PLC的定義

可編程控制器(PLC)是一種數(shù)字操作電子系統(tǒng)，是專為工業(yè)環(huán)境中的應(yīng)用而設(shè)計的。它采用可編程存儲器，用于存儲邏輯運(yùn)算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作指令，通過數(shù)字和模擬輸入輸出控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程?？删幊炭刂破骷跋嚓P(guān)外圍設(shè)備應(yīng)按照易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體并擴(kuò)展其功能的原則進(jìn)行設(shè)計。

PLC的分類

PLC產(chǎn)品種類繁多，規(guī)格性能也各不相同。PLC一般根據(jù)其結(jié)構(gòu)、功能和I/O點(diǎn)的不同進(jìn)行分類。

1.根據(jù)結(jié)構(gòu)形式分類

根據(jù)PLC的結(jié)構(gòu)，PLC可分為整體式和模塊化。

(1)集成PLC

集成PLC是將電源、CPU、I/O接口等部件組裝在一個機(jī)箱內(nèi)，如圖所示。具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、價格低的特點(diǎn)。一般小型PLC都采用這種整體結(jié)構(gòu)。一體化PLC由基本單元(也稱為主機(jī))和具有不同I/O點(diǎn)的擴(kuò)展單元組成?；締卧哂蠧PU、I/O接口、連接到I/O擴(kuò)展單元的擴(kuò)展端口和連接到編程器或EPROM寫入器的接口等。擴(kuò)展單元只有I/O和電源，沒有CPU?；締卧蛿U(kuò)展單元通常由扁平電纜連接。一般來說，整體式PLC還可以配備特殊的功能單元，如模擬單元和位置控制單元，以便擴(kuò)展其功能。

(2)模塊化PLC

模塊化PLC是將PLC的各個組成部分分成幾個獨(dú)立的模塊，如CPU模塊、I/O模塊、電源模塊(有的包含在CPU模塊中)以及各種功能模塊。模塊化PLC由框架或基板和各種模塊組成，模塊安裝在框架或基板的插座上，如圖所示。這種模塊化PLC的特點(diǎn)是配置靈活，可根據(jù)需要選擇不同規(guī)模的系統(tǒng)，易于組裝、擴(kuò)展和維護(hù)。大中型PLC一般采用模塊化結(jié)構(gòu)。

還有一些PLC結(jié)合了一體化和模塊化的特點(diǎn)，形成所謂的堆疊式PLC。堆疊式PLC的CPU、電源、I/O接口是獨(dú)立的模塊，但通過電纜連接，每個模塊可以逐層堆疊。這樣，不僅系統(tǒng)可以靈活配置，而且體積可以做得很小。

2.按功能分類

根據(jù)PLC功能的不同，PLC可分為低檔、中檔、高檔三大類。

(1)低檔PLC

低端PLC具有邏輯運(yùn)算、定時、計數(shù)、移位、自診斷、監(jiān)控等基本功能。它還可以具有少量模擬輸入/輸出、算術(shù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳輸和比較、通信等功能。主要用于具有邏輯控制、順序控制或少量模擬控制的單機(jī)控制系統(tǒng)。

(2)中檔PLC

除了低檔PLC的功能外，中檔PLC還具有強(qiáng)大的模擬輸入/輸出、算術(shù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳輸和比較、數(shù)字系統(tǒng)轉(zhuǎn)換、遠(yuǎn)程I/O、子程序和通信聯(lián)網(wǎng)功能。有的還可以添加中斷控制、PID控制等功能，適用于復(fù)雜的控制系統(tǒng)。

(3)高檔PLC

高檔PLC除了具有中檔PLC的功能外，還增加了有符號算術(shù)運(yùn)算、矩陣運(yùn)算、位邏輯運(yùn)算、平方根運(yùn)算等特殊功能，制表、傳表功能。高檔PLC具有更強(qiáng)的通訊聯(lián)網(wǎng)功能，可用于大型過程控制或構(gòu)成分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)工廠自動化。

