可編程控制器概述

第二章可編程序控制器概述

一、可編程控制器的定義二、可編程控制器的產生三、可編程控制器的特點四、可編程控制器的應用五、可編程控制器的發(fā)展六、可編程控制器的類型本章主要講解…七、可編程控制器與其他工業(yè)系統(tǒng)的比較當前1頁，總共62頁。工業(yè)自動化三大支柱PLCCAD/CAM機器人當前2頁，總共62頁。CADComputerAidedDesign,CAD1972年10月，國際信息處理聯(lián)合會（IFIP）在荷蘭召開的“關于CAD原理的工作會議”上給出如下定義：CAD是一種技術，其中人與計算機結合為一個問題求解組，緊密配合，發(fā)揮各自所長，從而使其工作優(yōu)于每一方，并為應用多學科方法的綜合性協(xié)作提供了可能。CAD是工程技術人員以計算機為工具，對產品和工程進行設計、繪圖、分析和編寫技術文檔等設計活動的總稱.當前3頁，總共62頁。CAMComputerAidedManufacturing定義: 利用計算機來進行生產設備管理控制和操作的過程。它輸入信息是零件的工藝路線和工序內容，輸出信息是刀具加工時的運動軌跡(刀位文件)和數(shù)控程序。當前4頁，總共62頁。機器人1987年國際標準化組織對工業(yè)機器人進行了定義：“工業(yè)機器人是一種具有自動控制的操作和移動功能，能完成各種作業(yè)的可編程操作機?！碑斍?頁，總共62頁。工業(yè)機器人（通用及專用）一般指用于機械制造業(yè)中代替人完成具有大批量、高質量要求的工作，如汽車制造、摩托車制造、艦船制造、某些家電產品（電視機、電冰箱、洗衣機）、化工等行業(yè)自動化生產線中的點焊、弧焊、噴漆、切割、電子裝配及物流系統(tǒng)的搬運、包裝、碼垛等作業(yè)的機器人。當前6頁，總共62頁?？删幊绦蜻壿嬁刂破?ProgrammableLogicController)通常稱為可編程控制器，是以微處理器為基礎，綜合計算機技術、自動控制技術和通信技術而發(fā)展起來的一種通用的工業(yè)自動控制裝置特點體積小功能強程序設計簡單靈活通用維護方便高可靠性較強的惡劣工業(yè)環(huán)境適應能力當前7頁，總共62頁。PLCPLC及其網(wǎng)絡被公認為現(xiàn)代工業(yè)自動化三大支柱（PLC、機器人、CAD/CAM）之一。從近年的統(tǒng)計數(shù)據(jù)看，在世界范圍內，PLC產品的產量、銷售、用量高居各種工業(yè)控制裝置榜首，而且市場需求量一直在按每年15%的比率上升。當前8頁，總共62頁。當前9頁，總共62頁。什么是PLC？一、可編程控制器的定義是一種工業(yè)控制裝置是在電器控制技術和計算機技術的基礎上開發(fā)出來的，并逐漸發(fā)展成為以微處理器為核心，將自動化技術、計算機技術、通信技術融為一體的新型工業(yè)控制裝置。通用叫法中文名稱為可編程控制器；英文名稱為ProgrammableLogicController，簡稱PLC。當前10頁，總共62頁。一、可編程控制器的定義1987年，國際電工委員會（IEC）定義：“可編程控制器是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計。它采用可編程序的存儲器，用來在其內部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術運算等操作的指令，并通過數(shù)字式和模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產過程。可編程控制器及其有關外圍設備，都應按易于與工業(yè)系統(tǒng)聯(lián)成一個整體，易于擴充其功能的原則設計”。當前11頁，總共62頁。定義中有以下幾點值得注意：（1）可編程控制器是“數(shù)字運算操作的電子裝置”，它其中帶有“可以編制程序的存儲器”，可以進行“邏輯運算、順序運算、計時、計數(shù)和算術運算”工作，可以設想可編程控制器具有計算機的基本特征。事實上，可編程控制器無論從內部構造、功能及工作原理上看都是不折不扣的計算機。一、可編程控制器的定義當前12頁，總共62頁。（2）可編程控制器是“為工業(yè)環(huán)境下應用”而設計的計算機。