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可編程控制器、可編程控制器實(shí)訓(xùn)室建設(shè)

可編程序控制器（也稱PC或PLC）是以微處理器為基礎(chǔ)，綜合了計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制和通信等技術(shù)的一種新型通用工業(yè)控制裝置，廣泛應(yīng)用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機(jī)械制造，汽車、輕工、交通運(yùn)輸、環(huán)保以及文化娛樂(lè)等各種行業(yè)。
根據(jù)教育部頒布的教學(xué)大綱，可編程實(shí)驗(yàn)室配備，西門子可編程控制實(shí)訓(xùn)裝置、包括電腦。可編程控制器主機(jī)及十種教學(xué)實(shí)訓(xùn)模型。學(xué)生可根據(jù)教學(xué)模型的特點(diǎn)在老師的指導(dǎo)下自己設(shè)計(jì)梯形圖，編寫程序，編寫組態(tài)，聯(lián)機(jī)運(yùn)行。從而提高學(xué)生的創(chuàng)新能力，職業(yè)能力，培養(yǎng)出真正意義的“經(jīng)驗(yàn)型應(yīng)用技能型人才”。
可編程控制器實(shí)訓(xùn)：可編程控制器操作臺(tái)由核心的控制元件（可編程控制器和變頻器）和附屬元件組成。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)物料自動(dòng)上料、機(jī)械手搬運(yùn)、物料自動(dòng)分揀功能。在這個(gè)平臺(tái)上可以進(jìn)行單個(gè)的硬件設(shè)計(jì)和PLC編程練習(xí)，在對(duì)硬件結(jié)構(gòu)和順序功能圖編程熟練應(yīng)用的基礎(chǔ)上，完成系統(tǒng)從上料到搬運(yùn)，以至最后分揀的一整套自動(dòng)化系統(tǒng)。由于該系統(tǒng)是一個(gè)開放的系統(tǒng)，學(xué)生可以根據(jù)自己的需求，搭建屬于一個(gè)自己的自動(dòng)化平臺(tái)，這對(duì)于學(xué)生學(xué)習(xí)機(jī)械和自動(dòng)化編程具有重要的意義。
PLC實(shí)訓(xùn)室主要負(fù)責(zé)機(jī)電類專業(yè)畢業(yè)生的畢業(yè)設(shè)計(jì)。
隨著微處理器，計(jì)算機(jī)的和數(shù)字通訊技術(shù)的飛速發(fā)展，計(jì)算機(jī)控制技術(shù)已經(jīng)滲透到所有工業(yè)領(lǐng)域。當(dāng)前用于工業(yè)控制的計(jì)算機(jī)可分為:可編程控制器,基于 PC總線的工業(yè)控制計(jì)算機(jī),基與單片機(jī)的測(cè)控裝置,用于模擬量閉環(huán)控制的可編程調(diào)節(jié)器,集散控制系統(tǒng)(DCS)和現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)(FCS)等�？删幊炭刂破魇菓�(yīng)用廣泛,功能強(qiáng)大,使用方便的通用工業(yè)控制裝置,已成為當(dāng)代工業(yè)自動(dòng)化的重要支柱.近幾年來(lái)，在國(guó)內(nèi)已得到迅速推廣普及。正改變著工廠自動(dòng)控制的面貌，對(duì)傳統(tǒng)的技術(shù)改造、發(fā)展新型工業(yè)具有重大的實(shí)際意義。
可編程控制器是60年代末在美國(guó)首先出現(xiàn)的，當(dāng)時(shí)叫可編程邏輯控制器，目的是用來(lái)取代繼電器，以執(zhí)行邏輯判斷、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)等順序控制功能。其基本設(shè)計(jì)思想是把計(jì)算機(jī)功能完善、靈活、通用等優(yōu)點(diǎn)和繼電器控制系統(tǒng)的簡(jiǎn)單易懂、操作方便、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)，控制器的硬件是標(biāo)準(zhǔn)的、通用的。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用對(duì)象，將控制內(nèi)容寫入控制器的用戶程序內(nèi)，控制器和被控對(duì)象連接也很方便。
