可編程序控制器(PLC)的基本概念

1、第1章 概 述第1章 概 述1.1 可編程序控制器(PLC)的根本概念1.2 PLC的主要功能和特點(diǎn)1.3 PLC的應(yīng)用領(lǐng)域和開(kāi)展趨勢(shì)1.1 可編程序控制器(PLC)的根本概念 1.1.1 可編程序控制器的產(chǎn)生 1968年，美國(guó)最大的汽車(chē)制造商通用汽車(chē)公司(GM公司)為了適應(yīng)生產(chǎn)工藝不斷更新的需要，期望找到一種新的方向，盡可能減少重新設(shè)計(jì)繼電控制系統(tǒng)和重新接線的工作，以降低本錢(qián)、縮短周期，設(shè)想把計(jì)算機(jī)通用、靈活、功能完備等優(yōu)點(diǎn)和繼電控制系統(tǒng)的簡(jiǎn)單易懂、價(jià)格廉價(jià)等優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)，制成一種通用控制裝置，并把計(jì)算機(jī)的編程方法和程序輸入方式加以簡(jiǎn)化，用面向控制過(guò)程、面向問(wèn)題的“自然語(yǔ)言進(jìn)行編程，使得不熟

2、悉計(jì)算機(jī)的人也能方便地使用。為此進(jìn)行招標(biāo)，1969年，美國(guó)數(shù)字設(shè)備公司(DEC公司)研制出了第一臺(tái)可編程序邏輯控制器(Programmable Logic Controller，簡(jiǎn)稱(chēng)PLC)，在GM公司的自動(dòng)裝配線上試用獲得了成功。 (1) 繼電器：它在PLC中也稱(chēng)編程元件，它包括線圈、常開(kāi)觸點(diǎn)和常閉觸點(diǎn)。 常開(kāi)觸點(diǎn)：常用符號(hào)為 ，受PLC輸入開(kāi)關(guān)量或PLC內(nèi)部相應(yīng)線圈的控制，當(dāng)PLC輸入接通或相應(yīng)的線圈通過(guò)電流時(shí)，此觸點(diǎn)閉合。 常閉觸點(diǎn)：常用符號(hào)為 ，受控方式與常開(kāi)觸點(diǎn)相同，只是當(dāng)PLC輸入接通或相應(yīng)線圈通電時(shí)，此觸點(diǎn)斷開(kāi)。 線圈：PLC中也稱(chēng)邏輯線圈，常用符號(hào)為 ，在PLC中用它作為輸出元

3、件，以控制外部設(shè)備(如電磁閥、接觸器、指示燈等)；也可以用來(lái)控制PLC內(nèi)部的其他觸點(diǎn)，以構(gòu)成復(fù)雜的控制邏輯。 1.1.2 PLC中的幾個(gè)基本概念 (2) 定時(shí)器：它的作用與繼電器控制中的延時(shí)繼電器或時(shí)間繼電器相同。常見(jiàn)的定時(shí)單位有0.1 s、0.2 s、1 s幾種，其符號(hào)因型號(hào)不同各異。日本立石公司C系列機(jī)用以下符號(hào)表示： TIM02 TIM#0142(定時(shí)預(yù)置值)符號(hào) 例子 其中圓內(nèi)“表示定時(shí)器(TIM)的編號(hào)，圓外#號(hào)后的“表示定時(shí)預(yù)置值，定時(shí)時(shí)間=定時(shí)預(yù)置值定時(shí)單位。例中的定時(shí)器為02號(hào)，假設(shè)PLC內(nèi)部規(guī)定的定時(shí)單位為0.1 s，那么定時(shí)時(shí)間1420.1 s=14.2 s。 (3) 計(jì)數(shù)

4、器：它的作用是每當(dāng)其計(jì)數(shù)輸入端由斷開(kāi)(OFF)到接通(ON)時(shí)，計(jì)一個(gè)數(shù)，即計(jì)數(shù)器記錄的是其輸入由斷到通的次數(shù)。當(dāng)計(jì)數(shù)值與預(yù)置值相等時(shí)，計(jì)數(shù)器導(dǎo)通。有的PLC(如C40P)計(jì)數(shù)端由斷到通時(shí)，自動(dòng)減一個(gè)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)值由預(yù)置值減到0時(shí)，計(jì)數(shù)器導(dǎo)通，其相應(yīng)的觸點(diǎn)接通或斷開(kāi)，可用來(lái)控制其他元件。C系列PLC常用以下符號(hào)表示計(jì)數(shù)器： 計(jì)數(shù)端復(fù)位端 CP CNT R#(計(jì)數(shù)預(yù)置值) (4) 其他元件：如時(shí)序器、加法器、編碼器、減法器、譯碼器等。 上述元件在PLC內(nèi)部都是由軟件實(shí)現(xiàn)的，并不存在它們的物理實(shí)體，因此常稱(chēng)之為“虛擬元件或“軟元件。將它們相互連接構(gòu)成復(fù)雜控制邏輯的過(guò)程稱(chēng)為“軟連接，放入PLC后那么是