3.根據(jù)輸入輸出點(diǎn)分類

根據(jù)PLC的I/O點(diǎn)數(shù)，PLC可分為小型、中型和大型三類。

(1)小型PLC

小型PLC的I/O點(diǎn)少于256個，單CPU和8位或16位處理器，用戶內(nèi)存容量少于4KB。比如:三菱FX0S系列。

(2)中型PLC

中型PLC的I/O點(diǎn)數(shù)為256 ~ 2048，具有雙CPU，用戶內(nèi)存容量為2 ~ 8 KB。

(3)大型PLC

大型PLC具有2048個以上的I/O點(diǎn)，多個CPU和16位或32位處理器，用戶存儲容量為8 ~ 16 KB。

在世界范圍內(nèi)，PLC產(chǎn)品按地域可分為三派，一派是美國產(chǎn)品，一派是歐洲產(chǎn)品，一派是日本產(chǎn)品。美國和歐洲的PLC技術(shù)都是孤立自主研發(fā)的，所以美國和歐洲的PLC產(chǎn)品有明顯的區(qū)別。而日本的PLC技術(shù)是從美國引進(jìn)的，對美國的PLC產(chǎn)品有一定的繼承性，但日本的主要產(chǎn)品定位在小型PLC上。美歐以大中型PLC聞名，日本以小型PLC聞名。

常見的PLC如下表所示:

PLC的功能和應(yīng)用領(lǐng)域

PLC是綜合繼電器接觸器控制和計算機(jī)靈活方便的優(yōu)點(diǎn)而設(shè)計制造開發(fā)的，使PLC具有許多其他控制器無法比擬的特點(diǎn)。

1.1的功能。可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller)

PLC是基于微處理器的通用工業(yè)自動控制裝置，它集計算機(jī)技術(shù)、自動控制技術(shù)和通信技術(shù)于一體。它具有可靠性高、體積小、功能強(qiáng)、程序設(shè)計簡單、靈活、維護(hù)方便等一系列優(yōu)點(diǎn)。因此被廣泛應(yīng)用于冶金、能源、化工、交通、電力等領(lǐng)域，成為現(xiàn)代工業(yè)控制的三大支柱(PLC、機(jī)器人、CAD/CAM)。根據(jù)PLC的特點(diǎn)，其功能形式可以歸納為以下幾種類型。

(1)開關(guān)量的邏輯控制

PLC具有強(qiáng)大的邏輯運(yùn)算能力，可以實(shí)現(xiàn)各種簡單和復(fù)雜的邏輯控制。這是PLC最基本、最廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，取代了傳統(tǒng)的繼電器接觸器控制。

(2)模擬控制

PLC中有A/D和D/A轉(zhuǎn)換模塊。A/D模塊可以轉(zhuǎn)換溫度、壓力、流量、速度等模擬量。就地轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，再由PLC中的微處理器處理(微處理器只能處理數(shù)字量)然后控制；或者可以通過D/A模塊轉(zhuǎn)換成模擬量，然后控制被控對象，這樣PLC就可以控制模擬量了。

(3)過程控制

現(xiàn)代大中型PLC一般都配有PID控制模塊，可以進(jìn)行閉環(huán)過程控制。當(dāng)控制過程中某一變量出現(xiàn)偏差時，PLC可以根據(jù)PID算法計算出正確的輸出，進(jìn)而控制和調(diào)整生產(chǎn)過程，使該變量保持在設(shè)定值。目前很多小型PLC也有PID控制功能。

(4)計時和計數(shù)控制

PLC具有強(qiáng)大的定時和計數(shù)功能，它可以為用戶提供幾十個甚至幾百上千個定時器和計數(shù)器。定時時間和計數(shù)值可以由用戶在編寫用戶程序時任意設(shè)定，也可以由操作員在工業(yè)現(xiàn)場通過編程器設(shè)定，從而實(shí)現(xiàn)定時和計數(shù)的控制。如果用戶需要對頻率較高的信號進(jìn)行計數(shù)，可以選擇高速計數(shù)模塊。

(5)順序控制

在工業(yè)控制中，可采用PLC步進(jìn)指令編程或移位寄存器編程來實(shí)現(xiàn)順序控制。

(6)數(shù)據(jù)處理

現(xiàn)代PLC不僅能進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳輸、排序和查表，還能進(jìn)行數(shù)據(jù)比較、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)顯示和打印等。它具有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力。

(7)通信和聯(lián)網(wǎng)

大多數(shù)現(xiàn)代PLC采用通信和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，并具有RS-232或RS-485接口，可用于遠(yuǎn)程I/O控制。多個PLC可以聯(lián)網(wǎng)并相互通信，外部設(shè)備可以與一個或多個可編程控制器的信號處理單元交換程序和數(shù)據(jù)，例如程序傳輸、數(shù)據(jù)文件傳輸、監(jiān)控和診斷。通信接口或通信處理器根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)硬件接口或?qū)Ｓ型ㄐ艆f(xié)議完成程序和數(shù)據(jù)的傳輸。

