工業(yè)電氣控制及PLC技術 第四章 可編程控制器及其工作原理

第四章可編程控制器及其任務原理第一節(jié)可編程控制器的產生和開展可編程控制器的產生在可編程控制器誕生之前，工業(yè)電氣控制主要運用低壓電器構成的繼電接觸器電路。它是以接線邏輯實現(xiàn)控制功能的。缺陷：這樣的控制設備一經消費出來，功能就固定了，假設要改動就必需改動控制器內部的硬件接線在這種情況下，1968年通用汽車公司提出了要尋覓一種比繼電器更可靠，功能更齊全，呼應速度更快的新型工業(yè)控制器。這種控制器必需具備編程方便，維修方便，可靠性高，體積小，數據可直接送入管理計算機，本錢低，方便擴展的特點。其中，編程方便是接線邏輯向存儲邏輯提高的重要標志。1969年第一臺可編程控制器PDP-14由美國的數字設備公司研制出來，并且勝利的用于工業(yè)消費，可編程控制器由此誕生。早期的可編程控制器〔PC〕主要用于邏輯量控制，并且為了和個人計算機〔PC〕區(qū)別，把可編程控制器縮寫為PLC〔ProgrammableLogicController〕。1987年，國際電工委員會IEC對可編程序控制器作了如下規(guī)定：可編程序控制器是一種數字運算操作的電子系統(tǒng)，專為工業(yè)環(huán)境下運用而設計。它采用了可編程序的存儲器，用來在其內部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數和算術操作等面向用戶的指令，并經過數字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或消費過程。它及其有關外圍設備，都按易于與工業(yè)系統(tǒng)聯(lián)成一體，易于擴展的原那么設計。可見：可編程控制器是一種工業(yè)用計算機。作為工業(yè)用途，決議了它必需有很強的抗干擾才干，廣泛的順應才干和運用范圍?？删幊炭刂破鞯拈_展1、消費方面1971年日本開場消費PLC1973年歐洲開場消費PLC至今，世界各國的一些著名的電器廠幾乎都在消費PLCPLC曾經作為一個獨立的工業(yè)設備被列入消費中，成為當代電控安裝的主導。2、組成方面早期：PLC主要由分立元件和中小規(guī)模集成電路組成，采用了一些計算機技術，但簡化了計算機的內部電路。特點：對工業(yè)現(xiàn)場的環(huán)境順應性較好，指令系統(tǒng)簡單，普通只具有邏輯運算功能。20世紀70年代中：微處置器及其他大規(guī)模集成電路芯片成為其中心部件。特點：有自診斷功能，可靠性和性價比都大幅提高。20世紀80年代：微處置器，ROM，RAM或單片機作為中心。特點：處置速度大大提高，添加了多種特殊功能，體積進一步減小。

20世紀九十年代末：幾乎完全計算機化。其速度更快功能更強，各種智能模塊不斷被開發(fā)出來，使其不斷地擴展著他在各類工業(yè)控制過程中的作用。3、如今PLC的開展如今，PLC不僅能進展邏輯控制，在模擬量閉環(huán)控制、數字量智能控制、數據采集、監(jiān)控、通訊聯(lián)網及集散控制系統(tǒng)等各方面都得到了廣泛的運用。今后PLC將向兩大方面開展：一是大型PLC向高速，大容量和高性能方向開展；二是開展簡易經濟的超小型可編程控制器，以順應單機控制及小型設備自動化的需求。

第二節(jié)可編程控制器的用途及特點用途順序控制最廣泛運用的領域，可取代傳統(tǒng)的繼電器的順序控制可運用于單機控制，多機群控制，消費自動線控制運動控制目前已有拖動步進電機或多軸位置控制模塊多數情況，PLC把描畫目的位置的數據送給模塊，模塊挪動一軸或數軸到目的位置閉環(huán)過程控制具有PID控制才干的PLC可用于過程控制數據處置把支持順序控制的PLC和計算機數值控制〔CNC〕設備嚴密結合用以實現(xiàn)數據處置。

通訊和聯(lián)網PLC之間，PLC和上級計算機之間的通訊功能特點可靠性高，抗干擾才干強順應性強、運用靈敏編程方便，易于運用功能強，擴展才干強PLC控制系統(tǒng)設計、安裝、調試方便維修方便，維修任務量少PLC體積小，分量輕，易于實現(xiàn)機電一體化

