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可编程控制器基本知识_可编程控制器原理及应用

PLC的发展也是与计算机技术、控制技术、数字技术、通信网络技术等高新技术的发展息息相关,正是这些高新技术的发展推动了可编程控制器的发展。
本文主要介绍的就是可编程控制器的基础知识,首先介绍了可编程控制器的发展历程及特点、其次介绍了可编程控制器的原理、最后阐述了可编程控制器的应用。
一、什么是可编程控制器
可编程控制器（Programmble Controller）简称PC或PLC是一种数字运算操作的电子系统,专门在工业环境下应用而设计。它采用可以编制程序的存储器,用来在执行存储逻辑运算和顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令,并通过数字或模拟的输入（I）和输出（O）接口,控制各种类型的机械设备或生产过程。可编程控制器是在电器控制技术和计算机技术的基础上开发出来的,并逐渐发展成为以微处理器为核心,把自动化技术、计算机技术、通讯技术融为一体的新型工业控制装置。
二、可编程控制器的基本组成
可编程控制器主要由中央处理单元、输入接口、输出接口、通信接口等部分组成,其中cpu是可编程控制器的核心,Ｉ／Ｏ部件是连接现场设备与cpu之间的接口电路,通信接口用于与编程器和上位机连接。对于整体式可编程控制器,所有部件都装在同一机壳内；对于模块式可编程控制器,各功能部件独立封装,称为模块或模板,各模块通过总线连接,安装在机架或导轨上。不同厂商生产的不同系列产品在每个机架上可插放的模块数是不同的,一般为３－１０块。可扩展的机架数也不同,一般为２－８个机架。基本机架与扩展机架之间的距离不宜太长,一般不超过１０M.。
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可编程控制器各组成部分
1、中央处理单元cpu
cpu通过输入装置读入外设的状态,由用户程序去处理,并根据处理结果通过输出装置去控制外设。一般的中型可编程控制器多为双微处理器系统,一个是字处理器,它是主处理器,由它处理字节操作指令,控制系统总线,内部计数器,内部定时器,监视扫描时间,统一管理编程接口,同时协调位处理器及输入输出。另一个为位处理器,也称布尔处理器,它是从处理器,它的主要作用是处理位操作指令和在机器操作系统的管理下实现可编程控制器编程语言向机器语言转换。
cpu处理速度是指可编程控制器执行１０００条基本指令所花费的时间。
2、存储器
存储器主要存放系统程序,用户程序及工作数据。
可编程控制器所用的存储器基本上由ＰＲＯＭ,ＥＰＲＯＭ,ＥＥＰＲＯＭ及ＲAM等组成。
3、输入／输出部件
输入／输出部件又称Ｉ／Ｏ模块。可编程控制器通过Ｉ／Ｏ接口可以检测被控对象或被控生产过程的各种参数,以这些现场数据作为可编程控制器对控对象进行控制的信息依据。同时可编程控制器又通过Ｉ／Ｏ接口将处理结果送给被控设备或工业生产过程,以实现控制。
4、编程装置和编程软件
可编程控制器是以顺序执行存储器中的程序来完成其控制功能的。
5、电源部件
三、可编程控制器的发展历程
1、初级阶段：从第一台PLC问世到20世纪70年代中期
由于第一代PLC是为了取代继电器的,因此,主要功能是逻辑运算和计时、计数功能。CPU由中小规模数字集成电路构成。主要产品有：MODICON公司的084,AB公司的PDQ-IL,DEC公司的PDP-14,日立公司的SCY-022等。第一阶段就采用了梯形图语言作为编程方式,尽管有些枯燥,但却形成了工厂的编程标准。
2、扩展阶段：从20世纪70年代中期到70年代末期
这一阶段PLC产品的控制功能得到很大扩展。扩展的功能包括数据的传送、数据的比较和运算、模拟量的运算等功能。这一阶段的产品有MODICON的184,284,384,西门子公司的SIMATICS3系列,富士电机公司的SC系列产品。
3、通信阶段：20世纪70年代末期到80年代中期
这一阶段产品与计算机通信的发展有关,形成了分布式通信网络。但是,由于各制造商各自为政,通信系统也是各有各的规范。由于在很短的时间内,PLC就已经从汽车行业迅速扩展到其它行业,作为继电器的替代品进入了食品、饮料、金属加工、制造和造纸等多个行业。其次,产品功能也得到很大的发展。同时,可靠性进一步提高。这一阶段的产品有西门子公司的SIMATICS6系列,GOULD公司的M84,884等,富士电机的MICRO和TI公司的TI530等。
4、开放阶段：从20世纪80年代中期开始
由于国际标准化组织提出了开放系统互连的参考模型OSI,使PLC在开放功能上有较大发展。主要表现为通信系统的开放,使各制造厂商的产品可以通信,通信协议开始标准化,使用户得益。此外,PLC开始采用标准化软件系统,增加高级语言编程,并完成了编程语言的标准化工作。这一阶段的产品有西门子公司的S7系列,AB公司的PLC-5,SLC500,德维森的V80和PPC11,加拿大ONLINECONTROL公司与合控电气公司所开发的OPENPLC等。
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四、可编程控制器的特点
1、可靠性高、抗干扰能力强
可靠性高、抗干扰能力强是PLC最重要的特点之一。
2、编程简单、使用方便
