第二章可编程控制器

第二章可编程控制器（PLC）概述2.1PLC的组成可编程控制器（PLC）采用了典型的计算机结构，主要由CPU模块、编程器、电源、存储器和专门设计的输入输出接口电路等组成[9]。中央处理器CPU是可编程控制器的核心，它的作用是接受输入的程序并保存程序，扫描现场的输入状态，执行用户程序，并自我诊断。存储器用来存放程序和数据的，器存储空间一般包括三个区域：系统程序存储区，系统RAM存储区（包括I/O映像区和系统软设备等），用户程序存储区。输入接口采集现场各种开关接点的信号状态，并将其转化成标准的逻辑电平，输出接口用于输出电信号来控制对象。编程器用于用户的编程、调试、系统设定、监控PLC及PLC所控制的系统的工作状况，但它不直接参与现场控制运行。可编程控制器系统结构如图2-1所示：图2-1可编程控制器系统机构图2.2PLC的工作原理及编程语言2.2.1PLC的工作原理PLC是采用循环扫描的工作方式进行工作的，这个工作过程一般包括五个阶段：内部处理、与编程器等的通信处理、输入扫描、用户程序实行、输出处理。其工作过程如图所示。其中，CPU执行指令的速度、每条指令占用的时间、指令条数的多少等是影响扫描周期长短的三大主要因数[18]。图2-2工作原理图在PLC运行时，CPU根据用户控制要求编制好并存于用户存储器中的程序，按指令步序号作周期性循环，若是没有跳转指令，那么就从第一条指令开始逐步顺序执行指令，一直到程序结束在每次扫描过程中，还要完成对输入信号的采样和输出状态的刷新等工作。PLC的每个扫描周期必须经过三个阶段:输入采样阶段、用户程序执行阶段、输出刷新阶段。输出采样阶段：首先以扫描的方式按顺序将所有暂存在输入锁存器中的输入端子的通断状态或输入数据读入，并将其写入各对应的输入状态寄存器中，即刷新输入。随即关闭输入端口，进行程序执行。用户程序执行阶段：按用户程序指令存放的先后顺序扫描执行每条指令，经相应的运算和处理后，其结果再写入输出状态寄存器中，输出状态寄存器中的所有内容对着程序的执行而改变。输出刷新阶段：当所有额指令执行完毕，输出状态寄存器的通断状态再刷新阶段输送至锁存器中，并按一定的方式（继电器、晶体管）输出，驱动相应的输出设备。2.2.2PLC的编程语言根据可编程器的应用范围，程序设计语言可以组合使用，常用的程序设计语言分别有：梯形图、布尔助记符、功能表图、结构化语句描述、梯形图与结构化语句描述、布尔助记符与功能表图、布尔助记符与结构化语句描述。梯形图语言和布尔助记符语言是基本的成语设计语言，它通常由一系列指令组成，用这些指令可以完成大多数简单的控制功能。功能表图语言和语句描述语言是高级的程序设计语言，它可以根据需要去执行更有效的操作。1、梯形图是用梯形图的图形符号来描述成语的一种语言。它的特点有：①与电气操作原理图相对应，具有直观性和对应性；②与原有继电器逻辑控制技术相一致，对电气技术人员来说，易于掌握和学习；③与原有的继电器逻辑控制技术的不同点是，梯形图中的能流不是实际意义的电流，内部的继电器也不是实际存在的继电器，因此，应用时，需与原有继电器逻辑控制技术的有关概念区别对待；④与布尔助记符有一一对应关系，便于相互的转换和程序的检查。2、布尔助记符是用布尔助记符来描述程序的一种程序设计语言。它的特点有：①采用助记符来表示操作功能，具有容易记忆，便于掌握的特点；②在编程的键盘上采用助记符表示，具有便于操作的特点，可在无计算机的场合进行编程设计；③与梯形图有一一对应的关系。其特点与梯形图基本类同。3、功能块图是采用功能模块来表示模块所具有的功能，不同的功能块有不同的功能。它的特点有：①以功能块为单位，从控制功能入手，使控制方案的分析和理解变得容易；②功能块使图形化的方法描述功能，它的直观性大大方便了设计人员的编程和组态，有较好的易操作性；③对控制规模较大、控制关系较复杂的系统，由于控制功能的关系可以较清楚地表达出来，因此，编程和组态时间可以缩短，调试时间也能减少。4、结构化语句描述是用结构化的描述语句来描述程序的一种程序设计语言。