【正文】 ，逐步形成 了具有特色的各種系列產(chǎn)品，是一種數(shù)字運算操作的專用電子計算機。 PLC 的發(fā)展現(xiàn)狀 目前，隨著大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路等微電子技術的發(fā)展， PLC 已由最初一位機發(fā)展到現(xiàn)在的以 16 位和 32位微處理器構成的微機化 PC，而且實現(xiàn)了多處理器的多通道處理。 現(xiàn)在，世界上有 200 多家 PLC 生產(chǎn)廠家， 400多品種的 PLC產(chǎn)品，按地域可 12 分成美國、歐洲、和日本等三個流派產(chǎn)品，各流派 PLC 產(chǎn)品都各具特色。歐洲 PLC 產(chǎn)品主要制造商有德國的西門子（ SIEMENS）公司、 AEG 公司 、法國的 TE公司。 經(jīng)過多年的發(fā)展，國內(nèi) PLC 生產(chǎn)廠家約有三十家，國內(nèi) PLC應用 市場仍然以國外產(chǎn)品為主。 PLC 的發(fā)展趨勢 隨著 PLC 應用領域日益擴大， PLC 技術及其產(chǎn)品結構都在不斷改進，功能日益強大，性價比越來越高。 一方面，大力發(fā)展速度更快、性價比更高的小型和超小型 PLC。另一方面，向高速度、大容量、技術完善的大型 PLC方向發(fā)展。 （ 2）向通信網(wǎng)絡化發(fā)展 PLC 網(wǎng)絡控制是當前控制系統(tǒng)和 PLC 技術發(fā)展的潮流。目前， PLC 制造商都在發(fā)展自己專用 的通信模塊和通信軟件以加強 PLC 的聯(lián)網(wǎng)能力。 PLC 已成為集散控制系統(tǒng)（ DCS）不可缺少的組成部分。 （ 4）編程語言和編程工具的多樣化和標準化 13 多種編程語言的并存 、互補與發(fā)展是 PLC 軟件進步的一種趨勢。 PLC 的分類 1）按 I/O 點數(shù)分類 PLC所能接受的輸入信號個數(shù)和輸出信號個數(shù)分別稱為 PLC的輸入點數(shù)和輸出點數(shù)。 I/O 點數(shù)是選擇 PLC 的重要依據(jù)之一。按 PLC 輸入、輸出點數(shù)的多少可將 PLC 分為以下三類。小型 PLC的功能一般以開關量控制為主，適合單機控制和小型控制系統(tǒng)。中型機適用于組成多機系統(tǒng)和大型控制系統(tǒng)。大型機適用于組成分布式控制系統(tǒng)和整個工廠的集散控制網(wǎng)絡。 2）按結構形式分類 按照 PLC 的結構特點可分為整體式、模塊式兩大類。基本單元上設有擴展端口，通過電纜與擴展單元相連，可配接特殊功能模塊。 （ 2）模塊式結構 14 模塊式結構的 PLC 由一些模塊單元構成，這些標準模塊包括 CPU模塊、輸入模塊、輸出模塊、電源模塊和各種特殊功能模塊等，使用時將這些模塊插在標準機架內(nèi)即可。模塊式 PLC 的硬件組態(tài)方便靈活，裝配和維修方便，易于擴展。 PLC 的特點 1）可靠性高 ，抗干擾能力強 工業(yè)生產(chǎn)一般對控制設備的可靠性要求很高，并且要有很強的抗干擾能力。 PLC 本身具有較強的自診斷功能，保證硬件核心設備（ CPU、存儲器、 I/O總線等）在正常情況下執(zhí)行用戶程序，一旦出現(xiàn)故障則立即給出出錯信號，停止用戶程序的執(zhí)行，切斷所有輸出信號，等待修復。在結構上對耐熱、防潮、防塵、抗震等 都有精確的考慮，在硬件上采用隔離，屏蔽、濾波、接地等抗干擾措施，在軟件上采用數(shù)字濾波等措施。 2） 硬件配套齊全，使用方便，適應性強 PLC 是通過執(zhí)行程序?qū)崿F(xiàn)控制的。 