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可編程控制器基本知識(shí)_可編程控制器原理及應(yīng)用

PLC的發(fā)展也是與計(jì)算機(jī)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(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(chǔ)知識(shí)，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(yīng)用。
一、什么是可編程控制器
可編程控制器（Programmble Controller）簡(jiǎn)稱PC或PLC是一種數(shù)字運(yùn)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(jì)。它采用可以編制程序的存儲(chǔ)器，用來在執(zhí)行存儲(chǔ)邏輯運(yùn)算和順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)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(jī)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(jì)算機(jī)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(dòng)化技術(shù)、計(jì)算機(jī)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(chǎng)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(jī)連接。對(duì)于整體式可編程控制器，所有部件都裝在同一機(jī)殼內(nèi)；對(duì)于模塊式可編程控制器，各功能部件獨(dú)立封裝，稱為模塊或模板，各模塊通過總線連接，安裝在機(jī)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(gè)機(jī)架上可插放的模塊數(shù)是不同的，一般為３－１０塊�？蓴U(kuò)展的機(jī)架數(shù)也不同，一般為２－８?jìng)�(gè)機(jī)架�；�本機(jī)架與擴(kuò)展機(jī)架之間的距離不宜太長(zhǎng)，一般不超過１０M.。
可編程控制器基本知識(shí)_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(gè)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(jì)數(shù)器，內(nèi)部定時(shí)器，監(jiān)視掃描時(shí)間，統(tǒng)一管理編程接口，同時(shí)協(xié)調(diào)位處理器及輸入輸出。另一個(gè)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(jī)器操作系統(tǒng)的管理下實(shí)現(xiàn)可編程控制器編程語(yǔ)言向機(jī)器語(yǔ)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(fèi)的時(shí)間。
2、存儲(chǔ)器
存儲(chǔ)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(chǔ)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�？删幊炭刂破魍ㄟ^Ｉ／Ｏ接口可以檢測(cè)被控對(duì)象或被控生產(chǎn)過程的各種參數(shù)，以這些現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)作為可編程控制器對(duì)控對(duì)象進(jìn)行控制的信息依據(jù)。同時(shí)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(shí)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(chǔ)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(jí)階段：從第一臺(tái)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(yùn)算和計(jì)時(shí)、計(jì)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(yǔ)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(kuò)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(kuò)展。擴(kuò)展的功能包括數(shù)據(jù)的傳送、數(shù)據(jù)的比較和運(yùn)算、模擬量的運(yùn)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(jī)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(jì)算機(jī)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(shí)間內(nèi)，PLC就已經(jīng)從汽車行業(yè)迅速擴(kuò)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)品有西門子公司的SIMATICS6系列，GOULD公司的M84，884等，富士電機(jī)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(guó)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(jí)語(yǔ)言編程，并完成了編程語(yǔ)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(shí)_可編程控制器原理及應(yīng)用
四、可編程控制器的特點(diǎn)
1、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)
可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)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(shù)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)、面向用戶的編程語(yǔ)言。梯形圖與電器控制線路圖相似，形象、直觀，不需要掌握計(jì)算機(jī)知識(shí)，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(shí)，可以現(xiàn)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(qiáng)
現(xiàn)代PLC不僅具有邏輯運(yùn)算、定時(shí)、計(jì)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(yùn)算、數(shù)據(jù)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選用，可以組成滿足各種要求的控制系統(tǒng)。
4、設(shè)計(jì)安裝簡(jiǎn)單、維護(hù)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(jì)、安裝接線工作量大為減少。PLC 的用戶程序大部分可在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行模擬調(diào)試，縮短了應(yīng)用設(shè)計(jì)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(qiáng)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(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化的理想控制設(shè)備。
可編程控制器基本知識(shí)_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(yùn)行時(shí)，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(shí)去執(zhí)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(zhí)行一個(gè)操作，按順序逐個(gè)執(zhí)行。由于CPU 的運(yùn)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(shí)（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(shí)，掃描是從第一條程序開始，在無(wú)中斷或跳轉(zhuǎn)控制的情況下，按程序存儲(chǔ)順序的先后，逐條執(zhí)行用戶程序，直到程序結(jié)束。然后再?gòu)念^開始掃描執(zhí)行，周而復(fù)始重復(fù)運(yùn)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)繼電器的線圈通電或斷電，那么該繼電器的所有常開和常閉觸點(diǎn)不論處在控制線路的哪個(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)軟繼電器的線圈被接通或斷開，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(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(gè)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(gè)階段。整個(gè)過程掃描執(zhí)行一遍所需的時(shí)間稱為掃描周期。掃描周期與CPU 運(yùn)行速度、PLC 硬件配置及用戶程序長(zhǎng)短有關(guān)，典型值為1~100ms.
可編程控制器基本知識(shí)_可編程控制器原理及應(yīng)用
在內(nèi)部處理階段，進(jìn)行PLC 自檢，檢查內(nèi)部硬件是否正常，對(duì)監(jiān)視定時(shí)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(shí)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(shí)，只完成內(nèi)部處理和通信服務(wù)工作。當(dāng)PLC 處于運(yùn)行（RUN）狀態(tài)時(shí)，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(jiǎn)單直觀，便于程序的設(shè)計(jì)，并為可靠運(yùn)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(shí)器來監(jiān)視每次掃描是否超過規(guī)定時(shí)間，避免由于CPU 內(nèi)部故障使程序執(zhí)行進(jìn)入死循環(huán)。
六、可編程控制器的應(yīng)用領(lǐng)域
目前， 在國(guó)內(nèi)外PLC 已廣泛應(yīng)用冶金、石油、 化工、建材、機(jī)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(jià)格比的不斷提高， 其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。從應(yīng)用類型看，PLC 的應(yīng)用大致可歸納為以下幾個(gè)方面：
1、開關(guān)量邏輯控制
利用PLC 最基本的邏輯運(yùn)算、定時(shí)、計(jì)數(shù)等功能實(shí)現(xiàn)邏輯控制， 可以取代傳統(tǒng)的繼電器控制，用于單機(jī)控制、多機(jī)群控制、生產(chǎn)自動(dòng)線控制等，例如： 機(jī)床、注塑機(jī)、印刷機(jī)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(yùn)動(dòng)控制
大多數(shù)PLC 都有拖動(dòng)步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)的單軸或多軸位置控制模塊。這一功能廣泛用于各種機(jī)械設(shè)備， 如對(duì)各種機(jī)床、裝配機(jī)械、機(jī)器人等進(jìn)行運(yùn)動(dòng)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(shí)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(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送、轉(zhuǎn)換、排序和查表等功能， 可進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集、分析和處理，同時(shí)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(jì)算機(jī)數(shù)值控制（CNC）設(shè)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(jì)算機(jī)、PLC 與其它智能設(shè)備之間的通信，PLC系統(tǒng)與通用計(jì)算機(jī)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(shí)現(xiàn)信息的交換，并可構(gòu)成“集中管理、分散控制”的多級(jí)分布式控制系統(tǒng)，滿足工廠自動(dòng)化（FA） 系統(tǒng)發(fā)展的需要。