可編程序控制器(PLC)的基本概念

1、第1章 概 述第1章 概 述1.1 可編程序控制器(PLC)的根本概念1.2 PLC的主要功能和特點1.3 PLC的應用領域和開展趨勢1.1 可編程序控制器(PLC)的根本概念 1.1.1 可編程序控制器的產(chǎn)生 1968年，美國最大的汽車制造商通用汽車公司(GM公司)為了適應生產(chǎn)工藝不斷更新的需要，期望找到一種新的方向，盡可能減少重新設計繼電控制系統(tǒng)和重新接線的工作，以降低本錢、縮短周期，設想把計算機通用、靈活、功能完備等優(yōu)點和繼電控制系統(tǒng)的簡單易懂、價格廉價等優(yōu)點結(jié)合起來，制成一種通用控制裝置，并把計算機的編程方法和程序輸入方式加以簡化，用面向控制過程、面向問題的“自然語言進行編程，使得不熟

2、悉計算機的人也能方便地使用。為此進行招標，1969年，美國數(shù)字設備公司(DEC公司)研制出了第一臺可編程序邏輯控制器(Programmable Logic Controller，簡稱PLC)，在GM公司的自動裝配線上試用獲得了成功。 (1) 繼電器：它在PLC中也稱編程元件，它包括線圈、常開觸點和常閉觸點。 常開觸點：常用符號為 ，受PLC輸入開關量或PLC內(nèi)部相應線圈的控制，當PLC輸入接通或相應的線圈通過電流時，此觸點閉合。 常閉觸點：常用符號為 ，受控方式與常開觸點相同，只是當PLC輸入接通或相應線圈通電時，此觸點斷開。 線圈：PLC中也稱邏輯線圈，常用符號為 ，在PLC中用它作為輸出元

3、件，以控制外部設備(如電磁閥、接觸器、指示燈等)；也可以用來控制PLC內(nèi)部的其他觸點，以構(gòu)成復雜的控制邏輯。 1.1.2 PLC中的幾個基本概念 (2) 定時器：它的作用與繼電器控制中的延時繼電器或時間繼電器相同。常見的定時單位有0.1 s、0.2 s、1 s幾種，其符號因型號不同各異。日本立石公司C系列機用以下符號表示： TIM02 TIM#0142(定時預置值)符號 例子 其中圓內(nèi)“表示定時器(TIM)的編號，圓外#號后的“表示定時預置值，定時時間=定時預置值定時單位。例中的定時器為02號，假設PLC內(nèi)部規(guī)定的定時單位為0.1 s，那么定時時間1420.1 s=14.2 s。 (3) 計數(shù)

4、器：它的作用是每當其計數(shù)輸入端由斷開(OFF)到接通(ON)時，計一個數(shù)，即計數(shù)器記錄的是其輸入由斷到通的次數(shù)。當計數(shù)值與預置值相等時，計數(shù)器導通。有的PLC(如C40P)計數(shù)端由斷到通時，自動減一個數(shù)，當計數(shù)值由預置值減到0時，計數(shù)器導通，其相應的觸點接通或斷開，可用來控制其他元件。C系列PLC常用以下符號表示計數(shù)器： 計數(shù)端復位端 CP CNT R#(計數(shù)預置值) (4) 其他元件：如時序器、加法器、編碼器、減法器、譯碼器等。 上述元件在PLC內(nèi)部都是由軟件實現(xiàn)的，并不存在它們的物理實體，因此常稱之為“虛擬元件或“軟元件。將它們相互連接構(gòu)成復雜控制邏輯的過程稱為“軟連接，放入PLC后那么是

5、一段程序 (5) 梯形圖(Ladder Diagram)： 【例】 交流電機單向運轉(zhuǎn)的啟?？刂?。 圖1.1.1 繼電器控制線路圖 圖1.1.2 PLC控制的接線圖 圖1.1.3 PLC梯形圖 表1.1.1 PLC控制的助記符程序 地址指令數(shù)據(jù)0000LD00010001OR05000002ANDNOT00020003OUT05000004END1.2 PLC的主要功能和特點 1.2.1 PLC的主要功能 1步進順序控制2限時控制 3條件控制 4計數(shù)控制 5模/數(shù)和數(shù)/模轉(zhuǎn)換 6數(shù)據(jù)處理 7通信和聯(lián)網(wǎng)8冗余控制 9監(jiān)控功能 10其他功能 1.2.2 PLC的特點 1與繼電器控制邏輯相比較 控制邏