2.2的應(yīng)用領(lǐng)域?？删幊踢壿嬁刂破?Programmable Logic Controller)

目前，PLC已廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外各個行業(yè)，如鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機(jī)械制造、汽車、紡織、交通、環(huán)保、文化娛樂等。用法大致可以概括如下。

(1)開關(guān)量的邏輯控制

這是PLC最基本也是最廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。它取代了傳統(tǒng)的繼電器電路，實(shí)現(xiàn)了邏輯控制和順序控制。既可用于單臺設(shè)備的控制，也可用于多機(jī)群控和自動化生產(chǎn)線，如注塑機(jī)、印刷機(jī)、訂書機(jī)、組合機(jī)床、磨床、包裝生產(chǎn)線、電鍍流水線等。

(2)模擬控制

在工業(yè)生產(chǎn)過程中，有許多連續(xù)變化的量，如溫度、壓力、流量、液位、速度等，都是模擬量。為了使PLC處理模擬量，必須實(shí)現(xiàn)模擬量和數(shù)字量之間的A/D轉(zhuǎn)換和D/A轉(zhuǎn)換。PLC廠商生產(chǎn)配套的A/D和D/A轉(zhuǎn)換模塊，使PLC可以用于模擬控制。

(3)運(yùn)動控制

PLC可用于控制圓周運(yùn)動或直線運(yùn)動。從控制機(jī)構(gòu)的配置來看，早期是直接用于開關(guān)I/O模塊連接位置傳感器和執(zhí)行器?，F(xiàn)在一般采用專用的運(yùn)動控制模塊，可以驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)的單軸或多軸位置控制模塊。世界各大PLC廠商的產(chǎn)品幾乎都具有運(yùn)動控制功能，廣泛應(yīng)用于各種機(jī)器、機(jī)床、機(jī)器人、電梯等場合。

(4)過程控制

過程控制是指對溫度、壓力、流量等模擬量的閉環(huán)控制，廣泛應(yīng)用于冶金、化工、熱處理、鍋爐控制等場合。PLC作為工業(yè)控制計算機(jī)，可以編制各種控制算法程序，完成閉環(huán)控制。PID調(diào)節(jié)是一般閉環(huán)控制系統(tǒng)中廣泛使用的調(diào)節(jié)方法。大中型PLC都有PID模塊，目前很多小型PLC也有這個功能模塊。一般PID處理是運(yùn)行一個特殊的PID子程序。

(5)數(shù)據(jù)處理

現(xiàn)代PLC具有數(shù)學(xué)運(yùn)算(包括矩陣運(yùn)算、函數(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算)、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、排序、查表和位操作等功能。它可以完成數(shù)據(jù)采集、分析和處理。這些數(shù)據(jù)可以與存儲在存儲器中的參考值進(jìn)行比較，從而完成某些控制操作；它也可以通過通信功能傳輸?shù)狡渌悄茉O(shè)備，或者它們可以被打印和制成表格。數(shù)據(jù)處理一般用于大型控制系統(tǒng)，如無人駕駛?cè)嵝灾圃煜到y(tǒng)；也可用于過程控制系統(tǒng)，如造紙、冶金、食品等行業(yè)的一些大型控制系統(tǒng)。

(6)通信和聯(lián)網(wǎng)

PLC的通信包括PLC之間的通信和PLC與其他智能設(shè)備之間的通信。隨著計算機(jī)控制的發(fā)展，工廠自動化網(wǎng)絡(luò)發(fā)展迅速。各PLC廠商都非常重視PLC的通信功能，紛紛推出自己的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。新生產(chǎn)的PLC都有通訊接口，通訊非常方便。都推出了自己的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。新生產(chǎn)的PLC都有通訊接口，通訊非常方便。

PLC的基本結(jié)構(gòu)和工作原理

PLC作為一種工業(yè)控制計算機(jī)，其結(jié)構(gòu)與普通計算機(jī)相似。但由于場合和目的不同，在結(jié)構(gòu)上也有一些差異。

1.1的硬件組成?？删幊踢壿嬁刂破?Programmable Logic Controller)

PLC硬件系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如下:

PLC主機(jī)由CPU、存儲器(EPROM、RAM)、輸入/輸出單元、外圍I/O接口、通信接口和電源組成。對于集成PLC，這些組件都在同一個機(jī)柜中。對于模塊化PLC，每個組件都是獨(dú)立封裝的，稱為一個模塊，每個模塊通過一個機(jī)架和一根電纜連接在一起。主機(jī)的各個部分通過電源總線、控制總線、地址總線和數(shù)據(jù)總線連接。根據(jù)實(shí)際控制對象的需要，配備一定的外部設(shè)備，形成不同的PLC控制系統(tǒng)。常用的外部設(shè)備包括編程器、打印機(jī)、EPROM寫入器等。PLC可配置通信模塊，與上位機(jī)和其他PLC進(jìn)行通信，形成PLC的分布式控制系統(tǒng)。

下面介紹PLC的組成和功能，以便用戶進(jìn)一步了解PLC的控制原理和工作過程。

(1)中央處理器

CPU是PLC的控制中心，PLC在CPU的控制下有條不紊地協(xié)調(diào)工作，實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場各設(shè)備的控制。CPU由微處理器和控制器組成，可以實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算和數(shù)學(xué)運(yùn)算，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)各部分的工作。

控制器的作用是控制整個微處理器的各個部分有序工作，其基本功能是從存儲器中讀取并執(zhí)行指令。

(2)記憶

PLC配有兩種存儲器，即系統(tǒng)存儲器和用戶存儲器。內(nèi)存是用來存儲系統(tǒng)管理程序的，用戶不能訪問和修改這部分內(nèi)存的內(nèi)容。用戶使用存儲器來存儲編譯后的應(yīng)用程序和工作數(shù)據(jù)狀態(tài)。用戶內(nèi)存中存儲工作數(shù)據(jù)狀態(tài)的部分也稱為數(shù)據(jù)存儲區(qū)，包括輸入/輸出數(shù)據(jù)映射區(qū)、預(yù)置數(shù)和定時器/計數(shù)器當(dāng)前值的數(shù)據(jù)區(qū)、存儲中間結(jié)果的緩沖區(qū)。

PLC的存儲器主要包括以下內(nèi)容:

A.只讀內(nèi)存

B.程控只讀存儲器

C.可擦除可編程只讀存儲器

D.電可擦除可編程只讀存儲器

E.隨機(jī)存取存儲器

(3)輸入/輸出模塊

A.開關(guān)輸入模塊

開關(guān)輸入設(shè)備是各種開關(guān)、按鈕、傳感器等。PLC的輸入類型通常可以是DC、交流和交流-DC。輸入電路的電源可以由外部提供，也可以由PLC內(nèi)部提供。

B.開關(guān)輸出模塊

輸出模塊的作用是將CPU在執(zhí)行用戶程序時輸出的TTL電平控制信號轉(zhuǎn)換成生產(chǎn)現(xiàn)場需要的信號，可以驅(qū)動特定的設(shè)備，從而驅(qū)動執(zhí)行器的動作。

(4)程序員

編程器是PLC的重要外部設(shè)備，用于將用戶程序發(fā)送到PLC的用戶程序存儲器中，調(diào)試程序，監(jiān)控程序的執(zhí)行過程。程序員在結(jié)構(gòu)上可分為以下三種類型:

A.簡單程序員

B.圖形程序員

C.通用計算機(jī)程序員

(5)電源

電源單元的作用是將外部電源(220V交流電源)轉(zhuǎn)換為內(nèi)部工作電壓。外部電源通過PLC內(nèi)部專用的開關(guān)式穩(wěn)壓電源，將交流/DC電源轉(zhuǎn)換為PLC內(nèi)部電路所需的工作電源(5V DC、12V DC、24V DC)，為外部輸入元件(如接近開關(guān))提供24V DC電源(僅用于輸入端子)。驅(qū)動PLC負(fù)載的電源由用戶提供。

(6)外圍接口

外圍電路用于連接手持編程器或其他圖形編程器和文本顯示器，并可通過外圍接口組成PLC控制網(wǎng)絡(luò)。利用PLC PC/PPI電纜或MPI卡通過RS-485接口與計算機(jī)連接，可實(shí)現(xiàn)編程、監(jiān)控、聯(lián)網(wǎng)等功能。

2.軟件組成2?？删幊踢壿嬁刂破?Programmable Logic Controller)

PLC軟件由系統(tǒng)程序和用戶程序組成。

系統(tǒng)的程序由PLC制造商設(shè)計和編寫，并存儲在PLC的系統(tǒng)存儲器中。用戶不能直接讀取、寫入或更改它。通常，系統(tǒng)程序包括系統(tǒng)診斷程序、輸入處理程序、編譯程序、信息傳輸程序和監(jiān)控程序。

