認識可編程序控制器

ID:51090 · 發(fā)表于 2014-9-18 13:20

每當我們打開電氣控制柜(箱)的時候，映入眼簾的是一個長方的，上面拖著好多線，還有一些燈正在眨“眼”的家伙，如圖1所示。這是什么呢？噢！原來是臺可編程序控制器。聽說這個東西原本是個洋玩藝，人家管它叫Programmable Logic Controller ，昵稱它為PLC。自從世界上第一臺PLC----Modicon誕生于美國馬薩諸塞州至今，已有40年了。但現在我們本土產的也逐漸多了，用得也廣了。如果你是做電氣或電器這行的，不了解、掌握它的話，很有可能在將來某一天被那PLC“驅逐”出這一行。

（a）

(b)

圖1 運行中的PLC

一．可編程序控制器的由來與發(fā)展
早在40年前，汽車生產流水線大多用上了由繼電器-接觸器控制構成的自動控制系統。這類電氣控制裝置的輸入信號有按鈕、開關、時間繼電器、壓力繼電器、溫度繼電器等；輸出信號有繼電器、接觸器、電磁閥等。這些信號只有閉合與斷開兩種工作狀態(tài)，這類物理量被稱為開關量或數字信號。當時這種控制系統算是一種比較先進的控制裝置，但是隨著生產的發(fā)展，汽車型號更新愈來愈頻繁，每一次改型都直接導致繼電器控制裝置的重新設計和安裝。這樣，繼電器控制裝置就需要經常地重新設計和安裝，費時費工，接線復雜，故障率高，可靠性差，甚至影響到更新周期。為了改變這一現狀，美國通用汽車公司在1969 年公開招標，要求用新的控制裝置取代繼電器控制裝置，并針對當時的控制要求提出了十項指標：
①編程方便，可現場修改程序；
②維修方便采用模塊化接插件結構；
③可靠性高于繼電器控制裝置；
④體積小于繼電器控制裝置；
⑤數據可直接送入管理計算機；
⑥成本可與繼電器控制裝置競爭；
⑦ 輸入可以是交流115V；
⑧輸出為交流115V 2A 以上，能直接驅動電磁閥、接觸器等；
⑨在擴展時原系統只要很小變更；
⑩用戶程序存儲器容量至少能擴展到4K。
總之，要用程序取代硬接線，輸入/輸出電平可與外部裝置直接相聯、結構易于擴展等是該控制裝置的核心。
1969 年，美國數字設備公司（DEC）按照通用公司指標研制出第一臺PDP-14可編程序控制器，并在美國通用汽車自動裝配線上試用，獲得了成功。這種新型的工業(yè)控制裝置用計算機作為核心設備，用存儲的程序控制代替了原來的接線程序控制。由于當時主要用于順序控制，只能進行邏輯運算，故稱為可編程序控制器。圖2是順序控制兩種方式的比較。

圖2 順序控制兩種方式比較

可編程序控制器以其簡單易懂，操作方便，可靠性高，通用靈活，體積小，使用壽命長等一系列優(yōu)點，很快地在美國其他工業(yè)領域推廣應用。到1971 年，日本從美國引進了這項技術，很快研制成功了日本第一臺DCS-8可編程序控制器。并成功地應用于食品、飲料、冶金、造紙等工業(yè)。1973年～1974年徳國和法國也研制出了可編程序控制器。我國于1977年研制成功了以MC14500微處理器為核心的可編程序控制器。到上世紀80年代，我國已能夠生產中小型可編程控制器，如上海機床電器廠的CKY系列、上海東屋電氣有限公司生產的CF系列、杭州機床電器廠生產的DKK及D系列、大連組合機床研究所生產的S系列、蘇州電子計算機廠生產的YZ-PC系列等多種產品已具備了一定的規(guī)模，并在工業(yè)產品中獲得了應用。此外無錫華光公司、上海香島公司的ACMY-S系列等中外合資企業(yè)也是中國比較著名的可編程控制器生產廠家。
可編程序控制器的最初引進始于七十年代末、八十年代初，當時的寶鋼一期工程，在多個工程單元中，從幾個不同的外商那里引進了十幾種機型共200臺左右可編程序控制器。繼寶鋼一期后，國內的許多部門引進了類似的使用可編程序控制器進行自動控制的生產線。不僅應用于冶金工業(yè)，而且應用于石油、化工、建材、輕工等部門。如秦皇島煤二期和煤三期、冀東水泥廠、天津石油化纖廠、北京吉普汽車生產線、廣州的啤酒生產線等，這些生產線中都使用了可編程序控制器代替原有的繼電器邏輯順序控制系統。
國際電工委員會（IEC）對PLC作了如下的定義：“PLC是一種數字運算操作的電子系統，專為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計。它采用可編程序的存儲器，用來在其內部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數和算術運算等操作的指令，并通過數字式、模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產過程。PLC及其有關設備，都應按易于與工業(yè)控制系統形成一個整體，易于擴充其功能的原則設計。”