工業(yè)環(huán)境和一般辦公環(huán)境有較大的區(qū)別，PLC具有特殊的構造，使它能在高粉塵、高噪音、強電磁干擾和溫度變化劇烈的環(huán)境下正常工作。為了能控制“機械或生產過程”，它又要能“易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體”，這些都是個人計算機不可能做到的?？删幊炭刂破鞑皇瞧胀ǖ挠嬎銠C，它是一種工業(yè)現(xiàn)場用計算機。一、可編程控制器的定義當前13頁，總共62頁。（3）可編程控制器能控制“各種類型”的工業(yè)設備及生產過程。它“易于擴展其功能”，也就是說，它的程序并不是不變的，而是能根據(jù)控制對象的不同要求，讓使用者“可以編制程序”的。可編程控制器較其以前的工業(yè)控制計算機，如單片機工業(yè)控制系統(tǒng)，具有更大的靈活性，它可以方便地應用在各種場合，它是一種通用的工業(yè)控制計算機。一、可編程控制器的定義當前14頁，總共62頁?？删幊炭刂破鞯囊话愀拍羁删幊炭刂破鲉柺酪郧?，工業(yè)控制領域中以繼電器控制技術占主導地位特點結構簡單易懂設備體積大耗電多可靠性差壽命短運行速度不高通用性靈活性差二、可編程控制器的產生當前15頁，總共62頁。交機電機熔絲交流接觸器熱繼電器刀開關按鈕開關當前16頁，總共62頁。繼電器邏輯控制系統(tǒng)框圖當前17頁，總共62頁。二、可編程控制器的產生因為繼電器邏輯電路配線復雜當前18頁，總共62頁?？删幊炭刂破骺刂葡到y(tǒng)框圖當前19頁，總共62頁。當前20頁，總共62頁。二、可編程控制器的產生背景：1968年美國通用汽車公司（GM），為了適應汽車型號的不斷更新，生產工藝不斷變化的需要，實現(xiàn)小批量、多品種生產，希望能有一種新型工業(yè)控制器，它能做到盡可能減少重新設計和更換繼電器控制系統(tǒng)及接線，以降低成本，縮短周期。

當前21頁，總共62頁。1968年，GM公司提出十項設計標準：編程簡單，可在現(xiàn)場修改程序；維護方便，采用插件式結構；可靠性高于繼電器控制柜；體積小于繼電器控制柜；成本可與繼電器控制柜競爭；可將數(shù)據(jù)直接送入計算機；可直接使用115V交流輸入電壓；輸出采用115V交流電壓，能直接驅動電磁閥、交流接觸器等；通用性強，擴展方便;能存儲程序，存儲器容量可以擴展到4KB。二、可編程控制器的產生當前22頁，總共62頁。1969年，美國數(shù)字設備公司研制第一臺可編程控制器，并應用于工業(yè)現(xiàn)場。二、可編程控制器的產生當前23頁，總共62頁。1971年，日本研制成了日本第一臺可編程控制器。1973年，西德和法國也研制出了自己的可編程控制器并在工業(yè)領域開始應用。我國從1974年開始研制，并于1977年開始工業(yè)應用。早期的可編程控制器是用來取代繼電器控制的，其控制功能主要是邏輯運算、計時、計數(shù)等順序控制，因此人們稱之為可編程序邏輯控制器，簡稱為PLC或PC。20世紀70年代末到80年代初，微處理技術日趨成熟，使可編程控制器的處理速度大為提高，同時增加了許多特殊的功能，如：數(shù)值運算、函數(shù)運算、查表等，使得可編程控制器不僅可以進行邏輯控制，而且還可以對模擬量進行控制。因此，美國電器制造商協(xié)會NEMAC將其正式命名為PC(ProgrammableController)。當前24頁，總共62頁。三、可編程控制器的特點無觸點免配線，可靠性高，抗干擾能力強為了滿足PLC專為在工業(yè)環(huán)境下應用的要求，PLC采用了如下硬件和軟件措施：(1)光電耦合隔離和RC濾波器，有效地防止了各類電磁干擾信號的進入。(2)采用內部電磁屏蔽，防止輻射干擾。(3)采用優(yōu)良的開關電源，防止電源線引入的干擾。當前25頁，總共62頁。(4)具有良好的自診斷功能?？梢詫PU等內部電路進行檢測，一旦出錯，立即報警。(5)對程序及有關數(shù)據(jù)用電池供電進行后備，一旦電源斷電或運行停止，有關狀態(tài)及信息不會丟失。(6)對采用的器件都進行嚴格篩選和老化處理，排除了因器件可靠性問題而造成的故障。(7)采用了冗余技術進一步增強可編程控制器的可靠性。