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PLC控制系统1、简介PLC控制系统,ProgrammableLogicController,可编程逻辑控制器,一种数字运算操作的电子系统,专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器,用于其内部存储程序,执行逻辑运算,顺序控制,定时,计数与算术操作等面向用户的指令,并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。是工业控制的核心部分。自二十世纪六十年代美国推出可编程逻辑控制器(ProgrammableLogicController,PLC)取代传统继电器控制装置以来,PLC得到了快速发展,在世界各地得到了广泛应用。同时,PLC的功能也不断完善。随着计算机技术、信号处理技术、控制技术网络技术的不断发展和用户需求的不断提高,PLC在开关量处理的基础上增加了模拟量处理和运动控制等功能。今天的PLC不再局限于逻辑控制,在运动控制、过程控制等领域也发挥着十分重要的作用。可程式控制器在发表初期被称为(ProgrammableLogic-Controller)简称PLC,最先的目的是取代继电器,从而执行继电器逻辑及其他计时或计数等功能的顺序控制为主,所以也称顺序控制器,其结构也像一部微电脑,所以也可称为微电脑可程式控制器(MCPC),直到1976年,美国电机制造协会正式给予命名为ProgrammableController,即可程式控制器,简称PC,由于目前个人电脑(PersonalComputer)极为普遍,加上常与可程式控制器配合使用,为了区分两者,所以一般都称可程式控制器为PLC以加以分别.目前市面上之PLC控制器种类繁多,依照制造厂商及适用场所的不同而有所差异,但是每种厂牌可依机组复杂度分为大、中、小型;而一般工厂及学校通常使用小型PLC,其中以日系F系列及我国A系列PLC较受国人爱用.而本CAI将以三菱FX2PLC控制器为主加以介绍,望使用者能对PLC有更深的瞭解,在使用PLC时能更得心应手.可程式控制器内部基本结构可用下图来表示,其内部处单元包括CPU、输入模组、输出模组三大部门,PLC控制器的CPU会经由输入模组取得输入元件所产生的讯号,再从记忆体中逐一取出原先以程式书写器中输入的控制指令,经由运算部门逻辑演算後,再将结果通过输出模组加以驱动外在的输出元件.1.1、PLC控制器的发展历程作为离散控制的首选产品,PLC在二十世纪八十年代至九十年代得到了迅速发展,世界范围内的PLC控制器年增长率保持为20%~30%。随着工厂自动化程度的不断提高和PLC控制器市场容量基数的不断扩大,近年来PLC在工业发达国家的增长速度放缓。但是,在中国等发展中国家PLC的增长十分迅速。综合相关资料,2004年全球PLC的销售收入为100亿美元左右,在自动化领域占据着十分重要的位置。PLC控制器是由模仿原继电器控制原理发展起来的,二十世纪七十年代的PLC控制器只有开关量逻辑控制,首先应用的是汽车制造行业。它以存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和运算等操作的指令;并通过数字输入和输出操作,来控制各类机械或生产过程。用户编制的控制程序表达了生产过程的工艺要求,并事先存入PLC控制器的用户程序存储器中。运行时按存储程序的内容逐条执行,以完成工艺流程要求的操作。PLC控制器的CPU内有指示程序步存储地址的程序计数器,在程序运行过程中,每执行一步该计数器自动加1,程序从起始步(步序号为零)起依次执行到最终步(通常为END指令),然后再返回起始步循环运算。PLC控制器每完成一次循环操作所需的时间称为一个扫描周期。不同型号的PLC控制器,循环扫描周期在1微秒到几十微秒之间。PLC用梯形图编程,在解算逻辑方面,表现出快速的优点,在微秒量级,解算1K逻辑程序不到1毫秒。它把所有的输入都当成开关量来处理,16位(也有32位的)为一个模拟量。大型PLC控制器使用另外一个CPU来完成模拟量的运算。把计算结果送给PLC的控制器。相同I/O点数的系统,用PLC控制器比用DCS,其成本要低一些(大约能省40%左右)。PLC没有专用操作站,它用的软件和硬件都是通用的,所以维护成本比DCS要低很多。一个PLC的控制器,可以接收几千个I/O点(最多可达8000多个I/O)。如果被控对象主要是设备连锁、回路很少,采用PLC较为合适。PLC由于采用通用监控软件,在设计企业的管理信息系统方面,要容易一些。近10年来,随着PLC控制器价格的不断降低和用户需求的不断扩大,越来越多的中小设备开始采用PLC控制器进行控制,PLC控制器在我国的应用增长十分迅速。随着中国经济的高速发展和基础自动化水平的不断提高,今后一段时期内PLC控制器在我国仍将保持高速增长势头。通用PLC控制器应用于专用设备时可以认为它就是一个嵌入式控制器,但PLC控制器相对一般嵌入式控制器而言具有更高的可靠性和更好的稳定性。实际工作中碰到的一些用户原来采用嵌入式控制器,现在正逐步用通用PLC控制器或定制PLC取代嵌入式控制器。1.2PLC的应用领域目前,PLC控制器在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业,使用情况大致可归纳为如下几类。开关量的逻辑控制这是PLC控制器最基本、最广泛的应用领域,它取代传统的继电器电路,实现逻辑控制、顺序控制,既可用于单台设备的控制,也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。模拟量控制在工业生产过程当中,有许多连续变化的量,如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量,必须实现模拟量(Analog)和数字量(Digital)之间的A/D转换及D/A转换。PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块,使可编程控制器用于模拟量控制。运动控制PLC控制器可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说,早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构,现在一般使用专用的运动控制模块。如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。世界上各主要PLC控制器生产厂家的产品几乎都有运动控制功能,广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。过程控制过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机,PLC控制器能编制各种各样的控制算法程序,完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。