二．可編程序控制器的結構與工作原理
可編程序控制器雖然外觀各異，但其硬件結構大體相同。主要由中央處理器(CPU)、存儲器（RAM、ROM）、輸入輸出器件（I/O接口）、電源等幾大部分構成。PLC的硬件結構框圖如圖3所示。

圖3 PLC結構框圖

1．中央處理器（CPU）
中央處理器是可編程控制器的核心，它在系統程序的控制下，完成邏輯運算、數學運算、協調系統內部各部分工作等任務。可編程控制器中采用的CPU一般有三大類：一類為通用微處理器，如80286、80386等；一類為單片機芯片，如8051、8096等；另外還有位處理器，如AMD2900、AMD2903等。一般說來，可編程控制器的檔次越高，CPU的位數也越多，運算速度也越快，指令功能也越強。為了提高PLC的性能，也有的一臺PLC采用了多個CPU。
2．存儲器
存儲器是可編程序控制器存放系統程序、用戶程序及運算數據的單元。和計算機一樣，可編程控制器的存儲器可分為只讀存儲器（ROM）和隨機讀書存儲器（RAM）兩大類。只讀存儲器是用來存放永久保存的系統程序，一般為掩膜只讀存儲器和可編程電改寫只讀存儲器。隨機讀寫存儲器的特點是寫入與擦除都很容易，但在掉電情況下存儲的數據會丟失，一般用來存放用戶程序及系統運行中產生的臨時數據。為了能使用用戶程序及某些運算數據在可編程控制器脫離外界電源后也能保持，機內隨機讀寫存儲器均配備了電池或電容等掉電保持裝置。
可編程控制器的存儲器區(qū)域按用途不同，又可分為程序區(qū)及數據區(qū)。程序區(qū)是用來存放用戶程序的區(qū)域，一般有數千個字節(jié)。用來存放用戶數據的區(qū)域一般較小，在數據區(qū)中，各類數據存放的位置都有嚴格的劃分。由于可編程控制器是為熟悉繼電器-接觸器控制系統的電氣技術人員使用的，可編程序控制器的數據單元都叫做繼電器，如輸入繼電器、時間繼電器、計數器等。不同用途的繼電器在存儲區(qū)中占有不同的區(qū)域。每個存儲單元有不同的地址編號。
3．輸入輸出接口
輸入輸出接口是可編程序控制器和工業(yè)控制現場各類信號連接的部分。輸入接口用來接受生產過程的各種參數。輸出接口用來送出可編程控制器運算后得出的控制信息，并通過機外的執(zhí)行機構完成工業(yè)現場的各類控制。生產現場對可編程控制器接口的要求一是要有較好的抗干擾能力，二是能滿足工業(yè)現場各類信號的匹配要求，因此廠家為可編程序控制器設計了不同的接口單元。主要有以下幾種：
⑴開關量輸入接口
其作用是把現場的開關量信號變成可編程控制器內部處理的標準信號。開關量輸入接口按可接收的外部信號電源的類型不同，分為直流輸入單元和交流輸入單元。如圖4所示。

