【正文】 制但最近幾年來 PLC的應(yīng)用面越來越廣目前 PLC在國內(nèi)外已廣泛應(yīng)用于鋼鐵采礦水泥石油化 工電力機(jī)械制造汽車裝卸造紙紡織環(huán)保和娛樂等行業(yè) PLC 的主要包括以下幾個方面開關(guān)邏輯和順序控制模擬控制定時控制數(shù)據(jù)處理信號連鎖系統(tǒng)通 PLC 的組成 結(jié)構(gòu)形式的不同 PLC 可分為組合式整體式兩類組合式 PLC 的組成是將 CPU單元輸入單元輸出單元智能 IO 單元通信單元等分別做成相應(yīng)的電路板或模塊各模塊可以查在底板上模塊之間通過底板上的總線相互聯(lián)系裝有 CPU 的單元稱為CPU單元模塊其他成為擴(kuò)展模塊 CPU與各擴(kuò)展模塊之間若通過電纜連接距離一般不超過 10m中大型機(jī)場用組合式由于組合式的 PLC系統(tǒng)配置靈活有的小型機(jī)也用這 種構(gòu)成整體式結(jié)構(gòu)的 PLC 是將 CPU 存儲器輸入單元輸出單元電源通信端口 IO擴(kuò)展端口等組裝在一個箱體內(nèi)構(gòu)成主機(jī)整體式 PLC 的結(jié)構(gòu)緊湊體積小小型機(jī)采用這種結(jié)構(gòu)整體式 PLC 的基本組成如圖 3 所示 圖 3 組合式 PLC 的組成示意圖 圖 3 整體式 PLC 的組成示意圖下面介紹 PLC 各組成部分及其作用 中央處理器 CPU CPU是 PLC的核心部件它類似人的大腦能指揮 PLC按照預(yù)先編好的系統(tǒng)程序完成各種任務(wù)其作用有以下幾點(diǎn)接受存儲由編程工具輸入的用戶程序和數(shù)據(jù)并可通過顯示 出程序的內(nèi)容和存儲地址檢查校驗(yàn)用戶程序接受調(diào)用現(xiàn)場信息執(zhí)行用戶程序故障診斷電源部分 PLC 中一般配有開關(guān)式穩(wěn)壓電源為內(nèi)部電路供電開關(guān)電源的輸入電壓范圍寬體積小重量輕效率高抗干擾性能好有的 PLC能向外部提供 24V的直流電源可給輸入單元所連接的外部開關(guān)或傳感器供電 存儲器 存儲器可以分為系統(tǒng)程序存儲器用戶程序存儲器工作數(shù)據(jù)存儲器 3 種 IO 擴(kuò)展端口 當(dāng)主機(jī)上的 IO點(diǎn)數(shù)或類型不能滿足用戶需要時主機(jī)可以通過 IO擴(kuò)展端口連接 IO擴(kuò)展單元來增加 IO點(diǎn)沒有 IO擴(kuò)展端口的 PLC是不能進(jìn)行 IO點(diǎn)擴(kuò)展的另外通過 IO 擴(kuò)展口 還可以連接各種智能單元擴(kuò)展 PLC 的功能 外設(shè)端口 每臺 PLC都有外設(shè)端口通過外設(shè)端口 PLC可與外部設(shè)備相連接例如連接編程器以輸入修改用戶程序或監(jiān)控程序的運(yùn)行有的 PLC可以通過外設(shè)端口與其他 PLC計(jì)算機(jī)或終端設(shè)備 PT 等連接進(jìn)行通信或連成各種網(wǎng)絡(luò)等連接打印機(jī)以打印用戶程序打印 PLC運(yùn)行過程中的狀態(tài)打印故障報(bào)警的種類和時間等連接 EPROM寫入器將調(diào)試好的擁護(hù)程序?qū)懭?EPROM 以免被誤改動等連接外存儲器存儲用戶程序等 輸入輸出單元 輸入輸出單元是 PLC 與外部設(shè)備互相聯(lián)系的窗口輸入單元接收現(xiàn)場設(shè)備向PLC 提供的信號 