1、第二章自動(dòng)門控制系統(tǒng)硬件介紹2.1可編程程序控制器(plc)2.1.1 plc的定義可編程控制器(programmable controller)簡(jiǎn)稱pc,但個(gè)人計(jì)算機(jī)(personal computer)也簡(jiǎn)稱pc, 為了區(qū)別，人們?nèi)粤?xí)慣稱可編程控制器為plc (programmable logical controller)。國(guó)際電工委員會(huì)(international electrical committee) j -1987年頒布了可編程控制器的標(biāo)準(zhǔn)及其定義:“可 編程控制器是-種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)川而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置。它采川可以編制程序的存 儲(chǔ)器，用來在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯

2、運(yùn)算、順序運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并能通過數(shù)字 式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或牛產(chǎn)過程?？删幊炭刂破骷澳嘘P(guān)的外圍設(shè)備都應(yīng)該按 易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體，易于擴(kuò)展其功能的原則而設(shè)計(jì)?！笨删幊炭刂破魇?0年代末在美國(guó)首先岀現(xiàn)，當(dāng)時(shí)叫可編程邏輯控制器plc (pro grammable logic controller),目的是用來取代繼電器,以執(zhí)行邏輯判斷、計(jì) 時(shí)、計(jì)數(shù)等順序控制功能。plc的基本設(shè)計(jì)思想是把計(jì)算機(jī)功能完善、靈活、通 用等優(yōu)點(diǎn)和繼電器控制系統(tǒng)的簡(jiǎn)單易懂、操作方便、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來， 控制器的硬件是標(biāo)準(zhǔn)的、通用的。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用對(duì)彖，將控制內(nèi)

3、容編成軟件寫入 控制器的用戶程序存儲(chǔ)器內(nèi)。控制器和被控對(duì)象連接方便。隨著半導(dǎo)休技術(shù)，尤其是微處理器和微型計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，到70年代中期以 后，plc已廣泛地使用微處理器作為中央處理器，輸入輸出模塊和外圍電路也都 采用了小、大規(guī)模甚至超大規(guī)模的集成電路,這時(shí)的plc已不再是邏輯判斷功能, 還同時(shí)貝有數(shù)據(jù)處理、pid調(diào)節(jié)和數(shù)據(jù)通信功能。可編程控制器是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)壞境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)。它采用了可編程序的存儲(chǔ)器，用來在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算，順序控制、定時(shí)、計(jì)算和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并通過數(shù)字式和模擬式的輸入輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。plc是微機(jī)技術(shù)與傳統(tǒng)的繼電接觸

4、控制技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn) 物，它克服了繼電接觸控制系統(tǒng)中機(jī)械觸點(diǎn)的接線復(fù)雜、可靠性低、功耗高、通 用性和靈活性差的缺點(diǎn)，充分利用微處理器的優(yōu)點(diǎn)?？删幊炭刂破鲗?duì)用戶來說，是一種無觸點(diǎn)設(shè)備，改變程序即可改變生產(chǎn)工藝，因此可在初步設(shè)計(jì)階段選用 可編程控制器，在實(shí)施階段再確定工藝過程。另一方面，從制造生產(chǎn)可編程控制器的廠商角度看，在制造 階段不需耍根據(jù)川戶的訂貨耍求專門設(shè)計(jì)控制器，適合批量生產(chǎn)。特別是它的高可靠性和較強(qiáng)的適應(yīng)惡劣 環(huán)境的能力，受到用戶的青昧，因而在冶金、化工、交通、電力等諸多領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用，與機(jī)器人、 cad/cam 一起，被稱為現(xiàn)代工業(yè)控制的三大支柱?？删幊炭刂破髦钩蔀楣I(yè)控制領(lǐng)域的主

