可编程逻辑控制器简介

第1章可编程逻辑控制器简介知识点可编程逻辑控制器（PLC）功能逻辑控制的发展PLC的特点及应用领域当今主流PLC介绍本章导读可编程控制器（PLC）是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算的电子系统。它采用可编程的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。目前的计算机集散控制系统DCS（DistributedControlSystem）中已有大量的可编程控制器应用。伴随着计算机网络的发展，可编程控制器作为自动化控制网络和国际通用网络的重要组成部分，将在工业及工业以外的众多领域发挥越来越大的作用。1.1PLC的概述在PLC（ProgrammableLogicController，可编程控制器）发展的过程中，由于时期不同、功能相异，PLC还曾被称为可编程矩阵控制器PMC（ProgrammableMatrixController）、可编程顺序控制器PSC（ProgrammableSequenceController），本书将沿用PLC的称谓。1.1.1PLC的概念“PLC是一种数字运算的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程的存储器，用来在内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制器系统联成一体、易于扩充功能的原则设计。”上述是国际电工委员会于1985年1月对PLC所作的权威性的定义。对于PLC的定义，其补充说明如下。以微处理技术为基础，应用于以控制开关量为主，或包括控制过程参量在内的逻辑控制、机电运动控制或过程控制等工业控制领域的新型工业控制装置。西门子S7-300/400PLC控制系统设计与应用·2··2·1.1.2PLC的功能可编程控制器是采用微电子技术来完成各种控制功能的自动化设备，按照预先输入的程序控制现场的执行机构，并按照一定规律进行动作。其主要功能体现在以下几方面：1．顺序逻辑控制顺序逻辑控制在PLC应用领域中应用最广泛，可以取代继电器控制系统，实现逻辑控制和顺序控制。它既可以用于单机控制或多机控制，又可用于自动化生产线的控制。PLC根据操作按钮、限位开关及其他现场给出的指令信号和传感器信号，控制机械运动部件进行相应的操作。2．运动控制在机械加工行业，PLC与计算机数控集成在一起，用以完成机床的运动控制。很多PLC制造厂家已提供了拖动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模板。在多数情况下，PLC将描述目标位置的数据送给模板，模板移动一轴或数轴到目标位置。当每个轴移动时，位置控制模板将保持适当的速度和加速度，以确保运动平滑。目前已用于控制无心磨削、冲压、复杂零件分段冲裁、滚削、磨削等应用中。3．定时控制PLC为用户提供了一定数量的定时器，并设置了定时器指令。一般每个定时器可实现0.1～999.9s或0.01～99.99s的定时控制，也可按一定方式进行定时时间的扩展。定时精度高，定时设定方便、灵活。同时PLC还提供了高精度的时钟脉冲，可用于准确地实时控制。4．计数控制PLC提供了多种计数器，如普通计数器、可逆计数器、高速计数器等，可以用来完成不同用途的计数控制。当计数器的当前计数值等于计数器的设定值，或在某一数值范围时，发出控制命令。计数器的计数值可以在运行中被读出，也可以在运行中进行修改。5．步进控制PLC为用户提供了一定数量的移位寄存器，并完成步进控制功能。在一道工序完成之后，自动进行下一道工序；一个工作周期结束后，自动进入下一个工作周期。有些PLC还专门设有步进控制指令，使得步进控制更为方便。6．数据处理大部分PLC都具有不同程度的数据处理功能，如F2系列、C系列、S5系列PLC等可完成数据运算（如加、减、乘、除、乘方、开方等）、逻辑运算（如与、或、异或、求反等）、移位、数据比较和传送及数值的转换等操作。