第十三章PLC部分

第十三章PLC部分一、概述1、PLC的定义在自动化控制领域，PLC是一种重要的控制设备。目前，世界上有200多厂家生产300多品种PLC产品，应用在汽车（23%）、粮食加工（16.4%）、化学/制药（14.6%）、金属/矿山（11.5%）、纸浆/造纸（11.3%）等行业。在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。1968年美国GM（通用汽车）公司提出取代继电气控制装置的要求，第二年，美国数字公司研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这就是第一代可编程序控制器，称ProgrammableController（PC）。个人计算机（简称PC）发展起来后，为了方便，也为了反映可编程控制器的功能特点，可编程序控制器定名为ProgrammableLogicController（PLC），现在仍常常将PLC简称PC。PLC的定义有许多种。国际电工委员会（IEC）对PLC的定义是：可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。上世纪80年代至90年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为30~40%。在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。2、PLC的特点PLC具有以下几个显著的特点。1）可靠性高由于PLC采用了输入和输出信号的光电隔离、滤波、电源的屏蔽、稳压和保护、故障诊断等技术，所以PLC可以在工业控制现场的恶劣环境中可靠地工作。平均无故障时间可以高达5万～10万小时以上。2）功能完善PLC的种类多、模块丰富和指令功能强大，使目前的PLC几乎可以完成所以的工业控制任务。3）编程简单类似继电器控制系统图的梯形图语言易学易懂，非常容易被技术人员掌握。4）在线编程在工业现场，可以使用手持编程器或笔记本电脑对PLC进行编程。当PLC联网后，可以在网络的任一位置对PLC编程。5）安装容易由于采用了模块化的结构，现场安装非常简单。6）体积小、重量轻、功耗低在现代集成电路技术支持下，PLC越来越小，重量也越来越轻，且功耗也越来越低。7）价格便宜在生产厂家增多、集成电路技术进步等因素的影响下，PLC的价格也越来越便宜。3、PLC的用途PLC的用途主要有以下方面。1．取代继电器控制在灯光照明、机床点控、食品加工、印刷机械、电梯、自动化仓库、生产流水线等方面进行逻辑控制。2．过程控制对温度、压力、流量、物位高度等连续变化的物理量进行控制。3．位置、速度控制在机器人、机床、电机调速等领域进行位置、速度控制。4．数据监控在电力、自来水处理、化工、炼油、轧钢等方面进行数据采集、监测和控制。5．组成分散控制系统把PLC作为下位机，与上位机的计算机共同组成分散控制系统。4、PLC的发展PLC发展的速度很快，具体的发展方向主要有以下几个方面。1）小型、微型化PLC的发展方向是越来越小，一些PLC只有手掌大小，使用起来灵活方便。2）大型、超大型化PLC的另一个发展方向是向大型和超大型化发展，这些PLC具有上万个输入输出量，用于石化、冶金、汽车制造等领域。3）智能化PLC中的输入、输出单元越来越智能化，这些单元具有模糊控制、PID控制（比例－积分－微分调节单元）、位置控制、温度控制、远程通信等功能，并根据生产需求，正在不断推出新的智能单元。4）CPU能力更强选用时钟更快、功能更强的CPU是PLC发展的趋势。5）支持更多的工业总线支持更多的工业标准总线，使联网更加容易和简单，更易于组成工程控制网。6）编程软件标准化采用国际标准化的IEC1131－3编程语言，可以大大缩短开发周期。7）人机交流功能增强在为PLC配置了操作面板、触摸屏等人机对话手段后，其应用领域进一步扩展，应用更加方便。8）数据处理能力大大增强PLC与个人计算机结合后，使得PLC的数据处理、存储功能大大增强。5、PLC的分类1）按照结构分类（1）整体式将CPU、输入/输出单元、电源、通信等部件集成到一个壳内的PLC称为整体式PLC。整体式PLC一般都是小型或微型的。（2）模块式模块式PLC将CPU、输入单元、输出单元、电源、通信等分别做成模块，在应用中按照需要进行模块的组装，大、中型PLC一般都是模块式结构。（3）混合式将CPU、电源模块、通信模块和一定量的输入/输出单元集成到一个机壳内，当使用中输入/输出单元不够时再进行模块的扩展。2）按照输入输出点数分类（1）小型小型PLC又称作低档PLC，输入输出点数一般小于256点。（2）中型中型PLC的点数一般在256～1024以下。（3）大型大型PLC的点数一般在1024以上。6、PLC的技术指标1）用户存储器容量PLC中的用户存储器由用户程序存储器和数据存储器组成。该存储器的容量大小，可以编制出复杂的程序。一般来说，小型机的用户存储器容量为几千字，而大型机的用户存储器容量可以达到上万字。2）输入输出点数输入输出点数是PLC可以接受的输入开关信号和输出开关信号的总和。3）模数和数模通道模数转换和数模转换的通道数为输入和输出的模拟量总和。4）扫描速度扫描速度是指PLC扫描1K字用户程序所需的时间，通常以ms/K字为单位。当然扫描速度越快越好。