(a) 開關輸入

(b) 交直流輸入

圖4 開關量輸入接口

輸入接口中都有濾波電路及耦合隔離電路。濾波有抗干擾的作用，耦合有抗干擾及產生標準信號的作用。圖中輸入口的電源部分都畫在了輸入口外（虛線框外），這是分體式輸入口的畫法，在一般單元式可編程控制器中輸入口都使用可編程控制器本身的直流電源供電，不再需要外接電源。
⑵開關量輸出接口
其作用是把可編程控制器內部的標準信號轉換成現場執(zhí)行機構所需要的開關量信號。開關量輸出接口內部參考電路如圖5所示，圖(a)輸出接口為繼電器型、圖(b)輸出接口為晶體管型，圖(c)輸出接口為可控硅型。

(a) 繼電器輸出型

(b) 晶體管輸出型

(c) 可控硅輸出型

圖5 開關量輸出接口

從圖中看出，各類輸出接口中也都具有光電耦合電路。特別要指出的是，輸出接口本身都不帶電源。而且在考慮外驅動電源時，還需考慮輸出器件的類型。繼電器式的輸出接口可用于交流及直流兩種電源，但接通、斷開的頻率低，晶體管式的輸出接口有較高的接通、斷開頻率，但只適用于直流驅動的場合，可控硅型的輸出接口僅適用于交流驅動場合。
⑶模擬量輸入接口
其作用是把現場連續(xù)變化的模擬量標準信號轉換成適合可編程控制器內部處理的二進制數字信號。模擬量輸入接口接收標準模擬電壓或電流信號均可。標準信號是指符合國際標準的通用交互用電壓電流信號值，如4~20mA的直流電流信號，1~10V的直流電壓信號等處理才能使用，圖6是模擬量輸入接口的內部電路框圖。模擬量信號輸入后一般經運算放大器放大后進行A/D轉換，再經光電耦合后為可編程控制器提供一定位數的數字量信號。

圖6模擬量輸入電路原理框圖

⑷模擬量輸出接口
它的作用是將可編程控制器運算處理后的若干位數字量信號轉換為相應的模擬量信號輸出，以滿足生產過程現場連續(xù)控制信號的需要。模擬量輸出接口一般由光電隔離、D/A轉換和信號驅動等環(huán)節(jié)組成。其原理框圖見圖7。模擬量輸入輸出接口一般安裝在專門的模擬量工作單元上。

圖7 模擬量輸出電路原理框圖

4．電源
可編程控制器的電源包括為可編程控制器各工作單元供電的開關電源及為掉電保護電腦供電的后備電源，后備電源一般為電池。
PLC對用戶程序的執(zhí)行過程是通過CPU的周期循環(huán)掃描并采用集中采樣、集中輸出的方式來完成的。當PLC開始運行時，首先清除輸入寄存器狀態(tài)表的原有內容，然后進行自診斷，自檢CPU及I/O組件，確認其工作正常后，開始循環(huán)掃描。循環(huán)掃描分三個階段，如圖8所示。

