信息。在與編程器通信過程中，編程器把指令和修改參數(shù)發(fā)送給主機，主機把要顯示的狀態(tài)、數(shù)據(jù)、錯誤碼進(jìn)行相應(yīng)指示，編程器還可以向主機發(fā)送運行、停止、大慶石油學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 12 清內(nèi)存等監(jiān)控命 令。 （ 3） 輸入現(xiàn)場狀態(tài) 完成前兩步工作后 PLC 便掃描各個輸入點，讀入各點的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，如開關(guān)的通斷狀態(tài)、形成現(xiàn)場的內(nèi)存映象。 （ 4） 解算用戶邏輯 即執(zhí)行用戶程序。解算過程中所用的計數(shù)器、定時器、內(nèi)部繼電器等編程元件為相應(yīng)存儲單元的即時值，而輸入繼電器、輸出繼電器則用的是內(nèi)存映象值。 （ 5） 輸出結(jié)果將本次掃描過程解算得到的最新結(jié) 果 送到輸出模塊 圖 22 PLC 的工作過程 取代前一次掃描解 算 結(jié)果，也稱為輸出刷新。 在依次完成上述五個步驟操作后 PLC 又開始進(jìn)行 下一次掃描。 PLC 的工作過程如圖 22 所示。第一部分介紹了 PLC 的由來及定義。第三部分介紹了它的應(yīng)用 及三個發(fā)展階段。 大慶石油學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 14 第 3 章 PLC 控制系統(tǒng)及程序的設(shè)計方法 可編程控制器技術(shù)最主要是應(yīng)用于自動 化控制工程中，如何綜合地運用前面學(xué)過知識點，根據(jù)實際工程要求合理組合成控制系統(tǒng)， 在此介紹組成可編程控制器控制系統(tǒng)的一般方法 [11]。技術(shù)條件一般以設(shè)計任務(wù)書的形式來確定，它是整個設(shè)計的依據(jù)； （ 2）選擇電氣傳動形式和電動機、電磁閥等執(zhí)行機構(gòu)； （ 3）選定 PLC 的型號； （ 4）編制 PLC 的輸入 ／ 輸出分配表或繪制輸入 ／ 輸出端子接線圖； （ 5）根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計的要求編寫軟件規(guī)格說明書，然后再用相應(yīng)的編程語言（常用梯形圖）進(jìn)行程序設(shè)計； （ 6）了解并遵循用戶認(rèn)知心理學(xué)，重視人機界面的設(shè)計，增強人與機器之間的友善關(guān)系； （ 7）設(shè)計操作臺、電氣柜及非標(biāo)準(zhǔn)電器元部件； （ 8）編寫設(shè)計說明書和使用說明書； 根據(jù)具體任務(wù)，上述內(nèi)容可適當(dāng)調(diào)整。而正確，規(guī)范地使用各種指令，正確合理地使用各類部件，則是程序正確的重要因素。可靠性反映了 PLC 在不同工作狀態(tài)下的穩(wěn)定性，這也是對程序設(shè)計的基本要求。所以 為保證 PLC 的正常工作，使 PLC 能應(yīng)付各種非正常的突發(fā)事件，提高實際應(yīng)用中的可靠性是非常重要的。 ④ 可讀性 系統(tǒng)的可讀性好，是指程序要層次清晰，結(jié)構(gòu)合理 ，指令使用得當(dāng)，并按模塊化，功能化和標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計 [12]；在輸入 ／ 輸出點及內(nèi)部器件的分配和使用上要有規(guī)律性；還應(yīng)在一些功能段以一些特殊指令后作一些注釋，以方便記憶和理解。 ⑤ 可塑性 程序的可塑性是指當(dāng)控制方案稍作改動時，只需對已設(shè)計好的程序略作修改即可，程序容易修改或控制方案容易改變是 PLC 的一大特點。 系統(tǒng)設(shè)計的 基本步驟 可編程控制器應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計與調(diào)試的主要步驟，如圖 31 所示。對較復(fù)雜的控制系統(tǒng)，還可將控制任務(wù)分成幾個獨立部分，這種可化繁為簡，有利于編程和調(diào)試。常用的輸入設(shè)備有按鈕、選擇開關(guān)、行程開關(guān)、傳感器等，常用的輸 出設(shè)備有繼電器、接觸器、指示燈、電磁閥等。 （ 4）分配 I/O 點 分配 PLC 的輸入輸出點，編制出輸入 ／ 輸出分配表或者畫出輸入 ／ 輸出端子的接線圖。 大慶石油學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 16 圖 31 可編程控制器應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計與調(diào)試的主要步驟 大慶石油學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 17 （ 5）設(shè)計應(yīng)用系統(tǒng)梯形圖程序 根據(jù)工作功能圖表或狀態(tài)流 程圖等設(shè)計出梯形圖即編程。 （