认识可编程序控制器

ID:51090 · 发表于 2014-9-18 13:20

每当我们打开电气控制柜(箱)的时候，映入眼帘的是一个长方的，上面拖着好多线，还有一些灯正在眨“眼”的家伙，如图1所示。这是什么呢？噢！原来是台可编程序控制器。听说这个东西原本是个洋玩艺，人家管它叫Programmable Logic Controller ，昵称它为PLC。自从世界上第一台PLC----Modicon诞生于美国马萨诸塞州至今，已有40年了。但现在我们本土产的也逐渐多了，用得也广了。如果你是做电气或电器这行的，不了解、掌握它的话，很有可能在将来某一天被那PLC“驱逐”出这一行。

（a）

(b)

图1 运行中的PLC

一．可编程序控制器的由来与发展
早在40年前，汽车生产流水线大多用上了由继电器-接触器控制构成的自动控制系统。这类电气控制装置的输入信号有按钮、开关、时间继电器、压力继电器、温度继电器等；输出信号有继电器、接触器、电磁阀等。这些信号只有闭合与断开两种工作状态，这类物理量被称为开关量或数字信号。当时这种控制系统算是一种比较先进的控制装置，但是随着生产的发展，汽车型号更新愈来愈频繁，每一次改型都直接导致继电器控制装置的重新设计和安装。这样，继电器控制装置就需要经常地重新设计和安装，费时费工，接线复杂，故障率高，可靠性差，甚至影响到更新周期。为了改变这一现状，美国通用汽车公司在1969 年公开招标，要求用新的控制装置取代继电器控制装置，并针对当时的控制要求提出了十项指标：
①编程方便，可现场修改程序；
②维修方便采用模块化接插件结构；
③可靠性高于继电器控制装置；
④体积小于继电器控制装置；
⑤数据可直接送入管理计算机；
⑥成本可与继电器控制装置竞争；
⑦ 输入可以是交流115V；
⑧输出为交流115V 2A 以上，能直接驱动电磁阀、接触器等；
⑨在扩展时原系统只要很小变更；
⑩用户程序存储器容量至少能扩展到4K。
总之，要用程序取代硬接线，输入/输出电平可与外部装置直接相联、结构易于扩展等是该控制装置的核心。
1969 年，美国数字设备公司（DEC）按照通用公司指标研制出第一台PDP-14可编程序控制器，并在美国通用汽车自动装配线上试用，获得了成功。这种新型的工业控制装置用计算机作为核心设备，用存储的程序控制代替了原来的接线程序控制。由于当时主要用于顺序控制，只能进行逻辑运算，故称为可编程序控制器。图2是顺序控制两种方式的比较。

图2 顺序控制两种方式比较

可编程序控制器以其简单易懂，操作方便，可靠性高，通用灵活，体积小，使用寿命长等一系列优点，很快地在美国其他工业领域推广应用。到1971 年，日本从美国引进了这项技术，很快研制成功了日本第一台DCS-8可编程序控制器。并成功地应用于食品、饮料、冶金、造纸等工业。1973年～1974年徳国和法国也研制出了可编程序控制器。我国于1977年研制成功了以MC14500微处理器为核心的可编程序控制器。到上世纪80年代，我国已能够生产中小型可编程控制器，如上海机床电器厂的CKY系列、上海东屋电气有限公司生产的CF系列、杭州机床电器厂生产的DKK及D系列、大连组合机床研究所生产的S系列、苏州电子计算机厂生产的YZ-PC系列等多种产品已具备了一定的规模，并在工业产品中获得了应用。此外无锡华光公司、上海香岛公司的ACMY-S系列等中外合资企业也是中国比较著名的可编程控制器生产厂家。
可编程序控制器的最初引进始于七十年代末、八十年代初，当时的宝钢一期工程，在多个工程单元中，从几个不同的外商那里引进了十几种机型共200台左右可编程序控制器。继宝钢一期后，国内的许多部门引进了类似的使用可编程序控制器进行自动控制的生产线。不仅应用于冶金工业，而且应用于石油、化工、建材、轻工等部门。如秦皇岛煤二期和煤三期、冀东水泥厂、天津石油化纤厂、北京吉普汽车生产线、广州的啤酒生产线等，这些生产线中都使用了可编程序控制器代替原有的继电器逻辑顺序控制系统。
国际电工委员会（IEC）对PLC作了如下的定义：“PLC是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。”

二．可编程序控制器的结构与工作原理
可编程序控制器虽然外观各异，但其硬件结构大体相同。主要由中央处理器(CPU)、存储器（RAM、ROM）、输入输出器件（I/O接口）、电源等几大部分构成。PLC的硬件结构框图如图3所示。

