1、5可編程控制器控制技術(shù)?？删幊炭刂破魇怯蓢?guó)際電工委員會(huì)命名的工業(yè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)?？删幊炭刂破魇且环N集成了計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和通信技術(shù)(3C)的工業(yè)自動(dòng)化控制裝置。它已廣泛應(yīng)用于冶金、能源、化工、交通、電力等領(lǐng)域的生產(chǎn)控制，現(xiàn)已成為現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化三大支柱(可編程控制器、機(jī)器人和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)/計(jì)算機(jī)輔助制造)的主導(dǎo)地位。5.1可編程邏輯控制器概述5 . 1 . 1可編程邏輯控制器的產(chǎn)生在早期的工業(yè)控制中，程序控制大多采用以機(jī)電設(shè)備為控制元件的硬件接線邏輯控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)各種機(jī)械設(shè)備的獨(dú)特程序控制。這種固定連接方式的程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)應(yīng)于具體的機(jī)械動(dòng)作。該系統(tǒng)具有明顯的缺點(diǎn)：體積大、功耗高、可靠性差、使

2、用壽命短、運(yùn)行速度慢；對(duì)生產(chǎn)過程多變的系統(tǒng)適應(yīng)性較差。如果生產(chǎn)任務(wù)或工藝發(fā)生變化，就必須重新設(shè)計(jì)和改變硬件結(jié)構(gòu)，造成時(shí)間和金錢的嚴(yán)重浪費(fèi)。20世紀(jì)60年代中期，集成電路的小型計(jì)算機(jī)被應(yīng)用到在線過程控制領(lǐng)域，自動(dòng)控制技術(shù)和通信技術(shù)也越來越完善。這些先進(jìn)技術(shù)逐漸進(jìn)入工業(yè)控制領(lǐng)域。然而，半導(dǎo)體技術(shù)未能在集成規(guī)模上取得突破，尤其是半導(dǎo)體存儲(chǔ)器未能實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，這使得計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜龐大，編程不便，在工業(yè)上難以接受。20世紀(jì)60年代末，西方工業(yè)國(guó)家的經(jīng)濟(jì)出現(xiàn)了大蕭條，作為主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)的汽車工業(yè)受到了嚴(yán)重打擊。1968年，為了擺脫蕭條，美國(guó)最大的汽車制造商通用汽車公司(General Motors)制定了一項(xiàng)

3、戰(zhàn)略，以多品種、小批量和不斷更新的汽車型號(hào)吸引客戶，以便在激烈的競(jìng)爭(zhēng)中獲得優(yōu)勢(shì)。這需要改造成千上萬的特殊生產(chǎn)飛機(jī)和裝配線的控制系統(tǒng)，這需要不同的工人不斷變化。最初的控制系統(tǒng)由繼電器組成，即由無數(shù)電線、觸點(diǎn)和線圈組成的邏輯布線系統(tǒng)。要不斷改變這一邏輯體系，其工作既繁瑣又復(fù)雜，而且需要大量的人力、物力、財(cái)力和時(shí)間。為了改革汽車生產(chǎn)設(shè)備的傳統(tǒng)控制模式，通用汽車公司提出開發(fā)一種新的控制裝置來取代繼電器控制裝置。為此，規(guī)定了公開招標(biāo)的十項(xiàng)技術(shù)要求，即編程簡(jiǎn)單方便，程序可現(xiàn)場(chǎng)修改；硬件維護(hù)方便，最好是插件結(jié)構(gòu)；可靠性高于繼電器控制系統(tǒng)。小于繼電器控制系統(tǒng)；數(shù)據(jù)可以直接發(fā)送到管理計(jì)算機(jī)；它在成本上可以與繼電

4、器控制系統(tǒng)競(jìng)爭(zhēng)。輸入可以是交流115伏；輸出為交流115伏，超過2A，可直接驅(qū)動(dòng)電磁閥；在擴(kuò)展時(shí)，原來的系統(tǒng)只做了很小的改變；用戶程序的存儲(chǔ)容量可以擴(kuò)展到至少4KB。第二年，美國(guó)數(shù)字公司(DEC)開發(fā)了世界上第一臺(tái)可編程控制器，應(yīng)用于通用汽車公司的自動(dòng)裝配線，一舉獲得成功。此后，日本和德國(guó)相繼引進(jìn)了這一新技術(shù)，可編程控制器發(fā)展迅速。在這一時(shí)期，可編程控制器雖然采用了計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)思想，但實(shí)際上只能完成順序控制，只有邏輯運(yùn)算、定時(shí)和計(jì)數(shù)等順序控制功能。因此，這一時(shí)期人們稱可編程控制器為可編程控制器。在可編程控制器的開發(fā)過程中，由于周期和功能的不同，有幾種不同的名稱，如可編程序控制器、可編程序控制器