對于大型的PLC，采用雙CPU構成冗余系統(tǒng)，或三CPU構成表決式系統(tǒng)。當前26頁，總共62頁。通用性強，控制程序可變，使用方便硬件配套齊全，用戶使用方便，適應性強編程簡單，容易掌握系統(tǒng)的設計、安裝、調試工作量少維修工作量小，維護方便體積小，能耗低.當前27頁，總共62頁。主要是PLC的軟、硬件體系結構是封閉而不是開放的：如專用總線、專家通信網(wǎng)絡及協(xié)議，I/O模板不通用，甚至連機柜、電源模板亦各不相同。編程語言雖多數(shù)是梯形圖，但組態(tài)、尋址、語言結構均不一致，因此各公司的PLC互不兼容。SIEMENS等公司已經(jīng)開發(fā)出以個人計算機為基礎，在Windows平臺下，結合IEC1131－3國際標準的新一代開放體系結構的PLC。

PLC的缺點當前28頁，總共62頁。四、可編程控制器的應用領域當前29頁，總共62頁。可編程控制器的應用范圍PLC應用形式的類型：1．開關邏輯控制2．模擬量控制3．順序(步進)控制4．定時控制5．計數(shù)控制6．閉環(huán)過程控制7．數(shù)據(jù)處理8．通信和聯(lián)網(wǎng)當前30頁，總共62頁。四、可編程控制器的應用領域當前31頁，總共62頁。四、可編程控制器的應用領域當前32頁，總共62頁。四、可編程控制器的應用領域當前33頁，總共62頁。四、可編程控制器的應用領域當前34頁，總共62頁。四、可編程控制器的應用領域當前35頁，總共62頁。四、可編程控制器的應用領域當前36頁，總共62頁。四、可編程控制器的應用領域當前37頁，總共62頁。四、可編程控制器的應用領域當前38頁，總共62頁。五、可編程控制器的發(fā)展高性能、高速度、大容量發(fā)展為了提高PLC的處理能力，要求PLC具有更好的響應速度和更大的存儲容量。目前，有的PLC的掃描速度可達0.1ms/k步左右。PLC的掃描速度已成為很重要的一個性能指標。在存儲容量方面，有的PLC最高可達幾十兆字節(jié)。為了擴大存儲容量，有的公司已使用了磁泡存儲器或硬盤。當前39頁，總共62頁。向小型化和大型化兩個方向發(fā)展小型PLC由整體結構向小型模塊化結構發(fā)展，使配置更加靈活，為了市場需要已開發(fā)了各種簡易、經(jīng)濟的超小型微型PLC，最小配置的I/O點數(shù)為8～16點，以適應單機及小型自動控制的需要。大型化是指大中型PLC向大容量、智能化和網(wǎng)絡化發(fā)展，使之能與計算機組成集成控制系統(tǒng)，對大規(guī)模、復雜系統(tǒng)進行綜合性的自動控制?，F(xiàn)已有I/O點數(shù)達14336點的超大型PLC，其使用32位微處理器，多CPU并行工作和大容量存儲器，功能強。五、可編程控制器的發(fā)展當前40頁，總共62頁。大力開發(fā)智能模塊，加強聯(lián)網(wǎng)與通信能力為滿足各種控制系統(tǒng)的要求，不斷開發(fā)出許多功能模塊，如高速計數(shù)模塊、溫度控制模塊、遠程I/O模塊、通信和人機接口模塊等。PLC的聯(lián)網(wǎng)與通信有兩類：①PLC之間聯(lián)網(wǎng)通信，各PLC生產廠家都有自己的專有聯(lián)網(wǎng)手段；②PLC與計算機之間的聯(lián)網(wǎng)通信。為了加強聯(lián)網(wǎng)與和通信能力，PLC生產廠家也在協(xié)商制訂通用的通信標準，以構成更大的網(wǎng)絡系統(tǒng)。

五、可編程控制器的發(fā)展當前41頁，總共62頁。增強外部故障的檢測與處理能力據(jù)統(tǒng)計資料表明：在PLC控制系統(tǒng)的故障中，CPU占5%，I/O接口占15%，輸入設備占45%，輸出設備占30%，線路占5%。前二項共20%故障屬于PLC的內部故障，它可通過PLC本身的軟、硬件實現(xiàn)檢測、處理。而其余80%的故障屬于PLC的外部故障。PLC生產廠家都致力于研制、發(fā)展用于檢測外部故障的專用智能模塊，進一步提高系統(tǒng)的可靠性。