5、流控制設(shè)備， 在世界各地發(fā)揮著越來越大的作用。由于這些特點(diǎn)，可編程控制器問世以后很快受到工業(yè)控制界的歡迎，并得到迅速的發(fā)展。目前，可編程控 制器已成為工廠自動(dòng)化的強(qiáng)有力工具，得到了廣泛的應(yīng)用。2.1.2 plc的產(chǎn)生背景可編程控制器是基丁微型計(jì)算機(jī)技術(shù)的通用工業(yè)自動(dòng)控制設(shè)備，在其早期主要應(yīng)用于開關(guān)量的邏輯控制。i 987年國(guó)際電匸技術(shù)委員會(huì)(international electrotechnical commission, iec)頒布的plc標(biāo)準(zhǔn)草案對(duì) plc做了如下定義：“plc是-種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置。它采用可 以編制程序的存儲(chǔ)器，用來在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行

6、邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令, 并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。plc及其有關(guān)的外圍設(shè)備都應(yīng)該按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體，易丁擴(kuò)展其功能 的原則而設(shè)計(jì)。在可編程控制器問世以前，工業(yè)控制領(lǐng)域中是以繼電器控制占卞導(dǎo)地位的。這種由繼電器構(gòu)成的控制系統(tǒng)存在明顯的缺點(diǎn)，尤其是對(duì)生產(chǎn)工藝多變的系統(tǒng)適應(yīng)性較差。1968年，美國(guó)通用汽車公司(gm)根據(jù)市 場(chǎng)形勢(shì)與牛產(chǎn)發(fā)展的需耍，為了完成“多品種、小批量、不斷翻新汽乍品牌型號(hào)”的戰(zhàn)略，提出了研制新型 邏輯順序控制裝置來取代繼電器控制裝置。笫2年，美國(guó)數(shù)字設(shè)備公司(dec)就研制出了第一臺(tái)plc,

7、將其應(yīng)用于美國(guó)通用汽車自動(dòng)裝配生產(chǎn)線上，并取得了極人的成功。此后隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、半導(dǎo)體集成技 術(shù)、控制技術(shù)、數(shù)字技術(shù)、通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等高新技術(shù)的不斷進(jìn)步，plc也迅速發(fā)展起來。plc初創(chuàng)階段的代表產(chǎn)品有modicon公司的084、ab公司的pdqil dec的pdp. 14和日立公司的 scy. 022等。該時(shí)期plc產(chǎn)品的主要功能是執(zhí)行原先由繼電器完成的順序控制、邏輯運(yùn)算、定時(shí)和計(jì)數(shù) 等。它的cpu山中小規(guī)模的數(shù)字集成電路組成，在i / o接口電路上做了改進(jìn)以適應(yīng)工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)的要求, 它的控制功能比較簡(jiǎn)單。在軟件編程上，采用廣大電氣工程技術(shù)人員所熟悉的繼電器控制線路的方式 梯形圖。而通用汽年公

8、司(gm)公司為了適應(yīng)生產(chǎn)工藝不斷更新的需求，從用戶角度提出了新一代控制器應(yīng)具備的 10項(xiàng)指標(biāo):(1) 編程方便可現(xiàn)場(chǎng)修改程序(2) 維修方便采用模塊化結(jié)構(gòu)可靠性高于繼電器控制裝置(4) 體積小于繼電器控制組裝置(5) 具冇數(shù)據(jù)通信功能數(shù)據(jù)可玄接送入計(jì)算機(jī)管理(6) 成木可與繼電器控制系統(tǒng)競(jìng)爭(zhēng)(7) 輸入可為市電(8) 輸出可為市電容量耍求在2a以上，可直接騾動(dòng)接觸器、電磁閥等(9) 易于擴(kuò)展擴(kuò)展時(shí)原系統(tǒng)改變最小(10) 用戶存儲(chǔ)器人于4kb 根據(jù)這10項(xiàng)指標(biāo)，美國(guó)數(shù)字設(shè)備公司（dec公司）于1969年研制岀了世界上第一臺(tái)可編程控制器pdp-14, 并在gm公司的汽車生產(chǎn)線上使用成功，可編程控