第三節(jié)PLC的硬件組成根據物理構造方式的不同，PLC可分為整體式和組合式兩類。但是不論是哪一種類型的PLC都是由根本一樣的部分組成的，下面分別引見各組成部分及其作用。中央處置器〔CPU〕 CPU是PLC的中心，按程序賦予的功能指揮PLC任務，他的主要義務有：1、控制從編程器鍵入的用戶程序和數據的接納與存儲；用掃描的方式經過I/O部件接受現(xiàn)場的形狀和數據并存入輸入映像存儲器或數據存儲器中。2、診斷PLC內部電路的任務缺點和編程中的語法錯誤等。3、PLC進入運轉形狀后，從存儲器逐條讀取用戶指令，解釋并按指令規(guī)定的義務進展數據傳送、邏輯或算術運算等；并根據運算結果，更新有關標志位的形狀和輸出映像存儲器的內容，再經過輸出部件實現(xiàn)輸出控制，制表打印或數據通訊等功能。

CPU芯片的性能關系到PLC處置控制信號的才干與速度，CPU位數越高，系統(tǒng)處置的信息量越大，運算速度也越快。存儲器PLC的存儲器包括系統(tǒng)存儲器和用戶存儲器兩部分。1、系統(tǒng)存儲器用來存放由PLC消費廠家編寫的系統(tǒng)程序，并固化在ROM內，用戶不能直接更改。它使PLC具有根本的智能，可以完成PLC設計者規(guī)定的各項任務。2、用戶存儲器包括用戶程序存儲器〔程序區(qū)〕和功能存儲器〔數據區(qū)〕兩部分。用戶程序存儲器用來存放用戶針對詳細控制義務，用規(guī)定的PLC編程言語編寫的各種用戶程序。用戶程序存儲器根據所選用的存儲單元的不同，可以是RAM〔有掉電維護〕、EPROM或EEPROM存儲器，其內容可以由用戶恣意修正或增刪。用戶功能存儲器是用來存放用戶程序中運用的ON/OFF形狀，數值數據等，它構成PLC的各種內部器件，也稱“軟元件〞。用戶存儲器容量的大小關系到用戶程序容量的大小和內部器件的多少，是反映PLC性能的重要目的之一。輸入、輸出接口輸入、輸出接口是PLC與外界銜接的接口。1、輸入接口用來接納和采集兩種類型的輸入信號：開關量輸入信號和模擬量輸入信號。2、輸出接口用來銜接被控對象中各種執(zhí)行元件，如接觸器、調理閥等。電源小型整體式可編程控制器內部有一個開關穩(wěn)壓電源。

此電源一方面可為CPU板，I/O板及擴展單元提供任務電源〔5VDC〕，另一方面可為外部輸入元件提供24VDC電源。擴展接口擴展接口用于將擴展單元與根本單元相連，使PLC的配置更加靈敏。通訊接口使PLC可以與監(jiān)視器，打印機以及其他計算機相連。智能I/O接口有本身的處置器系統(tǒng)，滿足復雜控制功能的需求。編程工具編程器，也可采用微機輔助編程〔需求通訊電纜和PLC之間通訊〕例如step7智能單元智能單元配有本人的CPU，具有本人的軟件，能獨立完成一項專門的任務。經過總線與主機聯(lián)機，經過通訊方式接受主機管理。PLC還可配有盒式磁帶機，EPROM寫入器，存儲器卡等其他外部設備。第四節(jié)PLC的軟件及運用程序編程言語PLC的軟件含系統(tǒng)軟件和用戶程序。系統(tǒng)軟件由PLC制造商固化在機內，用以控制可編程控制器本身的運作；用戶程序由可編程控制器的運用者編制并輸入，用于控制外部對象的運轉。系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件主要包括三部分。下面我們分別討論這三個部分的作用。系統(tǒng)管理程序是系統(tǒng)軟件中最重要的部分，主管控制可編程控制器的運作。它的作用有：運轉管理〔時間上的分配管理〕；存儲空間管理；系統(tǒng)自檢程序。用戶指令解釋程序它的義務是把運用者直觀易懂的梯形圖變成機器易懂的機器言語。然后再由CPU去執(zhí)行這些指令。規(guī)范程序模塊及系統(tǒng)調用他是有許多獨立的程序塊組成，各程序塊有不同的功能，有些完成輸入、輸出處置，有些完成特殊運算等。PLC的詳細任務就是由這部分程序完成的，它的多少決議了PLC性能的強弱。