大中型PLC都有PID模块,目前许多小型PLC控制器也具有此功能模块。PID处理一般是运行专用的PID子程序。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。数据处理现代PLC控制器具有数学运算(含矩阵运算、函数运算、逻辑运算)、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能,可以完成数据的采集、分析及处理。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较,完成一定的控制操作,也可以利用通信功能传送到别的智能装置,或将它们打印制表。数据处理一般用于大型控制系统,如无人控制的柔性制造系统;也可用于过程控制系统,如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。通信及联网PLC控制器通信含PLC控制器间的通信及PLC控制器与其它智能设备间的通信。随着计算机控制的发展,工厂自动化网络发展得很快,各PLC控制器厂商都十分重视PLC控制器的通信功能,纷纷推出各自的网络系统。新近生产的PLC控制器都具有通信接口,通信非常方便。[6]1.3PLC的输出类型PLC控制器数字量输出类型分为:继电器输出、晶体管输出和晶闸管输出三种类型。继电器输出不同公共点之间可带不同的交、直流负载,且电压也可不同,带负载电流可达2A/点;但继电器输出方式不适用于高频动作的负载,这是由继电器的寿命决定的。其寿命随带负载电流的增加而减少,一般在几十万次至几百万次之间,有的公司产品可达1000万次以上,响应时间为10ms。晶体管输出适应于高频动作,响应时间短,一般为0.2ms左右,但它只能带DC5—30V的负载,最大输出负载电流为0.5A/点,但每4点不得大于0.8A。晶闸管输出晶闸管(可控硅)带负载能力为0.2A/点,只能带交流负载,可适应高频动作,响应时间为1ms。2、PLC控制系统的结构和工作原理2.1PLC的结构PLC控制器实质是一种专用于工业控制的计算机,其硬件结构基本上与微型计算机相同。且各种PLC的组成结构基本相同,主要有CPU,电源,储存器和输入输出接口电路等组成。中央处理单元中央处理单元(CPU)是PLC控制器的控制中枢。中央处理器单元一般由控制器、运算器和寄存器组成。CPU通过地址总线、数据总线、控制总线与储存单元、输入输出接口、通信接口、扩展接口相连。CPU是PLC的核心,它不断采集输入信号,执行用户程序,刷新系统输出。它按照PLC控制器系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据;检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态,并能诊断用户程序中的语法错误。当PLC控制器投入运行时,首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据,并分别存入I/O映象区,然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序,经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后,最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置,如此循环运行,直到停止运行。为了进一步提高PLC控制器的可靠性,近年来对大型PLC还采用双CPU构成冗余系统,或采用三CPU的表决式系统。这样,即使某个CPU出现故障,整个系统仍能正常运行。存储器PLC的存储器包括系统存储器和用户存储器两种。存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。现在的PLC一般均采用可电擦除的E2PROM存储器来作为系统存储器和用户存储器。电源PLC控制器的电源在整个系统中起着十分重要得作用。PLC一般使用220V交流电源或24V直流电源,内部的开关电源为PLC的中央处理器、存储器等电路提供5V、12V、24V直流电源,使PLC能正常工作。输入输出接口单元PLC的输入接口电路的作用是将按钮、行程开关或传感器等产生的信号输入CPU;PLC的输出接口电路的作用是将CPU向外输出的信号转换成可以驱动外部执行元件的信号,以便控制接触器线圈等电器的通、断电。PLC的输入输出接口电路一般采用光耦合隔离技术,可以有效地保护内部电路。PLC的输入接口电路可分为直流输入电路和交流输入电路。直流输入电路的延迟时间比较短,可以直接与接近开关,光电开关等电子输入装置连接;交流输入电路适用于在有油雾、粉尘的恶劣环境下使用。交流输入电路和直流输入电路类似,外接的输入电源改为220V交流电源。输出接口电路通常有3种类型:继电器输出型、晶体管输出型和晶闸管输出型。继电器输出型、晶体管输出型和晶闸管输出型的输出电路类似,只是晶体管或晶闸管代替继电器来控制外部负载。扩展接口和通信接口PLC的扩展接口的作用是将扩展单元和功能模块与基本单元相连,使PLC的配置更加灵活,以满足不同控制系统的需要;通信接口的功能是通过这些通信接口可以和监视器、打印机、其他的PLC或是计算机相连,从而实现“人-机”或“机-机”之间的对话。2.2PLC的工作原理1)扫描技术当PLC控制器投入运行后,其工作过程一般分为三个阶段,即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间,PLC控制器的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。2)输入采样阶段在输入采样阶段,PLC控制器以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据,并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。输入采样结束后,转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中,即使输入状态和数据发生变化,I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此,如果输入是脉冲信号,则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期,才能保证在任何情况下,该输入均能被读入。3)用户程序执行阶段在用户程序执行阶段,PLC控制器总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)
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