第一章可编程控制器概述

第一章可编程序控制器概述•内容提要作为通用工业控制计算机，30年来，可编程序控制器从无到有，实现了工业控制领域接线逻辑到存储逻辑的飞跃；其功能从弱到强，实现了逻辑控制到数字控制的进步；其应用领域从小到大；实现了单体设备控制到胜任运动控制、过程控制及集散控制等各种任务的跨越。今天的可编程控制器正在成为工业控制领域的主流控制设备，在世界各地发挥着越来越大的作用。•本章回顾了PLC的发展过程，概述了PLC的特点及应用领域，对未来可编程控制器的发展作了展望。1.1可编程控制器的定义•PLC是一种专门为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按照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。1.2PLC之前的工业控制装置•接触器实现电机正反转控制1.3可编程序控制器(PLC)的历史及发展•20世纪60年代末期，美国汽车制造工业竞争激烈，为了使汽车型号不断翻新，缩短新产品的开发周期，1968年美国通用汽车公司(GM)提出研制PLC的基本要求。1969年，美国数字设备公司(DEC)研制出了第一台可编程序控制器，首次在美国GM公司的汽车自动装配线上试用，获得了成功。•这项新技术的使用，在工业界产生了巨大的影响。自第一台PLC诞生以来，PLC经过了五个发展时期。（1）从1969年到70年代初期。主要特点：CPU由中、小规模数字集成电路组成。存储器为磁心存储器；控制功能比较简单，能完成定时、计数及逻辑控制。（2）20世纪70年代初期到末期。主要特点是：CPU采用微处理器，存储器采用半导体存储器，不仅使整机的体积减小，而且数据处理能力获得很大提高，增加了数据运算、传送、比较等功能；实现了对模拟量的控制；软件上开发出自诊断程序。使PLC的可靠性进一步提高。产品已初步实现系列化。（3）20世纪70年代末期到80年代中期。主要特点：由于大规模集成电路的发展，推动了PLC的发展。CPU开始采用8位和16位微处理器，使数据处理能力和速度大大提高；PLC开始具有了一定的通信能力，为实现PLC分散控制、集中管理奠定了基础；软件上开发了面向过程的梯形图语言，为PLC的普及提供了必要条件。在这一时期，发达的工业化国家在多种工业控制领域开始使用PLC控制。（4）20世纪80年代中期到90年代中期。主要特点是：超大规模集成电路促使PLC完全计算机化，CPU开始采用32位微处理器；数学运算、数据处理能力大大增强，增加了运动控制、模拟量PID控制等，联网通信能力进一步加强；PLC功能不断增加的同时，体积在减小，可靠性更高。国际电工委员会(IEC)颁布了PLC标准，使PLC向标准化、系列化发展。（5）20世纪90年代中期至今。主要特点：CPU使用16位和32位微处理器，运算速度更快，功能更强，具有更强的数值运算、函数运算和大批量数据处理能力；出现了智能化模块，可以实现各种复杂系统的控制；编程语言除了传统的梯形图、助记符语言外，还增加了高级语言。•可编程序控制器经过了几十年的发展，现已形成了完整的产品系列，强大的软、硬件功能已接近或达到计算机功能。目前PLC产品在工业控制领域中无处不见，并且已渗透到国民经济各个领域。1.4PLC的特点及应用领域1.4.1PLC的特点⒈可靠性高⒉编程简单⒊通用性好⒋功能强大⒌体积小、功耗低⒍设计施工周期短1.4.2PLC的应用领域随着微电子技术的快速发展，PLC的制造成本不断下降，而功能却大大增强。目前，在先进工业国家中PLC已成为工业控制的标准设备，应用的领域已覆盖整个工业企业。概括起来主要应用在以下几个方面：⒈开关量的逻辑控制开关量的逻辑控制是工业控制中应用最多的控制。PLC的输入和输出信号都是通/断的开关信号。对控制的输入、输出点数可以不受限制，从十几个到成千上万个点，可通过扩展实现。在开关量的逻辑控制中，PLC是继电器接触器控制系统的替代产品⒉模拟量控制PLC能够实现对模拟量的控制。如果配上闭环控制PID模块后，可对温度、压力、流量、液面高度等连续变化的模拟量进行闭环过程控制。如锅炉、冷冻、反应堆、水处理、酿酒等。⒊机械运动控制PLC可采用专用的运动控制模块，对伺服电机和步进电机的速度与位置进行控制，以实现对各种机械的运动控制。如金属切削机床、数控机床、工业机器人等。⒋通信、联网及集散控制PLC通过网络通信模块及远程I/O控制模块，实现PLC与PLC之间，PLC与上位计算机之间的通信、联网；实现PLC分散控制、计算机集中管理的集散控制，增加系统的控制规模，甚至可以使整个工厂实现生产自动化。⒌数据处理许多PLC具有很强的数学运算(包括逻辑运算、算术运算、矩阵运算、函数运算)、数据传送、转换、排序、检索等功能；还可以完成数据采集、分析和处理。这些数据可以与存储器中的数据进行比较，也可以传送给其它智能装置或打印机打印。较复杂的数据处理一般在大、中型控制系统。1.5未来的可编程控制器•随着计算机技术的发展，可编程序控制器也同时得到迅速发展。今后PLC将朝着两个方向发展。1．方便灵活和小型化工业上大部分的单机自动控制只需要监测控制参数，而且执行的动作有限，因此小型机需求量十分巨大。小型化发展是指体积小、价格低、速度快、功能强、标准化和系列化发展。尤其体积小巧，易于装入机械设备内部，是实现机电一体化的理想控制设备。⒉高功能和大型化对钢铁工业、化工工业等大型企业实施生产过程的自动控制一般比较复杂，尤其实现对整个工厂的自动控制更加复杂，因此PLC需向大型化发展，即向大容量、高可靠性、高速度、高功能、网络化方向发展。为更高速度，需要提高CPU的等级。虽然，目前PLC的CPU在向前发展，但仍较落后，最高也仅仅处在80486一级。不久的将来，大型PLC会全部使用64位RISC芯片。PLC自1969年出现，立即引起各国的关注。1971年日本引入PLC技术；1973年，德国引入PLC技术；我国于1973年开始研制PLC。目前世界上百家的PLC制造厂中，仍以美、日、德三国占主导地位。近年来我国PLC生产有了长足地发展。国内PLC生产厂家主要分布在天津、上海、杭州、北京等地，产品已有几十种，有的形成系列产品。但与世界水平相比，研制开发和生产仍比较落后。现在国际一些著名的PLC生产大公司，几乎每年都推出一些小型化，甚至微型化的新产品。它们的功能十分强大，将原来中大型PLC移植过来。在结构上一些小型机采用框架和模式的组合方式，用户可根据需要选择I/O接口、内存容量或其它功能模块。这样，方便灵活地构成所需要的控制系统，满足各种特殊的控制要求。•习题与思考题•2.1PLC定义的内容是什么？•2.3PLC的发展趋势是什么？•2.4简述PLC的主要特点。•2.5PLC有哪些应用领域？•2.6PLC的输入、输出接口为什么采用光电隔离？•2.7PLC的输出接口电路有几种？它们分别带什么类型的负载？•2.8PLC的工作过程分为哪几个阶段？•2.9影响扫描周期长短的主要因素是什么？•2.10循环扫描方式对输入、输出信号的影响是什么？•2.11PLC梯形图与继电器接触器线路图主要区别是什么？•2.12PLC一般构成有哪些？•2.13PLC的主要性能指标有哪些？•2.14PLC有几种分类方法？