它的特点有：①采用高级语言进行编程，可以完成较复杂的控制运算；②需要有一定的计算机高级程序设计语言的知识和编程技巧，对编程人员的技能要求较高，普通电器人员无法完成；③直观性和易操作性等性能较差；④常被用于采用功能模块等其他语言较难实现的一些控制功能的实施。2.3PLC的特点2.3.1PLC的定义PLC即可编程控制器（ProgrammablelogicController），是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。其定义为：PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能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。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。2.3.2PLC的特点可编程控制器是一台计算机，它是专为工业环境应用而设计制造的计算机。它具有丰富的输入、输出接口，并且具有较强的驱动能力。可编程控制器发展的如此之快是因其有着一些优于通用计算器的特点，如下[12][13]：(1)可靠性高，抗干扰能力强工业生产一般对控制设备要求很高，应具有很强的抗干扰能力和高的可靠性，能在恶劣的环境中可靠地工作，平均故障间隔时间长，故障修复时间短。这是PLC控制优于微机控制的一大特点。PLC控制系统通常有故障：一种是由于恶劣环境（电磁干扰、超高温、过电压、欠电压）引起的偶发性故障，这类故障在环境条件恢复正常时，只要不引起系统部件的损坏系统也随之恢复正常，但因PLC受外界影响后，内部存储的信息被破坏，必须从初始状态重新起动。另一类是由于元器件不可恢复的损坏引起的永久性故障。但是在PLC在设计中从硬件和软件两个方面采取了保护措施，提高了它的可靠性。在硬件方面采用了导电、导磁良好的材料对电源变压器、CPU编程器等主要部件进行屏蔽，防止外界的干扰。同时，PLC采用联锁的方式使得所有的输出模块都能受开门信号控制，这样就可以有效的防止非正常的输出，因为开门信号只有在规定的条件下才能运行。此外，在硬件方面还采用了模块结构和环境检测和诊断电路，模块结构有助于故障情况下的及时修复，环境检测和诊断电路能与软件配合，可实现灵活保护和故障显示等。在软件方面设有故障检测，软件可定期对外界环境的一些情况进行处理。同时，加强了对程序的检查，一旦发现程序有误便立即报警并停止执行。当然，在软件方面也对程序及动态数据惊醒后备，避免信息丢失。如此，PLC从硬件和软件两个方面大大提高了可靠性以及稳定性。(2)编程简单，使用方面大多数PLC采用的编程设计语言是梯形图。这种编程语音的控制线路清晰直观，更加受到大家的欢迎，更能被人们接受。(3)功能完善具有数字和模拟量输入输出、逻辑和算术运算、定时、计数、顺序控制、通信、人机对话、自检、记录和显示功能，使用设备水平大提高。(4)操作灵活PLC产品具有各种扩充单元，可以方便地适应不同工业控制需要的不同输入输出点及不同输入输出方式的系统。编程的灵活性PLC采用的编程语言有梯形图、布尔助记符、功能表图、功能模块图和语句描述编程语言，只要掌握其中一种语言就可以进行编程。操作十分灵活方便，监视和控制变得十分容易[3]。(5)控制程序可变在生产工艺流程改变或生产线设备更新的情况下，不必改变PLC的硬设备，只要改变程序就可以满足要求，具有很好的柔性,更改控制方案时不需改动硬件接线[17]。(6)机电一体化PLC是专门为工业过程控制而设计的控制设备，它的体积大大减小，功能不断完善，抗干扰性能增强、机械与电气部件被有机地结合在一个设备内，把仪表、电子和计算机的功能综合在一起。因此，它已成为当今数控技术、工业机器人、过程流程控制等领域的主要控制设备。2.4PLC的主要功能和应用目前，PLC即使在国内外的许多行业已经得到了广泛的应用，比如说钢铁、电力、交通运输等等。它的主要功能有如下的几个方面。