6、輯：繼電器控制邏輯采用硬接線邏輯，利用繼電器機械觸點的串聯(lián)或并聯(lián)及延時繼電器的滯后動作等組合成控制邏輯，其連線多而復雜，體積大，功耗大，一旦系統(tǒng)構(gòu)成后，想再改變或增加功能都很困難。另外繼電器觸點數(shù)目有限，每只一般只有48對觸點，因此靈活性和擴展性都很差。而PLC采用存儲邏輯，其控制邏輯以程序方式存儲在內(nèi)存中，要改變控制邏輯，只需改變程序，故稱為“軟接線，其連線少，體積小，加之PLC中每只軟繼電器的觸點數(shù)理論上無限制，因此靈活性和擴展性都很好。PLC由中大規(guī)模集成電路組成，功耗小。 工作方式：當電流接通時，繼電控制線路中各繼電器都處于受約狀態(tài)，即該吸合的都應吸合，不該吸合的都因受某種條件限制不能

7、吸合。而PLC的控制邏輯中，各繼電器都處于周期性循環(huán)掃描接通之中，從宏觀上看，每個繼電器受制約接通的時間是短暫的。 控制速度：繼電控制邏輯依靠觸點的機械動作實現(xiàn)控制，工作頻率低。觸點的開閉動作一般在幾十毫秒數(shù)量級。另外機械觸點還會出現(xiàn)抖動問題。而PLC是由程序指令控制半導體電路來實現(xiàn)控制的，速度極快，一般一條用戶指令的執(zhí)行時間在微秒數(shù)量級。PLC內(nèi)部還有嚴格的同步，不會出現(xiàn)抖動問題。 限時控制：繼電控制邏輯利用時間繼電器的滯后動作進行限時控制。時間繼電器一般分為空氣阻尼式、電磁式、半導體式等，其定時精度不高，定時時間易受環(huán)境濕度和溫度變化的影響，調(diào)整時間困難。有些特殊的時間繼電器結(jié)構(gòu)復雜，不便

8、維護。 PLC使用半導體集成電路作定時器，時基脈沖由晶體振蕩器產(chǎn)生，精度相當高，定時范圍一般從0.1 s到假設干分鐘甚至更長，用戶可根據(jù)需要在程序中設定定時值，然后由軟件和硬件計數(shù)器來控制定時時間，定時精度小于10 ms且定時時間不受環(huán)境的影響。 計數(shù)控制：PLC能實現(xiàn)計數(shù)功能，而繼電控制邏輯一般不具備計數(shù)控制功能。 設計與施工：使用繼電控制邏輯完成一項控制工程，其設計、施工、調(diào)試必須依次進行，周期長，而且修改困難。工程越大，這一點就越突出。而用PLC完成一項控制工程，在系統(tǒng)設計完成以后，現(xiàn)場施工和控制邏輯的設計(包括梯形圖和程序設計)可以同時進行，周期短，且調(diào)試和修改都很方便。 可靠性和可維

9、護性：繼電控制邏輯使用了大量的機械觸點，連線也多。觸點開閉時會受到電弧的損壞，并有機械磨損，壽命短，因此可靠性和可維護性差。而PLC采用微電子技術，大量的開關動作由無觸點的半導體電路來完成，它體積小、壽命長、可靠性高。PLC還配備有自檢和監(jiān)督功能，能檢查出自身的故障，并隨時顯示給操作人員，還能動態(tài)地監(jiān)視控制程序的執(zhí)行情況，為現(xiàn)場調(diào)試和維護提供了方便。 價格：繼電控制邏輯使用機械開關、繼電器和接觸器，價格比較廉價。而PLC使用中大規(guī)模集成電路，價格比較昂貴。 2. 與微型計算機相比較 應用范圍：微機除了用在控制領域外，還大量用于科學計算、數(shù)據(jù)處理、計算機通信等方面。而PLC主要用于工業(yè)控制。 使