5、和可編程邏輯控制器系統(tǒng)。20世紀(jì)80年代以后，隨著超大規(guī)模集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展，由16位和32位微處理器組成的微機(jī)可編程控制器取得了驚人的進(jìn)步，在概念、設(shè)計(jì)和性能價(jià)格比等方面取得了重大突破?？删幊踢壿嬁刂破骶哂懈咚儆?jì)數(shù)、中斷技術(shù)、PID控制等功能。網(wǎng)絡(luò)通信能力也得到了加強(qiáng)，這使得可編程邏輯控制器的應(yīng)用范圍和領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。每一代可編程控制器的不同特點(diǎn)和應(yīng)用范圍見表5-1。目前，在中國(guó)可編程序控制器有兩個(gè)縮寫：一個(gè)是個(gè)人電腦，另一個(gè)是可編程序控制器。因?yàn)閭€(gè)人電腦的縮寫也是個(gè)人電腦，有時(shí)為了避免混淆，人們?nèi)匀涣?xí)慣性地稱可編程控制器為可編程控制器。這本書采用了可編程邏輯控制器的縮寫。5.1.2PLC

6、的PLC特性自問世以來就受到廣泛重視，其應(yīng)用發(fā)展迅速。原因是與現(xiàn)有的控制方法相比，它具有一系列受用戶歡迎的特點(diǎn)，主要有：(1)可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)?？删幊炭刂破魇菍楣I(yè)控制而設(shè)計(jì)的。由于采取了一系列措施，PLC控制系統(tǒng)的平均故障間隔時(shí)間一般可達(dá)45萬小時(shí)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過傳統(tǒng)的繼電器控制和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。(2)編程簡(jiǎn)單，容易掌握常用的梯形圖編程模式。它類似于繼電器控制原理圖，具有直觀、清晰、修改方便、易于掌握的優(yōu)點(diǎn)，因此受到現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員和操作人員的歡迎。(3)組合靈活，使用方便雖然可編程控制器內(nèi)部是一臺(tái)特殊的計(jì)算機(jī)，但由于它采用了標(biāo)準(zhǔn)化的通用模塊結(jié)構(gòu)，其輸入輸出電路設(shè)計(jì)采用了一系列抗干擾措施，用戶

7、可以靈活方便地組合不同規(guī)模和功能的各種控制系統(tǒng)，而無需二次開發(fā)硬件。布線簡(jiǎn)單，工作量小，使用維護(hù)方便。(4)功能強(qiáng)大，通用性好?，F(xiàn)代可編程控制器采用最新的計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)和集成技術(shù)，在硬件和軟件方面不斷發(fā)展，使其具有強(qiáng)大的信息處理能力和輸出控制能力。(5)開發(fā)周期短，成功率高。大多數(shù)工業(yè)控制設(shè)備的開發(fā)包括機(jī)械、液壓、氣動(dòng)和電氣控制，這需要一定的開發(fā)時(shí)間，也包含各種困難和風(fēng)險(xiǎn)。大量實(shí)踐證明，采用可編程控制器作為核心控制模式具有開發(fā)周期短、風(fēng)險(xiǎn)低、成功率高的優(yōu)點(diǎn)。(6)體積小、重量輕、功耗低。由于PLC采用半導(dǎo)體集成電路，所以體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、功耗低。5.1.3可編程邏輯控制器系統(tǒng)的分

8、類，5.1.3.1按結(jié)構(gòu)類型分類(1)集成式可編程邏輯控制器將電源、中央處理器、存儲(chǔ)器和輸入輸出等各種功能部件集成在一個(gè)外殼中。(2)模塊化(積木式)可編程邏輯控制器根據(jù)功能將可編程邏輯控制器的各個(gè)部分組成獨(dú)立的模塊，并根據(jù)需要進(jìn)行組合。此外，還有被稱為堆疊式可編程邏輯控制器的集成式模塊化可編程邏輯控制器，其配置更加靈活。5.1.3.2按輸入輸出點(diǎn)和存儲(chǔ)容量分類(1)小型PLC和微型PLC的輸入輸出點(diǎn)在256點(diǎn)以下(2)中型PLC主要采用模塊化組合結(jié)構(gòu)。輸入和輸出點(diǎn)的數(shù)量在2562048點(diǎn)之間。(3)大型可編程控制器是為需要連續(xù)控制的大型工廠或大型機(jī)器設(shè)計(jì)的，其控制功能復(fù)雜或需要控制的輸入輸出