（1）开关量的逻辑控制是PLC最基本、最广泛放入应用；领域，它取代了传统的继电器电路，实现了逻辑控制、顺序控制。既可以用于单台设备的控制，也可以实现自动化控制生产线。如机床控制、包装机械的控制、电梯的控制、化工系统的控制、各种生产线的控制等。（2）模拟量控制在工业生产过程中由许多连续变化的物理量需要进行控制，例如温度、压力、流量等，这些都是模拟量。在工业生产过程中，模拟量变化的处理方式都是通过将模拟量转化为数字量，实现模拟量与数字量之间的转化，也是为此，许多的厂家都有自己的一套能实现数字量与模拟量相互转化的设备。（3）PLC的运动控制是专门对直线运动、圆周运动的位置、速度、加速度进行控制的。如今世界上各大PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛的应用于机械、机床、机器人、电梯等场合。（4）闭环过程控制是指对温度、压力、流量等联系变化的模拟量的闭环控制，通过模拟量模块实现模拟量与数字量之间的转换并对模拟量实现闭环比例、积分、微分控制。闭环过程控制主要应用在冶金、锅炉控制、化工等你场合。（5）数据处理是指可编程控制器具有数学运算、数据传送、转换、排序和查表、微操作功能可完成数据的分析和处理，其中的数学运算又包括矩阵运算、函数运算、逻辑运算。对这些数据的处理分析既可以完成一些控制操作又可以传送到别的装置中。数据处理主要应用在造纸、食品工业中。（6）PLC的通信联网功能包括PLC与PLC之间、PLC与计算机之间以及PLC与智能设备之间的通信，如与变频器的通信。PLC和计算机之间可以构成“集中管理，分散控制”的多级分布式网络控制系统。如今的社会进入了互联网时代，随计算机控制的发展，各大PLC厂家都十分看重PLC的通信功能。如图所示是PLC在数控加药系统中的应用。图2-3恒压加药装置示意图2.5PLC与其他工业控制系统的比较如今的电子行业正在飞速的发展，PLC在各行各业都有应用，而且能满足不同客户的要求。在工业控制系统中除了PLC控制系统还有继电—接触器控制系统、计算机控制系统和集散控制系统。在电梯领域，PLC控制电梯系统相对于继电—接触器、计算机控制系统和集散控制系统来说有很多优点[14]，在这里我们从系统结构、功能特性等方面将这几种控制器进行比较。1.与继电—接触器控制系统的比较在以前的工业控制系统中，继电—接触器一直占着主导的地位，但是继电—接触器控制系统的缺点是体积大、耗电量大、使用寿命短、可靠性差以及运行速度慢等，但是PLC得软件硬件设计简单、维护方便、体积小、可靠性高、耗电量小、使用寿命长、运行速度快。PLC控制系统取代继电—接触器控制系统不仅节约了成本，而且PLC控制系统还可以通过计算机进行数据的传输和监控。正是由于PLC的这些优点，使得PLC控制系统能够迅速的取代继电—接触器控制系统。除了上述的功能特性的优点之外，在系统方面PLC还具有一下优点：1）灵活性和扩展性。继电—接触器控制系统采用的是硬件接线的方式实现的，接线多而杂，而且继电器的触点数目有限，所以它的灵活性和扩展性差;PLC由软件和硬件组成的，通过编程来实现要求的功能，所以要改变其的功能只需要改变它的程序即可，除此之外，它的接线少，体积小，触点可无限使用，故PLC控制系统得灵活性和扩展性好。2）可靠性和可维护性。继电—接触器控制系统有很多机械触点，在接通和断开时会有电的损坏以及磨损，接线多，可靠性和可维护性差；PLC系统的许多触点采用的是半导体电路，使用寿命长，并有自检和监测的功能，对于调试和维护都是十分的方便。相对于继电器控制系统，PLC活动部件比较少，连接线不多，系统简单易维护，其次是设计相对比较合理、操作简单，容易掌握[4]。3）控制速度和稳定性。继电—接触器控制系统的工作频率低，触点开合时间长，而且还不稳定；PLC控制系统的执行执行速度快，工作稳定。2.与计算机控制系统的比较计算机控制系统是指用单片机处理、工控机等组成的计算机控制系统。PLC控制系统与计算机控制系统有以下几