PLC 的產(chǎn)品已標準化、系列化、模塊化，而且 PLC 及配套產(chǎn)品的模塊品種多，用戶可以靈活方便地進行系統(tǒng)配置組合成各種不同規(guī)模、不同功能的控制系統(tǒng)。 3）編程直觀、易學易會 PLC 提供了多種編程語言，其中梯形圖使用最普遍。梯形圖與繼電原理圖相似，這種編程語言形象直觀，易學易懂，不需要專門的計算機知識和語言，現(xiàn)場工程技術人員可在短時間內(nèi)學 15 會使用。 4） 系統(tǒng)的設計、安裝、調(diào)試工作量小，維護方便 PLC 用軟件取代了繼電器控制系統(tǒng)中大量的中間繼電器、時間繼電器、計數(shù)器等器件，使控制柜的設計、安裝、接線工作量大為減少。 PLC 的故障率很低，并且有完善的自診斷和顯示功能。 5） 體積小，能耗低 由于 PLC 采用了半導體集成電路，其體積小，重量輕，結構緊湊、功耗低、便于安裝，是機電一體化的理想控制器。 PLC 的應用 目前， PLC 在國內(nèi)外已廣泛應用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機械制造、汽車、輕紡、交通運輸、環(huán)保及文化娛樂等各個行業(yè)，隨著其性能價格比的不斷提高，應用的范圍還在不斷擴大， PLC 的應用大致可歸納為以下幾類。 PLC 的邏輯控制取代傳統(tǒng)的繼電系統(tǒng)控制電路，實現(xiàn)邏輯控制、順序控制，既可用于單機控制，也可用于多機群控及自動化生產(chǎn)線的控制等。 2） 運動控制 PLC 可以用于圓周運動或直線運動的控制。 3） 過程控制 過程控制是指對溫度、壓力、流量、速度等連續(xù)變化 的模擬量的閉環(huán)控制。 PID 調(diào)節(jié)是一般閉環(huán)控制系統(tǒng)中用得較多的一種調(diào)節(jié)方法。現(xiàn)代的大、中型 PLC 一般都有閉環(huán) PID 控制模塊，這一功能可以用 PID 子程序來實現(xiàn)，而更多的是使用專用 PID 模塊來實現(xiàn)。這些數(shù)據(jù)可以 通過通信接口傳送到指定的智能裝置進行處理，或?qū)⑺鼈兇蛴溆谩? 5） 通信及聯(lián)網(wǎng) PLC 通信 包 括 PLC 相互之間、 PLC 與上位機、 PLC 與其它智能設備間的通信。 PLC 的組成和工作原理 PLC 的組成 PLC 的硬件主要由中央處理器（ CPU）、存儲器、輸入單元、輸出單元、通信接口、擴展接口 和 電源等部分組 成。對于整體式 PLC，所有部件都裝在同一機殼內(nèi)，對于模塊式 PLC，各部件獨立封裝成模塊，各模塊通過總線連接，安裝在機架或?qū)к壣稀? 盡管整體式與模塊式 PLC 的結構不太一樣，但各部分的功能作用是相同的，下面對 PLC 主要組成各部分進行簡單介紹。 PLC 中所配置的 CPU 隨機型不同而不同，常用有三類：通用微處理器（如 Z80、 808 80286 等）、單片微處理器（如 803 8096 等）和位片式微處理器 (如 AMD29W 等 ) 。 目前，小型 PLC 為單 CPU 系統(tǒng)，而中、大型 PLC 則大多為雙 CPU系統(tǒng)，甚至有些 PLC 中多達 8 個 CPU。字 17 處理器為主處理器，用于執(zhí)行編程器接口功能，監(jiān)視內(nèi)部定時器，監(jiān)視掃描時間，處理字節(jié)指令以及對系統(tǒng)總線和位處理器進行控制等。位處理器的采用 ,提高了 PLC 的速度，使 PLC 更好地滿足實時控制要求。 2） 診斷 電源、 PLC 內(nèi)部電路的工作故障和編程中的語法錯誤等。 4） 從存儲器逐條讀取用戶程序，經(jīng)過解釋后執(zhí)行。有些 PLC還具有制表打印或數(shù)據(jù)通信等功能。在 PLC 中，存儲器主要用于存放系統(tǒng)程序、 用戶程序及工作數(shù)據(jù)。