9、制器自此誕生。氣候美國(guó)的莫迪康（modicon）公司 也推車了 084控制器:1971年，日本推出了 dsc-8控制器；1973年,西歐各國(guó)的可編程控制系也相繼研 制成功；我國(guó)于1974年開始研制可編程控制器，并于1977年開始工業(yè)應(yīng)川。2.1.3 plc發(fā)展歷史白第一臺(tái)可編程控制器問世以來，可編程控制器的發(fā)展與計(jì)算機(jī)技術(shù)、白動(dòng)控制技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)及通信 技術(shù)等高新技術(shù)的發(fā)展是緊密相關(guān)的。這些技術(shù)的每次革新，都會(huì)給可編程控制器帶來功能和特性的新變 化，使得可編程控制器技術(shù)的與飛速發(fā)展。目前，可編程控制器以實(shí)現(xiàn)從“單片機(jī)控制自動(dòng)化一生產(chǎn)線控 制自動(dòng)化全廠生產(chǎn)自動(dòng)化”的三級(jí)解決方案，成為工業(yè)自動(dòng)化

10、的核心控制設(shè)備?；仡櫩删幊炭刂破鞯陌l(fā) 展歷程，大致可劃分為4個(gè)階段。（1）從1969年到20世紀(jì)70年代中期這-階段可編程控制器主耍用于邏輯運(yùn)算和技術(shù)技術(shù)運(yùn)算其中央處理器曲中小規(guī)模數(shù)字集成電路組成存儲(chǔ) 器為此信存儲(chǔ)器，控制功能比較簡(jiǎn)單。典型產(chǎn)品冇莫迪康公司的084、allen-bradley（ab）公司的pdq 2等。由丁這些產(chǎn)品主要完成邏輯運(yùn)算功能，因此，被稱為可編程序邏輯控制器（plc）。20世紀(jì)70年代屮期到80年代初期這一階段可編程控制器的cpu采用微車力氣，存儲(chǔ)器采用半導(dǎo)體存儲(chǔ)器，不僅整機(jī)的體積減小，而口數(shù)據(jù) 處理能力獲得很大提高，增加了數(shù)據(jù)運(yùn)算、傳送、比較等功能，實(shí)現(xiàn)了對(duì)模擬量的控

11、制?？删幊炭刂破鞯?名稱碎屑為pc,但為了于個(gè)人計(jì)算機(jī)的名稱縮寫pc相區(qū)別，通常還把可編程控制器簡(jiǎn)稱為plc。20世紀(jì)80年代初期到90年代初期這一階段山于16位，32位微處理器的出現(xiàn)和應(yīng)用，plc向大規(guī)模、高速度、高性能和網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展， 形成了多種系列化產(chǎn)品，出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)緊湊、功能強(qiáng)人、性能價(jià)格比搞的新一代產(chǎn)品，并出現(xiàn)多種不同性能 的分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，在功能上，plc具有了數(shù)學(xué)運(yùn)算、數(shù)據(jù)采集和處理、運(yùn)動(dòng)控制、閉環(huán)控制、聯(lián)網(wǎng)通信 等功能，而口隨著應(yīng)用領(lǐng)域的不斷迅速擴(kuò)人，plc已成為構(gòu)成牛產(chǎn)過程自動(dòng)控制系統(tǒng)的主耍設(shè)備。在此期 間，國(guó)際電工委員會(huì)頒布了 plc標(biāo)準(zhǔn)，似的plc向標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展。典熨產(chǎn)品有

12、羅克韋爾自動(dòng)化公司的plc- 2系列、plc-3系列，西門子公司的symatic s5系列等。20 i比紀(jì)90年代至今這一階段plc繼續(xù)得到快速發(fā)展，系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)通信、熱備冗余方面都冇了長(zhǎng)足的進(jìn)步，成為了一種功能強(qiáng) 人的、成熟的控制系統(tǒng)。同時(shí)，通信從各廠家的自稱系統(tǒng)逐步向開放的、統(tǒng)一的和通用的標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)發(fā) 展，如控制層的控制網(wǎng)、設(shè)備網(wǎng)和現(xiàn)場(chǎng)總線、管理層的以太網(wǎng)等。產(chǎn)品系列不斷豐富，互通功能得到了較 大的發(fā)展，系統(tǒng)性能ii趨可靠、完善。同時(shí)，還捉不采用了符合iec61131-3標(biāo)準(zhǔn)的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，増加 了高級(jí)編程語(yǔ)言等，似的各種生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集和信息系統(tǒng)管理的視線變得容易、直接。這是，plc已不是單