圖8 循環(huán)掃描三個階段

每次從讀入輸入狀態(tài)到發(fā)出輸出信號的這段時間稱為掃描周期。掃描周期的長短隨PLC本身的時鐘頻率及用戶程序的長短而有所不同，由于掃描速度很快，大約一個掃描周期通常為十到幾十毫秒，對一般工業(yè)被控對象來說，掃描過程幾乎是與輸入同時完成的。
在一個掃描周期中，輸入采樣工作只在輸入處理階段進行，對全部輸入端掃描一遍并記下它們的狀態(tài)后，即進入程序處理階段，此時不管輸入端的狀態(tài)作任何改變，輸入狀態(tài)表不會變化，直到下一個循環(huán)的輸入處理階段才根據當時掃描到的狀態(tài)予以刷新。這種集中采樣、集中輸出的工作方式使PLC在運行中的絕大部分時間實質上與外部設備是隔離的，這就從根本上提高了PLC的抗干擾能力，提高了可靠性。
三．可編程序控制器的分類與應用
PLC的分類通常從三個方面進行：從控制規(guī)模大小來分；從性能高低來分；從結構特點來分。
1．按PLC的控制規(guī)模分為大型機、中型機、小型機和微型機。
PLC產品若其按輸入輸出接線端子個數（I/O總點數）和可以儲存的程序步數（一步就是執(zhí)行一條指令）多少分為微型機、小型機、中型機和大型機。
微型機：I/O總點數不超過20，程序步數為300~1000的PLC。微型機的體積小、重量輕、功能簡單，常使用于機械人的關節(jié)控制，以及家庭自動化、小型機械自動化裝置中。
小型機：I/O總點數為20~128，程序步數小于2000的PLC。小型機具有邏輯運算、算術運算、定時、計數、數據處理和傳送、通信聯絡等多種應用指令。小型機一般用來代替繼電器—接觸器控制系統，作為單機控制或簡單生產過程的控制裝置。由于價格便宜、使用廣泛，小型機是當前產量最大的，甚至一些中型機和大型機的CPU模塊可以單獨作為小型機使用。
中型機：I/O總點數為128~512，程序步數為2000~8000的PLC。中型機一般采用模塊化機架結構。這種機型由主機（CPU模塊）和可選的特殊功能模塊組成。特殊功能模塊包括：I/O點擴展模塊、AD/DA模塊、數字計算、過程參數調節(jié)（PID—比例-積分-微分調節(jié)）、定時器以及計數器等。既可以單獨使用CPU模塊，也可以用特殊功能模塊增強CPU模塊的功能，十分靈活。中型機主要應用于較為復雜的控制系統中，特別是那些控制功能根據需要逐步增強的控制系統。
大型機：I/O總點數為512~8192，程序步數大于8000的PLC，比中型機增加了聯網通信、監(jiān)視、打印、磁盤存儲、記錄、中斷控制、智能控制以及遠程控制功能。有的大型機還使用了32位多CPU并行處理技術，存儲容量達到數兆字節(jié)，工作速度極快，可以達到小于100ms/KB。大型機主要使用于大型自動化制造網絡中以實現實時控制。
2．按PLC的控制性能分類
PLC可以分為高檔機、中檔機和低檔機。
（1）低檔機這類PLC具有基本的控制功能和一般的運算能力，工作速度比較低，能帶的輸入和輸出模塊的數量比較少，輸入和輸出模塊的種類也比較少。這類PLC只適合于小規(guī)模的簡單控制。在聯網中一般適合做從站使用。比如，日本OMRON公司生產的C60P就屬于這一類。
（2）中檔機這類PLC具有較強的控制功能和較強的運算能力。它不僅能完成一般的邏輯運算，也能完成比較復雜的三角函數、指數和PID運算，工作速度比較快，能帶的輸入輸出模塊的數量也比較多，輸入和輸出模塊的種類也比較多。這類PLC不僅能完成小型的控制，也可以完成較大規(guī)模的控制任務。在聯網中可以做從站，也可以做主站。比如，德國SIEMENS公司生產的S7-300就屬于這一類。
（3）高檔機這類PLC具有強大的控制功能和強大的運算能力。它不僅能完成邏輯運算、三角函數運算、指數運算和PID運算，還能進行復雜的矩陣運算，工作速度很快，能帶的輸入輸出模塊的數量很多，輸入和輸出模塊的種類也很全面。這類PLC不僅能完成中等規(guī)模的控制工程，也可以完成規(guī)模很大的控制任務，在聯網中一般作主站使用。比如，德國SIEMENS公司生產的S7-400就屬于這一類。
3．按PLC的結構分類
可分為整體式、組合式、疊裝式和板式四類。
（1）整體式。整體式結構的PLC把電源、CPU、存儲器、I/O系統都集成在一個單元內，該單元叫做基本單元。一個基本單元就是一臺完整的PLC，可以實現各種控制。控制點數不符合需要時，可再接擴展單元，擴展單元不帶CPU。由基本單元和若干擴展單元組成較大的系統。整體式結構的特點是非常緊湊、體積小、成本低、安裝方便，其缺點是輸入與輸出點數有限定的比例。小型機多為整體式結構。例如，OMRON公司的C60P為整體式結構，如圖9所示。

圖9

（2）組合式。組合式結構的PLC是把PLC系統的各個組成部分按功能分成若干個模塊，如CPU模塊、輸入模塊、輸出模塊、電源模塊等等。其中各模塊功能比較單一，模塊的種類卻日趨豐富。比如，一些PLC，除了一些基本的I/O模塊外，還有一些特殊功能模塊，像溫度檢測模塊、位置檢測模塊、PID控制模塊，通信模塊等等。組合式結構的PLC采用搭積木的方式，在一塊基板上插上所需模塊組成控制系統。組合式結構的PLC特點是CPU、輸入、輸出均為獨立的模塊，模塊尺寸統一，安裝整齊，I/O點選型自由、安裝調試、擴展、維修方便。中型機和大型機多為組合式結構。例如，SIEMENS公司S7-400PLC就屬于組合式結構，如圖10所示。

