電氣控制與PLC-第5章

第5章

可編程序控制器的構(gòu)成及工作原理

5.1可編程序控制器概述

5.1.1可編程序控制器的產(chǎn)生與發(fā)展1969年美國數(shù)字設(shè)備公司DEC研制出世界上第一臺可編程序控制器，其型號為PDP—14型，在GM公司裝配線上試用成功。1971年，日本從美國引進(jìn)了這項新技術(shù)，并很快研制成功了日本第一臺可編程序控制器。1973年～1974年，德國、法國也相繼研制成功了他們的可編程序控制器。我國從1974年開始研制，1977年研制成功了以一位微處理器MCl4500為核心的可編程序控制器，并開始應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)控制。從第一臺PLC誕生至今，PLC大致經(jīng)歷了四次更新?lián)Q代。第一代PLC，多數(shù)用1位機(jī)開發(fā)，采用磁芯存儲器存儲，僅具有邏輯控制、定時、計數(shù)功能。第二代PLC，使用了8位微處理器及半導(dǎo)體存儲器，其產(chǎn)品逐步系列化，功能也有所增強(qiáng)，己能實現(xiàn)數(shù)字運(yùn)算、傳送、比較等功能。第三代PLC，采用了高性能微處理器及位片式CPU，工作速度大幅度提高，同時促使其向多功能和聯(lián)網(wǎng)方向發(fā)展，并具有較強(qiáng)的自診斷能力。第四代PLC，不僅全面使用16位、32位微處理器作為CPU，內(nèi)存容量也更大?？梢灾苯佑糜谝恍┮?guī)模較大的復(fù)雜控制系統(tǒng)；編程語言除了可使用傳統(tǒng)的梯形圖、流程圖等外，還可使用高級語言；外設(shè)也更多樣化。2.可編程序控制器的發(fā)展趨勢由于工業(yè)生產(chǎn)對自動控制系統(tǒng)需求的多樣性，PLC的發(fā)展方向有兩個：一是朝著小型、簡易、價格低廉方向發(fā)展。單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展，促進(jìn)了PLC向緊湊型發(fā)展，體積減小，價格降低，可靠性不斷提高。這種小型的PLC可以廣泛取代繼電器控制系統(tǒng)，應(yīng)用于單機(jī)控制和小型生產(chǎn)線的控制，如OMRON公司的C20、C20P、C28P、C40P、C60P、C20H、C40H等。二是朝著大型、高速、多功能方向發(fā)展。大型的PLC一般為多微處理器系統(tǒng)，有較大的存儲能力和功能強(qiáng)勁的輸入/輸出接口。通過豐富的智能外設(shè)接口，可以實現(xiàn)流量、溫度、壓力、位置等閉環(huán)控制；通過網(wǎng)絡(luò)接口，可級連不同類型的PLC和計算機(jī)，從而組成控制范圍很大的局域網(wǎng)絡(luò)，適用于大型的自動化控制系統(tǒng)。5.1.2可編程序控制器特點(diǎn)、分類和應(yīng)用場合

1.可編程序控制器的特點(diǎn)（1）與繼電器控制邏輯相比較1）控制邏輯2）工作方式3）控制速度4）限時控制5）計數(shù)控制6）設(shè)計與施工7）可靠性和可維護(hù)性8）價格從以上幾個方面的比較可知：PLC在性能上比繼電控制邏輯優(yōu)異，特別是可靠性高、設(shè)計施工周期短、調(diào)試修改方便，而且體積小、功耗低、使用維護(hù)方便，但價格高于繼電控制。（2）與微型計算機(jī)相比較1）應(yīng)用范圍2）使用環(huán)境3）輸入輸出4）程序設(shè)計5）系統(tǒng)功能6）運(yùn)算速度和存貯容量7）價格從以上幾個方面的比較可知：PLC是一種用于工業(yè)自動化控制的專用微機(jī)控制系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡單，抗干擾能力強(qiáng)，易于學(xué)習(xí)和掌握。價格也比一般的微機(jī)系統(tǒng)便宜。

（3）與單板計算機(jī)比較1）不如PLC容易掌握2）不如PLC使用簡單3）不如PLC可靠從以上PLC和微機(jī)及單板機(jī)比較可以看出：從適應(yīng)范圍來說：PLC是專用機(jī)，微機(jī)是通用機(jī)。從工業(yè)控制角度來說：PLC是控制通用機(jī)，而單板機(jī)是可以做成某一控制設(shè)備的專用機(jī)。（4）與集散系統(tǒng)比較1）PLC是由繼電控制邏輯發(fā)展而來的，而集散系統(tǒng)(TDCS)是由回路儀表控制發(fā)展而來。但兩者的發(fā)展均與計算機(jī)控制技術(shù)有關(guān)。2）早期的PLC在開關(guān)量控制、順序控制方面有一定優(yōu)勢，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。今天，二者相互滲透、互為補(bǔ)充。PLC與TDSC的差別已不明顯，它們都能構(gòu)成復(fù)雜的分級控制。從趨勢來看，二者的歸宿和統(tǒng)一將是全分布式計算機(jī)控制系統(tǒng)。