可編程控制器對(duì)用戶來(lái)說(shuō)，是一種無(wú)觸點(diǎn)設(shè)備，改變程序即可改變生產(chǎn)工藝，因此可在初步設(shè)計(jì)階段選用可編程控制器，在實(shí)施階段再確定工藝過(guò)程。另一方面，從制造生產(chǎn)可編程控制器的廠商角度看，在制造階段不需要根據(jù)用戶的要求專門設(shè)計(jì)控制器，適合批量生產(chǎn)。由于這些特點(diǎn)，可編程控制器問(wèn)世以后很快受到工業(yè)控制界的歡迎，并得到迅速的發(fā)展。
可編程序控制器，英文稱Programmable Controller，簡(jiǎn)稱PC。但由于 PC容易和個(gè)人計(jì)算機(jī)（Personal Computer）混淆，故人們?nèi)粤?xí)慣地用PLC 作為可編程序控制器的縮寫。它是一個(gè)以微處理器為核心的數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)裝置，專為在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用而設(shè)計(jì)，它采用可編程序的存儲(chǔ)器，用以在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)/計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作指令，并通過(guò)數(shù)字式或模擬式的輸入、輸出接口，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程。PLC是微機(jī)技術(shù)與傳統(tǒng)的繼電接觸控制技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，它克服了繼電接觸控制系統(tǒng)中的機(jī)械觸點(diǎn)的接線復(fù)雜、可靠性低、功耗高、通用性和靈活性差的缺點(diǎn)，充分利用了微處理器的優(yōu)點(diǎn)，又照顧到現(xiàn)場(chǎng)電氣操作維修人員的技能與習(xí)慣，特別是PLC的程序編制，不需要專門的計(jì)算機(jī)編程語(yǔ)言知識(shí)，而是采用了一套以繼電器梯形圖為基礎(chǔ)的簡(jiǎn)單指令形式，使用戶程序編制形象、直觀、方便易學(xué)；調(diào)試與查錯(cuò)也都很方便。用戶在購(gòu)到所需的PLC 后，只需按說(shuō)明書的提示，做少量的接線和簡(jiǎn)易的用戶程序的編制工作，就可靈活方便地將PLC應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐。
一、PLC的結(jié)構(gòu)及各部分的作用
PLC的類型繁多，功能和指令系統(tǒng)也不盡相同，但結(jié)構(gòu)與工作原理則大同小異，通常由主機(jī)、輸入/輸出接口、電源擴(kuò)展器接口和外部設(shè)備接口等幾個(gè)主要部分組成。PLC的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖所示：
1、PLC主機(jī)編程裝置
主機(jī)部分包括中央處理器（CPU）、系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器和用戶程序及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。CPU是PLC的核心，它用以運(yùn)行用戶程序、監(jiān)控輸入/輸出接口狀態(tài)、作出邏輯判斷和進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，即讀取輸入變量、完成用戶指令規(guī)定的各種操作，將結(jié)果送到輸出端，并響應(yīng)外部設(shè)備（如電腦、打印機(jī)等）的請(qǐng)求以及進(jìn)行各種內(nèi)部判斷等。PLC的內(nèi)部存儲(chǔ)器有兩類，一類是系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器，主要存放系統(tǒng)管理和監(jiān)控程序及對(duì)用戶程序作編譯處理的程序，系統(tǒng)程序已由廠家固定，用戶不能更改；另一類是用戶程序及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，主要存放用戶編制的應(yīng)用程序及各種暫存數(shù)據(jù)和中間結(jié)果。