7．模数和数模转换在过程控制或闭环控制系统中，存在温度、压力、流量、速度、位移、电流、电压等连续变化的物理量（或称模拟量）。过去，由于PLC善于逻辑运算控制，对于这些模拟量第1章可编程逻辑控制器简介·3··3·主要依靠仪表（如果回路数较少）或分布式控制系统DCS（如果回路数较多）来控制。目前，不但大、中型PLC具有模拟量处理功能，甚至很多小型PLC（如C系列P型机）也具有模拟量处理功能，而且编程和使用都很方便。8．通信及联网目前大多数PLC都具有了通信能力，能够在PLC与计算机之间同时进行同位链接及上位链接。通过这些通信技术，使PLC更容易构成工厂自动化系统。也可与打印机、监视器等外部设备相连，记录和监视有关数据。1.2逻辑控制的发展1.2.1继电器逻辑控制在人们的日常生活和生产活动中，利用开关来实现在电路中“开”和“关”各种用电器及生产设备，或改变它们的工作方式，这种控制方式是极其普遍的。但对于加工生产线这样大规模的电路，其电动机等设备少则几十台，多则数以百计，同时这种电路中的各种用电器往往要按照某种规律来安排其“开”和“关”的顺序，因此若在这种场合下仍由人来操作一个接一个的开关，显然难于实现。此时继电器逻辑控制电路就派上了用场。1．继电器逻辑控制电路的概念继电器逻辑控制电路是根据外界输入的特定信号和某种要求，自动地接通和断开电路，断续地或连续地改变电路参数或运行状态，实现对电路或非电对象的切换、控制、调节和保护的一种自动控制电路。从电路结构上看，继电器逻辑控制电路一般都具有两个基本组成部分，即决策部分和执行部分。决策部分负责检测外界输入的信号，通过转换、放大、判断、按照预先设定的控制规则进行逻辑运算，作出相应的控制决策，指挥执行部分动作，以实现控制的最终目的。就控制角度而言，这里决策部分起了关键的作用。而决策部分所体现的控制规则，实际是通过继电器逻辑控制电路各部分预先按控制规则要求的固定联结来实现的。也就是说，其控制规则是以硬件的固定联结来实现的。这也是继电器逻辑控制电路不同于PLC的主要特征。2．继电器逻辑控制电路的主要组成部分如上所述，继电器逻辑控制电路一般是由决策部分和执行部分组成的，而决策部分（即逻辑运算部分）又可分为逻辑输入部分和逻辑记忆部分。（1）逻辑输入部分逻辑输入部分主要由主令电器和检测器件组成。①主令电器主令电器一般包括手动按钮、开关、转换器、凸轮控制器等，其主要功能是完成开机、关机、切换、应急停机或调试等控制操作。主令电器给出的控制信号称为主令信号。西门子S7-300/400PLC控制系统设计与应用·4··4·主令电器中最常用的还是按钮，按钮又分为常开按钮和常闭按钮。常开按钮在不按下时触点分开，在按下时触点合上。常闭按钮在不按下时触点闭合，在按下时触点分开。将常开触点和常闭触点装在一起的则是复合按钮。②检测器件检测器件通常包括行程开关、接近开关、压力继电器、速度继电器、热继电器、过电流继电器等器件，其主要功能是检测运动机件的行程或位置、压力、速度、热量、电流等物理量在自动控制过程中的状态，以此作为继电器逻辑控制电路按照控制规则进行决策的主要依据。检测器件还可以包括时间继电器。这是一种特殊的检测器件，主要用于检测某过程执行的时间，以此作为继电器逻辑控制电路按照控制规则进行决策的又一特殊的依据。检测器件给出的控制信号称为现场检测信号，简称检测信号。行程开关是将运动部件的行程位置转换为输入信号的检测器件。其工作原理与按钮类似，当加工机械的运动部件运动到相应位置，碰撞压力行程开关时，则输出开关信号。与按钮不同的是，它是靠机械的外加力量使触点输出信号的，而按钮完全是靠手工完成的。由此可知，按钮反映的是人的意志，而行程开关反映的是控制过程中的状况。微动开关也是一种行程开关。接近开关是一种非接触式的、电子式的运动部件行程位置检测装置。其作用与行程开关相同，但它实现了无触点化。除了用于替代行程开关外，接近开关还可以作为高速脉冲发生器、高速计数器等。