2.可編程序控制器的分類PLC的種類很多，其功能、內(nèi)存容量、控制規(guī)模、外形等方面差異較大，因此PLC的分類標(biāo)準(zhǔn)也不統(tǒng)一，但仍可按其I/O點(diǎn)數(shù)、結(jié)構(gòu)形式、實現(xiàn)功能進(jìn)行大致的分類。(1)按I/O點(diǎn)數(shù)分類PLC按I/O的總點(diǎn)數(shù)分類可分為：小于256點(diǎn)的為小型機(jī)，257～2048點(diǎn)的為中型機(jī)，超過2048點(diǎn)的為大型機(jī)。(2)按結(jié)構(gòu)形式分類PLC按硬件的結(jié)構(gòu)形式可分為整體式PLC和組合式PLC。(3)按實現(xiàn)的功能分類按照PLC所能實現(xiàn)的功能的不同，可將PLC分為低檔、中檔和高檔三類。低檔機(jī)具有邏輯運(yùn)算、定時、計數(shù)、移位、自診斷、監(jiān)控等基本功能和一定的算術(shù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送、比較、通信和模擬量處理功能。中檔機(jī)除具有低檔機(jī)的功能以外，還具有較強(qiáng)的算術(shù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送、比較、通信、子程序、中斷處理和回路控制功能。高檔機(jī)則在中檔機(jī)的基礎(chǔ)之上加強(qiáng)了帶符號數(shù)的運(yùn)算、矩陣運(yùn)算以及函數(shù)、表格、CRT顯示、打印等功能。一般來說，低檔機(jī)多為小型PLC，采用整體結(jié)構(gòu)；中檔機(jī)可為大、中、小型PLC，且中、小型PLC多為整體結(jié)構(gòu)，大、中型PLC為組合式結(jié)構(gòu)。高檔機(jī)多為大型PLC，采用組合式結(jié)構(gòu)。目前，得到廣泛應(yīng)用的多是中、低檔機(jī)。5.2可編程序控制器的組成和工作原理

5.2.1可編程序控制器的基本結(jié)構(gòu)PLC是用微處理器實現(xiàn)的許多電子式繼電器、定時器和計數(shù)器的組合體，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖5-1所示。手編程器/上位計算機(jī)中央處理器系統(tǒng)程序存儲器用戶程序存儲器電源部分按鈕繼電器觸點(diǎn)行程開關(guān)接觸器線圈信號燈其它執(zhí)行裝置圖5-1PLC結(jié)構(gòu)框圖輸入部分輸出部分1.中央處理器（CPU）中央處理器是PLC的“大腦”，它一般是由控制電路、運(yùn)算器和寄存器組成，這些電路一般都集成在一塊芯片上。CPU通過地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線與存儲器單元、輸入/輸出(I/O)接口電路連接。2.存儲器(Memory)在PLC中使用的兩種類型存儲器為ROM和RAM。3.電源部件電源部件將交流電源轉(zhuǎn)換成供PLC的中央處理器、存儲器等電子電路工作所需要的直流電源，使PLC能正常工作，它的好壞直接影響PLC的功能和可靠性。因此，目前大部分PLC采用開關(guān)式穩(wěn)壓電源供電，用鋰電池作停電時的后備電源。4.輸入、輸出部分輸入、輸出部分是PLC與被控設(shè)備相連接的接口電路。5.編程方式PLC的編程方式有兩種：一種是手編程器，另一種是利用上位計算機(jī)中的專業(yè)編程軟件。2.2可編程序控制器的基本工作原理

1.可編程序控制器中的梯形圖與繼電器梯形圖是從繼電器控制的電氣原理圖演變而來的，繼電器控制電路的元件圖如圖5-2（a）所示；PLC梯形圖所用器件與此類似，如圖5-2（b）所示。常開觸點(diǎn)常閉觸點(diǎn)輸出線圈（a）繼電器原理圖（b）PLC梯形圖（a）（b）圖5-2PLC梯形圖器件與繼電器控制電路元件的對應(yīng)關(guān)系圖5-3為三相鼠籠式異步電動機(jī)起停控制電路，若改用C系列P型PLC實現(xiàn)控制