整個系統(tǒng)軟件是一個整體，其質量的好壞在很大程度上影響PLC的性能。很多情況下，經過改良系統(tǒng)軟件就可以在不添加任何設備的條件下改善PLC的性能。用戶程序PLC提供的編程言語通常有三種：梯形圖〔LAD〕、指令表〔STL〕和順序功能流程圖〔SFC〕。我們以西門子公司的PLC為例來引見這三種編程言語。梯形圖編程〔LAD〕PLC梯形圖是在繼電器控制系統(tǒng)中常用的繼電器電路圖的根底上演化而來的，它的許多符號與繼電器控制系統(tǒng)中的電路圖有對應的關系。只是PLC在編程中的運用的元件他們的功能都是經過軟件來實現(xiàn)的。能流的概念：PLC梯形圖中一個關鍵的概念，是一種假想的“能量流〞。只能從左向右流，任何時候都不會從右向左流。

指令表編程〔STL〕類似于計算機中的助記符言語，它是可編程控制器最根底的編程言語。所謂指令表編程，是用一系列的指令來表達程序的控制要求。一條指令有兩部分組成：助記符操作數〔或稱操作數的地址〕指令和梯形圖有一定的對應關系。形狀流程圖〔功能圖〕編程〔SFC〕SFC是一種比較新的編程方法，它的作用是用“功能圖〞表達一個順序控制過程。例優(yōu)點：SFC作為一種步進順控言語，為順序控制類程序的編制提供了很大的方便。用它可以對一個控制過程進展分解，用多個相對獨立的程序段替代一個長的梯形圖程序，還能運用戶看到在給定時間機器處于什么形狀。功能塊圖〔FBD〕編輯器也是一種圖形編程言語。與LAD相比它沒有母線、觸點和線圈，只需表示指令功能的方框，方框間用線段表示方框內的聯(lián)絡，整個圖形那么用來表示一定的控制功能。例。第五節(jié)可編程控制器的運轉方式PLC的任務方式與運轉框圖我們先來看一個繼電控制系統(tǒng)簡圖?？梢灾览^電器控制系統(tǒng)采用的是并行任務方式?？删幊炭刂破魇且环N工業(yè)控制計算機，它的任務原理是建立在計算機任務原理根底上的，是經過執(zhí)行反映控制要求的用戶程序來實現(xiàn)的。CPU以分時操作方式來處置各項義務，計算機在每一瞬間只能做一件事情，所以程序的執(zhí)行是按程序順序依次完成相應各電器的動作，便成為時間上的串行。由于運算速度極高，各電器的動作幾乎是同時完成的，但是實踐上輸入-輸出的呼應是有滯后的。例概括而言，PLC的任務方式是一個不斷循環(huán)的順序掃描任務方式。每一次掃描所用的時間稱為掃描周期或任務周期。執(zhí)行用戶程序時，需求各種現(xiàn)場信息，這些現(xiàn)場信息已接到PLC的輸入端。PLC采集現(xiàn)場信息即采集輸入信號有兩種方式。1、集中采樣輸入方式2、立刻輸入方式同樣，PLC對外部的輸出控制也有集中和立刻輸出兩種方式。PLC對輸入輸出信號的傳送還有其他方式，如有的PLC采用輸入、輸出刷新指令。在需求的地方設置這類指令，可以對此時的全部或部分輸入點信號讀入一次，以刷新輸入映像存放器內容；或將此時的輸出結果立刻向輸出端或輸出模塊輸出。如PLC上有輸入、輸出的制止功能，這時輸入、輸出信號不讀入也不輸出。PLC的任務過程先來看PLC的任務過程是怎樣的。PLC運轉正常時，掃描周期的長短與CPU的運算速度、I/O點的情況、用戶運用程序的長短及編程情況等均有關。通常用PLC執(zhí)行1K指令所需時間來闡明其掃描速度〔普通為1~10ms/K〕。值得留意的是，不同指令其執(zhí)行時間是不同的。假設用于高速系統(tǒng)要縮短掃描周期，可以軟硬件兩方面兼顧思索。PLC掃描任務過程當PLC正常運轉時，它將不斷反復掃描過程，不斷循環(huán)掃描地任務下去。假設不思索遠程I/O特殊模塊和其他通訊效力，這樣掃描過程就只剩下“輸入采樣〞、“程序執(zhí)行〞、“輸出刷新〞三個階段了。第六節(jié)PLC主要性能目的幾個常用術語位--------二進制的一位僅有0、1兩種取值數字----四位二進制數構成一個數字字節(jié)----2個數字或8位二進制數構成一個字節(jié)字-------2個字節(jié)構成一個字在PLC屬于中，字稱為通