電氣控制與PLC應(yīng)用 課件 04- 可編程序控制器概述

第4章可編程序控制器概述4.4PLC與繼電器接觸器系統(tǒng)4.5PLC的工作過程4.3PLC的結(jié)構(gòu)4.1PLC的概念4.2PLC的歷史4.6PLC的特點(diǎn)4.1PLC的概念4.1PLC的概念PLC本質(zhì)上是一種工業(yè)數(shù)字控制器,其功能是完成從輸入設(shè)備接收信號(hào),根據(jù)邏輯編程以及計(jì)算結(jié)果,輸出信號(hào)控制外圍設(shè)備的整個(gè)控制流程。如圖4-1所示為PLC的功能結(jié)構(gòu)圖,輸入設(shè)備的狀態(tài)會(huì)被PLC周期掃描并實(shí)時(shí)更新到輸入映像表中。通過編程器下載到PLC存儲(chǔ)器中的用戶程序?qū)⒁援?dāng)前的輸入狀態(tài)為基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算,并將計(jì)算結(jié)果更新到輸出映像表中。輸出設(shè)備將根據(jù)輸出映像表中的值實(shí)時(shí)刷新輸出狀態(tài)。圖4-2常用的工業(yè)PLC如圖4-2所示為一些工業(yè)常用的國內(nèi)外PLC系統(tǒng)。應(yīng)該注意到PLC具備多種尺寸和多等級(jí)處理能力,不僅可以實(shí)現(xiàn)成本優(yōu)化,還允許設(shè)計(jì)實(shí)施復(fù)雜的分布式控制系統(tǒng)。許多廠商的PLC系統(tǒng)允許使用其他品牌PLC系統(tǒng)作為整個(gè)分布式控制系統(tǒng)中的一部分。另外,超大型控制系統(tǒng)可以通過在一個(gè)PLC系統(tǒng)基礎(chǔ)上擴(kuò)展大量互聯(lián)功能模塊來實(shí)現(xiàn)。4.2PLC的歷史4.2.1起

步圖4-3通用汽車發(fā)布的設(shè)計(jì)規(guī)范招標(biāo)書PLC的誕生源自美國通用汽車(GeneralMotorsCompany,GM)的一個(gè)實(shí)際項(xiàng)目需求。在1968年6月對(duì)外界發(fā)布了一份僅有4頁紙的設(shè)計(jì)規(guī)范招標(biāo)書,如圖4-3所示,希望通過一個(gè)全新的控制系統(tǒng)取代繼電器接觸器控制系統(tǒng)工作,這份招標(biāo)要求就是后來被人們所熟知的“通用十條”。通用汽車的這份招標(biāo)書很快吸引了7家公司應(yīng)標(biāo),但最后只有3家公司提供了實(shí)際原型機(jī)進(jìn)行項(xiàng)目測(cè)試,它們分別是數(shù)字設(shè)備公司(DigitalquipmentCorporation,DEC)、信息儀表公司(3-I)和貝德福德協(xié)會(huì)(BedfordAssociates),這些原型機(jī)也被認(rèn)為是可編程邏輯控制器的雛形。4.2.1起步第一位競爭者DEC公司,成立于1957年,專注于開發(fā)小型計(jì)算機(jī)系統(tǒng),因此在控制計(jì)算方面有著更多的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。針對(duì)通用汽車的要求,DEC公司在1969年6月率先開發(fā)并交付了第一臺(tái)原型機(jī)PDP-14,如圖4-4所示,由一個(gè)控制單元和幾個(gè)外部接口盒組成。其控制單元包括一個(gè)可調(diào)節(jié)大小的ROM,最多容納4K的12位指令用于輸出控制。然而當(dāng)Hydra-Matic部門修改PDP-14程序時(shí),不僅需要將應(yīng)用程序發(fā)回DEC公司,還需要將修改好的內(nèi)存板返還給工廠,這個(gè)往返處理過程需要消耗約一周的時(shí)間,這個(gè)缺點(diǎn)也成為PDP-14后來被通用汽車替換掉的主要原因。