5、一段程序 (5) 梯形圖(Ladder Diagram)： 【例】 交流電機(jī)單向運(yùn)轉(zhuǎn)的啟停控制。 圖1.1.1 繼電器控制線路圖 圖1.1.2 PLC控制的接線圖 圖1.1.3 PLC梯形圖 表1.1.1 PLC控制的助記符程序 地址指令數(shù)據(jù)0000LD00010001OR05000002ANDNOT00020003OUT05000004END1.2 PLC的主要功能和特點(diǎn) 1.2.1 PLC的主要功能 1步進(jìn)順序控制2限時(shí)控制 3條件控制 4計(jì)數(shù)控制 5模/數(shù)和數(shù)/模轉(zhuǎn)換 6數(shù)據(jù)處理 7通信和聯(lián)網(wǎng)8冗余控制 9監(jiān)控功能 10其他功能 1.2.2 PLC的特點(diǎn) 1與繼電器控制邏輯相比較 控制邏

6、輯：繼電器控制邏輯采用硬接線邏輯，利用繼電器機(jī)械觸點(diǎn)的串聯(lián)或并聯(lián)及延時(shí)繼電器的滯后動(dòng)作等組合成控制邏輯，其連線多而復(fù)雜，體積大，功耗大，一旦系統(tǒng)構(gòu)成后，想再改變或增加功能都很困難。另外繼電器觸點(diǎn)數(shù)目有限，每只一般只有48對(duì)觸點(diǎn)，因此靈活性和擴(kuò)展性都很差。而PLC采用存儲(chǔ)邏輯，其控制邏輯以程序方式存儲(chǔ)在內(nèi)存中，要改變控制邏輯，只需改變程序，故稱(chēng)為“軟接線，其連線少，體積小，加之PLC中每只軟繼電器的觸點(diǎn)數(shù)理論上無(wú)限制，因此靈活性和擴(kuò)展性都很好。PLC由中大規(guī)模集成電路組成，功耗小。 工作方式：當(dāng)電流接通時(shí)，繼電控制線路中各繼電器都處于受約狀態(tài)，即該吸合的都應(yīng)吸合，不該吸合的都因受某種條件限制不能

7、吸合。而PLC的控制邏輯中，各繼電器都處于周期性循環(huán)掃描接通之中，從宏觀上看，每個(gè)繼電器受制約接通的時(shí)間是短暫的。 控制速度：繼電控制邏輯依靠觸點(diǎn)的機(jī)械動(dòng)作實(shí)現(xiàn)控制，工作頻率低。觸點(diǎn)的開(kāi)閉動(dòng)作一般在幾十毫秒數(shù)量級(jí)。另外機(jī)械觸點(diǎn)還會(huì)出現(xiàn)抖動(dòng)問(wèn)題。而PLC是由程序指令控制半導(dǎo)體電路來(lái)實(shí)現(xiàn)控制的，速度極快，一般一條用戶(hù)指令的執(zhí)行時(shí)間在微秒數(shù)量級(jí)。PLC內(nèi)部還有嚴(yán)格的同步，不會(huì)出現(xiàn)抖動(dòng)問(wèn)題。 限時(shí)控制：繼電控制邏輯利用時(shí)間繼電器的滯后動(dòng)作進(jìn)行限時(shí)控制。時(shí)間繼電器一般分為空氣阻尼式、電磁式、半導(dǎo)體式等，其定時(shí)精度不高，定時(shí)時(shí)間易受環(huán)境濕度和溫度變化的影響，調(diào)整時(shí)間困難。有些特殊的時(shí)間繼電器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不便