13、 純意義上的可編程控制器了，而是一種完全的過程系統(tǒng)。典型產(chǎn)品有羅克韋爾自動(dòng)化公司的plc-5系列、 control-logix系列，兩門子公司的symatic s7系統(tǒng)，莫迪康公司的quantum系列等。2.1.4 plc的特點(diǎn)plc作為一種專用于工業(yè)環(huán)境的、具有特殊結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)，有其顯著的特點(diǎn)。(1) 可靠性髙，抗干擾能力強(qiáng)傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)屮使用了大疑的中間繼電器、時(shí)間繼電器。山于觸點(diǎn)接觸不良，容易出現(xiàn)故障。pl c用軟件代替人量的中間繼電器和時(shí)間繼電器，僅剩下與輸入和輸出冇關(guān)的少量碩件，接線可減少到繼電 器控制系統(tǒng)的1/10-1/100,因觸點(diǎn)接觸不良造成的故障大為減少。高可靠性是電氣

14、控制設(shè)備的關(guān)鍵性能。plc由于采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術(shù)，采用嚴(yán)格的生產(chǎn)工藝制造, 內(nèi)部電路采取了先進(jìn)的抗干擾技術(shù)，貝有很高的可靠性。例如三菱公司牛產(chǎn)的f系列plc平均無故障時(shí)間 高達(dá)30 7/小時(shí)。一些使用冗余cpu的plc的平均無故障工作時(shí)間則更長(zhǎng)。從plc的機(jī)外電路來說，使 用plc構(gòu)成控制系統(tǒng)，和同籌規(guī)模的繼電接觸器系統(tǒng)相比，電氣接線及開關(guān)接點(diǎn)已減少到數(shù)百英至數(shù)下分 之-，故障也就大大降低。此外，plc帶有硬件故障口我檢測(cè)功能，出現(xiàn)故障時(shí)可及時(shí)發(fā)出警報(bào)信息。在 應(yīng)用軟件中，應(yīng)用者還可以編入外圍器件的故障自診斷程序，使系統(tǒng)中除plc以外的電路及設(shè)備也獲得故 障自診斷保護(hù)。這樣，整個(gè)系統(tǒng)具

15、冇極高的可靠性也就不奇怪了。(2) 碩件配套齊全，功能完善，適用性強(qiáng)plc發(fā)展到今天，已經(jīng)形成了大、中、小各種規(guī)模的系列化產(chǎn)品，并且已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、模塊化，配 備冇品種齊全的各種破件裝置供用戶選用，用戶能靈活方便地進(jìn)行系統(tǒng)配置，組成不同功能、不同規(guī)模的 系統(tǒng)。plc的安裝接線也很方便，一般用接線端子連接外部接線。plc有較強(qiáng)的帶負(fù)載能力，可直接驅(qū)動(dòng) 一般的電磁閥和交流接觸器，可以用于各種規(guī)模的工業(yè)控制場(chǎng)合。除了邏輯處理功能以外，現(xiàn)代plc大多 具冇完善的數(shù)據(jù)運(yùn)算能力，可用于各種數(shù)字控制領(lǐng)域。近年來plc的功能單元大量涌現(xiàn)，使plc滲透到 了位置控制、溫度控制、cnc等各種工業(yè)控制中。加上p