此外,DEC是不提供布線程序列表的公司(當(dāng)時(shí)提供布線程序列表可以加速機(jī)器安裝和檢修)。4.2.1起步第二位競爭者3-I一直和Hydra-Matic的計(jì)算機(jī)部門保持著業(yè)務(wù)往來,其推出的控制設(shè)備PDQ-Ⅱ具有高級(jí)邏輯運(yùn)算功能的明顯優(yōu)勢(shì),如圖4-5所示。然而與當(dāng)時(shí)的其他計(jì)算機(jī)一樣,當(dāng)PDQ-Ⅱ重新編寫程序時(shí),用戶必須借助一個(gè)布爾程序,然后使用微型計(jì)算機(jī)接口以電傳打字機(jī)打孔紙帶方式,使用特殊的加載器加載處理。雖然這種方式相比DEC的PDP-14“打回原廠”效率高很多,但當(dāng)時(shí)除了計(jì)算部門可以高效完成指令修改外,Hydra-Matic其他電氣部門照樣難以修改程序,因此PDQ-II同樣無法被通用汽車接受。圖4-5PDQ-II原型機(jī)4.2.1起步最后一位競爭者貝德福德協(xié)會(huì)則是由迪克·莫利(圖4-6)和喬治·施文克于1964年聯(lián)合成立的一家新英格蘭控制系統(tǒng)工程公司。早在還身為操作工時(shí),迪克·莫利就對(duì)機(jī)床操作中的重復(fù)性工作不厭其煩,一直構(gòu)思發(fā)明一個(gè)將所有功能都集于一個(gè)編輯器的一勞永逸“神器”。面對(duì)通用汽車的招標(biāo)文件,迪克·莫利和喬治·施文克成立了貝德福德協(xié)會(huì)的第七家控制公司,命名為莫迪康(ModularDigitalController,Modicon),并在1969年底研發(fā)推出了“084”型號(hào)PLC,如圖4-7所示,因?yàn)樗秦惖赂５聟f(xié)會(huì)的第84個(gè)項(xiàng)目。4.2.1起步由于Modicon084編程相對(duì)簡單,用戶只要插入編程單元并選擇適當(dāng)?shù)能浖K,然后鍵入梯形圖即可快速進(jìn)行編程,并且梯形圖中關(guān)于邏輯編程的相關(guān)符號(hào),基本來源于電氣工程中描述順序操作的功能指令,這使廣大的電氣工程師和電工能夠非?？焖俚厣鲜?因此Modicon084獲得了Hydra-Matic部門電路系統(tǒng)小組的青睞。此外,Modicon084安裝在硬質(zhì)外殼內(nèi),提高了安全等級(jí),這也是DEC的PDP-14、3-I的PDQ-Ⅱ所無法比擬的,很快Modicon084就替代PDP-14和PDQ-Ⅱ,成了通用汽車的唯一選擇,并在后續(xù)服役了超過10年時(shí)間。4.2.1起步Modicon084雖然不是第一個(gè)安裝的測(cè)試原型機(jī),但另辟蹊徑推出了梯形圖的編程方式,獲得了當(dāng)時(shí)所有電氣工程師的認(rèn)可,成功替代前兩者取得競標(biāo)勝利,也牢牢地奠定了其在自動(dòng)化界的地位。1970年6月通用汽車發(fā)布針對(duì)三家競爭者的設(shè)計(jì)要素比較文件如圖4-8所示。4.2.2發(fā)

展“一枝獨(dú)秀不是春,百花齊放春滿園?！盡odicon084的勝出使這一場(chǎng)持續(xù)兩年的招標(biāo)競爭落下了帷幕,而屬于PLC的高速發(fā)展時(shí)代才剛剛開始。其后莫迪康一直在自動(dòng)化行業(yè)不斷突破,1973年“084”PLC被升級(jí)為“184”PLC重新推出,1975年推出了284”PLC,1979年推出了工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)Modbus,1994年推出了Quantum(昆騰)系列PLC,1997年被施耐德電氣公司收購后,成為旗下第4個(gè)主要品牌。競爭失利的3-I公司,被當(dāng)時(shí)以變阻器、繼電器和電機(jī)控制聞名的Allen-Bradley(AB,艾倫-布拉德利)收購,開始轉(zhuǎn)向生產(chǎn)固態(tài)控制設(shè)備,推出了基于AMD芯片的PLC-3等產(chǎn)品4.2.2發(fā)