图3 PLC结构框图

1．中央处理器（CPU）
中央处理器是可编程控制器的核心，它在系统程序的控制下，完成逻辑运算、数学运算、协调系统内部各部分工作等任务。可编程控制器中采用的CPU一般有三大类：一类为通用微处理器，如80286、80386等；一类为单片机芯片，如8051、8096等；另外还有位处理器，如AMD2900、AMD2903等。一般说来，可编程控制器的档次越高，CPU的位数也越多，运算速度也越快，指令功能也越强。为了提高PLC的性能，也有的一台PLC采用了多个CPU。
2．存储器
存储器是可编程序控制器存放系统程序、用户程序及运算数据的单元。和计算机一样，可编程控制器的存储器可分为只读存储器（ROM）和随机读书存储器（RAM）两大类。只读存储器是用来存放永久保存的系统程序，一般为掩膜只读存储器和可编程电改写只读存储器。随机读写存储器的特点是写入与擦除都很容易，但在掉电情况下存储的数据会丢失，一般用来存放用户程序及系统运行中产生的临时数据。为了能使用用户程序及某些运算数据在可编程控制器脱离外界电源后也能保持，机内随机读写存储器均配备了电池或电容等掉电保持装置。
可编程控制器的存储器区域按用途不同，又可分为程序区及数据区。程序区是用来存放用户程序的区域，一般有数千个字节。用来存放用户数据的区域一般较小，在数据区中，各类数据存放的位置都有严格的划分。由于可编程控制器是为熟悉继电器-接触器控制系统的电气技术人员使用的，可编程序控制器的数据单元都叫做继电器，如输入继电器、时间继电器、计数器等。不同用途的继电器在存储区中占有不同的区域。每个存储单元有不同的地址编号。
3．输入输出接口
输入输出接口是可编程序控制器和工业控制现场各类信号连接的部分。输入接口用来接受生产过程的各种参数。输出接口用来送出可编程控制器运算后得出的控制信息，并通过机外的执行机构完成工业现场的各类控制。生产现场对可编程控制器接口的要求一是要有较好的抗干扰能力，二是能满足工业现场各类信号的匹配要求，因此厂家为可编程序控制器设计了不同的接口单元。主要有以下几种：
⑴开关量输入接口
其作用是把现场的开关量信号变成可编程控制器内部处理的标准信号。开关量输入接口按可接收的外部信号电源的类型不同，分为直流输入单元和交流输入单元。如图4所示。

(a) 开关输入

(b) 交直流输入

图4 开关量输入接口

输入接口中都有滤波电路及耦合隔离电路。滤波有抗干扰的作用，耦合有抗干扰及产生标准信号的作用。图中输入口的电源部分都画在了输入口外（虚线框外），这是分体式输入口的画法，在一般单元式可编程控制器中输入口都使用可编程控制器本身的直流电源供电，不再需要外接电源。
⑵开关量输出接口
其作用是把可编程控制器内部的标准信号转换成现场执行机构所需要的开关量信号。开关量输出接口内部参考电路如图5所示，图(a)输出接口为继电器型、图(b)输出接口为晶体管型，图(c)输出接口为可控硅型。

(a) 继电器输出型

(b) 晶体管输出型

(c) 可控硅输出型

图5 开关量输出接口

从图中看出，各类输出接口中也都具有光电耦合电路。特别要指出的是，输出接口本身都不带电源。而且在考虑外驱动电源时，还需考虑输出器件的类型。继电器式的输出接口可用于交流及直流两种电源，但接通、断开的频率低，晶体管式的输出接口有较高的接通、断开频率，但只适用于直流驱动的场合，可控硅型的输出接口仅适用于交流驱动场合。
⑶模拟量输入接口
其作用是把现场连续变化的模拟量标准信号转换成适合可编程控制器内部处理的二进制数字信号。模拟量输入接口接收标准模拟电压或电流信号均可。标准信号是指符合国际标准的通用交互用电压电流信号值，如4~20mA的直流电流信号，1~10V的直流电压信号等处理才能使用，图6是模拟量输入接口的内部电路框图。模拟量信号输入后一般经运算放大器放大后进行A/D转换，再经光电耦合后为可编程控制器提供一定位数的数字量信号。