系統(tǒng)程序關系到 PLC 的性能，而且在 PLC使用過程中不會變動，所以是由制造廠家直接固化在只讀存儲器 ROM、 PROM 或 EPROM 中，用戶不能訪問和修改。為了便于讀出、檢查和修改，用戶程序一般存于 CMOS 靜態(tài)RAM 中，用鋰電 池作為后備電源，以保證掉電時不會丟失信息?，F(xiàn)在有許多 PLC 直接采用 EEPROM 作為用戶存儲器。存放在 RAM中，以適應隨機存取的要求。根據(jù)需要，部分數(shù)據(jù)在掉電時用后 18 備電池維持其現(xiàn)有的狀態(tài)，這部 分在掉電時可保存數(shù)據(jù)的存儲區(qū)域稱為保持數(shù)據(jù)區(qū)。當 PLC 提供的用戶存儲器容量不夠用，許多 PLC 還提供有存儲器擴展功能。 PLC 通過輸入接口可以檢測被控對象的各種數(shù)據(jù)，以這些數(shù)據(jù)作為 PLC 對被控制對象進行控制的依據(jù)；同時 PLC 又通過輸出接口將處理結果送給被控制對象，以實 現(xiàn)控制目的。 I/O 接口一般都具有光電隔離和濾波功能，以提高 PLC 的抗干擾能力。 PLC 提供了多種操作電平和驅(qū)動能力的 I/O 接口，有各種各樣功能的 I/O接口供用戶選用。 常用的開關量輸入接口按其使用的電源不同有三種類型：直 流輸入接口、交流輸入接口和交 /直流輸入接口 。繼電器輸出接口可驅(qū)動交流或直流負載，但其響應時間長，動作頻率低；而晶體管輸出和雙向晶閘管輸出接口的響應速度快，動作頻率高，但前者只能用于驅(qū)動直流負載，后者只能用于交流負載。 I/O 點數(shù)是選擇 PLC 的重要依據(jù)之一。 通信接口 PLC 配有各種通信接口，這些通信接口一般都帶有通信處理器。 PLC 與打印機連接，可將過程信息、系統(tǒng)參數(shù)等輸出打??；與監(jiān)視器連接，可將控制過程圖像顯示出來；與其它 PLC 連接，可組成多機系統(tǒng)或連成網(wǎng)絡，實現(xiàn)更大規(guī)?？?19 制。 遠程 I/O 系統(tǒng)也必須配備相應的通信接口模塊。它作為 PLC 系統(tǒng)的一個模塊，通過總線與 PLC相連，進行數(shù)據(jù)交換，并在 PLC 的協(xié)調(diào)管理下獨立地進行工作。 編程裝置 編程裝置的作用是編輯、調(diào)試、輸入用戶程序，也可在線監(jiān)控 PLC 內(nèi)部狀態(tài)和參數(shù)，與 PLC 進行人機對話。編程裝置可以是專用編程器，也可以是配有專用編程軟件包的通用計算機系統(tǒng)。專用編程器有簡易編程器和智能編程器兩類。簡易編程器體積小、價格便宜，它可以直接插在 PLC 的編程插座上，或者用專用電纜與 PLC 相連，以方便編程和調(diào)試。 智能編程器又稱圖形編程器，本質(zhì)上它是一臺專用便攜式計算機，如三菱的GP80FXE智能型編程 器?？芍苯虞斎牒途庉嬏菪螆D程序，使用更加直觀、方便，但價格較高，操作也比較復雜。 專用編程器只能對指定廠家的幾種 PLC 進行編程，使用范圍有限，價格較高。因此，現(xiàn)在的趨勢是使用以個人計算機為基礎的編程裝置，用戶只要購買 PLC 廠家提供的編程軟件和相應的硬件接口裝置。 基于個人計算機的程序開發(fā) 系統(tǒng)功能強大。配上相應的軟件還可實 20 現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和分析等許多功能。與普通電源相比， PLC 電源的穩(wěn)定性好、抗干擾能力強。 15% 的范圍內(nèi)波動。 其它外部設備 除了以上所述的部件和設備外， PLC 還有許多外部設備，如 EPROM 寫入器、外存儲器、人 /機接口裝置等。