展在德國,PLC市場(chǎng)被西門子獨(dú)占鰲頭,路斯特(LTI-Motion)、菲尼克斯電氣(PhoenixContact)等競爭者則緊隨其后。奧地利自動(dòng)化廠商貝加萊(Bernecker&Rainer)在80年代推出了“黑色系列”PLC,如圖4-10所示,也被稱為“PCC(可編程計(jì)算機(jī)控制器)”。根據(jù)I/O點(diǎn)數(shù)不同,當(dāng)時(shí)不同自動(dòng)化廠商在小型機(jī)(小于256個(gè)I/O點(diǎn)數(shù))、中型機(jī)(256~2048個(gè)I/O點(diǎn)數(shù))和大型機(jī)(超過2048個(gè)I/O點(diǎn)數(shù))市場(chǎng)占有率雖偶有交替起伏,但微型、小型PLC應(yīng)用仍占據(jù)市場(chǎng)的絕對(duì)主流。這也促使西門子、羅克韋爾、施耐德電氣、歐姆龍、三菱等在小型機(jī)市場(chǎng)具有先發(fā)優(yōu)勢(shì)和代表產(chǎn)品的玩家成為無可爭議的行業(yè)巨頭,其中西門子、羅克韋爾、施耐德電氣更是長期把持全球前三的位置。4.2.3競

爭1991年后,PLC在處理速度、控制功能、通信能力等方面均有新的突破,并向電氣控制、儀表控制、計(jì)算機(jī)控制一體化方向發(fā)展,性價(jià)比不斷提高,不知不覺中成了工業(yè)自動(dòng)化的支柱之一。此時(shí)PLC向下可以連接各類型傳感器、數(shù)控設(shè)備和儀器儀表,完成邏輯判斷、定時(shí)、計(jì)數(shù)、記憶和算術(shù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)處理等動(dòng)作,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制與數(shù)據(jù)采集;向上可與SCADA(SupervisoryControlAndDataAcquisition)等系統(tǒng)互聯(lián)互通,將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)一步向上層生產(chǎn)執(zhí)行層傳遞,擔(dān)當(dāng)了銜接設(shè)備層與信息層的重任,成為工廠與車間的控制中樞。最早的PC-based控制系統(tǒng)是以工控機(jī)為核心,通過擴(kuò)展帶PCI接口的專用板卡組成。例如1986年倍福自動(dòng)化(Beckhoff)推出首款PC-based設(shè)備控制器,如圖4-11所示,完成了對(duì)于木材加工設(shè)備的實(shí)時(shí)自動(dòng)控制。自動(dòng)化(Beckhoff)推出首款PC-based設(shè)備控制器,如圖4-11所示,完成了對(duì)于木材加工設(shè)備的實(shí)時(shí)自動(dòng)控制。4.2.4國產(chǎn)PLC國產(chǎn)PLC發(fā)展史：從“上半場(chǎng)缺席”到“下半場(chǎng)突圍”?1.上半場(chǎng)（1970s-2000s）：技術(shù)代差與產(chǎn)業(yè)化斷層??仿制階段（1974年）?：早期仿制美國第二代PLC，因質(zhì)量缺陷與生態(tài)缺失未推廣。?攻關(guān)階段（“七五”“八五”）?