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可編程控制器基本知識_可編程控制器原理及應(yīng)用

PLC的發(fā)展也是與計算機技術(shù)、控制技術(shù)、數(shù)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(chǔ)知識，首先介紹了可編程控制器的發(fā)展歷程及特點、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(yīng)用。
一、什么是可編程控制器
可編程控制器（Programmble Controller）簡稱PC或PLC是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專門在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計。它采用可以編制程序的存儲器，用來在執(zhí)行存儲邏輯運算和順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作的指令，并通過數(shù)字或模擬的輸入（I）和輸出（O）接口，控制各種類型的機械設(shè)備或生產(chǎn)過程�？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(chǔ)上開發(fā)出來的，并逐漸發(fā)展成為以微處理器為核心，把自動化技術(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(xiàn)場設(shè)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(nèi)；對于模塊式可編程控制器，各功能部件獨立封裝，稱為模塊或模板，各模塊通過總線連接，安裝在機架或?qū)к壣稀２煌瑥S商生產(chǎn)的不同系列產(chǎn)品在每個機架上可插放的模塊數(shù)是不同的，一般為３－１０塊�？蓴U展的機架數(shù)也不同，一般為２－８個機架�；�本機架與擴展機架之間的距離不宜太長，一般不超過１０M.。
可編程控制器基本知識_可編程控制器原理及應(yīng)用
可編程控制器各組成部分
1、中央處理單元cpu
cpu通過輸入裝置讀入外設(shè)的狀態(tài)，由用戶程序去處理，并根據(jù)處理結(jié)果通過輸出裝置去控制外設(shè)。一般的中型可編程控制器多為雙微處理器系統(tǒng)，一個是字處理器，它是主處理器，由它處理字節(jié)操作指令，控制系統(tǒng)總線，內(nèi)部計數(shù)器，內(nèi)部定時器，監(jiān)視掃描時間，統(tǒng)一管理編程接口，同時協(xié)調(diào)位處理器及輸入輸出。另一個為位處理器，也稱布爾處理器，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(tǒng)的管理下實現(xiàn)可編程控制器編程語言向機器語言轉(zhuǎn)換。
cpu處理速度是指可編程控制器執(zhí)行１０００條基本指令所花費的時間。
2、存儲器
存儲器主要存放系統(tǒng)程序，用戶程序及工作數(shù)據(jù)。
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Ｉ／Ｏ模塊。可編程控制器通過Ｉ／Ｏ接口可以檢測被控對象或被控生產(chǎn)過程的各種參數(shù)，以這些現(xiàn)場數(shù)據(jù)作為可編程控制器對控對象進行控制的信息依據(jù)。同時可編程控制器又通過Ｉ／Ｏ接口將處理結(jié)果送給被控設(shè)備或工業(yè)生產(chǎn)過程，以實現(xiàn)控制。
4、編程裝置和編程軟件
可編程控制器是以順序執(zhí)行存儲器中的程序來完成其控制功能的。
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問世到20世紀(jì)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、計數(shù)功能。CPU由中小規(guī)模數(shù)字集成電路構(gòu)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言作為編程方式，盡管有些枯燥，但卻形成了工廠的編程標(biāo)準(zhǔn)。
2、擴展階段：從20世紀(jì)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(shù)據(jù)的傳送、數(shù)據(jù)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(jì)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(tǒng)也是各有各的規(guī)范。由于在很短的時間內(nèi)，PLC就已經(jīng)從汽車行業(yè)迅速擴展到其它行業(yè)，作為繼電器的替代品進入了食品、飲料、金屬加工、制造和造紙等多個行業(yè)。其次，產(chǎn)品功能也得到很大的發(fā)展。同時，可靠性進一步提高。這一階段的產(chǎn)品有西門子公司的SIMATICS6系列，GOULD公司的M84，884等，富士電機的MICRO和TI公司的TI530等。
4、開放階段：從20世紀(jì)80年代中期開始
由于國際標(biāo)準(zhǔn)化組織提出了開放系統(tǒng)互連的參考模型OSI，使PLC在開放功能上有較大發(fā)展。主要表現(xiàn)為通信系統(tǒng)的開放，使各制造廠商的產(chǎn)品可以通信，通信協(xié)議開始標(biāo)準(zhǔn)化，使用戶得益。此外，PLC開始采用標(biāo)準(zhǔn)化軟件系統(tǒng)，增加高級語言編程，并完成了編程語言的標(biāo)準(zhǔn)化工作。這一階段的產(chǎn)品有西門子公司的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發(fā)的OPENPLC等。
可編程控制器基本知識_可編程控制器原理及應(yīng)用
四、可編程控制器的特點
1、可靠性高、抗干擾能力強
可靠性高、抗干擾能力強是PLC最重要的特點之一。
2、編程簡單、使用方便
目前，大多數(shù)PLC采用的編程語言是梯形圖語言，它是一種面向生產(chǎn)、面向用戶的編程語言。梯形圖與電器控制線路圖相似，形象、直觀，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(dāng)生產(chǎn)流程需要改變時，可以現(xiàn)場改變程序，使用方便、靈活。同時，PLC編程器的操作和使用也很簡單。
3、功能完善、通用性強