為了使調(diào)試好用戶程序不易丟失，經(jīng)常用 EPROM 寫入器將 PLC 內(nèi) RAM保存到EPROM 中。有時可用外部的磁帶、磁盤和用半導體存儲器作成的存儲盒等來存儲 PLC 的用戶程序，這些存儲器件稱為外存儲器。 人 /機接口裝置是用來實現(xiàn)操作人員與 PLC 控制系統(tǒng)的對話。對于 PLC 系統(tǒng)，還可采用半智能型 CRT人/機接口裝置和智能型終端人 /機接口裝置。 PLC 的工作原理 PLC 的工作方式是循環(huán)掃描的方式。 CPU 從第一條指令開始，按順序逐條地執(zhí)行用戶程序直到用戶程序結束，然后返回第一條指令開始新的一輪掃描。 可編程控制器，英文稱 Programmable Logic Controller，簡稱 PLC。它源于繼電控制裝置，但它不像繼電裝置那樣，通過電路的物理過程實現(xiàn)控制，而主要靠運行存儲于 21 PLC 內(nèi)存中的程序，進行入出信息變換實現(xiàn)控制。普 遍計算機進行入出信息變換，多只考慮信息本身，信息的入出，只要人機界面好就可以了。特別要考慮怎么適應于工業(yè)環(huán)境，如便于安裝，抗干擾等問題。 輸入輸出信息變換靠運行存儲于 PLC 內(nèi)存中的程序?qū)崿F(xiàn)。系統(tǒng)程序提供運行平臺，同時，還為 PLC程序可靠運行及信號與信息轉(zhuǎn)換進行必要的 公共處理。什么樣的控制要求，就應有什么樣的用戶程序。 PLC 的 I/O 電路，都是專門設計的。而且與內(nèi)部計算機電路在電上是隔離的，靠光耦元件建立聯(lián)系。輸出電路還要進行功率放大，以足以帶動一般的工業(yè)控制元器件，如電磁閥、接觸器等等。 PLC 有 多少個 I/O 用點，一般也就有多少個 I/O 用電路。 輸入電路時刻監(jiān)視著輸入狀況，并將其暫存于輸入暫存器中。 輸出電路要把輸出鎖存器的信息傳送給輸出點。它們與計算機內(nèi)存交換信息通過計算機總線，并主要由運行系統(tǒng)程序?qū)崿F(xiàn)。 PLC 內(nèi)存有專門開辟的存放輸入信息的映射區(qū)。這些位置 成 1，表示接點通， 位 置成 0為接點斷。 輸出鎖存器與 PLC 內(nèi)存中的輸出映射區(qū)也是對應的?？窟\行系統(tǒng)程序，輸出繼電器的狀態(tài)映射到輸出鎖存器。輸出刷 22 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。 實現(xiàn)控制過程 簡單地說， PLC 實現(xiàn)控制的過程一般是： 輸入刷新 —— 再運行用戶程序 —— 再輸出刷新 —— 再輸入刷新 —— 再運行用戶程序 —— 再輸出刷新??永不停止地循環(huán)反復地進行著。它也反映了信息的時間關系。因為：有了輸入刷新，可把輸入電路監(jiān)控得到的輸入信息存入 PLC 的輸入映射區(qū)；經(jīng)運行用戶程序，輸出 映射區(qū)將得到變換后的信息；再經(jīng)輸出刷新，輸出鎖存器將反映輸出映射區(qū)的狀態(tài)，并通過輸出電路產(chǎn)生相應的輸出。只是響應的時間上，略有滯后。 為此， PLC 的工作速度要快。事實上，它的速度是很快的，執(zhí)行一條指令，多的幾微秒、幾十微秒，少的才零點幾，或零點零幾微秒。 圖 3— 1所示的過程是簡化的過 程，實際的 PLC 工作過程還要復雜些。 公共處理工作有：循環(huán)時間監(jiān)控、外設服務及通訊處理等。辦法是用 “看門狗” （ Watching dog）。 外設服務是讓 PLC 可接受編程器對它的操作，或通過接口向輸出設備如打印機輸出數(shù)據(jù) 。這也是增強 PLC 控制 能力的需要。 可編程控制器實現(xiàn)控制的方式 23 用這種不斷地重復運行程序?qū)崿F(xiàn)控制稱掃描方式。此外，計算機用于控制還有