8、維護(hù)。 PLC使用半導(dǎo)體集成電路作定時(shí)器，時(shí)基脈沖由晶體振蕩器產(chǎn)生，精度相當(dāng)高，定時(shí)范圍一般從0.1 s到假設(shè)干分鐘甚至更長(zhǎng)，用戶(hù)可根據(jù)需要在程序中設(shè)定定時(shí)值，然后由軟件和硬件計(jì)數(shù)器來(lái)控制定時(shí)時(shí)間，定時(shí)精度小于10 ms且定時(shí)時(shí)間不受環(huán)境的影響。 計(jì)數(shù)控制：PLC能實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)功能，而繼電控制邏輯一般不具備計(jì)數(shù)控制功能。 設(shè)計(jì)與施工：使用繼電控制邏輯完成一項(xiàng)控制工程，其設(shè)計(jì)、施工、調(diào)試必須依次進(jìn)行，周期長(zhǎng)，而且修改困難。工程越大，這一點(diǎn)就越突出。而用PLC完成一項(xiàng)控制工程，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成以后，現(xiàn)場(chǎng)施工和控制邏輯的設(shè)計(jì)(包括梯形圖和程序設(shè)計(jì))可以同時(shí)進(jìn)行，周期短，且調(diào)試和修改都很方便。 可靠性和可維

9、護(hù)性：繼電控制邏輯使用了大量的機(jī)械觸點(diǎn)，連線也多。觸點(diǎn)開(kāi)閉時(shí)會(huì)受到電弧的損壞，并有機(jī)械磨損，壽命短，因此可靠性和可維護(hù)性差。而PLC采用微電子技術(shù)，大量的開(kāi)關(guān)動(dòng)作由無(wú)觸點(diǎn)的半導(dǎo)體電路來(lái)完成，它體積小、壽命長(zhǎng)、可靠性高。PLC還配備有自檢和監(jiān)督功能，能檢查出自身的故障，并隨時(shí)顯示給操作人員，還能動(dòng)態(tài)地監(jiān)視控制程序的執(zhí)行情況，為現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試和維護(hù)提供了方便。 價(jià)格：繼電控制邏輯使用機(jī)械開(kāi)關(guān)、繼電器和接觸器，價(jià)格比較廉價(jià)。而PLC使用中大規(guī)模集成電路，價(jià)格比較昂貴。 2. 與微型計(jì)算機(jī)相比較 應(yīng)用范圍：微機(jī)除了用在控制領(lǐng)域外，還大量用于科學(xué)計(jì)算、數(shù)據(jù)處理、計(jì)算機(jī)通信等方面。而PLC主要用于工業(yè)控制。 使

10、用環(huán)境：微機(jī)對(duì)環(huán)境要求較高，一般要在干擾小、具有一定的溫度和濕度要求的機(jī)房?jī)?nèi)使用。而PLC適應(yīng)于工程現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境。 輸入輸出：微機(jī)系統(tǒng)的I/O設(shè)備與主機(jī)之間采用微電聯(lián)系，一般不需要電氣隔離。而PLC一般控制強(qiáng)電設(shè)備，需要電氣隔離，輸入輸出均用“光電耦合，輸出還采用繼電器，可控硅或大功率晶體管進(jìn)行功率放大。 程序設(shè)計(jì)：微機(jī)具有豐富的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，例如匯編語(yǔ)言，F(xiàn)ORTRAN語(yǔ)言、COBOL語(yǔ)言、PASCAL語(yǔ)言、C語(yǔ)言等，其語(yǔ)句多，語(yǔ)法關(guān)系復(fù)雜，要求使用者必須具有一定水平的計(jì)算機(jī)硬件和軟件知識(shí)。而PLC提供給用戶(hù)的編程語(yǔ)句數(shù)量少，邏輯簡(jiǎn)單，易于學(xué)習(xí)和掌握。 系統(tǒng)功能：微機(jī)系統(tǒng)一般配有較強(qiáng)的系統(tǒng)軟件

11、，例如操作系統(tǒng)，能進(jìn)行設(shè)備管理、文件管理、存儲(chǔ)器管理等。它還配有許多應(yīng)用軟件，以方便用戶(hù)。而PLC一般只有簡(jiǎn)單的監(jiān)控程序，能完成故障檢查、用戶(hù)程序的輸入和修改、用戶(hù)程序的執(zhí)行與監(jiān)視等功能。 運(yùn)算速度和存儲(chǔ)容量：微機(jī)運(yùn)算速度快，一般為微秒級(jí)。因有大量的系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件，故存儲(chǔ)容量大。而PLC因接口的響應(yīng)速度慢而影響數(shù)據(jù)處理速度。一般接口響應(yīng)速度為2 ms，PLC巡回檢測(cè)速度為每千字8 ms。PLC的指令少，編程也簡(jiǎn)短，故內(nèi)存容量小。 價(jià)格：微機(jī)是通用機(jī)，功能完善，故價(jià)格較高。而PLC是專(zhuān)用機(jī)，功能較少，其價(jià)格是微機(jī)的十分之一左右。 3. 與單板(或單片)計(jì)算機(jī)比較 不如PLC容易掌握： 不如P