2、輸入/輸出（I/O）接口
I/O接口是PLC與輸入/輸出設(shè)備連接的部件。輸入接口接受輸入設(shè)備（如按鈕、傳感器、觸點(diǎn)、行程開關(guān)等）的控制信號(hào)。輸出接口是將主機(jī)經(jīng)處理后的結(jié)果通過(guò)功放電路去驅(qū)動(dòng)輸出設(shè)備（如接觸器、電磁閥、指示燈等）。 I/O接口一般采用光電耦合電路，以減少電磁干擾，從而提高了可靠性。I/O 點(diǎn)數(shù)即輸入/輸出端子數(shù)是PLC的一項(xiàng)主要技術(shù)指標(biāo)，通常小型機(jī)有幾十個(gè)點(diǎn)，中型機(jī)有幾百個(gè)點(diǎn)，大型機(jī)將超過(guò)千點(diǎn)。
3、電源
圖中電源是指為CPU、存儲(chǔ)器、I/O接口等內(nèi)部電子電路工作所配置的直流開關(guān)穩(wěn)壓電源，通常也為輸入設(shè)備提供直流電源。
4、編程
編程是PLC利用外部設(shè)備，用戶可用以輸入、檢查、修改、調(diào)試程序或監(jiān)示PLC的工作情況。通過(guò)專用的PC/PPI電纜線將PLC與電腦聯(lián)接，并利用專用的編程軟件進(jìn)行電腦編程和監(jiān)控。
5、輸入/輸出擴(kuò)展單元
I/O擴(kuò)展接口用于將擴(kuò)充外部輸入/輸出端子數(shù)的擴(kuò)展單元與基本單元
（即主機(jī)）連接在一起。
6、外部設(shè)備接口
此接口可將打印機(jī)、條碼掃描儀,變頻器等外部設(shè)備與主機(jī)相聯(lián)，以完成相應(yīng)的操作。
實(shí)驗(yàn)裝置提供的主機(jī)型號(hào)是西門子S7-200系列的CPU224(AC/DC/RELAY)。輸入點(diǎn)數(shù)為14，輸出點(diǎn)數(shù)為10。
二、PLC的工作原理 PLC是采用"順序掃描，不斷循環(huán)"的方式進(jìn)行工作的。即在PLC運(yùn)行時(shí)，CPU根據(jù)用戶按控制要求編制好并存于用戶存儲(chǔ)器中的程序，按指令步序號(hào)（或地址號(hào)）作周期性循環(huán)掃描，如無(wú)跳轉(zhuǎn)指令，則從第一條指令開始逐條順序執(zhí)行用戶程序，直至程序結(jié)束。然后重新返回第一條指令，開始下一輪新的掃描。在每次掃描過(guò)程中，還要完成對(duì)輸入信號(hào)的采樣和對(duì)輸出狀態(tài)的刷新等工作。
PLC的掃描一個(gè)周期必經(jīng)輸入采樣、程序執(zhí)行和輸出刷新三個(gè)階段。
PLC在輸入采樣階段：首先以掃描方式按順序?qū)⑺袝捍嬖谳斎腈i存器中的輸入端子的通斷狀態(tài)或輸入數(shù)據(jù)讀入，并將其寫入各對(duì)應(yīng)的輸入狀態(tài)寄存器中，即刷新輸入。隨即關(guān)閉輸入端口，進(jìn)入程序執(zhí)行階段。
PLC在程序執(zhí)行階段：按用戶程序指令存放的先后順序掃描執(zhí)行每條指令，經(jīng)相應(yīng)的運(yùn)算和處理后，其結(jié)果再寫入輸出狀態(tài)寄存器中，輸出狀態(tài)寄存器中所有的內(nèi)容隨著程序的執(zhí)行而改變。
輸出刷新階段：當(dāng)所有指令執(zhí)行完畢，輸出狀態(tài)寄存器的通斷狀態(tài)在輸出刷新階段送至輸出鎖存器中，并通過(guò)一定的方式（繼電器、晶體管或晶閘管）輸出，驅(qū)動(dòng)相應(yīng)輸出設(shè)備工作。
三、PLC的程序編制編程元件
PLC是采用軟件編制程序來(lái)實(shí)現(xiàn)控制要求的。編程時(shí)要使用到各種編程元件，它們可提供無(wú)數(shù)個(gè)動(dòng)合和動(dòng)斷觸點(diǎn)。編程元件是指輸入映像寄存器、輸出映像寄存器、位存儲(chǔ)器、定時(shí)器、計(jì)數(shù)器、通用寄存器、數(shù)據(jù)寄存器及特殊功能存儲(chǔ)器等。
PLC內(nèi)部這些存儲(chǔ)器的作用和繼電接觸控制系統(tǒng)中使用的繼電器十分相似，也有"線圈"與"觸點(diǎn)"，但它們不是"硬"繼電器，而是PLC存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)單元。當(dāng)寫入該單元的邏輯狀態(tài)為"1"時(shí)，則表示相應(yīng)繼電器線圈得電，其動(dòng)合觸點(diǎn)閉合，動(dòng)斷觸點(diǎn)斷開。所以，內(nèi)部的這些繼電器稱之為"軟" 繼電器。