可編程控制器基本知識_可編程控制器原理及應用

PLC的發(fā)展也是與計算機技術(shù)、控制技術(shù)、數字技術(shù)、通信網(wǎng)絡(luò )技術(shù)等高新技術(shù)的發(fā)展息息相關(guān)，正是這些高新技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)了可編程控制器的發(fā)展。
本文主要介紹的就是可編程控制器的基礎知識，首先介紹了可編程控制器的發(fā)展歷程及特點(diǎn)、其次介紹了可編程控制器的原理、最后闡述了可編程控制器的應用。
一、什么是可編程控制器
可編程控制器（Programmble Controller）簡(jiǎn)稱(chēng)PC或PLC是一種數字運算操作的電子系統，專(zhuān)門(mén)在工業(yè)環(huán)境下應用而設計。它采用可以編制程序的存儲器，用來(lái)在執行存儲邏輯運算和順序控制、定時(shí)、計數和算術(shù)運算等操作的指令，并通過(guò)數字或模擬的輸入（I）和輸出（O）接口，控制各種類(lèi)型的機械設備或生產(chǎn)過(guò)程�？删幊炭刂破魇窃陔娖骺刂萍夹g(shù)和計算機技術(shù)的基礎上開(kāi)發(fā)出來(lái)的，并逐漸發(fā)展成為以微處理器為核心，把自動(dòng)化技術(shù)、計算機技術(shù)、通訊技術(shù)融為一體的新型工業(yè)控制裝置。
二、可編程控制器的基本組成
可編程控制器主要由中央處理單元、輸入接口、輸出接口、通信接口等部分組成，其中cpu是可編程控制器的核心，Ｉ／Ｏ部件是連接現場(chǎng)設備與cpu之間的接口電路，通信接口用于與編程器和上位機連接。對于整體式可編程控制器，所有部件都裝在同一機殼內；對于模塊式可編程控制器，各功能部件獨立封裝，稱(chēng)為模塊或模板，各模塊通過(guò)總線(xiàn)連接，安裝在機架或導軌上。不同廠(chǎng)商生產(chǎn)的不同系列產(chǎn)品在每個(gè)機架上可插放的模塊數是不同的，一般為３－１０塊�？蓴U展的機架數也不同，一般為２－８個(gè)機架�；�本機架與擴展機架之間的距離不宜太長(cháng)，一般不超過(guò)１０M.。
可編程控制器基本知識_可編程控制器原理及應用
可編程控制器各組成部分
1、中央處理單元cpu
cpu通過(guò)輸入裝置讀入外設的狀態(tài)，由用戶(hù)程序去處理，并根據處理結果通過(guò)輸出裝置去控制外設。一般的中型可編程控制器多為雙微處理器系統，一個(gè)是字處理器，它是主處理器，由它處理字節操作指令，控制系統總線(xiàn)，內部計數器，內部定時(shí)器，監視掃描時(shí)間，統一管理編程接口，同時(shí)協(xié)調位處理器及輸入輸出。另一個(gè)為位處理器，也稱(chēng)布爾處理器，它是從處理器，它的主要作用是處理位操作指令和在機器操作系統的管理下實(shí)現可編程控制器編程語(yǔ)言向機器語(yǔ)言轉換。
cpu處理速度是指可編程控制器執行１０００條基本指令所花費的時(shí)間。
2、存儲器
存儲器主要存放系統程序，用戶(hù)程序及工作數據。
可編程控制器所用的存儲器基本上由ＰＲＯＭ，ＥＰＲＯＭ，ＥＥＰＲＯＭ及ＲAM等組成。
3、輸入／輸出部件
輸入／輸出部件又稱(chēng)Ｉ／Ｏ模塊�？删幊炭刂破魍ㄟ^(guò)Ｉ／Ｏ接口可以檢測被控對象或被控生產(chǎn)過(guò)程的各種參數，以這些現場(chǎng)數據作為可編程控制器對控對象進(jìn)行控制的信息依據。同時(shí)可編程控制器又通過(guò)Ｉ／Ｏ接口將處理結果送給被控設備或工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程，以實(shí)現控制。
4、編程裝置和編程軟件
可編程控制器是以順序執行存儲器中的程序來(lái)完成其控制功能的。
5、電源部件
三、可編程控制器的發(fā)展歷程
1、初級階段：從第一臺PLC問(wèn)世到20世紀70年代中期
由于第一代PLC是為了取代繼電器的，因此，主要功能是邏輯運算和計時(shí)、計數功能。CPU由中小規模數字集成電路構成。主要產(chǎn)品有：MODICON公司的084，AB公司的PDQ-IL，DEC公司的PDP-14，日立公司的SCY-022等。第一階段就采用了梯形圖語(yǔ)言作為編程方式，盡管有些枯燥，但卻形成了工廠(chǎng)的編程標準。
2、擴展階段：從20世紀70年代中期到70年代末期
這一階段PLC產(chǎn)品的控制功能得到很大擴展。擴展的功能包括數據的傳送、數據的比較和運算、模擬量的運算等功能。這一階段的產(chǎn)品有MODICON的184，284，384，西門(mén)子公司的SIMATICS3系列，富士電機公司的SC系列產(chǎn)品。
3、通信階段：20世紀70年代末期到80年代中期