例如由按鈕操作開關(guān)限位開關(guān)繼電器觸點(diǎn)接近開關(guān)撥碼器等提供的開關(guān)量信號這些信號經(jīng)過輸入電路的濾波光電隔離電平轉(zhuǎn)換等處理變成CPU能夠接收和處理的信號輸出單元將經(jīng)過 CPU處理的微弱電信號通過光電隔離功率放大等處理轉(zhuǎn)換成外部設(shè)備所需要的強(qiáng)電信號以驅(qū)動各種執(zhí)行元件如接觸器電磁閥電磁鐵調(diào)節(jié)閥調(diào)速裝置等 開關(guān)量輸入單元 按照輸入端電源類型的不同開關(guān)量輸入單元可分為直流輸入單元和交流輸入單元 直流輸入單元 直流輸入單元的電路外接的直流電源極性可任意虛線框內(nèi)是 PLC 內(nèi)部的輸入電路框外左側(cè)為外部用戶接線圖中只畫出對應(yīng)于一個輸 入點(diǎn)的輸入電路各個輸入點(diǎn)所對應(yīng)的輸入電路均相同 圖 33 直流輸入電路 圖中 T 為一光電耦合器發(fā)光二極管與光電三極管封裝在一個管殼中當(dāng)二極管中有電流時其發(fā)光此時光三級管才導(dǎo)通 R1為限流電阻 R2和 C構(gòu)成濾波電路可濾除輸入信號中的高頻干擾 LED 顯示該輸入點(diǎn)的狀態(tài) 其工作原理是當(dāng) S閉合時光電耦合起導(dǎo)通 LED點(diǎn)亮表示輸入開關(guān) S處于接通狀態(tài)此時 A點(diǎn)高電平該電平經(jīng)濾波器送到內(nèi)部電路中當(dāng) CPU訪問該路信號時將該輸入點(diǎn)對應(yīng)的輸入映像寄存器置 1當(dāng) S斷開時光電耦合器不導(dǎo)通 LED不亮表示 輸入開關(guān) S處于斷開狀態(tài)此時 A點(diǎn)為低電平該電平經(jīng)濾波器送到內(nèi)部電路中當(dāng) CPU訪問該路信號時將該輸入點(diǎn)對應(yīng)的輸入映像寄存器狀態(tài)置 0 有的 PLC內(nèi)部提供 24V直流電源這時直流輸入單元無需外界電源用戶只需將開關(guān)接在輸入端子和公共端子之間既可這就是所謂無源式直流單元無源式直流輸入單元簡化了輸入端的接線方便了用戶 交流輸入單元圖中電容 C為隔直電容對交流相當(dāng)于短路 R1和 R2構(gòu)成分壓電路這里光電耦合器是兩個反向并聯(lián)的發(fā)光二極管任意一個二極管發(fā)光都可以使光電三級管導(dǎo)通顯示用的兩個發(fā)光二極管 LED 也是反向并聯(lián)的所以這個電路可以 接收外部的交流輸入電壓其工作原理與直流輸入電路基本相同 圖 34 交流輸入電路 PLC 的輸入電路有共點(diǎn)式分組式隔離式之別輸入單元只有一個公共端子 COM的稱為共點(diǎn)式外部各輸入元件都有一個端子與 COM 相連分組式是將輸入端子分為若干組每組各共用一個公共端子隔離式輸入單元是具有公共端子的各組輸入點(diǎn)之間互相隔離可各自使用獨(dú)立的電源 開關(guān)量輸出單元 按輸出電路所用開關(guān)器件的不同 PLC 的開關(guān)量輸出單元可分為輸出單元晶閘管輸出單元和繼電器輸出單元 晶體管輸出單元 晶體管輸出單元的電路如圖 35 所示 圖 35 晶體管輸出電路 圖 35 中 T1 時光電耦合器 LED 指示輸出點(diǎn)的狀態(tài) T2為輸出晶體管 D 為保護(hù)二極管 FU 為熔斷器防止負(fù)載短路時損壞 PLC 工作原理為對應(yīng)于晶體管 T2 的內(nèi)部繼電器的狀態(tài)為 1 時通過內(nèi)部電路使光電耦合器 