10、用環(huán)境：微機對環(huán)境要求較高，一般要在干擾小、具有一定的溫度和濕度要求的機房內(nèi)使用。而PLC適應于工程現(xiàn)場的環(huán)境。 輸入輸出：微機系統(tǒng)的I/O設備與主機之間采用微電聯(lián)系，一般不需要電氣隔離。而PLC一般控制強電設備，需要電氣隔離，輸入輸出均用“光電耦合，輸出還采用繼電器，可控硅或大功率晶體管進行功率放大。 程序設計：微機具有豐富的程序設計語言，例如匯編語言，F(xiàn)ORTRAN語言、COBOL語言、PASCAL語言、C語言等，其語句多，語法關系復雜，要求使用者必須具有一定水平的計算機硬件和軟件知識。而PLC提供給用戶的編程語句數(shù)量少，邏輯簡單，易于學習和掌握。 系統(tǒng)功能：微機系統(tǒng)一般配有較強的系統(tǒng)軟件

11、，例如操作系統(tǒng)，能進行設備管理、文件管理、存儲器管理等。它還配有許多應用軟件，以方便用戶。而PLC一般只有簡單的監(jiān)控程序，能完成故障檢查、用戶程序的輸入和修改、用戶程序的執(zhí)行與監(jiān)視等功能。 運算速度和存儲容量：微機運算速度快，一般為微秒級。因有大量的系統(tǒng)軟件和應用軟件，故存儲容量大。而PLC因接口的響應速度慢而影響數(shù)據(jù)處理速度。一般接口響應速度為2 ms，PLC巡回檢測速度為每千字8 ms。PLC的指令少，編程也簡短，故內(nèi)存容量小。 價格：微機是通用機，功能完善，故價格較高。而PLC是專用機，功能較少，其價格是微機的十分之一左右。 3. 與單板(或單片)計算機比較 不如PLC容易掌握： 不如P

12、LC使用簡單： 不如PLC可靠： 4與集散系統(tǒng)比較 PLC是由繼電控制邏輯開展而來的，而集散系統(tǒng)(TDCS)是由回路儀表控制開展而來。但兩者的開展均與計算機控制技術有關。 早期PLC在開關量控制、順序控制方面有一定優(yōu)勢，而集散系統(tǒng)在回路調(diào)節(jié)、模擬量控制方面有一定優(yōu)勢。 1.2.3 PLC的主要技術指標 1用戶存儲器容量 PLC中用戶存儲器一般由用戶程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器組成，小型PLC的用戶存儲器容量多為幾K字節(jié)，而大型PLC可到達幾M字節(jié)。 2輸入輸出點數(shù) 輸入輸出的點數(shù)決定了PLC可控制的輸入開關信號和輸出開關信號的總體數(shù)量。 3掃描速度 掃描速度通常指PLC掃描1 K字節(jié)用戶程序所需的時

13、間，一般以ms/K為單位。 4編程指令的種類和功能 某種程度上用戶程序所完成的控制功能受限于PLC指令的種類和功能。PLC指令的種類和功能越多，用戶編程那么越方便簡單。 5內(nèi)部存放器的配置和容量 用戶編制PLC程序時，需要大量使用PLC內(nèi)部的存放器存放變量、中間結(jié)果、定時計數(shù)及各種標志位等數(shù)據(jù)信息。因此內(nèi)部存放器的數(shù)量直接關系到用戶程序的編制。 6PLC的擴展能力 在進行PLC選型時，其擴展性是一個非常重要的因素。一般來說可擴展性包括存儲容量的擴展、輸入輸出點數(shù)的擴展、模塊的擴展、通信聯(lián)網(wǎng)功能的擴展等。 1.3 PLC的應用領域和開展趨勢 如果按應用類型來劃分，可編程序控制器的應用可分為以下幾