12、LC使用簡(jiǎn)單： 不如PLC可靠： 4與集散系統(tǒng)比較 PLC是由繼電控制邏輯開(kāi)展而來(lái)的，而集散系統(tǒng)(TDCS)是由回路儀表控制開(kāi)展而來(lái)。但兩者的開(kāi)展均與計(jì)算機(jī)控制技術(shù)有關(guān)。 早期PLC在開(kāi)關(guān)量控制、順序控制方面有一定優(yōu)勢(shì)，而集散系統(tǒng)在回路調(diào)節(jié)、模擬量控制方面有一定優(yōu)勢(shì)。 1.2.3 PLC的主要技術(shù)指標(biāo) 1用戶(hù)存儲(chǔ)器容量 PLC中用戶(hù)存儲(chǔ)器一般由用戶(hù)程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器組成，小型PLC的用戶(hù)存儲(chǔ)器容量多為幾K字節(jié)，而大型PLC可到達(dá)幾M字節(jié)。 2輸入輸出點(diǎn)數(shù) 輸入輸出的點(diǎn)數(shù)決定了PLC可控制的輸入開(kāi)關(guān)信號(hào)和輸出開(kāi)關(guān)信號(hào)的總體數(shù)量。 3掃描速度 掃描速度通常指PLC掃描1 K字節(jié)用戶(hù)程序所需的時(shí)

13、間，一般以ms/K為單位。 4編程指令的種類(lèi)和功能 某種程度上用戶(hù)程序所完成的控制功能受限于PLC指令的種類(lèi)和功能。PLC指令的種類(lèi)和功能越多，用戶(hù)編程那么越方便簡(jiǎn)單。 5內(nèi)部存放器的配置和容量 用戶(hù)編制PLC程序時(shí)，需要大量使用PLC內(nèi)部的存放器存放變量、中間結(jié)果、定時(shí)計(jì)數(shù)及各種標(biāo)志位等數(shù)據(jù)信息。因此內(nèi)部存放器的數(shù)量直接關(guān)系到用戶(hù)程序的編制。 6PLC的擴(kuò)展能力 在進(jìn)行PLC選型時(shí)，其擴(kuò)展性是一個(gè)非常重要的因素。一般來(lái)說(shuō)可擴(kuò)展性包括存儲(chǔ)容量的擴(kuò)展、輸入輸出點(diǎn)數(shù)的擴(kuò)展、模塊的擴(kuò)展、通信聯(lián)網(wǎng)功能的擴(kuò)展等。 1.3 PLC的應(yīng)用領(lǐng)域和開(kāi)展趨勢(shì) 如果按應(yīng)用類(lèi)型來(lái)劃分，可編程序控制器的應(yīng)用可分為以下幾

14、個(gè)類(lèi)型： (1) 開(kāi)關(guān)邏輯和順序控制：這是可編程序控制器最根本的控制功能，在工業(yè)場(chǎng)合應(yīng)用最廣泛，可代替繼電器控制系統(tǒng)。開(kāi)關(guān)量邏輯控制不但能用于單臺(tái)設(shè)備，而且可用于生產(chǎn)線上。 (2) 過(guò)程控制：PLC通過(guò)模擬量I/O模塊，可對(duì)溫度、流量、壓力等連續(xù)變化的模擬量進(jìn)行控制。大中型PLC都具有PID閉環(huán)控制功能并已廣泛地用于電力、化工、機(jī)械、冶金等行業(yè)。 (3) 運(yùn)動(dòng)控制：PLC可應(yīng)用于對(duì)直線運(yùn)動(dòng)或圓周運(yùn)動(dòng)的控制，如數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、金屬加工、電梯控制等。 (4) 多級(jí)控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)：PLC之間、PLC與計(jì)算機(jī)之間及其他智能控制設(shè)備之間可以聯(lián)網(wǎng)通信，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)處理和信息共享，從而構(gòu)成工廠CIMS/CI