這一階段產(chǎn)品與計算機通信的發(fā)展有關(guān)，形成了分布式通信網(wǎng)絡(luò )。但是，由于各制造商各自為政，通信系統也是各有各的規范。由于在很短的時(shí)間內，PLC就已經(jīng)從汽車(chē)行業(yè)迅速擴展到其它行業(yè)，作為繼電器的替代品進(jìn)入了食品、飲料、金屬加工、制造和造紙等多個(gè)行業(yè)。其次，產(chǎn)品功能也得到很大的發(fā)展。同時(shí)，可靠性進(jìn)一步提高。這一階段的產(chǎn)品有西門(mén)子公司的SIMATICS6系列，GOULD公司的M84，884等，富士電機的MICRO和TI公司的TI530等。
4、開(kāi)放階段：從20世紀80年代中期開(kāi)始
由于國際標準化組織提出了開(kāi)放系統互連的參考模型OSI，使PLC在開(kāi)放功能上有較大發(fā)展。主要表現為通信系統的開(kāi)放，使各制造廠(chǎng)商的產(chǎn)品可以通信，通信協(xié)議開(kāi)始標準化，使用戶(hù)得益。此外，PLC開(kāi)始采用標準化軟件系統，增加高級語(yǔ)言編程，并完成了編程語(yǔ)言的標準化工作。這一階段的產(chǎn)品有西門(mén)子公司的S7系列，AB公司的PLC-5，SLC500，德維森的V80和PPC11，加拿大ONLINECONTROL公司與合控電氣公司所開(kāi)發(fā)的OPENPLC等。
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四、可編程控制器的特點(diǎn)
1、可靠性高、抗干擾能力強
可靠性高、抗干擾能力強是PLC最重要的特點(diǎn)之一。
2、編程簡(jiǎn)單、使用方便
目前，大多數PLC采用的編程語(yǔ)言是梯形圖語(yǔ)言，它是一種面向生產(chǎn)、面向用戶(hù)的編程語(yǔ)言。梯形圖與電器控制線(xiàn)路圖相似，形象、直觀(guān)，不需要掌握計算機知識，很容易讓廣大工程技術(shù)人員掌握。當生產(chǎn)流程需要改變時(shí)，可以現場(chǎng)改變程序，使用方便、靈活。同時(shí)，PLC編程器的操作和使用也很簡(jiǎn)單。
3、功能完善、通用性強
現代PLC不僅具有邏輯運算、定時(shí)、計數、順序控制等功能，而且還具有A/D和D/A轉換、數值運算、數據處理、PID控制、通信聯(lián)網(wǎng)以等許多功能。同時(shí)，由于PLC產(chǎn)品的系列化、模塊化，有品種齊全的各種硬件裝置供用戶(hù)選用，可以組成滿(mǎn)足各種要求的控制系統。
4、設計安裝簡(jiǎn)單、維護方便
由于PLC 用軟件代替了傳統電氣控制系統的硬件，控制柜的設計、安裝接線(xiàn)工作量大為減少。PLC 的用戶(hù)程序大部分可在實(shí)驗室進(jìn)行模擬調試，縮短了應用設計和調試周期。在維修方面，由于PLC 的故障率極低，維修工作量很小; 而且PLC 具有很強的自診斷功能，如果出現故障， 可根據PLC 上指示或編程器上提供的故障信息， 迅速查明原因，維修極為方便。
5、體積小、重量輕、能耗低
由于PLC 采用了集成電路，其結構緊湊、體積小、能耗低，因而是實(shí)現機電一體化的理想控制設備。
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五、可編程控制器原理
1、掃描工作原理
當PLC 運行時(shí)，是通過(guò)執行反映控制要求的用戶(hù)程序來(lái)完成控制任務(wù)的，需要執行眾多的操作，但CPU 不可能同時(shí)去執行多個(gè)操作， 它只能按分時(shí)操作（串行工作） 方式，每一次執行一個(gè)操作，按順序逐個(gè)執行。由于CPU 的運算處理速度很快，所以從宏觀(guān)上來(lái)看，PLC外部出現的結果似乎是同時(shí)（并行） 完成的。這種串行工作過(guò)程稱(chēng)為PLC 的掃描工作方式。
用掃描工作方式執行用戶(hù)程序時(shí)，掃描是從第一條程序開(kāi)始，在無(wú)中斷或跳轉控制的情況下，按程序存儲順序的先后，逐條執行用戶(hù)程序，直到程序結束。然后再從頭開(kāi)始掃描執行，周而復始重復運行。
PLC 的掃描工作方式與電器控制的工作原理明顯不同。電器控制裝置采用硬邏輯的并行工作方式，如果某個(gè)繼電器的線(xiàn)圈通電或斷電，那么該繼電器的所有常開(kāi)和常閉觸點(diǎn)不論處在控制線(xiàn)路的哪個(gè)位置上，都會(huì )立即同時(shí)動(dòng)作; 而PLC 采用掃描工作方式（串行工作方式），如果某個(gè)軟繼電器的線(xiàn)圈被接通或斷開(kāi)，其所有的觸點(diǎn)不會(huì )立即動(dòng)作，必須等掃描到該時(shí)才會(huì )動(dòng)作。但由于PLC 的掃描速度快，通常PLC 與電器控制裝置在I/0 的處理結果上并沒(méi)有什么差別。
2、PLC 掃描工作過(guò)程
PLC 的掃描工作過(guò)程除了執行用戶(hù)程序外，在每次掃描工作過(guò)程中還要完成內部處理、通信服務(wù)工作。如圖2-11所示，整個(gè)掃描工作過(guò)程包括內部處理、通信服務(wù)、輸入采樣、程序執行、輸出刷新五個(gè)階段。整個(gè)過(guò)程掃描執行一遍所需的時(shí)間稱(chēng)為掃描周期。掃描周期與CPU 運行速度、PLC 硬件配置及用戶(hù)程序長(cháng)短有關(guān)，典型值為1~100ms.
