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第五章PLC与变频技术第一节PLC（ProgrammableLogicController）一、PLC基础知识（一）PLC简介1968年美国通用公司公开招标研制功能更强，使用更方便，价格更便宜，可靠性更高的新型控制器。1969年美国数字设备公司（DEC）根据GM招标的要求，研制成功世界上第一台可编程序控制器，并在GM公司汽车生产线上首次应用成功，实现了生产的自动控制。可编程序控制器（PLC）是一种带有指令存储器和数字或模拟I/O接口，以位运算为主，能完成逻辑、顺序、定时、计数和算术运算功能，用于控制机器或生产过程的自动控制装置。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。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。传统的继电接触器控制采用的是固定接线方式，一旦生产过程有所变动，就得重新设计线路连接安装，而且设备体积大，开关动作慢，功能少，接线复杂，触点易损坏，不利于产品的更新换代。1、可靠性高、抗干扰能力强（1）隔离。PLC的输入、输出接口电路一般采用光电耦合器来传递信号，这种光电隔离措施，使外部电路与内部电路之间避免了电的联系，可有效地抑制外部干扰源对PLC的影响，同时防止外部高电压窜入，减少故障和误动作。（2）滤波。在PLC的电源电路和输入、输出电路中设置了多种滤波电路，用以对高频干扰信号进行有效抑制。（3）PLC的内部电源采取屏蔽、稳压和保护等措施，以减少外界干扰，保证供电质量。另外输入/输出接口电路的电源彼此独立，以免电源之间的干扰。（4）内部设置连锁、环境检测与诊断、看门狗等电路，一旦发现故障或程序循环执行时间超过警戒时钟规定，立即报警，以保证CPU可靠工作。（5）模的复杂控制是利用系统软件定期进行系统状态、用户程序、工作环境和故障检测，并采取信息保护和恢复措施。（6）对用户程序及动态工作数据进行电池后备，以保障停电后有关状态或信息不丢失。（7）采用密封、防尘、抗震的外壳封装结构，以适应工作现场的恶劣环境。（8）PLC是以集成电路为基本单元的电子设备，内部处理过程不依赖于机械触点，从而保障其可靠性高；而采用循环扫描的工作方式，也提高了抗干扰能力。2、功能完善、扩充方便、组合灵活、实用性强现代PLC所具有的功能及其各种扩展单元、智能单元和特殊功能模块，可以方便、灵活地组成不同规模和要求的控制系统，以适应各种工业控制的需要。3、编程简单、使用方便、控制程序可变、具有较好的柔性PLC继承了传统继电器控制电路的读图习惯，采用面向控制过程和操作者的“自然语言”——梯形图为编程语言。PLC控制系统采用软件编程来实现控制功能，其外围只需将信号输入设备（开关、按钮、传感信号等）和执行控制任务的输出设备（如接触器、电磁阀等执行元件）与PLC的输入输出端子相连接，安装简单、工作量少。当生产工艺流程改变或生产设备更新时，不必改变PLC设备，只需将程序重新编写即可，灵活方便，具有很强的柔性。4、体积小、重量轻、功耗低由于PLC是专为工业控制而设计的，其结构紧密、坚固、体积小，是实现机电一体化的理想控制设备。（二）基本组成（见图5-1）图5-1PLC实质上是一种工业控制的专用计算机。与普通计算机相比，PLC不仅具有与工业过程直接相连的接口，而且具有更适用于工业控制的编程语言。PLC的基本结构如图5-1所示。PLC的各部分功能如下：5、CPU的构成CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，每套PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路。CPU主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，CPU单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。CPU速度和内存容量是PLC的重要参数，它们决定着PLC的工作速度，IO数量及软件容量等，因此限制着控制规模。2、I/O模块PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部分（I/O）完成的。I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统，输出模块相反。I/O分为开关量输入（DI），开关量输出（DO），模拟量输入（AI），模拟量输出（AO）等模块。开关量是指只有开和关（或1和0）两种状态的信号，模拟量是指连续变化的量。常用的I/O分类如下：开关量：按电压水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。模拟量：按信号类型分，有电流型（4-20mA,0-20mA）、电压型（0-10V,0-5V,-10-10V）等，按精度分，有12bit,14bit,16bit等。除了上述通用IO外，还有特殊IO模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。3、电源模块PLC电源用于为PLC各模块的集成电路提供工作电源。同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源。电源输入类型有：交流电源（220VAC或110VAC），直流电源（常用的为24VAC）。4、底板或机架大多数模块式PLC使用底板或机架，其作用是：电气上，实现各模块间的联系，使CPU能访问底板上的所有模块，机械上，实现各模块间的连接，使各模块构成一个整体。5、PLC系统的其它设备（1）编程设备：编程器是PLC开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件，用于编程、对系统作一些设定、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。