PLC的用戶程序是用戶利用PLC的編程語言，根據(jù)控制要求編制的程序。在PLC的應(yīng)用中，最重要的是利用PLC的編程語言編寫用戶程序，達(dá)到控制的目的。由于PLC是專門為工業(yè)控制開發(fā)的設(shè)備，其主要用戶是電氣技術(shù)人員。為了滿足他們的傳統(tǒng)習(xí)慣和掌握能力，PLC的主要編程語言是一種比計算機(jī)語言相對簡單、易懂、生動的特殊語言。

A.圖形指令結(jié)構(gòu)

B.顯式變量常數(shù)

C.簡化程序結(jié)構(gòu)

D.簡化應(yīng)用軟件的生成過程

E.加強(qiáng)調(diào)試手段。

PLC的基本工作原理

PLC掃描的工作模式主要分為三個階段，即輸入采樣階段、用戶程序執(zhí)行階段和輸出刷新階段。如圖所示。

1.輸入采樣級

在輸入采樣階段，PLC通過掃描依次讀入所有的輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并存儲在I/O圖像區(qū)的相應(yīng)單元中。輸入采樣后，進(jìn)入用戶程序執(zhí)行和輸出刷新階段。在這兩個階段中，即使輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)發(fā)生變化，I/O映射區(qū)中相應(yīng)單元的狀態(tài)和數(shù)據(jù)也不會發(fā)生變化。因此，如果輸入信號是脈沖信號，則脈沖信號的寬度必須大于一個掃描周期，以確保在任何情況下都可以讀取輸入。

2.用戶程序執(zhí)行階段

在用戶程序執(zhí)行階段，PLC總是從上到下掃描用戶程序(梯形圖)。掃描每個梯形圖時，總是先掃描梯形圖左側(cè)觸點(diǎn)組成的控制電路，按照先左后右、先上后下的順序?qū)τ|點(diǎn)組成的控制電路進(jìn)行邏輯運(yùn)算。然后，根據(jù)邏輯運(yùn)算的結(jié)果，刷新系統(tǒng)RAM存儲區(qū)中邏輯線圈對應(yīng)位的狀態(tài)或I/O映射區(qū)中輸出線圈對應(yīng)位的狀態(tài)，或者確定是否執(zhí)行梯形圖中指定的特殊功能指令。即在用戶程序執(zhí)行過程中，只有I/O映像區(qū)中輸入點(diǎn)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)不會發(fā)生變化，而I/O映像區(qū)或系統(tǒng)ram存儲區(qū)中其他輸出點(diǎn)和軟設(shè)備的狀態(tài)和數(shù)據(jù)可能會發(fā)生變化，最上面梯形圖的程序執(zhí)行結(jié)果會在最下面使用這些線圈或數(shù)據(jù)的梯形圖中發(fā)揮作用；相反，對于底部的梯形圖，邏輯線圈的刷新狀態(tài)或數(shù)據(jù)只能作用于頂部的梯形圖，直到下一個掃描周期。

3.輸出刷新階段

用戶程序掃描完成后，PLC進(jìn)入輸出刷新階段。在此期間，CPU根據(jù)I/O鏡像區(qū)中相應(yīng)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)刷新所有的輸出鎖存電路，然后通過輸出電路驅(qū)動相應(yīng)的外設(shè)。這時候才是PLC真正的輸出。

輸入/輸出滯后現(xiàn)象

從PLC的工作過程中，可以總結(jié)出以下結(jié)論:

1.當(dāng)通過掃描執(zhí)行程序時，輸入/輸出信號之間的邏輯關(guān)系原則上是滯后的。掃描周期越長，滯后越嚴(yán)重。

2.掃描周期不僅包括輸入采樣階段、用戶程序執(zhí)行階段和輸出刷新階段占用的時間，還包括系統(tǒng)管理操作占用的時間。其中，程序的執(zhí)行時間與程序的長度和指令操作的復(fù)雜程度有關(guān)，其他基本不變。掃描周期通常為納秒。

3.當(dāng)在第n次掃描中執(zhí)行程序時，基于它的輸入數(shù)據(jù)是該掃描周期中采樣階段的掃描值X?；谒妮敵鰯?shù)據(jù)包括上次掃描的輸出值Y(n-1)和本次掃描的輸出值Yn。n是發(fā)送到輸出端的信號，這是這次執(zhí)行所有操作后的最終結(jié)果Yn。

4.輸入/輸出響應(yīng)滯后不僅與掃描模式有關(guān)，還與編程安排有關(guān)。