可編程控制器基本知識_可編程控制器原理及應用
在內部處理階段，進(jìn)行PLC 自檢，檢查內部硬件是否正常，對監視定時(shí)器（WDT） 復位以及完成其它一些內部處理工作。
在通信服務(wù)階段，PLC 與其它智能裝置實(shí)現通信，響應編程器鍵入的命令，更新編程器的顯示內容等。
當PLC 處于停止（STOP）狀態(tài)時(shí)，只完成內部處理和通信服務(wù)工作。當PLC 處于運行（RUN）狀態(tài)時(shí)，除完成內部處理和通信服務(wù)工作外，還要完成輸入采樣、程序執行、輸出刷新工作。
PLC 的掃描工作方式簡(jiǎn)單直觀(guān)，便于程序的設計，并為可靠運行提供了保障。當PLC掃描到的指令被執行后，其結果馬上就被后面將要掃描到的指令所利用， 而且還可通過(guò)CPU內部設置的監視定時(shí)器來(lái)監視每次掃描是否超過(guò)規定時(shí)間，避免由于CPU 內部故障使程序執行進(jìn)入死循環(huán)。
六、可編程控制器的應用領(lǐng)域
目前， 在國內外PLC 已廣泛應用冶金、石油、 化工、建材、機械制造、電力、汽車(chē)、輕工、環(huán)保及文化娛樂(lè )等各行各業(yè)， 隨著(zhù)PLC性能價(jià)格比的不斷提高， 其應用領(lǐng)域不斷擴大。從應用類(lèi)型看，PLC 的應用大致可歸納為以下幾個(gè)方面：
1、開(kāi)關(guān)量邏輯控制
利用PLC 最基本的邏輯運算、定時(shí)、計數等功能實(shí)現邏輯控制， 可以取代傳統的繼電器控制，用于單機控制、多機群控制、生產(chǎn)自動(dòng)線(xiàn)控制等，例如： 機床、注塑機、印刷機械、裝配生產(chǎn)線(xiàn)、電鍍流水線(xiàn)及電梯的控制等。這是PLC最基本的應用，也是PLC最廣泛的應用領(lǐng)域。
2、運動(dòng)控制
大多數PLC 都有拖動(dòng)步進(jìn)電機或伺服電機的單軸或多軸位置控制模塊。這一功能廣泛用于各種機械設備， 如對各種機床、裝配機械、機器人等進(jìn)行運動(dòng)控制。
3、過(guò)程控制
大、中型PLC 都具有多路模擬量I O模塊和PID控制功能，有的小型PLC 也具有模擬量輸入輸出。所以PLC 可實(shí)現模擬量控制，而且具有PID控制功能的PLC 可構成閉環(huán)控制，用于過(guò)程控制。這一功能已廣泛用于鍋爐、反應堆、水處理、釀酒以及閉環(huán)位置控制和速度控制等方面。
4、數據處理
現代的PLC 都具有數學(xué)運算、數據傳送、轉換、排序和查表等功能， 可進(jìn)行數據的采集、分析和處理，同時(shí)可通過(guò)通信接口將這些數據傳送給其它智能裝置，如計算機數值控制（CNC）設備，進(jìn)行處理。
5、通信聯(lián)網(wǎng)
PLC 的通信包括PLC 與PLC、PLC 與上位計算機、PLC 與其它智能設備之間的通信，PLC系統與通用計算機可直接或通過(guò)通信處理單元、通信轉換單元相連構成網(wǎng)絡(luò )，以實(shí)現信息的交換，并可構成“集中管理、分散控制”的多級分布式控制系統，滿(mǎn)足工廠(chǎng)自動(dòng)化（FA） 系統發(fā)展的需要。