：科研機(jī)構(gòu)突破技術(shù)門檻，但缺乏工程化能力，未能規(guī)模化。?2.下半場(chǎng)（2000s至今）：民營廠商主導(dǎo)突圍??匯川技術(shù)（2003年成立）?：?路徑?：依托變頻器技術(shù)切入PLC，主攻中小型及微型市場(chǎng)。?成果?：2023年小型PLC國內(nèi)市占率15%（國內(nèi)廠商第一），戰(zhàn)略聚焦“一軸一網(wǎng)一生態(tài)”，推出EtherCAT總線PLC、Easy/H系列等，主打高性價(jià)比與場(chǎng)景適配。?信捷電氣（2000年成立）?：?路徑?：從FC系列小型PLC起步，拓展至XC（增強(qiáng)型）、XD（PLC+HMI）、XG（中型）等，2024年發(fā)布超薄型XF系列與CoDeSys兼容的XS系列。?成果?：2013-2023年P(guān)LC營收復(fù)合增速20%，2023年小型PLC市占率7%（國內(nèi)廠商第二）。?其他廠商?：和利時(shí)、中控、臺(tái)達(dá)（全球前20）等在細(xì)分領(lǐng)域突破，但整體國產(chǎn)PLC份額僅20%-30%，高端市場(chǎng)仍被西門子、羅克韋爾等壟斷。4.2.4國產(chǎn)PLC?國產(chǎn)PLC的三大核心痛點(diǎn)突圍方向：構(gòu)建“技術(shù)+生態(tài)”雙循環(huán)?技術(shù)突破?：?硬件可靠性?：通過車規(guī)級(jí)芯片、冗余設(shè)計(jì)、寬溫測(cè)試提升MTBF（平均無故障時(shí)間）至10萬小時(shí)以上。?軟件標(biāo)準(zhǔn)化?：兼容IEC61131-3與OPCUA，開發(fā)國產(chǎn)PLC編程平臺(tái)（如匯川InoQuickShop），強(qiáng)化工藝算法庫（如張力控制、多軸同步）。?生態(tài)構(gòu)建?：?校企合作深化?：與頭部院校共建聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，開發(fā)國產(chǎn)PLC實(shí)驗(yàn)課程，舉辦全國性技能競賽。?行業(yè)解決方案?：聚焦細(xì)分場(chǎng)景（如鋰電、光伏），聯(lián)合SCADA、HMI廠商提供完整解決方案，避免與國外品牌在通用市場(chǎng)硬碰硬。?市場(chǎng)策略?：?農(nóng)村包圍城市?：從中小型PLC切入，以性價(jià)比優(yōu)勢(shì)搶占OEM（設(shè)備制造商）市場(chǎng)，逐步滲透大型項(xiàng)目。?出海破局?：依托“一帶一路”國家基建需求，輸出國產(chǎn)PLC+變頻器+伺服系統(tǒng)集成方案。?可靠性信任危機(jī)?：?技術(shù)迭代斷層?：國外PLC經(jīng)歷數(shù)十年“市場(chǎng)-反饋-優(yōu)化”閉環(huán)，國產(chǎn)PLC缺乏工業(yè)場(chǎng)景長期驗(yàn)證，用戶對(duì)高可靠性存疑。?數(shù)據(jù)對(duì)比?：西門子、三菱等頭部品牌故障率＜0.1%，國產(chǎn)PLC故障率普遍＞0.5%（行業(yè)數(shù)據(jù)）。?軟件生態(tài)壁壘?：?開發(fā)平臺(tái)差距?：西門子TIAPortal、羅克韋爾Logix5000等平臺(tái)支持IEC61131-3、OPCUA等標(biāo)準(zhǔn)，積累20年以上工程案例庫；國產(chǎn)廠商軟件平臺(tái)多依賴開源內(nèi)核，功能碎片化。?應(yīng)用場(chǎng)景缺失?：復(fù)雜工藝（如CNC、機(jī)器人聯(lián)動(dòng)）依賴底層算法庫，國產(chǎn)PLC在運(yùn)動(dòng)控制精度、多軸同步性上落后1-2代。?生態(tài)與用戶斷層?：?校企綁定策略?：西門子、三菱等通過教材編寫、高校實(shí)驗(yàn)室共建（如西門子自動(dòng)化示范中心）壟斷教育市場(chǎng)，國產(chǎn)PLC在校企合作中起步較晚（如信捷電氣2023年與江蘇科大合作）。?人才缺口?：國內(nèi)PLC工程師缺口超50萬人，頭部企業(yè)優(yōu)先選用熟悉國外品牌的工程師，形成人才使用慣性。4.2.5啟

