可編程控制器簡介

1、可編程控制器背景知識1、歷史上世紀60年代，計算機技術(shù)已開始應(yīng)用于工業(yè)控制了。但由于計算機技術(shù)本身的復雜性，編程難度高、難以適應(yīng)惡劣的工業(yè)環(huán)境以及價格昂貴等原因，未能在工業(yè)控制中廣泛應(yīng)用。當時的工業(yè)控制，主要還是以繼電一接觸器組成控制系統(tǒng)。1968年，美國最大的汽車制造商一一通用汽車制造公司（GM,為適應(yīng)汽車型號的不斷翻新，試圖尋找一種新型的工業(yè)控制器，以盡可能減少重新設(shè)計和更換繼電器控制系統(tǒng)的硬件及接線、減少時間，降低成本。因而設(shè)想把計算機的完備功能、靈活及通用等優(yōu)點和繼電器控制系統(tǒng)的簡單易懂、操作方便、價格便宜等優(yōu)點結(jié)合起來，制成一種適合于工業(yè)環(huán)境的通用控制裝置，并把計算機的編程方法和程序

2、輸入方式加以簡化，用“面向控制過程，面向?qū)ο蟆钡摹白匀徽Z言”進行編程，使不熟悉計算機的人也能方便地使用。即：硬件：減少軟件：靈活簡單針對上述設(shè)想，通用汽車公司提出了這種新型控制器所必須具備的十大條件：1編程簡單，可在現(xiàn)場修改程序、2維護方便，最好是插件式3可靠性高于繼電器控制柜4體積小于繼電器控制柜5可將數(shù)據(jù)直接送入管理計算機.GM1磔6在成本上可與繼電器控制柜競爭(7輸入可以是交流115V8輸由可以是交流115V,2A以上，可直接驅(qū)動電磁閥9在擴展時，原有系統(tǒng)只要很小變更10用戶程序存儲器容量至少能擴展到4K字節(jié)J1969年，美國數(shù)字設(shè)備公司(GEC首先研制成功第一臺可編程序控制器，并在通用

3、汽車公司的自動裝配線上試用成功，從而開創(chuàng)了工業(yè)控制的新局面。接著，美國MODICO淤司也開發(fā)出可編程序控制器084。1971年，日本從美國引進了這項新技術(shù)，很快研制出了日本第一臺可編程序控制器DSC-&1973年，西歐國家也研制出了他們的第一臺可編程序控制器。我國從1974年開始研制，1977年開始工業(yè)應(yīng)用。早期的可編程序控制器是為取代繼電器控制線路、存儲程序指令、完成順序控制而設(shè)計的。主要用于：1.邏輯運算2.計時，計數(shù)等順序控制，均屬開關(guān)量控制。所以，通常稱為可編程序邏輯控制器(PLCProgrammableLogicController)。進入70年代，隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，PLC采用了

4、通用微處理器，這種控制器就不再局限于當初的邏輯運算了，功能不斷增強。因此，實際上應(yīng)稱之為PC-可編程序控制器。至80年代，隨大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路等微電子技術(shù)的發(fā)展，以16位和32位微處理器構(gòu)成的微機化PC得到了驚人白發(fā)展。使PC在概念、設(shè)計、性能、價格以及應(yīng)用等方面都有了新的突破。不僅控制功能增強，功耗和體積減小，成本下降，可靠性提高，編程和故障檢測更為靈活方便，而且隨著遠程I/O和通信網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)處理以及圖象顯示的發(fā)展，使PC向用于連續(xù)生產(chǎn)過程控制的方向發(fā)展，成為實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)自動化的一大支柱。2、名稱可編程序控制器一直在發(fā)展中，所以至今尚未對其下最后的定義。國際電工學會(IEC)曾先后于1

5、982.11;1985.1和1987.2發(fā)布了可編程序控制器標準草案的第一，二，三稿。在第三稿中，對PLC作了如下定義：可編程序控制器是一種數(shù)字運算操作電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計。它采用了可編程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、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)字的，模擬的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程?？删幊绦蚩刂破骷捌溆嘘P(guān)的外圍設(shè)備，都應(yīng)按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體、易于擴充其功能的原則設(shè)計。定義強調(diào)了PLC是：1數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)一一也是一種計算機2專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計3面向用戶指令一一編程方便4邏輯運算、順序控制、定時計算和算