9、點(diǎn)超過2048個(gè)。5.1.3.3按功能劃分(1)低級(jí)機(jī)器主要用于邏輯控制、順序控制或少量模擬控制的單機(jī)控制系統(tǒng)。(2)中級(jí)機(jī)具有強(qiáng)大的模擬量處理、數(shù)字運(yùn)算、數(shù)據(jù)處理、PID控制、遠(yuǎn)程I/O和網(wǎng)絡(luò)通訊功能。(3)高檔機(jī)器增加了計(jì)算、制表、表格傳輸?shù)忍厥夤δ?；具有較強(qiáng)的通信組網(wǎng)能力，可用于大規(guī)模過程控制。5.1.4PLC的應(yīng)用(1)開關(guān)邏輯控制開關(guān)邏輯控制是PLC最基本、最廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域?？删幊炭刂破骶哂袕?qiáng)大的邏輯運(yùn)算能力，可以取代傳統(tǒng)的繼電器系統(tǒng)和順序控制器，實(shí)現(xiàn)單機(jī)控制、多級(jí)控制和自動(dòng)化生產(chǎn)線控制，如各種機(jī)床的控制、自動(dòng)電梯、高爐裝料、注塑機(jī)械、包裝機(jī)械、印刷機(jī)械、裝配生產(chǎn)線、電鍍生產(chǎn)線、貨物

10、存取、運(yùn)輸和檢驗(yàn)等。(2)模擬控制在工業(yè)生產(chǎn)過程中，有許多連續(xù)變化的量。例如，溫度、壓力、流量、液位和速度都是模擬量。可編程邏輯控制器處理數(shù)字量。為了接受模擬輸入和輸出模擬信號(hào)，可編程控制器配備了模擬/數(shù)字和數(shù)字/模擬模塊，通過模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換將現(xiàn)場(chǎng)溫度和壓力等模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，并由微處理器進(jìn)行處理。微處理器處理后的數(shù)字量通過數(shù)模轉(zhuǎn)換成模擬量來控制被控對(duì)象。這樣，可編程控制器就可以控制模擬量。(3)閉環(huán)過程控制PLC不僅可以控制模擬量，還可以進(jìn)行閉環(huán)控制?，F(xiàn)在大中型可編程邏輯控制器一般都裝有特殊的比例、積分和微分(PID)控制模塊。(4)定時(shí)控制PLC具有定時(shí)控制功能，可為用戶提供數(shù)十甚至數(shù)百

11、個(gè)定時(shí)器。計(jì)時(shí)時(shí)間可由用戶在編寫用戶程序時(shí)設(shè)定，也可由操作員通過工業(yè)領(lǐng)域的程序員設(shè)定，以實(shí)現(xiàn)計(jì)時(shí)或延時(shí)控制。(5)計(jì)數(shù)控制為用戶提供數(shù)十甚至數(shù)百個(gè)計(jì)數(shù)器，這些計(jì)數(shù)器的設(shè)置方式與計(jì)時(shí)相同。如果用戶需要對(duì)高頻信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，可以選擇高速計(jì)數(shù)模塊。(6)順序控制實(shí)現(xiàn)順序控制，可以用移位寄存器和步進(jìn)指令編程，也可以用國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)化語言順序功能圖進(jìn)行順序控制，PLC可以根據(jù)事件順序或輸入狀態(tài)控制輸出。(7)數(shù)據(jù)處理現(xiàn)代可編程邏輯控制器具有數(shù)據(jù)處理能力。它不僅能進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算和數(shù)據(jù)傳輸，還能進(jìn)行數(shù)據(jù)比較、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)顯示和打印、數(shù)據(jù)通信等。對(duì)于大中型可編程邏輯控制器，還可以進(jìn)行浮點(diǎn)運(yùn)算和函數(shù)運(yùn)算。(8)通信和網(wǎng)絡(luò)可編程控制器的控制已經(jīng)從早期的單機(jī)控制發(fā)展到多機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)了工廠自動(dòng)化。這是因?yàn)楝F(xiàn)代的可編程控制器一般都具有通信功能，不僅可以控制遠(yuǎn)程輸入輸出，還可以實(shí)現(xiàn)可編程控制器與可編程控制器之間、可編程控制器與計(jì)算機(jī)之間的通信。5.1.5可編程邏輯控制器的