小型PLC一般有手持型编程器，目前一般由计算机（运行编程软件）充当编程器。（2）人机界面：最简单的人机界面是指示灯和按钮，目前液晶屏（或触摸屏）式的一体式操作员终端应用越来越广泛，由计算机（运行组态软件）充当人机界面非常普及。（3）输入输出设备：用于永久性地存储用户数据，如EPROM、EEPROM写入器、条码阅读器，输入模拟量的电位器，打印机等。6、PLC的通信联网依靠先进的工业网络技术可以迅速有效地收集、传送生产和管理数据。因此，网络在自动化系统集成工程中的重要性越来越显著，甚至有人提出网络就是控制器的观点说法。PLC具有通信联网的功能，它使PLC与PLC之间、PLC与上位计算机以及其他智能设备之间能够交换信息，形成一个统一的整体，实现分散集中控制。多数PLC具有RS-232接口（或RS422配以适配器），还有一些内置有支持各自通信协议的接口。PLC的通信，还未实现互操作性，IEC规定了多种现场总线标准，PLC各厂家均有采用。（三）PLC的工作原理1、PLC的等效电路传统的继电器控制系统是由输入、逻辑控制和输出三个基本部分组成的。其逻辑控制部分是由各种继电器及其触点，按一定的逻辑关系用导线联接而成的电路。若需要改变系统的逻辑功能，必须改变继电器电路。PLC控制系统也是由输入、逻辑控制和输出三个基本部分组成的，但其逻辑控制部分采用PLC来代替继电器电路。因此，可以将PLC等效为一个由许多个各种可编程继电器（如输入继电器、输出继电器、辅助继电器、定时器等）组成的整体，如图所示。PLC内部的这些克编程元件，由于在使用上与真实元件有很大的差异，因此称之为“软”继电器。2、PLC的工作原理PLC采用周期性循环扫描的工作方式来执行用户程序，即在五跳转指令的情况下，CPU从第一条指令开始，按顺序逐条地执行用户程序，直到用户程序结束，便完成了一次程序扫描，然后再返回第一条指令，开始新一轮的扫描。整个工作过程分为：自诊断、通信处理、输入采样、程序执行和输出处理五个阶段。（1）自诊断每次在扫描用户程序之前，都先执行故障自诊断程序。在这一阶段CUP检测主机硬件，同时也检查所有的I/O模块的状态，发现异常时停机并显示出错。如果正常时，则继续向下扫描。（2）通讯处理PLC检查是否有与编程器、计算机、其它PLC等的通讯请求，若有则进行相应的处理，完成数据通信任务。（3）输入采样（输入刷新）阶段PLC的中央处理器对各个输入端进行扫描，将输入端的状态输送到输入寄存器，这就是输入采样阶段。（4）程序执行阶段CPU将指令逐条调出并执行。CPU根据输入状态寄存器、内部寄存器、输出状态寄存器的内容和有关数据进行逻辑运算，并将正确运算的结果写入相应的输出状态寄存器。（5）输出处理（输出刷新）阶段CPU在执行完所有的指令后，把输出状态寄存器的状态通过输出部件转换成被控设备所能接受的电压或电流信号，以驱动被控设备。PLC执行的五个阶段，称为一个扫描周期。PLC完成一个周期后，又重新执行上述过程，扫描周而复始地进行。扫描周期是PLC的主要指标之一，在不考虑其它因素时（与编程器通讯时间），扫描周期T为：T=（读入一点时间×输入点数）+（运算速度×程序步数）+（输出一点时间×输出点数）+故障自诊断时间扫描周期长短主要取决于程序的长短，它对于一般工业设备通常没有什么影响。但对控制时间要求较严格，响应速度要求快的系统，就应该精确的计算响应时间，细心编排程序，合理优化程序，尽量缩短扫描时间。（四）、PLC的性能评述PLC的性能可以采用以下这些指标来综合评述。1、输入/输出总点数（即I/O总点数）PLC的输入和输出量有开关量和模拟量两种。对于开关量，I/O用最大I/O点数表示，而对模拟量，I/O点数则用最大I/O通道路数表示。这是衡量PLC的最重要一项技术指标。2、扫描速度一般以执行1000步指令所需时间来衡量，以ms/k步来表示单位。3、用户程序存储量一般以PLC所能存放用户程序多少来衡量。在PLC中程序指令是按“步”进行存放的，一“步”占用一个地址单元，一个地址单元一般占用两个字节。编程时，通常对于一般的逻辑操作指令，每条指令占一个字，计时、计数和移位指令占2个字，对于一般的数据操作指令，每条指令占2个字。4、内部寄存器PLC内容有许多寄存器用以存放变量状态、中间结果、数据等。包括输入继电器、输出继电器、辅助继电器、特殊继电器、定时器、计数器、状态继电器、数据寄存器等。5、指令种类数和总条数这是衡量PLC软件功能强弱的主要指标。PLC具有的指令种类越多，说明其软件功能越强。6、高功能模块PLC除了主控模块外还可以配接各种高功能模块。主控模块实现基本控制功能，高功能模块则可实现某一种特殊的专门功能。高功能模块的多少，国内强弱常是衡量PLC产品水平高低的一个重要标志。目前常见的高功能模块如：A/D模块、D/A模块、高速计数模块、速度控制模块、位置控制模块、轴定位模块、温度控制模块、远程通信模块、高级语言编辑以及各种物理量转换模块等等。（五）、PLC产品的分类PLC的种类很多，其功能、内存容量、控制规模、外形等方面差异较大，因此PLC的分类标准不统一，但仍可按其I/O点数、结构形式、实现功能等进行大致的分类。1、根据结构形状分为整体式和模块式两种。（1）整体式整体式结构的PLC是将中央处理器、电源部件、输入输出部件集中配置在一起，结构紧凑，体积小，重量轻和价格低，小型PLC常采用这种结构，适用于工业生产中的单机控制。（2）机架模块式模块式PLC，是将各部分单独的模块分开，如中央处理器模块、电源模块、输入模块、输出模块等。使用时可将这些模块分别插入机架底版的插座上，配置灵活、方便，便于扩展。可根据生产实际的控制要求配置各种不同的模块，构成不同的控制系统，一般大、中型PLC采用这种结构。2、根据I/O点数和存储容量分类按I/O点数和存储容量来分，PLC大致可分为大、中、小型三种。小型PLC的输入输出点数在256点以下，用户