6、術(shù)操作5數(shù)字量或模擬量輸入輸出控制6易與控制系統(tǒng)聯(lián)成一體7易于擴充3、特點為適應(yīng)工業(yè)環(huán)境使用，與一般控制裝置相比較，PLC機有以下特點：1.可靠性高，抗干擾能力強工業(yè)生產(chǎn)對控制設(shè)備的可靠性要求：平均故障間隔時間長故障修復時間（平均修復時間）短任何電子設(shè)備產(chǎn)生的故障，通常為兩種：偶發(fā)性故障。由于外界惡劣環(huán)境如電磁干擾、超高溫、超低溫、過電壓、欠電壓、振動等引起的故障。這類故障，只要不引起系統(tǒng)部件的損壞，一旦環(huán)境條件恢復正常，系統(tǒng)也隨之恢復正常。但對PC而言，受外界影響后，內(nèi)部存儲的信息可能被破壞。永久性故障。由于元器件不可恢復的破壞而引起的故障。如果能限制偶發(fā)性故障的發(fā)生條件，如果能使PC在惡劣

7、環(huán)境中不受影響或能把影響的后果限制在最小范圍，使PC在惡劣條件消失后自動恢復正常，這樣就能提高平均故障間隔時間；如果能在PC上增加一些診斷措施和適當?shù)谋Ｗo手段，在永久性故障出現(xiàn)時，能很快查出故障發(fā)生點，并將故障限制在局部，就能降低PC的平均修復時間。為此，各PC的生產(chǎn)廠商在硬件和軟件方面采取了多種措施，使PC除了本身具有較強的自診斷能力，能及時給出出錯信息，停止運行等待修復外，還使PC具有了很強的抗干擾能力。硬件措施：主要模塊均采用大規(guī)?；虺笠?guī)模集成電路，大量開關(guān)動作由無觸點的電子存儲器完成，I/O系統(tǒng)設(shè)計有完善的通道保護和信號調(diào)理電路。屏蔽一一對電源變壓器、CPU編程器等主要部件，采用導電

8、、導磁良好的材料進行屏蔽，以防外界干擾。濾波一一對供電系統(tǒng)及輸入線路采用多種形式的濾波，如LC或兀型濾波網(wǎng)絡(luò)，以消除或抑制高頻干擾，也削弱了各種模塊之間的相互影響。電源調(diào)整與保護一一對微處理器這個核心部件所需的+5V電源，采用多級濾波，并用集成電壓調(diào)整器進行調(diào)整，以適應(yīng)交流電網(wǎng)的波動和過電壓、欠電壓的影響。隔離一一在微處理器與I/O電路之間，采用光電隔離措施，有效地隔離I/O接口與CPUfe：間電的聯(lián)系，減少故障和誤動作；各I/O口之間亦彼此隔離。采用模塊式結(jié)構(gòu)一一這種結(jié)構(gòu)有助于在故障情況下短時修復。一旦查出某一模塊出現(xiàn)故障，能迅速更換，使系統(tǒng)恢復正常工作；同時也有助于加快查找故障原因。軟件措

9、施：有極強的自檢及保護功能。故障檢測一一軟件定期地檢測外界環(huán)境，如掉電、欠電壓、鋰電池電壓過低及強干擾信號等。以便及時進行處理。信息保護與恢復一一當偶發(fā)性故障條件出現(xiàn)時，不破壞PC內(nèi)部的信息。一旦故障條件消失，就可恢復正常，繼續(xù)原來的程序工作。所以，PC在檢測到故障條件時，立即把現(xiàn)狀態(tài)存入存儲器，軟件配合對存儲器進行封閉，禁止對存儲器的任何操作，以防存儲信息被沖掉。設(shè)置警戒時鐘WD-看門狗）一一如果程序每循環(huán)執(zhí)行時間超過了WD僦定的時間，預(yù)示了程序進入死循環(huán)，立即報警。加強對程序的檢查和校驗一一一旦程序有錯，立即報警，并停止執(zhí)行。對程序及動態(tài)數(shù)據(jù)進行電池后備一一停電后，利用后備電池供電，有關(guān)狀