T1導(dǎo)通從而使晶體管 T2飽和導(dǎo)通因此負(fù)載得電 CPU是與該點(diǎn)對應(yīng)的輸出鎖存器為高電平使 LED 點(diǎn)亮表示該輸出點(diǎn)狀態(tài)為 1 當(dāng)對應(yīng)于 T2 的內(nèi)部繼電器的狀態(tài)為 0時光電耦合器 T1不導(dǎo)通晶體管 T2截止負(fù)載失電如果負(fù)載是感性的則必須負(fù)載并接續(xù)流二極管負(fù)載通過續(xù)流二極管 釋放能量此時 LED 不亮表示該輸出點(diǎn)的狀態(tài)為 0 雙向晶閘管輸出單元 在雙向晶閘管輸出單元中輸出電路采用的開關(guān)器件是光控雙向晶閘管電路如圖 34 所示圖中 T 為光控雙向晶閘管兩個晶閘管反向并聯(lián) LED 為輸出點(diǎn)狀態(tài)指示 R2C 構(gòu)成阻容吸收保護(hù)電路 FU 為熔斷器 工作原理為當(dāng)對應(yīng)于 T的內(nèi)部繼電器的狀態(tài)為 1時發(fā)光二極管導(dǎo)通不論外接電源極性如何都能使雙向晶閘管 T導(dǎo)通負(fù)載得電同時輸出指示燈 LED點(diǎn)亮表示該輸出點(diǎn)接通當(dāng)對應(yīng)于 T 的內(nèi)部繼電器的狀態(tài)為 0 時 T 關(guān)斷負(fù)載失電指示燈 LED滅 晶體管為無觸點(diǎn)開關(guān)所以晶體管輸出單元使用壽命長響應(yīng)速度 快雙向晶閘管輸出型 PLC 的負(fù)載電源可以根據(jù)負(fù)載的需要選用直流或交流 繼電器輸出單元 繼電器輸出單元的電路如圖 36 所示圖中 LED 是輸出點(diǎn)狀態(tài)顯示器 J 為一小型直流繼電器 其工作原理為當(dāng)對應(yīng)于 J的內(nèi)部繼電器狀態(tài)為 1時 J得電吸合其常開觸點(diǎn)閉合負(fù)載得電 LED點(diǎn)亮表示該輸出點(diǎn)接通當(dāng)對應(yīng)于 J內(nèi)部繼電器狀態(tài)為 0時 J失電其常開觸點(diǎn)斷開負(fù)載失電指示燈 LED 滅表示該輸出點(diǎn)斷開 繼電器輸出型 PLC 的負(fù)載電源可以根據(jù)需要選用直流或交流繼電器觸點(diǎn)電氣壽命一般為 10～ 30 萬次因此在需要輸出點(diǎn)頻繁的場合如高頻脈沖輸出應(yīng)選用晶體管或晶閘管輸 出型的 PLC 另外繼電器從線圈得電到觸點(diǎn)動作存在延遲時間造成輸出滯后于輸出的原因之一 圖 36 繼電器輸出電路 編程工具 編程工具是開發(fā)應(yīng)用和檢查維護(hù) PLC 以及監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行不可缺少的外部設(shè)備編程工具主要作用是用來編輯程序調(diào)試程序和監(jiān)控程序的執(zhí)行還可以在線測試 PLC的內(nèi)部狀態(tài)和參數(shù)與 PLC進(jìn)行人機(jī)對話等編程工具可以是專用編程器也可以是配有專用編程軟件包的通用計(jì)算機(jī) 智能單元 PLC 還有多種智能單元智能單元本身是一個獨(dú)立的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)它有自己的CPU系統(tǒng)程序存儲器以及與外界相連的接口對組合式 PLC智能單元是 PLC系統(tǒng) 的一個模塊它與 CPU單元通過系統(tǒng)總線相連接并在 