現(xiàn)代PLC不僅具有邏輯運算、定時、計數(shù)、順序控制等功能，而且還具有A/D和D/A轉(zhuǎn)換、數(shù)值運算、數(shù)據(jù)處理、PID控制、通信聯(lián)網(wǎng)以等許多功能。同時，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選用，可以組成滿足各種要求的控制系統(tǒng)。
4、設(shè)計安裝簡單、維護方便
由于PLC 用軟件代替了傳統(tǒng)電氣控制系統(tǒng)的硬件，控制柜的設(shè)計、安裝接線工作量大為減少。PLC 的用戶程序大部分可在實驗室進行模擬調(diào)試，縮短了應(yīng)用設(shè)計和調(diào)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(xiàn)故障， 可根據(jù)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(jié)構(gòu)緊湊、體積小、能耗低，因而是實現(xiàn)機電一體化的理想控制設(shè)備。
可編程控制器基本知識_可編程控制器原理及應(yīng)用
五、可編程控制器原理
1、掃描工作原理
當(dāng)PLC 運行時，是通過執(zhí)行反映控制要求的用戶程序來完成控制任務(wù)的，需要執(zhí)行眾多的操作，但CPU 不可能同時去執(zhí)行多個操作， 它只能按分時操作（串行工作） 方式，每一次執(zhí)行一個操作，按順序逐個執(zhí)行。由于CPU 的運算處理速度很快，所以從宏觀上來看，PLC外部出現(xiàn)的結(jié)果似乎是同時（并行） 完成的。這種串行工作過程稱為PLC 的掃描工作方式。
用掃描工作方式執(zhí)行用戶程序時，掃描是從第一條程序開始，在無中斷或跳轉(zhuǎn)控制的情況下，按程序存儲順序的先后，逐條執(zhí)行用戶程序，直到程序結(jié)束。然后再從頭開始掃描執(zhí)行，周而復(fù)始重復(fù)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，如果某個繼電器的線圈通電或斷電，那么該繼電器的所有常開和常閉觸點不論處在控制線路的哪個位置上，都會立即同時動作; 而PLC 采用掃描工作方式（串行工作方式），如果某個軟繼電器的線圈被接通或斷開，其所有的觸點不會立即動作，必須等掃描到該時才會動作。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(jié)果上并沒有什么差別。
2、PLC 掃描工作過程
PLC 的掃描工作過程除了執(zhí)行用戶程序外，在每次掃描工作過程中還要完成內(nèi)部處理、通信服務(wù)工作。如圖2-11所示，整個掃描工作過程包括內(nèi)部處理、通信服務(wù)、輸入采樣、程序執(zhí)行、輸出刷新五個階段。整個過程掃描執(zhí)行一遍所需的時間稱為掃描周期。掃描周期與CPU 運行速度、PLC 硬件配置及用戶程序長短有關(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(yīng)用
在內(nèi)部處理階段，進行PLC 自檢，檢查內(nèi)部硬件是否正常，對監(jiān)視定時器（WDT） 復(fù)位以及完成其它一些內(nèi)部處理工作。
在通信服務(wù)階段，PLC 與其它智能裝置實現(xiàn)通信，響應(yīng)編程器鍵入的命令，更新編程器的顯示內(nèi)容等。
當(dāng)PLC 處于停止（STOP）狀態(tài)時，只完成內(nèi)部處理和通信服務(wù)工作。當(dāng)PLC 處于運行（RUN）狀態(tài)時，除完成內(nèi)部處理和通信服務(wù)工作外，還要完成輸入采樣、程序執(zhí)行、輸出刷新工作。
PLC 的掃描工作方式簡單直觀，便于程序的設(shè)計，并為可靠運行提供了保障。當(dāng)PLC掃描到的指令被執(zhí)行后，其結(jié)果馬上就被后面將要掃描到的指令所利用， 而且還可通過CPU內(nèi)部設(shè)置的監(jiān)視定時器來監(jiān)視每次掃描是否超過規(guī)定時間，避免由于CPU 內(nèi)部故障使程序執(zhí)行進入死循環(huán)。
六、可編程控制器的應(yīng)用領(lǐng)域
目前， 在國內(nèi)外PLC 已廣泛應(yīng)用冶金、石油、 化工、建材、機械制造、電力、汽車、輕工、環(huán)保及文化娛樂等各行各業(yè)， 隨著PLC性能價格比的不斷提高， 其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴大。從應(yīng)用類型看，PLC 的應(yīng)用大致可歸納為以下幾個方面：
1、開關(guān)量邏輯控制
利用PLC 最基本的邏輯運算、定時、計數(shù)等功能實現(xiàn)邏輯控制， 可以取代傳統(tǒng)的繼電器控制，用于單機控制、多機群控制、生產(chǎn)自動線控制等，例如： 機床、注塑機、印刷機械、裝配生產(chǎn)線、電鍍流水線及電梯的控制等。這是PLC最基本的應(yīng)用，也是PLC最廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。
2、運動控制
大多數(shù)PLC 都有拖動步進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(shè)備， 如對各種機床、裝配機械、機器人等進行運動控制。
3、過程控制
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 可實現(xiàn)模擬量控制，而且具有PID控制功能的PLC 可構(gòu)成閉環(huán)控制，用于過程控制。這一功能已廣泛用于鍋爐、反應(yīng)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(shù)據(jù)處理
現(xiàn)代的PLC 都具有數(shù)學(xué)運算、數(shù)據(jù)傳送、轉(zhuǎn)換、排序和查表等功能， 可進行數(shù)據(jù)的采集、分析和處理，同時可通過通信接口將這些數(shù)據(jù)傳送給其它智能裝置，如計算機數(shù)值控制（CNC）設(shè)備，進行處理。
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(shè)備之間的通信，PLC系統(tǒng)與通用計算機可直接或通過通信處理單元、通信轉(zhuǎn)換單元相連構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，以實現(xiàn)信息的交換，并可構(gòu)成“集中管理、分散控制”的多級分布式控制系統(tǒng)，滿足工廠自動化（FA） 系統(tǒng)發(fā)展的需要。