目前,大多数PLC采用的编程语言是梯形图语言,它是一种面向生产、面向用户的编程语言。梯形图与电器控制线路图相似,形象、直观,不需要掌握计算机知识,很容易让广大工程技术人员掌握。当生产流程需要改变时,可以现场改变程序,使用方便、灵活。同时,PLC编程器的操作和使用也很简单。
3、功能完善、通用性强
现代PLC不仅具有逻辑运算、定时、计数、顺序控制等功能,而且还具有A/D和D/A转换、数值运算、数据处理、PID控制、通信联网以等许多功能。同时,由于PLC产品的系列化、模块化,有品种齐全的各种硬件装置供用户选用,可以组成满足各种要求的控制系统。
4、设计安装简单、维护方便
由于PLC 用软件代替了传统电气控制系统的硬件,控制柜的设计、安装接线工作量大为减少。PLC 的用户程序大部分可在实验室进行模拟调试,缩短了应用设计和调试周期。在维修方面,由于PLC 的故障率极低,维修工作量很小!而且PLC 具有很强的自诊断功能,如果出现故障, 可根据PLC 上指示或编程器上提供的故障信息, 迅速查明原因,维修极为方便。
5、体积小、重量轻、能耗低
由于PLC 采用了集成电路,其结构紧凑、体积小、能耗低,因而是实现机电一体化的理想控制设备。
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五、可编程控制器原理
1、扫描工作原理
当PLC 运行时,是通过执行反映控制要求的用户程序来完成控制任务的,需要执行众多的操作,但CPU 不可能同时去执行多个操作, 它只能按分时操作（串行工作）方式,每一次执行一个操作,按顺序逐个执行。由于CPU 的运算处理速度很快,所以从宏观上来看,PLC外部出现的结果似乎是同时（并行）完成的。这种串行工作过程称为PLC 的扫描工作方式。
用扫描工作方式执行用户程序时,扫描是从第一条程序开始,在无中断或跳转控制的情况下,按程序存储顺序的先后,逐条执行用户程序,直到程序结束。然后再从头开始扫描执行,周而复始重复运行。
PLC 的扫描工作方式与电器控制的工作原理明显不同。电器控制装置采用硬逻辑的并行工作方式,如果某个继电器的线圈通电或断电,那么该继电器的所有常开和常闭触点不论处在控制线路的哪个位置上,都会立即同时动作!而PLC 采用扫描工作方式（串行工作方式）,如果某个软继电器的线圈被接通或断开,其所有的触点不会立即动作,必须等扫描到该时才会动作。但由于PLC 的扫描速度快,通常PLC 与电器控制装置在I/0 的处理结果上并没有什么差别。
2、PLC 扫描工作过程
PLC 的扫描工作过程除了执行用户程序外,在每次扫描工作过程中还要完成内部处理、通信服务工作。如图2-11所示,整个扫描工作过程包括内部处理、通信服务、输入采样、程序执行、输出刷新五个阶段。整个过程扫描执行一遍所需的时间称为扫描周期。扫描周期与CPU 运行速度、PLC 硬件配置及用户程序长短有关,典型值为1~100ms.
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在内部处理阶段,进行PLC 自检,检查内部硬件是否正常,对监视定时器（WDT）复位以及完成其它一些内部处理工作。
在通信服务阶段,PLC 与其它智能装置实现通信,响应编程器键入的命令,更新编程器的显示内容等。
当PLC 处于停止（STOP）状态时,只完成内部处理和通信服务工作。当PLC 处于运行（RUN）状态时,除完成内部处理和通信服务工作外,还要完成输入采样、程序执行、输出刷新工作。
PLC 的扫描工作方式简单直观,便于程序的设计,并为可靠运行提供了保障。当PLC扫描到的指令被执行后,其结果马上就被后面将要扫描到的指令所利用, 而且还可通过CPU内部设置的监视定时器来监视每次扫描是否超过规定时间,避免由于CPU 内部故障使程序执行进入死循环。
六、可编程控制器的应用领域
目前, 在国内外PLC 已广泛应用冶金、石油、化工、建材、机械制造、电力、汽车、轻工、环保及文化娱乐等各行各业, 随着PLC性能价格比的不断提高, 其应用领域不断扩大。从应用类型看,PLC 的应用大致可归纳为以下几个方面：
1、开关量逻辑控制
利用PLC 最基本的逻辑运算、定时、计数等功能实现逻辑控制, 可以取代传统的继电器控制,用于单机控制、多机群控制、生产自动线控制等,例如：机床、注塑机、印刷机械、装配生产线、电镀流水线及电梯的控制等。这是PLC最基本的应用,也是PLC最广泛的应用领域。
2、运动控制
大多数PLC 都有拖动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。这一功能广泛用于各种机械设备, 如对各种机床、装配机械、机器人等进行运动控制。
3、过程控制
大、中型PLC 都具有多路模拟量I O模块和PID控制功能,有的小型PLC 也具有模拟量输入输出。所以PLC 可实现模拟量控制,而且具有PID控制功能的PLC 可构成闭环控制,用于过程控制。这一功能已广泛用于锅炉、反应堆、水处理、酿酒以及闭环位置控制和速度控制等方面。
4、数据处理
现代的PLC 都具有数学运算、数据传送、转换、排序和查表等功能, 可进行数据的采集、分析和处理,同时可通过通信接口将这些数据传送给其它智能装置,如计算机数值控制（CNC）设备,进行处理。
5、通信联网
PLC 的通信包括PLC 与PLC、PLC 与上位计算机、PLC 与其它智能设备之间的通信,PLC系统与通用计算机可直接或通过通信处理单元、通信转换单元相连构成网络,以实现信息的交换,并可构成"集中管理、分散控制"的多级分布式控制系统,满足工厂自动化（FA）系统发展的需要。