14、個類型： (1) 開關邏輯和順序控制：這是可編程序控制器最根本的控制功能，在工業(yè)場合應用最廣泛，可代替繼電器控制系統(tǒng)。開關量邏輯控制不但能用于單臺設備，而且可用于生產(chǎn)線上。 (2) 過程控制：PLC通過模擬量I/O模塊，可對溫度、流量、壓力等連續(xù)變化的模擬量進行控制。大中型PLC都具有PID閉環(huán)控制功能并已廣泛地用于電力、化工、機械、冶金等行業(yè)。 (3) 運動控制：PLC可應用于對直線運動或圓周運動的控制，如數(shù)控機床、機器人、金屬加工、電梯控制等。 (4) 多級控制網(wǎng)絡系統(tǒng)：PLC之間、PLC與計算機之間及其他智能控制設備之間可以聯(lián)網(wǎng)通信，實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)處理和信息共享，從而構(gòu)成工廠CIMS/CI

15、PS系統(tǒng)。 1.3.2 PLC的開展趨勢 1小型化方向開展 目前的小型PLC大都局限在開關量輸入輸出，而且CPU和I/O部件組裝在一個箱體內(nèi)，今后的小型PLC也將增加模擬量處理功能，而且也將有靈活的組態(tài)特性，并且能與其他機型連用。在提高系統(tǒng)可靠性的根底上，產(chǎn)品的體積越來越小，功能越來越強。如OMRON公司新推出CPM1 PLC的體積約130 mm89 mm84 mm，可以放在手掌上，可連接的輸入和輸出為10點，并可以擴展到20、30乃至50點，支持91個指令編程，根本指令的執(zhí)行時間為0.72s，特殊指令的執(zhí)行時間也僅16.3s。 2大型化方向開展 主要有以下幾個方面： 功能不斷加強：不僅具有邏

16、輯運算、計數(shù)、定時等根本功能，還具有數(shù)值運算、模擬調(diào)節(jié)、監(jiān)控、記錄、顯示、與計算機接口、通信等功能。 網(wǎng)絡功能是PLC開展的一個重要特征。各種個人計算機，圖形工作站、小型機等都可以作為PLC的監(jiān)控主機或工作站，這些裝置的結(jié)合能夠提供屏幕顯示、數(shù)據(jù)采集、記錄保持、回路面板顯示等功能。大量的PLC聯(lián)網(wǎng)及不同廠家生產(chǎn)的PLC兼容性增加，使得分散控制或集中管理都能輕易地實現(xiàn)。 應用范圍不斷擴大：不僅能進行一般的邏輯控制，種類齊全的接口模塊還能進行中斷控制、智能控制、過程控制、遠程控制等。 用于過程控制的PLC往往對存儲器容量及速度要求較高，為此，開發(fā)了高速模擬量輸入模塊，專用獨立的PID控制器，多路轉(zhuǎn)

17、換器等，使得數(shù)字技術和模擬量技術在可編程序控制器中得到統(tǒng)一。采用軟件、硬件相結(jié)合的方法，使得編程和接線都比過去用常規(guī)儀表控制要方便得多。 性能不斷提高：采用高性能微處理器，提高處理速度，加快PLC的響應時間；為了擴大存儲容量，許多公司已使用了磁泡存儲器或硬盤；采用多處理器技術，以提高性能；采用冗余熱備用系統(tǒng)或三選二表決系統(tǒng)，以提高系統(tǒng)可靠性。 為了進一步簡化在專用控制領域的系統(tǒng)設計及編程，專用智能輸入輸出模塊越來越多，如專用智能PID控制器、智能模擬量I/O模塊、智能位置控制模塊、語言處理模塊、專用數(shù)控模塊、智能通訊模塊、計算模塊等，這些模塊的一個特點就是本身具有CPU，能獨立工作，它們與PLC主機并行操作，無論在速度、精度、適應性、可靠性各方面都對PLC進行了極好的補充。它們與PLC緊密結(jié)合，有助于克服PLC掃描工作方式的局限，完成PLC本身無法完成的許多功能。 編程軟件的多樣化和高級化、標準化：采用多種編程語言，有面向順序控制的步進順序語言和面向過程控制系統(tǒng)的流程圖語言，后者是一種面向功能塊的語言，能夠表示過程中動態(tài)變量與信號的相互聯(lián)結(jié)；還有與計算機兼容的高級語言，如BASIC、C及匯編語言；另外還有專用的高級語言，例如三菱的MELSAP采用編譯的方法將語句變?yōu)樘菪螆D程序；也有采用布爾邏輯語言的，CPU能直接執(zhí)行AND、OR、XOR、NOT操作，這種語言執(zhí)行速