五、可編程控制器的發(fā)展當前42頁，總共62頁。編程語言多樣化在PLC系統(tǒng)結構不斷發(fā)展的同時，PLC的編程語言也越來越豐富，功能也不斷提高。除了大多數(shù)PLC使用的梯形圖、語句表語言外，為了適應各種控制要求，出現(xiàn)了面向順序控制的步進編程語言、面向過程控制的流程圖語言、與計算機兼容的高級語言（BASIC、C語言等）等。多種編程語言并存、互補與發(fā)展是PLC進步的一種趨勢。五、可編程控制器的發(fā)展當前43頁，總共62頁。按I/O點數(shù)分小型PLCI/O點數(shù)為256點以下的為小型PLC（其中I/O點數(shù)小于64點的為超小型或微型PLC）中型PLCI/O點數(shù)為256點以上、2048點以下的為中型PLC大型PLCI/O點數(shù)為2048以上的為大型PLC（其中I/O點數(shù)超過8192點的為超大型PLC）六、可編程控制器的類型當前44頁，總共62頁。按結構形式分整體式PLC將電源、CPU、I/O接口等部件都集中裝在一個機箱內，具有結構緊湊、體積小、價格低等特點。六、可編程控制器的類型模塊式PLC將PLC各組成部分分別作成若干個單獨的模塊，如CPU模塊、I/O模塊、電源模塊（有的含在CPU模塊中）以及各種功能模塊。緊湊式PLC還有一些PLC將整體式和模塊式的特點結合起來。模塊式PLC將PLC各組成部分分別作成若干個單獨的模塊，如CPU模塊、I/O模塊、電源模塊（有的含在CPU模塊中）以及各種功能模塊。緊湊式PLC還有一些PLC將整體式和模塊式的特點結合起來。整體式PLC將電源、CPU、I/O接口等部件都集中裝在一個機箱內，具有結構緊湊、體積小、價格低等特點。當前45頁，總共62頁。按功能分低檔PLC具有邏輯運算、定時、計數(shù)、移位以及自診斷、監(jiān)控等基本功能，還可有少量模擬量輸入／輸出、算術運算、數(shù)據(jù)傳送和比較、通信等功能。中檔PLC具有低檔PLC功能外，增加模擬量輸入/輸出、算術運算、數(shù)據(jù)傳送和比較、數(shù)制轉換、遠程I/O、子程序、通信聯(lián)網(wǎng)等功能。有些還增設中斷、PID控制等功能。高檔PLC具有中檔機功能外，增加帶符號算術運算、矩陣運算、位邏輯運算、平方根運算及其它特殊功能函數(shù)運算、制表及表格傳送等。高檔PLC機具有更強的通信聯(lián)網(wǎng)功能。六、可編程控制器的類型當前46頁，總共62頁。1.PLC與繼電器控制系統(tǒng)的比較傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)被PLC所取代已是必然趨勢。繼電器控制柜是針對一定的生產機械、固定的生產工藝設計的，采用硬接線方式裝配而成，只能完成既定的邏輯控制、定時、計數(shù)等功能，一旦生產工藝過程改變，則控制柜必須重新設計、重新配線。而PLC由于應用了微電子技術和計算機技術，各種控制功能都是通過軟件來實現(xiàn)的，因此只要改變程序并改動少量的接線端子，就可適應生產工藝的改變。從適應性、可靠性、方便性及設計、安裝、維護等各方面進行比較，PLC都有顯著的優(yōu)勢。因此在用微電子技術改造傳統(tǒng)產業(yè)的過程中，傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)大多數(shù)將被PLC所取代。七、可編程控制器與其他工業(yè)系統(tǒng)的比較當前47頁，總共62頁。2.PLC與工業(yè)控制計算機的比較工業(yè)控制計算機是通用微型計算機適應工業(yè)生產控制要求發(fā)展起來的一種控制設備。硬件結構方面總線標準化程度高、兼容性強，并且軟件資源豐富，特別是有實時操作系統(tǒng)的支持，故對要求快速、實時性強、模型復雜、計算工作量大的工業(yè)對象的控制占有優(yōu)勢。但是，使用工業(yè)控制機控制生產工藝過程，要求開發(fā)人員具有較高的計算機專業(yè)知識和微機軟件編程的能力。PLC最初是針對工業(yè)順序控制應用發(fā)展而來的，硬件結構專用性強，通用性差，很多優(yōu)秀的微機軟件也不能直接使用，必須經(jīng)過二次開發(fā)。但是，PLC采用了工廠技術人員熟悉的梯形圖語言編程，易學易懂，便于推廣應用。當前48頁，總共62頁。