10、態(tài)及信息就不會丟失。PC的出廠試驗項目中，有一項就是抗干擾試驗。它要求能承受幅值為1000V,上升時間1nS,脈沖寬度為1S的干擾脈沖。一般，平均故障間隔時間可達幾十萬上千萬小時；制成系統(tǒng)亦可達45萬小時甚至更長時間。2 .通用性強，控制程序可變，使用方便PLC品種齊全的各種硬件裝置，可以組成能滿足各種要求的控制系統(tǒng)，用戶不必自己再設(shè)計和制作硬件裝置。用戶在硬件確定以后，在生產(chǎn)工藝流程改變或生產(chǎn)設(shè)備更新的情況下，不必改變PC的硬設(shè)備，只需改編程序就可以滿足要求。因此，PC除應(yīng)用于單機控制外，在工廠自動化中也被大量采用。3 .功能強，適應(yīng)面廣現(xiàn)代PLC不僅有邏輯運算、計時、計數(shù)、順序控制等功能，

11、還具有數(shù)字和模擬量的輸入輸出、功率驅(qū)動、通信、人機對話、自檢、記錄顯示等功能。既可控制一臺生產(chǎn)機械、一條生產(chǎn)線，又可控制一個生產(chǎn)過程。4.編程簡單，容易掌握目前，大多數(shù)PC仍采用繼電控制形式的“梯形圖編程方式”。既繼承了傳統(tǒng)控制線路的清晰直觀，又考慮到大多數(shù)工廠企業(yè)電氣技術(shù)人員的讀圖習慣及編程水平，所以非常容易接受和掌握。梯形圖語言的編程元件的符號和表達方式與繼電器控制電路原理圖相當接近。通過閱讀PLC的用戶手冊或短期培訓，電氣技術(shù)人員和技術(shù)工很快就能學會用梯形圖編制控制程序。同時還提供了功能圖、語句表等編程語言。PLC在執(zhí)行梯形圖程序時，用解釋程序?qū)⑺g成匯編語言然后執(zhí)行（PC內(nèi)部增加了解

12、釋程序）。與直接執(zhí)行匯編語言編寫的用戶程序相比，執(zhí)行梯形圖程序的時間要長一些，但對于大多數(shù)機電控制設(shè)備來說，是微不足道的，完全可以滿足控制要求。5 .減少了控制系統(tǒng)的設(shè)計及施工的工作量由于PLC采用了軟件來取代繼電器控制系統(tǒng)中大量的中間繼電器、時間繼電器、計數(shù)器等器件，控制柜的設(shè)計安裝接線工作量大為減少。同時，PLC的用戶程序可以在實驗室模擬調(diào)試，更減少了現(xiàn)場的調(diào)試工作量。并且，由于PLC的低故障率及很強的監(jiān)視功能，模塊化等等，使維修也極為方便。6 .體積小、重量輕、功耗低、維護方便PLC是將微電子技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)設(shè)備的產(chǎn)品，其結(jié)構(gòu)緊湊，堅固，體積小，重量輕，功耗低。并且由于PLC的強抗干擾能力

13、，易于裝入設(shè)備內(nèi)部，是實現(xiàn)機電一體化的理想控制設(shè)備。以三菱公司的F1-40M型PLC為例：其外型尺寸僅為305x110X110mm重量2.3kg,功耗小于25VA而且具有很好的抗振、適應(yīng)環(huán)境溫、濕度變化的能力。現(xiàn)在三菱公司又有FX系列PLC與其超小型品種F1系列相比：面積為47%體積為36%在系統(tǒng)的配置上既固定又靈活，輸入輸出可達241284、應(yīng)用隨著PLC的性能價格比的不斷提高：微處理器的芯片及有關(guān)的元件價格大大降低，PC的成本下降PLC的功能大大增強，因而PLC的應(yīng)用日益廣泛。目前，PLC在國內(nèi)外已廣泛應(yīng)用于鋼鐵、采礦、水泥、石油、化工、電力、機械制造、汽車、裝卸、造紙、紡織、環(huán)保等各行各

14、業(yè)。其應(yīng)用范圍大致可歸納為以下幾種：1,開關(guān)量的邏輯控制一一這是PLC最基本、最廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。它取代傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)，實現(xiàn)邏輯控制、順序控制。開關(guān)量的邏輯控制可用于單機控制，也可用于多機群控，亦可用于自動生產(chǎn)線的控制等等。2 .運動控制一一PLC可用于直線運動或圓周運動的控制。早期直接用開關(guān)量I/O模塊連接位置傳感器和執(zhí)行機械，現(xiàn)在一般使用專用的運動模塊。目前，制造商已提供了拖動步進電機或伺服電機的單軸或多軸位置控制模塊。即：把描述目標位置的數(shù)據(jù)送給模塊，模塊移動一軸或多軸到目標位置。當每個軸運動時，位置控制模塊保持適當?shù)乃俣群图铀俣?，確保運動平滑。運動的程序可用PLC的語言完成，通過編