图6模拟量输入电路原理框图

⑷模拟量输出接口
它的作用是将可编程控制器运算处理后的若干位数字量信号转换为相应的模拟量信号输出，以满足生产过程现场连续控制信号的需要。模拟量输出接口一般由光电隔离、D/A转换和信号驱动等环节组成。其原理框图见图7。模拟量输入输出接口一般安装在专门的模拟量工作单元上。

图7 模拟量输出电路原理框图

4．电源
可编程控制器的电源包括为可编程控制器各工作单元供电的开关电源及为掉电保护电脑供电的后备电源，后备电源一般为电池。
PLC对用户程序的执行过程是通过CPU的周期循环扫描并采用集中采样、集中输出的方式来完成的。当PLC开始运行时，首先清除输入寄存器状态表的原有内容，然后进行自诊断，自检CPU及I/O组件，确认其工作正常后，开始循环扫描。循环扫描分三个阶段，如图8所示。

图8 循环扫描三个阶段

每次从读入输入状态到发出输出信号的这段时间称为扫描周期。扫描周期的长短随PLC本身的时钟频率及用户程序的长短而有所不同，由于扫描速度很快，大约一个扫描周期通常为十到几十毫秒，对一般工业被控对象来说，扫描过程几乎是与输入同时完成的。
在一个扫描周期中，输入采样工作只在输入处理阶段进行，对全部输入端扫描一遍并记下它们的状态后，即进入程序处理阶段，此时不管输入端的状态作任何改变，输入状态表不会变化，直到下一个循环的输入处理阶段才根据当时扫描到的状态予以刷新。这种集中采样、集中输出的工作方式使PLC在运行中的绝大部分时间实质上与外部设备是隔离的，这就从根本上提高了PLC的抗干扰能力，提高了可靠性。
三．可编程序控制器的分类与应用
PLC的分类通常从三个方面进行：从控制规模大小来分；从性能高低来分；从结构特点来分。
1．按PLC的控制规模分为大型机、中型机、小型机和微型机。
PLC产品若其按输入输出接线端子个数（I/O总点数）和可以储存的程序步数（一步就是执行一条指令）多少分为微型机、小型机、中型机和大型机。
微型机：I/O总点数不超过20，程序步数为300~1000的PLC。微型机的体积小、重量轻、功能简单，常使用于机械人的关节控制，以及家庭自动化、小型机械自动化装置中。
小型机：I/O总点数为20~128，程序步数小于2000的PLC。小型机具有逻辑运算、算术运算、定时、计数、数据处理和传送、通信联络等多种应用指令。小型机一般用来代替继电器—接触器控制系统，作为单机控制或简单生产过程的控制装置。由于价格便宜、使用广泛，小型机是当前产量最大的，甚至一些中型机和大型机的CPU模块可以单独作为小型机使用。
中型机：I/O总点数为128~512，程序步数为2000~8000的PLC。中型机一般采用模块化机架结构。这种机型由主机（CPU模块）和可选的特殊功能模块组成。特殊功能模块包括：I/O点扩展模块、AD/DA模块、数字计算、过程参数调节（PID—比例-积分-微分调节）、定时器以及计数器等。既可以单独使用CPU模块，也可以用特殊功能模块增强CPU模块的功能，十分灵活。中型机主要应用于较为复杂的控制系统中，特别是那些控制功能根据需要逐步增强的控制系统。
大型机：I/O总点数为512~8192，程序步数大于8000的PLC，比中型机增加了联网通信、监视、打印、磁盘存储、记录、中断控制、智能控制以及远程控制功能。有的大型机还使用了32位多CPU并行处理技术，存储容量达到数兆字节，工作速度极快，可以达到小于100ms/KB。大型机主要使用于大型自动化制造网络中以实现实时控制。
2．按PLC的控制性能分类
PLC可以分为高档机、中档机和低档机。
（1）低档机这类PLC具有基本的控制功能和一般的运算能力，工作速度比较低，能带的输入和输出模块的数量比较少，输入和输出模块的种类也比较少。这类PLC只适合于小规模的简单控制。在联网中一般适合做从站使用。比如，日本OMRON公司生产的C60P就属于这一类。
（2）中档机这类PLC具有较强的控制功能和较强的运算能力。它不仅能完成一般的逻辑运算，也能完成比较复杂的三角函数、指数和PID运算，工作速度比较快，能带的输入输出模块的数量也比较多，输入和输出模块的种类也比较多。这类PLC不仅能完成小型的控制，也可以完成较大规模的控制任务。在联网中可以做从站，也可以做主站。比如，德国SIEMENS公司生产的S7-300就属于这一类。
（3）高档机这类PLC具有强大的控制功能和强大的运算能力。它不仅能完成逻辑运算、三角函数运算、指数运算和PID运算，还能进行复杂的矩阵运算，工作速度很快，能带的输入输出模块的数量很多，输入和输出模块的种类也很全面。这类PLC不仅能完成中等规模的控制工程，也可以完成规模很大的控制任务，在联网中一般作主站使用。比如，德国SIEMENS公司生产的S7-400就属于这一类。
3．按PLC的结构分类
可分为整体式、组合式、叠装式和板式四类。
（1）整体式。整体式结构的PLC把电源、CPU、存储器、I/O系统都集成在一个单元内，该单元叫做基本单元。一个基本单元就是一台完整的PLC，可以实现各种控制。控制点数不符合需要时，可再接扩展单元，扩展单元不带CPU。由基本单元和若干扩展单元组成较大的系统。整体式结构的特点是非常紧凑、体积小、成本低、安装方便，其缺点是输入与输出点数有限定的比例。小型机多为整体式结构。例如，OMRON公司的C60P为整体式结构，如图9所示。

