5.1 可编程序控制器概述

YXSH现代电气自动控制技术5.1可编程序控制器概述5可编程序控制器控制技术可编程序控制器（ProgrammableController）是由国际电工委员会（IEC）命名的工业专用的计算机系统。可编程控制器是集计算机技术、自动控制技术、和通信技术（3C）于一体的工业自动化控制装置。在冶金、能源、化工、交通、电力等领域的生产控制中得到广泛的应用，现已跃居现代工业自动化三大支柱（可编程序控制器、机器人和计算机辅助设计/计算机辅助制造）的主导地位。YXSH现代电气自动控制技术5.1可编程序控制器概述5.1可编程序控制器概述5.1.1PLC的产生在早期的工业控制中，程序控制多采用由机械电器式器件作为控制元件的硬件布线逻辑控制系统，来实现各种机械设备所特有的程序控制。这种固定接线方式的程序实现是与具体的机械动作相对应的。这种系统有着十分明显的缺点：体积大、耗电多、可靠性差、寿命短、运行速度不高；YXSH现代电气自动控制技术5.1可编程序控制器概述对生产工艺多变的系统适应性更差，如果生产任务或工艺发生变化，就必须重新设计，改变硬件结构，造成时间和资金的严重浪费。PLC的产生20世纪60年代中期，采用集成电路的小型计算机被应用到在线过程控制领域，自动控制技术、通信技术也日趋完善，这些先进的科学技术逐步进入到工业控制领域。但是由于半导体技术在集成规模上未能取得突破性进展，尤其是半导体存储器未能实现工业化生产，使得计算机在结构上复杂而庞大，编程也不方便，价格也令工业界难以接受。YXSH现代电气自动控制技术5.1可编程序控制器概述60年代末期，西方工业国家经济出现大萧条，作为工业龙头的汽车工业受到沉重打击。1968年，美国最大的汽车制造商通用汽车公司（GM）为了摆脱萧条的困境，制定了多品种，小批量，不断翻新汽车型号来吸引顾客的战略，以求在激烈的竞争中占有优势，这就要求对成千上万台生产专机和装配线的控制系统进行改造，需要随着工对象的不同而不断的变化。原来的控制系统是由继电器组成的，也就是由无数根导线、触头、和线圈组成的逻辑布线系统。要不断地改变这种逻辑系统，其工作烦琐、复杂，要花费大量人力、物力、财力和时间。YXSH现代电气自动控制技术5.1可编程序控制器概述通用公司为了改造汽车生产设备的传统控制方式，提出了研制新型的控制装置以取代继电器控制装置，为此，特定十项公开招标的技术要求，即①编程简单方便，可在现场修改程序；②硬件维护方便，最好是插件式结构；③可靠性要高于继电器控制系统；④体积小于继电器控制系统；⑤可将数据直接送入管理计算机；⑥在成本上可与继电器控制系统竞争；⑦输入可以是交流115V；YXSH现代电气自动控制技术5.1可编程序控制器概述⑧输出为交流115V，2A以上，能直接驱动电磁阀；⑨在扩展时，原有系统只做很小改动；⑩用户程序存储器容量至少可以扩展到4KB。第二年，美国数字公司（DEC）就研制出世界上第一台可编程序控制器，并应用在通用公司自动装配线上，一举获得成功。其后，日本、德国等相继引入这项新技术，可编程序控制器由此而迅速发展起来。YXSH现代电气自动控制技术5.1可编程序控制器概述在这一时期，可编程序控制器虽然采用了计算机的设计思想，但实际上只能完成顺序控制，仅有逻辑运算、定时、计数等顺序控制功能,所以人们将这一时期的可编程序控制器又称为可编程序逻辑控制器（ProgrammableLogicalController）。在可编程序控制器的发展历程中，因不同时期和不同功能，还有过几个不同的名称，如可编程序顺序控制器（ProgrammableSequenceController）、可编程序矩阵控制器（ProgrammableMatrixController）、可编程序二进制系统（ProgrammableBinarySystem）。YXSH现代电气自动控制技术5.1可编程序控制器概述80年代后，随着超大规模集成电路技术的迅猛发展，以16位和32位微处理器构成的微机化可编程序控制器得到了惊人的发展，使其在概念上、设计上、性能价格比等方面有了重大的突破。可编程序控制器具有了高速计数、中断技术、PID控制等功能，而且联网通信能力也得到了加强，这些都使得可编程序控制器的应用范围和领域不断扩大。各代PLC的不同特点与应用范围见表5-1。YXSH现代电气自动控制技术5.1可编程序控制器概述目前国内对可编程序控制器的简称用英文缩写表示有两种：一是PC，二是PLC。因为个人计算机的简称也是PC（PersonalComputer），有时为了避免混淆，人们习惯上仍将可编程序控制器简称为PLC。本书采用PLC的简称。5.1.2PLC的特点PLC出现后就受到普遍重视，其应用发展也十分迅速，原因在于与现有的各种控制方式相比，它有一系列受用户欢迎的特点，主要是：YXSH现代电气自动控制技术5.1可编程序控制器概述（1）可靠性高，抗干扰能力强PLC是专为工业控制而设计，由于采取了一系列措施，使PLC控制系统的平均无故障间隔时间一般能达到4~5万小时，远远超过传统继电器控制和计算机控制系统。（2）编程简单，易于掌握常用梯形图编程方式，它与继电器控制原理图类似，具有直观、清晰、修改方便、易掌握等优点，因而受到广大现场技术人员和操作者的欢迎。