CPU單元的協(xié)調(diào)管理下獨(dú)立的進(jìn)行工作不參與循環(huán)掃描對整體式 PLC 主機(jī)通過 IO 擴(kuò)展接口與智能單元連接 目前已開發(fā)的常用智能單元有 AD 單元 DA 單元高速計(jì)數(shù)單元位置控制單元PID 控制單元溫度控制單元和各種通信單元等 PLC 的工作方式 在繼電器控制電路中當(dāng)某些梯級同時滿足導(dǎo)通條件時這些梯級中的繼電器線圈會同時通電也就是說繼電器控制電路是一種并行工作方式 PLC 是采用循環(huán)掃描的工作方式在 PLC執(zhí)行用戶程序時 CPU對梯形圖自上而下自左向右的逐次進(jìn)行掃描程序的執(zhí)行是按語 句排列的先后順序進(jìn)行的這樣 PLC 梯形圖中各線圈狀態(tài)的變化在時間上是串行的不會出現(xiàn)多個線圈同時改變狀態(tài)的情況這是 PLC 控制與繼電器控制最主要的區(qū)別 PLC 的循環(huán)掃描工作方式 PLC 采用循環(huán)掃描的工作方式它可以看成是一種由系統(tǒng)軟件支持的掃描設(shè)備不論用戶程序運(yùn)行與否都周而復(fù)始的進(jìn)行循環(huán)掃描并執(zhí)行系統(tǒng)程序規(guī)定的任務(wù)每一個循環(huán)所經(jīng)歷的時間稱為一個掃描周期每個掃描周期又分為幾個工作階段每個工作階段完成不同的任務(wù)一個循環(huán)掃描過程可歸納為五個工作階段各階段完成的任務(wù)如下 公共處理階段 在每一次掃描開始之前 CPU 都要進(jìn)行復(fù)位 監(jiān)視定時器硬件檢查用戶內(nèi)存檢查等操作如果有異常情況除了故障顯示燈亮以外還判斷并顯示故障的性質(zhì)如果屬于一般性故障則只報(bào)警不停機(jī)等待處理公共處理階段所用的時間一般是固定的不同機(jī)型的 PLC 有所差異 程序執(zhí)行階段 在程序執(zhí)行階段 CPU 對用戶程序按先左后右先上后下的順序逐條地進(jìn)行解釋和執(zhí)行 CPU 從輸入映像寄存器和元件映像寄存器中讀取各繼電器當(dāng)前的狀態(tài)根據(jù)用戶程序給出的邏輯關(guān)系進(jìn)行邏輯運(yùn)算運(yùn)算結(jié)果在寫入元件映像寄存器中 掃描周期計(jì)算處理階段 若預(yù)先設(shè)定掃描周期為固定值則進(jìn)入等待狀態(tài)直至達(dá)到該設(shè)定值時掃描再往下進(jìn)行若設(shè)定 掃描周期為不定的則要進(jìn)行掃描周期的計(jì)算 掃描周期計(jì)算處理所用的時間很短可將其視為零 IO 刷新階段 在 IO 刷新階段 CPU 要做兩件事情其一從輸入電路中讀取各輸入點(diǎn)的狀態(tài)并將此狀態(tài)寫入輸入映像寄存器中也就是刷新輸入映像寄存器的內(nèi)容自從輸入映像寄存器就與外界隔離無論輸入點(diǎn)的狀態(tài)怎么變化輸入映像寄存器的內(nèi)容都保持不變一直到下一個掃描周期的 IO 刷新階段才會寫進(jìn)新內(nèi)容這就是說各輸入映像寄存器的狀態(tài)要保持一個掃描周期不變其二將所有輸出繼電器的元件映像寄存器的狀態(tài)傳送到相應(yīng)的輸出鎖存電路中再經(jīng)輸出電路的隔離和功率放大部分傳送 到 PLC 的輸出端驅(qū)動外部執(zhí)行元件動作 IO 刷新階段的時間長短取決于 IO 點(diǎn)數(shù)的多少 外設(shè)端口服務(wù)階段 這個階段里 CPU 完成與外設(shè)端口連接的外圍的通信處理完成上述各階段的處理后又返回公共處理階段周而復(fù)始的進(jìn)行掃描 