從可靠性方面看，PLC是專為工業(yè)現(xiàn)場應用而設計的，結構上采用整體密封或插件組合型，并采取了一系列抗干擾措施，具有很高的可靠性。而工控機雖然也能夠在惡劣的工業(yè)環(huán)境下可靠運行，但畢竟是由通用機發(fā)展而來的，在整體結構上要完全適應現(xiàn)場生產環(huán)境，還要做不少工作。另一方面，PLC用戶程序是在PLC監(jiān)控程序的基礎上運行的，軟件方面的抗干擾措施在監(jiān)控程序里已經(jīng)考慮得很周全，而工控機用戶程序則必須考慮抗干擾問題，一般的編程人員很難考慮周全。這也是工控機應用系統(tǒng)比PLC應用系統(tǒng)可靠性低的原因。盡管現(xiàn)代PLC在模擬量信號處理、數(shù)值運算、實時控制等方面有了很大提高，但在模型復雜、計算量大且較難、實時性要求較高的環(huán)境中，工業(yè)控制機則更能發(fā)揮其專長。當前49頁，總共62頁。3.PLC與集散控制系統(tǒng)的比較集散控制系統(tǒng)又稱分散控制系統(tǒng)，它是專門為工業(yè)過程控制設計的過程控制裝置。它的主要應用場合是連續(xù)量的模擬控制，而PLC的主要應用場合是開關量的邏輯控制。因此，它們在設計思想上是有一定區(qū)別的。當前50頁，總共62頁。當前51頁，總共62頁。PLC是按掃描方式工作的，而集散控制系統(tǒng)是按用戶的程序指令工作的。因此，PLC對每個采樣點的采樣速度是相同的；而在集散控制系統(tǒng)中，可根據(jù)被檢測對象的特性采用不同的采樣速度，例如，對流量點的采樣周期是1s，對溫度點的采樣周期是20s等。此外，在集散控制系統(tǒng)中，可有多級優(yōu)先級中斷的設置，而PLC通常不采用中斷方式。在存儲器的容量上，由于PLC所需的運算大多是邏輯運算，因此，所需的存儲器容量較小，而集散控制系統(tǒng)需進行大量的數(shù)學運算，所以存儲器容量較大。在運算速度方面，模擬量的運算速度可較低，而開關量的運算需要有較高的速度。當前52頁，總共62頁。除了部分分散過程控制裝置安裝在現(xiàn)場，需要按現(xiàn)場的工作環(huán)境設計外，集散控制系統(tǒng)是按照安裝在控制室設計的，而PLC是按照現(xiàn)場工作環(huán)境的要求設計的，對元器件的可靠性方面有專門的考慮，在可靠性方面兩者都有較高的要求。當前53頁，總共62頁。本章主要介紹了可編程控制器的定義、可編程控制器產生的背景、可編程控制器的特點、可編程控制器的應用領域、主要類型、發(fā)展趨勢及概況。本章小結當前54頁，總共62頁。PLC為什么用量高居首位?工業(yè)自動化系統(tǒng)通常分成三類：控制開關量的邏輯裝置控制慢連續(xù)量的過程控制系統(tǒng)控制快連續(xù)量的運動控制系統(tǒng)在傳統(tǒng)上對于這三種控制系統(tǒng)用不同的控制裝置。邏輯控制用電控制（電氣控制裝置即繼電器接觸器控制）過程控制用儀表裝置（電動單元組合儀表）運動控制用電傳裝置（電氣傳動控制裝置）。所謂三電就是指的是電控、電儀、電傳。當前55頁，總共62頁。關于PLC的討論在一家工廠、一個車間、一個工段，甚至在一臺設備上，這三種設備常常并存在一起，單設備各不相干。這主要是因為這三種控制裝置相差太遠，無法兼容。長久以來，人們一直希望能把他們用一種控制裝置統(tǒng)一起來，協(xié)調地進行控制。這對于提高生產效率，保證產品質量，實現(xiàn)優(yōu)化控制無疑是很有意義的。把三電合成于一體就叫做三電一體。當前56頁，總共62頁。關于PLC的討論從現(xiàn)代控制裝置來看，無論是邏輯控制、過程控制還是運動控制都使用的是計算機開發(fā)的控制裝置，計算機成為三電一體的物質基礎。當前57頁，總共62頁。關于PLC的討論有兩種實現(xiàn)三電一體化的思路：一種思路是在網(wǎng)絡一級實現(xiàn)三電一體化，邏輯控制裝置、過程控制裝置、運動控制裝置盡管各不相同，但如果它們都可以連入同一網(wǎng)絡，則網(wǎng)絡就成了三電同一的載體，在網(wǎng)絡一級實現(xiàn)了三電一體化。另一種思路是在控制裝置一級實現(xiàn)三電一體化