YXSH现代电气自动控制技术5.1可编程序控制器概述（3）组合灵活使用方便尽管PLC内部是一台专用计算机，但由于它采用标准化的通用模块结构，其I/O电路设计又采用一系列抗干扰措施，因而用户无需进行硬件的二次开发，能灵活方便地组合成各种不同规模、不同功能的控制系统。且接线简单，工作量小，使用、维护都很方便。（4）功能强，通用性好现代PLC运用了计算机、电子技术和集成工艺的最新技术，在硬件和软件两方面不断发展，使其具备很强的信息处理能力和输出控制能力。YXSH现代电气自动控制技术5.1可编程序控制器概述（5）开发周期短，成功率高大多数工业控制装置的开发研制包括机械、液压、气动、电气控制等部分，需要一定的研制时间，也包含着各种困难与风险。大量实践证明采用以PLC为核心的控制方式具有开发周期短、风险小和成功率高的优点。（6）体积小，重量轻，功耗低由于PLC采用了半导体集成电路，其体积小、重量轻、结构紧凑、功耗低。YXSH现代电气自动控制技术5.1可编程序控制器概述5.1.3PLC系统分类5.1.3.1按结构型式分类（1）整体式（单元式或箱体式）PLC将电源、CPU、存储器及I／O等各个功能部分集成在一个机壳内。（2）模块式（积木式）PLC将构成PLC的各个部分按功能做成独立模块，按需要组合。此外也有将整体式与模块式结合起来称之为叠装式PLC，其配置更为灵活。YXSH现代电气自动控制技术5.1可编程序控制器概述5.1.3.2按I／O点数和存储容量分类（1）小型PLC小型和微型PLC的输入输出点数在256点以下（2）中型PLC主要采用模块组合式结构。输入输出点数在256～2048点之间（3）大型PLC为要求连续控制的大型工厂或大型机器设计的，其控制功能比较复杂或者需要控制的输入输出点多于2048点。YXSH现代电气自动控制技术5.1可编程序控制器概述5.1.3.3按功能划分（1）低档机主要用于逻辑控制、顺序控制或少量模拟量控制的单机控制系统。（2）中档机有较强的模拟量处理、数值运算、数据处理、PID控制、远程I/O及联网通信等功能。（3）高档机增设有特殊功能运算和制表、表格传送等功能；具有更强的通信联网能力，可用于大规模过程控制。YXSH现代电气自动控制技术5.1可编程序控制器概述5.1.4PLC的应用（1）开关逻辑控制开关逻辑控制是PLC最基本最广泛的应用领域。PLC具有强大的逻辑运算能力，用PLC可取代传统继电器系统和顺序控制器，实现单机控制、多级控制及自动生产线控制，如各种机床、自动电梯、高炉上料、注塑机械、包装机械、印刷机械、装配生产线、电镀流水线、货物的存取、运输和检测等的控制。YXSH现代电气自动控制技术5.1可编程序控制器概述（2）模拟量控制在工业生产过程中，有许多连续变化的量。如温度、压力、流量、液位、速度等都是模拟量。PLC所处理的是数字量，为了能接受模拟量输入并能输出模拟信号，PLC中配有A/D和D/A模块，将现场的温度、压力等这些模拟量经过A/D转换为数字量，经微处理器进行处理，微处理器处理的数字量又经过D/A转换变为模拟量去控制被控对象。这样就实现了PLC对模拟量的控制。YXSH现代电气自动控制技术5.1可编程序控制器概述（3）闭环过程控制应用PLC不仅可以对模拟量进行控制，而且还可以进行闭环控制，现在大中型PLC一般都配备了专门的比例、积分、微分（PID）控制模块。（4）定时控制PLC具有定时控制的功能，它可以为用户提供几十甚至上百个记时器，其记时的时间可以由用户在编写用户程序时设定，也可以由操作人员在工业现场通过编程器进行设定，实现定时或延时的控制。YXSH现代电气自动控制技术5.1可编程序控制器概述（5）计数控制为用户提供了几十个甚至上百个的计数器，设定方式如同定时一样。如果用户需要对频率较高的信号进行计数的话，则可以选择高速计数模块。（6）顺序控制实现顺序控制，可以用移位寄存器和步进指令编写程序，也可以采用国际电工委员会规定的用于顺序控制的标准化语言──顺序功能图（SequentialFunctionChart）编写程序，PLC便可以实现按照事件或输入状态的顺序，控制输出。YXSH现代电气自动控制技术5.1可编程序控制器概述（7）数据处理现代PLC都具有数据处理能力。它不仅能进行算术运算，数据传送，而且能进行数据比较，数据转换，数据显示和打印及数据通信等。对于大中型PLC还可以进行浮点运算，函数运算等。（8）通信和联网PLC的控制已从早期的单机控制发展到了多机控制，实现了工厂自动化。这是由于现代的PLC一般都有通信的功能，它既可以对远程I/O进行控制，又能实现PLC与PLC、PLC与计算机之间的通信。YXSH现代电气自动控制技术5.1可编程序控制器概述5.1.5PLC的发展趋势5.1.5.2在功能和技术指标方面（1）向高速、大容量方向发展（2）加强联网和通信能力（3）致力于开发新型智能I／O功能模块（4）增强外部故障的检测与处理能力（5）编程语言的多样化5.1.5.2在经济指标与产品类型方面（1）研制大型PLC（2）大力发展简易、经济的超小型微型PLC（3）致力提高功能价格比，以提高竞争力。YXSH现代电气自动控制技术5.1可编程序控制器概述控制柜内PLC控制柜内部控制柜触摸显示屏控制柜