圖10

（3）疊裝式。疊裝式結構集整體式結構的緊湊、體積小、安裝方便和組合式結構的I/O點搭配靈活、模塊尺寸統一、安裝整齊的優(yōu)點于一身。它也是由各個單元的組合構成。其特點是CPU自成獨立的基本單元（由CPU和一定的I/O點組成），其他I/O模塊為擴展單元。在安裝時不用基板，僅用電纜進行單元間的連接，各個單元可以一個個地疊裝，使系統達到配置靈活、體積小巧。例如SIEMENS公司的S7-200PLC就是采用了疊裝式結構的小型PLC，如圖11所示。

圖11

⑷板式。板式結構、功能和特點與整體式結構類似。同樣把電源、CPU、存儲器、I/O系統都安裝在同一塊印制電路板上，但省去了外殼，元器件直接裸露在外面。與其他三種相比，最顯著的特點是成本低、價格便宜。圖12就是一款板式結構的PLC。

圖12

PLC最初的應用是取代以前的繼電器順序控制方式，主要用于現場單機設備控制。而目前的PLC支持現場總線、工業(yè)以太網等網絡通信技術，并能獨立構建大中型控制系統，從功能和速度上都有質的飛躍。當今的PLC功能已經超出了邏輯控制的范圍，在一些化工廠、電廠和鋼廠等一些大型的PLC系統，從功能上替代了DCS系統。盡管PLC的性能和應用范圍有大幅度的擴展，但是小型PLC仍然是市場的主流，在數量上占總數的90%以上。
雖然PLC通信功能的增強，小型PLC在系統集成中的應用已越來越多，但主流應用依然以單機設備的自動化控制為主。且由于不同品牌的市場策略、系統集成能力，不同產品的市場定位和性能的不同，在各個設備制造業(yè)的應用表現也有不同。機床、電梯、印刷機械行業(yè)中主要是三菱；起重機械行業(yè)中主要是西門子、三菱；紡織行業(yè)中主要是西門子、歐姆龍、三菱；包裝機械中主要是三菱、歐姆龍、西門子、松下；塑料、煙草機械中主要是西門子；橡膠機械中主要是歐姆龍、西門子、三菱。
廣泛應用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機械制造、汽車、輕紡、交通運輸、環(huán)保及文化娛樂等各個行業(yè)的PLC，其使用主要分為如下幾類：
⑴開關量邏輯控制。取代傳統的繼電器電路，實現邏輯控制，順序控制，既可用于單臺設備的控制，也可用于多機群控及自動化流水線。如注塑機、印刷機、訂書機械、組合機床、磨床、包裝生產線、電鍍流水線等。
⑵工業(yè)過程控制。在工業(yè)生產過程當中，存在一些如溫度壓力、流量、液位和速度等連續(xù)變化的量（即模擬量），PLC采用相應的A/D和D/A轉換模塊及各種各樣的控制算法程序來處理模擬量，完成閉環(huán)控制。PID調節(jié)是一般閉環(huán)控制系統中用得較多的一種調節(jié)方法。過程控制在冶金、化工、熱處理、鍋爐控制等場合有非常廣泛的應用。
⑶運動控制。PLC可以用于圓周運動或直線運動的控制。一般使用專用的運動控制模塊，如可驅動步進電機或伺服電機的單軸或多軸位置控制模塊，廣泛用于各種機械、機床、機器人、電梯等場合。
⑷數據處理。PLC具有數學運算（含矩形運算、函數運算、邏輯運算）、數據傳送、數據轉換、排序、查表、位操作等功能，可以完成數據的采集、分析及處理。數據處理一般用于如造紙、冶金、食品工業(yè)中的一些大型控制系統。
⑸通信及聯網。PLC通信含PLC間的通信及PLC與其它智能設備間的通信。隨著工廠自動化網絡的發(fā)展，現在的PLC都具有通信接口，通信非常方便。

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