執(zhí)行用戶程序的掃描階段其特點(diǎn)是其一在執(zhí)行用戶程序的過程中輸入映像寄存器的狀態(tài)不變其二元件映像寄存器的內(nèi)容程序的執(zhí)行在改變前一步的結(jié)算結(jié)果隨即作為下一步的結(jié)算條件這一點(diǎn)與輸入映像寄存器完全不同其三程序的執(zhí)行是由上而下進(jìn)行的所以各梯級中的繼電器線圈不可能同時改變狀態(tài)其四執(zhí)行用戶程序的結(jié)果要保持到下一個掃描 周期的用戶程序執(zhí)行階段 PLC的循環(huán)掃描工作方式也為 PLC提供了一條死循環(huán)自診斷功能在 PLC內(nèi)部設(shè)置了一個監(jiān)視定時器 WDT 其定時時間可設(shè)置為大于用戶程序的掃描時間在每個掃描周期的公共處理階段將監(jiān)視定時器復(fù)位在正常情況下監(jiān)視定時器不會動作如果由于 CPU 內(nèi)部故障使程序進(jìn)入死循環(huán)那么掃描周期將超過監(jiān)視定時器的定時時間這時監(jiān)視定時器 WDT 動作使 PLC 運(yùn)行停止以提示用戶排查故障 PLC 的 IO 滯后現(xiàn)象 由于 PLC 采用循環(huán)掃描的工作方式而且對輸入和輸出信號只在每個掃描周期的 IO 刷新階段集中輸入并集中輸出所以必然會產(chǎn)生輸出 信號相對輸入信號的滯后現(xiàn)象掃描周期越長滯后現(xiàn)象越嚴(yán)重但是一般掃描周期只有十幾毫秒最多幾十毫秒因此在慢速控制系統(tǒng)中可以認(rèn)為輸入信號一旦變化就立即能進(jìn)入輸入映像寄存器中其對應(yīng)的輸出信號也可以認(rèn)為是及時地而在要求快速響應(yīng)的控制中就成了需要解決的問題 PLC 產(chǎn)生的 IO 滯后現(xiàn)象除了上述原因以外還與下面的因素有關(guān) 輸入濾波器對信號的延遲作用 由于 PLC 的輸入電路中設(shè)置了濾波器濾波器的時間常數(shù)越大對輸入信號的延遲作用越強(qiáng)從輸入端 ON 到輸入濾波器輸出ON所經(jīng)歷的時間為輸入 ON延時有的 PLC其輸入電路濾波器的時間常數(shù)可 以調(diào)整 輸出繼電器的動作延遲 對繼電器輸出型的 PLC把從輸出鎖存器 ON到輸出觸電 ON所經(jīng)歷的時間稱為輸出 ON延時一般需十幾個毫秒所以在需要輸入輸出有較快響應(yīng)的場合最好不要使用繼電器輸出型的 PLC 用戶程序的語句編排 32 控制裝置功能 帶式輸送機(jī)微機(jī)控制裝置主要由礦用本質(zhì)安全型帶式輸送機(jī)操作臺控制箱以及各種保護(hù)傳感器等組成主電機(jī)是是否投入可人為選擇同時系統(tǒng)即可進(jìn)行自動控制也可實(shí)現(xiàn)手動控制并且對系統(tǒng)得主要運(yùn)行參量和設(shè)備工況采取了可視化實(shí)時監(jiān)控力求系統(tǒng)控制柔性化顯示數(shù)字化操作簡單化結(jié)構(gòu)模塊化 圖 37 PLC 結(jié)構(gòu)示意圖與機(jī)械系統(tǒng)啟動裝置以及變頻系統(tǒng)構(gòu)成機(jī)電一體化帶式輸送機(jī)可控起動系統(tǒng)使帶式輸送機(jī)在任何工況下均能平穩(wěn)的起動開車 根據(jù)停車性質(zhì)也可實(shí)現(xiàn)軟停車控制與帶式輸送機(jī)綜合保護(hù)裝置相配合完成常規(guī)保護(hù)如跑偏溫度煙霧速度煤位堆煤24