15、PS系統(tǒng)。 1.3.2 PLC的開(kāi)展趨勢(shì) 1小型化方向開(kāi)展 目前的小型PLC大都局限在開(kāi)關(guān)量輸入輸出，而且CPU和I/O部件組裝在一個(gè)箱體內(nèi)，今后的小型PLC也將增加模擬量處理功能，而且也將有靈活的組態(tài)特性，并且能與其他機(jī)型連用。在提高系統(tǒng)可靠性的根底上，產(chǎn)品的體積越來(lái)越小，功能越來(lái)越強(qiáng)。如OMRON公司新推出CPM1 PLC的體積約130 mm89 mm84 mm，可以放在手掌上，可連接的輸入和輸出為10點(diǎn)，并可以擴(kuò)展到20、30乃至50點(diǎn)，支持91個(gè)指令編程，根本指令的執(zhí)行時(shí)間為0.72s，特殊指令的執(zhí)行時(shí)間也僅16.3s。 2大型化方向開(kāi)展 主要有以下幾個(gè)方面： 功能不斷加強(qiáng)：不僅具有邏

16、輯運(yùn)算、計(jì)數(shù)、定時(shí)等根本功能，還具有數(shù)值運(yùn)算、模擬調(diào)節(jié)、監(jiān)控、記錄、顯示、與計(jì)算機(jī)接口、通信等功能。 網(wǎng)絡(luò)功能是PLC開(kāi)展的一個(gè)重要特征。各種個(gè)人計(jì)算機(jī)，圖形工作站、小型機(jī)等都可以作為PLC的監(jiān)控主機(jī)或工作站，這些裝置的結(jié)合能夠提供屏幕顯示、數(shù)據(jù)采集、記錄保持、回路面板顯示等功能。大量的PLC聯(lián)網(wǎng)及不同廠家生產(chǎn)的PLC兼容性增加，使得分散控制或集中管理都能輕易地實(shí)現(xiàn)。 應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大：不僅能進(jìn)行一般的邏輯控制，種類(lèi)齊全的接口模塊還能進(jìn)行中斷控制、智能控制、過(guò)程控制、遠(yuǎn)程控制等。 用于過(guò)程控制的PLC往往對(duì)存儲(chǔ)器容量及速度要求較高，為此，開(kāi)發(fā)了高速模擬量輸入模塊，專(zhuān)用獨(dú)立的PID控制器，多路轉(zhuǎn)

17、換器等，使得數(shù)字技術(shù)和模擬量技術(shù)在可編程序控制器中得到統(tǒng)一。采用軟件、硬件相結(jié)合的方法，使得編程和接線都比過(guò)去用常規(guī)儀表控制要方便得多。 性能不斷提高：采用高性能微處理器，提高處理速度，加快PLC的響應(yīng)時(shí)間；為了擴(kuò)大存儲(chǔ)容量，許多公司已使用了磁泡存儲(chǔ)器或硬盤(pán)；采用多處理器技術(shù)，以提高性能；采用冗余熱備用系統(tǒng)或三選二表決系統(tǒng)，以提高系統(tǒng)可靠性。 為了進(jìn)一步簡(jiǎn)化在專(zhuān)用控制領(lǐng)域的系統(tǒng)設(shè)計(jì)及編程，專(zhuān)用智能輸入輸出模塊越來(lái)越多，如專(zhuān)用智能PID控制器、智能模擬量I/O模塊、智能位置控制模塊、語(yǔ)言處理模塊、專(zhuān)用數(shù)控模塊、智能通訊模塊、計(jì)算模塊等，這些模塊的一個(gè)特點(diǎn)就是本身具有CPU，能獨(dú)立工作，它們與PLC主機(jī)并行操作，無(wú)論在速度、精度、適應(yīng)性、可靠性各方面都對(duì)PLC進(jìn)行了極好的補(bǔ)充。它們與PLC緊密結(jié)合，有助于克服PLC掃描工作方式的局限，完成PLC本身無(wú)法完成的許多功能。 編程軟件的多樣化和高級(jí)化、標(biāo)準(zhǔn)化：采用多種編程語(yǔ)言，有面向順序控制的步進(jìn)順序語(yǔ)言和面向過(guò)程控制系統(tǒng)的流程圖語(yǔ)言，后者是一種面向功能塊的語(yǔ)言，能夠表示過(guò)程中動(dòng)態(tài)變量與信號(hào)的相互聯(lián)結(jié)；還有與計(jì)算機(jī)兼容的高級(jí)語(yǔ)言，如BASIC、C及匯編語(yǔ)言；另外還有專(zhuān)用的高級(jí)語(yǔ)言，例如三菱的MELSAP采用編譯的方法將語(yǔ)句變?yōu)樘菪螆D程序；也有采用布爾邏輯語(yǔ)言的，CPU能直接執(zhí)行AND、OR、XOR、NOT操作，這種語(yǔ)言執(zhí)行速