主令信号和检测信号即构成控制线路的输入信号。（2）逻辑记忆部分逻辑记忆部分主要由继电器组成，用来记忆逻辑输入信号的变化以及各逻辑输入信号经过某种逻辑运算后所得信号的变化。继电器是一种依据某种形式的输入信号而动作，从而输出开关信号的自动控制（如电压、电流）和非电量（如转速、温度、时间）。继电器的种类很多，最常见的是电磁继电器，此外还有干簧继电器、热继电器和时间继电器等。①电磁继电器电磁继电器是一种最常见、用途最广泛的继电器，其典型结构如图1-1所示。它主要由线圈、铁心、衔铁（即动铁心）、返回弹簧及动触头、静触头等构成。当线圈两端加上一定量的电压或线圈中通以一定量的电流时，铁心磁化，衔铁（即动铁心）就会在磁力的作用下克服返回弹簧的拉力吸向静触头，从而导致衔铁上的动触头闭合或断开。线圈未通电时处于断开状态的一对动、静触头称为常开触点，反之则称为常闭触点。线圈断电后，衔铁在返回弹簧的拉力下回到原位，使常开触点断开、常闭触点图1-1电磁继电器第1章可编程逻辑控制器简介·5··5·闭合。当一个动触头同时与一个静触头闭合而与另一个静触头断开时，就称它们为转换触点。一个电磁继电器可以有一对或数对常开触点或常闭触点（也可以二者兼有），也可以有一组或数组转换触点。一个继电器的线圈及其触头，可以用同一字母及序号数码来标注，如J、J1、J2等。电磁继电器的功能与接触器迥然不同，它主要用于在控制电路中依据输入信号的状态（如行程开关触点的分合、电流的大小、电压的高低、时间的长短等）对应输出开关量的控制信号，而接触器只是输出执行功率信号。电磁继电器有一些显著优点：可以用小信号、弱信号来操动大信号、强信号，也就是说，它不仅具有信号转换和传递的功能，而且还有驱动的功能。可以实行远距离控制。由于它可以采用多对接点，故可以方便地实现对多个对象的集中控制、连锁控制、多点控制。其操动快速、准确。电磁继电器的种类很多，常见的就有电流继电器、电压继电器、中间继电器和时间继电器等。电流继电器和电压继电器的区别主要在于线圈。电流继电器的线圈是与负载串联连接的，它是以负载电流为输入信号，因此其线圈导线粗、匝数少；而电压继电器的线圈是与负载并联连接的，它是以负载电压为输入信号，因此其线圈导线细、匝数多。中间继电器实际上就是一种特殊的电压继电器，只不过它的主要目的不是反映电压，而是扩展触点的数量和容量。时间继电器的输入信号是非电量——时间，这是与前3种都不相同的。电磁继电器按照加在线圈上的是直流电还是交流电而分为直流和交流继电器。②干簧继电器干簧继电器又称舌簧继电器，这种继电器分为线圈驱动和永磁驱动两种，其结构如图1-2（a）和图1-2（b）所示。当干簧继电器的线圈通电时，产生磁场，由导磁材料做成的干簧片被磁化而相吸，使被控电路接通。线圈断电后，干簧片失磁，在自身弹力作用下分开，使被控电路切断。而永磁干簧继电器在永久磁铁靠近干簧片时使其磁化而相吸，使被控电路接通。磁铁离开时，干簧片靠自身的弹力分开，使被控电路切断。干簧继电器一般只有一对干簧片常开触点。（a）线圈型（b）永磁型图1-2干簧继电器西门子S7-300/400PLC控制系统设计与应用·6··6·③热继电器热继电器是反映热量的继电器，其工作原理如图1-3所示。热继电器的核心是双金属片，它是由两种热膨胀系数显著不同的金属片复合在一起压轧而成的。当热继电器通电时，加热装置亦通电加热，由于双金属片上层a片的热膨胀系数大于下层b片的热膨胀系数，当温度升高到一定程度时，双金属片就会向下弯曲，使常闭触点断开，常开触点闭合。该继电器主要用于保护电动机或其他负载，避免其过载或断相以致严重过热而烧毁设备。其主要缺点是：发热原件间接加热双金属片，热耦合程度较差，双金属片的变形不能正确反映所保护对象的热特性，易产生较大误差。④时间继电器在获得有效输入信号后，延迟一段时间再动作的继电器叫做时间继电器。时间继电器与电磁继电器的结构类似，它采用不同的方法，使线圈在通电或断电的瞬间衔铁不能立即吸合或释放。按照所采用的不