5）指令数量和功能用户编制的程序所完成的控制任务，取决于PLC指令的多少。指令的功能越多，编程越简单和方便，越可以完成复杂的控制任务。6）内部寄存器的配置及容量在编制PLC程序时，需要用到大量的寄存器来存放变量、中间结果、保持数据、定时计数、模块设置和各种标志位等信息。这些寄存器的多少，直接关系到程序的编制。7）特殊功能单元特殊功能单元的种类多，可以说PLC的功能多。例如，有模糊控制单元，就说明PLC具有模糊控制能力。8）可扩展性在选择PLC时，需要考虑PLC的可扩展性，可扩展性包括如下内容：（1）输入输出点数的扩展；（2）存储容量的扩展；（3）联网功能的扩展；（4）可扩展的模块数。二、PLC的一般结构从数字系统的角度来看，PLC其实就是一个单片机系统。1、基本结构1）整体式PLC结构整体式PLC硬件系统由CPU、存储器、通信接口、输入输出电路和电源组成，其基本框架如图1所示。2）模块式PLC结构在模块式PLC中，组成PLC的各个部分都是模块，这些模块由PLC的系统连接。模块式PLC结构图如图2所示。3）混合式PLC结构在混合式PLC中，PLC是由PLC主机和扩展模块组成。其中，PLC主机由CPU、存储器、通信电路、基本输入输出电路组成，而扩展模块可以是输入输出模块、模拟量模块、位置控制模块等。混合式PLC结构如图3所示。总线图1整体式PLC电源I/O单元CPU通信接口存储器2、PLC各部分电路介绍1）CPU芯片CPU芯片是PLC的核心，所有PLC的动作（程序输入、程序执行、通信、自检等）都需要CPU芯片的参与。不同的生产商的PLC芯片类型不同，一般是8位或是16位单片机。它按照PLC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。A/D模块输入模块通信模块CPU存储器模块输出模块电源模块机架图2模块式PLC扩展模块n扩展模块3扩展模块2扩展模块1通信接口I/O单元CPU存储器电源总线PLC主机图1-3混合式PLC结构2）存储器PLC中的存储器用于存放以下内容。（1）系统程序。系统程序是PLC生产厂赋予PLC功能的程序。由于有了系统程序，单片机组成的系统，就变成了PLC。（2）用户程序。用户程序就是使PLC发出动作进行工业控制的程序。（3）数据。数据包括PLC运行中的各种数据。例如，I/O、定时、计数、保持、模拟量、各种标志等。一般PLC的系统程序存放在EEPROM(ElectricalErasableProgrammableReadOnlyMemory)中，而用户程序和数据放在后备电池支持的RAM(RandomAssessMemory)中。3）I/O电路I/O电路是PLC与现场工业设备连接的电路，现场的开关量（行程开关、传感器等）信号通过I/O电路输入PLC，而PLC输出的开关（例如，继电器、晶体管等）信号从PLC输出到工业设备（例如，电磁铁、电机等等）。4）电源模块PLC电源的输入电压有直流12V、24V、48V和交流110V、220V，使用时根据需要选择。由于PLC中的电源都是开关式电源，所以在输入电压大幅度波动时，PLC仍能稳定的工作。电源模块的输出一般为直流5V和24V，它们向PLC的CPU、存储器等提供工作电源。5）通信接口一般PLC的CPU模块上至少有一个RS232通信接口或是RS485通信接口。PLC可以通过RS232通信接口直接和上位机通信。若是RS485通信口，则和上位机通信时需要一个连接器。无论是RS232或是RS485通信口，都可以和PLC配套的编程器通信。PLC上还有通信模块，通过这些模块，PLC可以组成网络或下位上位的分散控制系统。6）特殊功能单元特殊功能单元包括高密度I/O单元、模拟I/O单元、模糊单元、温度传感单元、温度控制单元、热冷控制单元、凸轮控制单元、PID（比例－积分－微分调节）单元、位置控制单元、高速计数单元和语音单元。这些单元越多，说明PLC的功能越强。7）编程器编程器是PLC常用的外部设备。用户通过编程器编写程序，并通过通信单元（编程器接口）将程序装入PLC。编程器还可以监控PLC的运行。随着计算机价格下降，计算机配编程软件后，成为一个功能强大的编程器。在计算机上可以对PLC进行设置、编程、调试、监控、显示、打印等工作。三、PLC工作程序1、工作原理与其它控制装置一样，PLC根据输入信号的状态，安装控制要求进行处理判断，产生控制输出。PLC采用循环扫描的工作，其过程如图4所示。这个过程分为读输入、程序执行、写输出三个阶段。整个过程进行一次所需要的时间称为扫描周期。1）三个阶段的工作过程以下详述PLC三个阶段的工作过程。工作过程如图5所示。（1）读输入（输入采样）阶段在输入采样阶段，PLC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映象区中的相应的单元内。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。（2）用户程序执行阶段外部输入输入端子输入光耦用户程序执行输出暂存区输出状态锁存器输出继电器输出端子输出输入暂存区输入采样阶段用户程序执行阶段输出刷新阶段图5PLC三个阶段的工作过程（1）读输入（2）执行用户程序（3）写输出图4循环扫描过程在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下