示回顧PLC超過半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展和應(yīng)用歷程,可以得到以下啟示:(1)PLC在最初代替繼電器執(zhí)行邏輯、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)等順序控制功能的基礎(chǔ)上,逐漸引入了微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和通信技術(shù),形成了新一代的智能編程控制器。(2)在超過半個(gè)世紀(jì)的PLC發(fā)展歷程中,國外自動(dòng)化頭部廠商如西門子、施耐德電氣、羅克韋爾、歐姆龍、三菱具有先發(fā)優(yōu)勢(shì),通過在自動(dòng)化領(lǐng)域的積累進(jìn)行PLC產(chǎn)品的不斷更新迭代,這些國外自動(dòng)化巨頭形成覆蓋小、中、大型機(jī)市場(chǎng)的完整產(chǎn)品線,通過“品牌+技術(shù)+應(yīng)用開發(fā)生態(tài)”的方式構(gòu)成了較高的“護(hù)城河”,占據(jù)市場(chǎng)的主導(dǎo)地位。(3)目前中、大型PLC側(cè)重于復(fù)雜場(chǎng)景的應(yīng)用,包括重資產(chǎn)設(shè)備、整條生產(chǎn)線乃至整個(gè)工廠的過程自動(dòng)化控制,強(qiáng)調(diào)軟、硬件結(jié)合。自動(dòng)化是數(shù)字化、智能化發(fā)展的前期階段,是企業(yè)推進(jìn)智能制造的前提和基礎(chǔ)。在2021年底國家八部委聯(lián)合印發(fā)的《“十四五”智能制造發(fā)展規(guī)劃》中,專門制訂了智能制造示范工廠建設(shè)行動(dòng)計(jì)劃,提出推進(jìn)設(shè)備聯(lián)網(wǎng)和生產(chǎn)環(huán)節(jié)數(shù)字化連接,強(qiáng)化標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)、可視化管控、精準(zhǔn)配送、最優(yōu)庫存,致力于打造一批智能車間。PLC基于其穩(wěn)定性、可靠性、工作精度、性能一致性等優(yōu)越性,對(duì)于企業(yè)來說,在生產(chǎn)線自動(dòng)化改造、生產(chǎn)效率提升、產(chǎn)品質(zhì)量改進(jìn)和資源利用率提高等方面發(fā)揮著重要作用。4.3PLC的結(jié)構(gòu)4.3PLC的結(jié)構(gòu)一個(gè)典型的PLC主要由中央處理器(CPU)、供電電源、存儲(chǔ)器、通信接口、I/O接口和擴(kuò)展接口等組成。PLC可以看成是一個(gè)包含成百上千獨(dú)立的繼電器、計(jì)數(shù)器、定時(shí)器以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元的智能盒子,但這些繼電器、計(jì)數(shù)器、定時(shí)器并不存在,而是PLC內(nèi)部通過軟件模擬的數(shù)字功能模塊。例如,繼電器就是通過存儲(chǔ)器中一個(gè)bit(位)的狀態(tài)來模擬的。如圖4-12所示為典型PLC硬件結(jié)構(gòu)的簡單框圖。