图9

（2）组合式。组合式结构的PLC是把PLC系统的各个组成部分按功能分成若干个模块，如CPU模块、输入模块、输出模块、电源模块等等。其中各模块功能比较单一，模块的种类却日趋丰富。比如，一些PLC，除了一些基本的I/O模块外，还有一些特殊功能模块，像温度检测模块、位置检测模块、PID控制模块，通信模块等等。组合式结构的PLC采用搭积木的方式，在一块基板上插上所需模块组成控制系统。组合式结构的PLC特点是CPU、输入、输出均为独立的模块，模块尺寸统一，安装整齐，I/O点选型自由、安装调试、扩展、维修方便。中型机和大型机多为组合式结构。例如，SIEMENS公司S7-400PLC就属于组合式结构，如图10所示。

图10

（3）叠装式。叠装式结构集整体式结构的紧凑、体积小、安装方便和组合式结构的I/O点搭配灵活、模块尺寸统一、安装整齐的优点于一身。它也是由各个单元的组合构成。其特点是CPU自成独立的基本单元（由CPU和一定的I/O点组成），其他I/O模块为扩展单元。在安装时不用基板，仅用电缆进行单元间的连接，各个单元可以一个个地叠装，使系统达到配置灵活、体积小巧。例如SIEMENS公司的S7-200PLC就是采用了叠装式结构的小型PLC，如图11所示。

图11

⑷板式。板式结构、功能和特点与整体式结构类似。同样把电源、CPU、存储器、I/O系统都安装在同一块印制电路板上，但省去了外壳，元器件直接裸露在外面。与其他三种相比，最显著的特点是成本低、价格便宜。图12就是一款板式结构的PLC。

图12

PLC最初的应用是取代以前的继电器顺序控制方式，主要用于现场单机设备控制。而目前的PLC支持现场总线、工业以太网等网络通信技术，并能独立构建大中型控制系统，从功能和速度上都有质的飞跃。当今的PLC功能已经超出了逻辑控制的范围，在一些化工厂、电厂和钢厂等一些大型的PLC系统，从功能上替代了DCS系统。尽管PLC的性能和应用范围有大幅度的扩展，但是小型PLC仍然是市场的主流，在数量上占总数的90%以上。
虽然PLC通信功能的增强，小型PLC在系统集成中的应用已越来越多，但主流应用依然以单机设备的自动化控制为主。且由于不同品牌的市场策略、系统集成能力，不同产品的市场定位和性能的不同，在各个设备制造业的应用表现也有不同。机床、电梯、印刷机械行业中主要是三菱；起重机械行业中主要是西门子、三菱；纺织行业中主要是西门子、欧姆龙、三菱；包装机械中主要是三菱、欧姆龙、西门子、松下；塑料、烟草机械中主要是西门子；橡胶机械中主要是欧姆龙、西门子、三菱。
广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业的PLC，其使用主要分为如下几类：
⑴开关量逻辑控制。取代传统的继电器电路，实现逻辑控制，顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。
⑵工业过程控制。在工业生产过程当中，存在一些如温度压力、流量、液位和速度等连续变化的量（即模拟量），PLC采用相应的A/D和D/A转换模块及各种各样的控制算法程序来处理模拟量，完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的一种调节方法。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。
⑶运动控制。PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。一般使用专用的运动控制模块，如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。
⑷数据处理。PLC具有数学运算（含矩形运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。数据处理一般用于如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。
⑸通信及联网。PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。随着工厂自动化网络的发展，现在的PLC都具有通信接口，通信非常方便。

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