16、lc通信能力的增強(qiáng)及人機(jī)界面技術(shù)的發(fā)展，使 用plc組成各種控制系統(tǒng)變得非常容易。(3) 易學(xué)易用，深受工程技術(shù)人員歡迎plc作為通用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，是面向工礦企業(yè)的工控設(shè)備。它接口容易，編程語(yǔ)言易于為工程技術(shù)人員 接受。梯形圖語(yǔ)言的圖形符號(hào)與農(nóng)達(dá)方式和繼電器電路圖相當(dāng)接近，只用plc的少量開關(guān)量邏輯控制指令 就可以方便地實(shí)現(xiàn)繼電器電路的功能。為不熟悉電子電路、不懂計(jì)算機(jī)原理和匯編語(yǔ)言的人使用計(jì)算機(jī)從 事工業(yè)控制打開了方便之門。(4) 安裝方便，擴(kuò)展靈活plc采用標(biāo)準(zhǔn)的整體式和模塊式破件結(jié)構(gòu)，現(xiàn)場(chǎng)安裝簡(jiǎn)便，接線簡(jiǎn)單，工作量相對(duì)較?。欢履芨鶕?jù)應(yīng)用 的要求擴(kuò)展輸入一輸出模塊或插件，系統(tǒng)集成方便靈

17、活。各種控制功能通過軟件編程完成，因而能適應(yīng)各 種復(fù)雜情況f的控制系統(tǒng)，也便丁控制系統(tǒng)的改進(jìn)和修止，特別適應(yīng)各種工藝流程變更較多的場(chǎng)合。(5) 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試工作量小，維護(hù)方便，容易改造plc的梯形圖程序-般采用順序控制設(shè)計(jì)法。這種編程方法很冇規(guī)律，很容易掌握。對(duì)于復(fù)雜的控制系統(tǒng),梯形圖的設(shè)計(jì)時(shí)間比設(shè)計(jì)繼電器系統(tǒng)電路圖的時(shí)間要少得多。plc用存儲(chǔ)邏輯代替接線邏輯，人人減少了控制設(shè)備外部的接線，使控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及建造的周期人為縮短,同時(shí)維護(hù)也變得容易起來。更匝要的是使同一設(shè)備經(jīng)過改變程序改變生產(chǎn)過程成為可能。這很適合多品種、 小批量的生產(chǎn)場(chǎng)合。(6) 體積小，重量輕，能耗低以超小型plc為

18、例，新近出產(chǎn)的品種底部尺寸小于100mm,僅相當(dāng)于幾個(gè)繼電器的大小，因此可將開關(guān) 柜的體積縮小到原來的1/2-1/10,它的重量小于150g,功耗僅數(shù)瓦。由于體積小很容易裝入機(jī)械內(nèi)部， 是實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化的理想控制設(shè)備。2.1.5 plc的應(yīng)用與發(fā)展趨勢(shì)目前,plc已成為工業(yè)控制的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備,廣泛應(yīng)用于鋼鐵、石油、化工、電力、汽車、采礦、水泥、機(jī)械制造、裝卸、造紙、紡織、環(huán)保、娛樂等行業(yè)。概括起來主要有以下兒個(gè)方面：2開關(guān)邏輯和順序邏輯2模擬量控制2運(yùn)動(dòng)控制2數(shù)據(jù)處理2通信與聯(lián)網(wǎng)從第一臺(tái)plc問世至今，其發(fā)展經(jīng)歷了實(shí)用化階段、成熟階段和加速發(fā)展階段。plc主要在以下兒個(gè)方而 得到了不斷發(fā)展：2小型plc產(chǎn)品性能提高、結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化2大型plc功能不斷完善2強(qiáng)化聯(lián)網(wǎng)通信能力2 i/o模塊分散化、智能化 2編程語(yǔ)言標(biāo)準(zhǔn)化2控制算法不斷增加2迅速與其他工業(yè)產(chǎn)品整合2進(jìn)一步向開放型發(fā)展伴隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，可編程控制器作為口動(dòng)化控制網(wǎng)絡(luò)和國(guó)際通用網(wǎng)絡(luò)的重耍組成部分，將在工業(yè) 及工業(yè)以外的眾多領(lǐng)域發(fā)揮越來越大的作用。在21世紀(jì)，plc將會(huì)有更大的發(fā)展空間。2.2 micrologix 1000可編程控制器micrologix 1000系列控制其具有小塑、廉價(jià)而乂