15、程器輸入。3 .閉環(huán)過程控制一一PLC通過模擬量的I/O模塊實現(xiàn)模擬量與數(shù)字量的A/D、D/A轉(zhuǎn)換，可實現(xiàn)對溫度、壓力、流量等連續(xù)變化的模擬量的PID控制。4 .數(shù)據(jù)處理一一現(xiàn)代的PLC具有數(shù)學運算（包括矩陣運算、函數(shù)運算、邏輯運算），數(shù)據(jù)傳遞、排序和查表、位操作等功能；可以完成數(shù)據(jù)的采集、分析和處理。數(shù)據(jù)處理一般用在大中型控制系統(tǒng)中；具有CNC力能：把支持順序控制的PLC與數(shù)字控制設(shè)備緊密結(jié)合。5 .通訊連網(wǎng)PLC的通訊包括PLC與PLC之間、PLC與上位計算機之間和它的智能設(shè)備之間的通訊。PLC和計算機之間具有RS-232接口，用雙絞線、同軸電纜將它們連成網(wǎng)絡(luò)，以實現(xiàn)信息的交換。還可以構(gòu)成

16、“集中管理，分散控制”的分布控制系統(tǒng)。I/O模塊按功能各自放置在生產(chǎn)現(xiàn)場分散控制，然后利用網(wǎng)絡(luò)聯(lián)結(jié)構(gòu)成集中管理信息的分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。并不是所有的PLC都具有上述的全部功能，有的小型PLC只具上述部分功能，但價格比較便宜。5、分類由于PLC的品種、型號、規(guī)格、功能各不相同，要按統(tǒng)一的標準對它們進行分類十分困難。通常，按I/O點數(shù)可劃分成大、中、小型三類；按功能強弱又可分為低檔機、中檔機和高檔機三類。一般，按I/O點數(shù)分類如下：1 .小型PLCI/O點數(shù)256點；單CPU8位或16位處理器、用戶存儲器容量4K字以下。如：GE-I型美國通用電氣（GE公司TI100美國德洲儀器公司F、F1、F2日本三

17、菱電氣公司C20C40日本立石公司（歐姆龍）S7-200德國西門子公司EX20EX40日本東芝公司SR-20/21中外合資無錫華光電子工業(yè)有限公司2 .中型PLCI/O點數(shù)2562048點；雙CPU用戶存儲器容量28K如：S7-300德國西門子公司SR-400中外合資無錫華光電子工業(yè)有限公司SU-5、SU-6德國西門子公司C-500日本立石公司GE-mGE公司3 .大型PLCI/O點數(shù)2048點；多CPU16位、32位處理器，用戶存儲器容量816K如：S7-400德國西門子公司GE-IVGE公司C-2000立石公司K3三菱公司等6、發(fā)展國外PLC發(fā)展概況PLC自問世以來，經(jīng)過40多年的發(fā)展，在

18、美、德、日等工業(yè)發(fā)達國家已成為重要的產(chǎn)業(yè)之一。世界總銷售額不斷上升、生產(chǎn)廠家不斷涌現(xiàn)、品種不斷翻新。產(chǎn)量產(chǎn)值大幅度上升而價格則不斷下降。目前，世界上有200多個廠家生產(chǎn)PLG較有名的：美國：AB通用電氣、莫迪康公司；日本：三菱、富士、歐姆龍、松下電工等；德國：西門子公司；法國：TE施耐德公司；韓國：三星、LG公司等。技術(shù)發(fā)展動向1 .產(chǎn)品規(guī)模向大、小兩個方向發(fā)展大：I/O點數(shù)達14336點、32位為微處理器、多CPU并行工作、大容量存儲器、掃描速度高速化。小：由整體結(jié)構(gòu)向小型模塊化結(jié)構(gòu)發(fā)展，增加了配置的靈活性，降低了成本。2 .PLC在閉環(huán)過程控制中應(yīng)用日益廣泛3 .不斷加強通訊功能4 .新器件和模塊不斷推出高檔的PLC除了主要采用CPU以提高處理速度外，還有帶處理器的EPROMSRAM勺智能I/O模塊、高速計數(shù)模塊、遠程I/O模塊等專用化模塊。5 .編程工具豐富多樣，功能不斷提高，編程語言趨向標準化有各種簡單或復雜的編程器及編