4.4PLC與繼電器接觸器系統(tǒng)4.4.1軟、硬件連接方式PLC梯形圖邏輯使用帶地址標(biāo)志的標(biāo)準(zhǔn)符號(hào)來表示不同的元件。貫穿整個(gè)梯形圖的兩條豎直線稱為電源/電壓母線LI、L2,每一行的梯級(jí)程序都是從左側(cè)的L1開始,最后到右側(cè)的L2結(jié)束,電源從左側(cè)經(jīng)過中間的程序電路到右側(cè)形成閉合回路。如圖4-13所示是一行梯形圖程序,觸點(diǎn)符號(hào)“‖”表示輸入的“常開觸點(diǎn)”,而線圈符號(hào)“()”表示輸出的繼電器的線圈,外部電路中的交流/直流電源是不在梯形圖中標(biāo)識(shí)的。4.4.1軟、硬件連接方式西門子S7-1200PLC系列1214CPU的外形圖和接線結(jié)構(gòu)圖如圖4-14所示,在圖4-14(b)上面圈中所示的輸入接口位置接入了一個(gè)開關(guān),對(duì)應(yīng)(a)圖中箭頭所指的接口,PLC將此輸入接口通道命名為DIa.0,“D”表示開關(guān)量,Portal(博途)軟件中對(duì)通道字節(jié)序號(hào)“a”是自定義的,默認(rèn)情況下CPU上的第一個(gè)輸入字節(jié)通道序號(hào)為“0”,表示此通道即為PLC輸入映像寄存器中I0.0對(duì)應(yīng)的輸入接口。該輸入接口上開關(guān)的狀態(tài)就決定了PLC中CPU輸入映像寄存器中I0.0的狀態(tài)(接通表示“1”,斷開表示“0”)。4.4.2原理圖和PLC程序?qū)⒌?章中圖3-10的縱向原理圖畫成橫向原理圖如圖4-15所示(邏輯一致,元件符號(hào)有區(qū)別)。圖中SB1為啟動(dòng)按鈕,SB2為停止按鈕,FR1為過載保護(hù)觸點(diǎn),KM1為接觸器。4.4.2原理圖和PLC程序不考慮經(jīng)濟(jì)因素,采用PLC進(jìn)行控制時(shí),需要將輸入、輸出元件連接到PLC的輸入、輸出接口上,并確定對(duì)應(yīng)輸入、輸出地址,其連接圖如圖4-16所示。根據(jù)確定的輸入、輸出地址編寫的電機(jī)控制的PLC梯形圖程序如圖4-17所示?？梢钥闯鰣D4-15所示,通過硬線連接元件的控制原理圖邏輯,與圖4-17所示,通過PLC編寫的梯形圖程序邏輯,兩者完全一樣。不同的是,兩者實(shí)現(xiàn)的方式不一樣,前者通過實(shí)實(shí)在在的元件硬線連接實(shí)現(xiàn),后者通過軟件語言編寫程序?qū)崿F(xiàn)。4.4.3比

較與傳統(tǒng)繼電接觸器控制系統(tǒng)相比,PLC體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、開發(fā)周期短、安裝和維護(hù)工作量小,PLC還有完善的監(jiān)控和自診斷功能,可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)和排除故障。01功能多樣傳統(tǒng)的繼電接觸器控制系統(tǒng)采用硬接線方式安裝而成,只能進(jìn)行開關(guān)量的控制;而PLC采用軟件編程來實(shí)現(xiàn)各種控制功能,可以實(shí)現(xiàn)開關(guān)量、模擬量以及通信數(shù)據(jù)的控制。03靈活性高02可靠性高傳統(tǒng)的繼電接觸器控制系統(tǒng)在長期使用的過程中,受接觸不良和觸點(diǎn)壽命的影響,可靠性低;PLC由于采用了微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù),可靠性比較高,抗干擾能力強(qiáng)。04維護(hù)方便傳統(tǒng)的繼電接觸器控制系統(tǒng)是針對(duì)一定的生產(chǎn)機(jī)械、固定的生產(chǎn)工藝而設(shè)計(jì)的,隨著控制對(duì)象以及控制邏輯的增多,