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基本结构基本结构可编程逻辑控制器实质是一种专用于工业控制的计算机,可编程逻辑控制器其硬件结构基本上与微型计算机相同,基本构成为:一、电源可编程逻辑控制器的电源在整个系统中起着十分重要的作用。如果没有一个良好的、可靠的电源系统是无法正常工作的,因此,可编程逻辑控制器的制造商对电源的设计和制造也十分重视。一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内,可以不采取其它措施而将 PLC 直接连接到交流电网上去二、中央处理单元(CPU)中央处理单元(CPU)是可编程逻辑控制器的控制中枢。它按照可编程逻辑控制器系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据;检查电源、存储器、I/O 以及警戒定时器的状态,并能诊断用户程序中的语法错误。当可编程逻辑控制器投入运行时,首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据,并分别存入 I/O 映象区,然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序,经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入 I/O 映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后,最后将 I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置,如此循环运行,直到停止运行。为了进一步提高可编程逻辑控制器的可靠性,近年来对大型可编程逻辑控制器还采用双 CPU 构成冗余系统,或采用三 CPU 的表决式系统。这样,即使某个 CPU 出现故障,整个系统仍能正常运行。三、存储器存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。四、输入输出接口电路1现场输入接口电路由光耦合电路和微机的输入接口电路,作用是可编程逻辑控制器与现场控制的接口界面的输入通道。2现场输出接口电路由输出数据寄存器、选通电路和中断请求电路集成,作用可编程逻辑控制器通过现场输出接口电路向现场的执行部件输出相应的控制信号。五、功能模块如计数、定位等功能模块。六、通信模块1工作原理工作原理当可编程逻辑控制器投入运行后,其工作过程一般分为三个阶段,可编程逻辑控制器即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间,可编程逻辑控制器的CPU 以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。一、输入采样阶段在输入采样阶段,可编程逻辑控制器以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据,并将它们存入 I/O 映象区中的相应的单元内。输入采样结束后,转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中,即使输入状态和数据发生变化,I/O 映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此,如果输入是脉冲信号,则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期,才能保证在任何情况下,该输入均能被读入。二、用户程序执行阶段在用户程序执行阶段,可编程逻辑控制器总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时,又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路,并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算,然后根据逻辑运算的结果,刷新该逻辑线圈在系统 RAM 存储区中对应位的状态;或者刷新该输出线圈在 I/O 映象区中对应位的状态;或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。即,在用户程序执行过程中,只有输入点在 I/O 映象区内的状态和数据不会发生变化,而其他输出点和软设备在 I/O 映象区或系统RAM 存储区内的状态和数据都有可能发生变化,而且排在上面的梯形图,其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用;相反,排在下面的梯形图,其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。在程序执行的过程中如果使用立即 I/O 指令则可以直接存取 I/O点。即使用 I/O 指令的话,输入过程影像寄存器的值不会被更新,程序直接从 I/O 模块取值,输出过程影像寄存器会被立即更新,这跟立即输入有些区别。三、输出刷新阶段当扫描用户程序结束后,可编程逻辑控制器就进入输出刷新阶段。在此期间,CPU 按照 I/O 映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路,再经输出电路驱动相应的外设。这时,才是可编程逻辑控制器的真正输出。功能特点功能特点可编程逻辑控制器具有以下鲜明的特点。1.使用方便,编程简单采用简明的梯形图、逻辑图或语句表等编程语言,而无需计算机知识,因此系统开发周期短,现场调试容易。另外,可在线修改程序,改变控制方案而不拆动硬件。2.功能强,性能价格比高一台小型 PLC 内有成百上千个可供用户使用的编程元件,有很强的功能,可以实现非常复杂的控制功能。它与相同功能的继电器系统相比,具有很高的性能价格比。PLC 可以通过通信联网,实现分散控制,集中管理。3.硬件配套齐全,用户使用方便,适应性强PLC 产品已经标准化、系列化、模块化,配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用,用户能灵活方便地进行系统配置,组成不同功能、不同规模的系统。PLC 的安装接线也很方便,一般用接线端子连接外部接线。PLC 有较强的带负载能力,可以直接驱动一般的电磁阀和小型交流接触器。硬件配置确定后,可以通过修改用户程序,方便快速地适应工艺条件的变化。4.可靠性高,抗干扰能力强传统的继电器控制系统使用了大量的中间继电器、时间继电器,由于触点接触不良,容易出现故障。PLC 用软件代替大量的中间继电器和时间继电器,仅剩下与输入和输出有关的少量硬件元件,接线可减少到继电器控制系统的 1/10-1/100,因触点接触不良造成的故障大为减少。PLC 采取了一系列硬件和软件抗干扰措施,具有很强的抗干扰能力,平均无故障时间达到数万小时以上,可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场,PLC 已被广大用户公认为最可靠的工业控制设备之一。5.系统的设计、安装、调试工作量少PLC 用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件,使控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少。PLC 的梯形图程序一般采用顺序控制设计法来设计。这种编程方法很有规律,很容易掌握。对于复杂的控制系统,设计梯形图的时间比设计相同功能的继电器系统电路图的时间要少得多。PLC 的用户程序可以在实验室模拟调试,输入信号用小开关来模拟,通过 PLC 上的发光二极管可观察输出信号的状态。完成了系统的安装和接线后,在现场的统调过程中发现的问题一般通过修改程序就可以解决,系统的调试时间比继电器系统少得多。6.维修工作量小,维修方便PLC 的故障率很低,且有完善的自诊断和显示功能。PLC 或外部的输入装置和执行机构发生故障时,可以根据 PLC 上的发光二极管或编程器提供的信息迅速地查明故障的原因,用更换模块的方法可以迅速地排除故发展历史发展历史起源起源1968 年美国通用汽车公司提出取代继电器控制装置的要求;1969 年,美国数字设备公司研制出了第一台可编程逻辑控制器PDP14 ,在美国通用汽车公司的生产线上试用成功,首次采用程序化的手段应用于电气控制,这是第一代可编程逻辑控制器,称Programmable Logic Controller,简称 PLC,是世界上公认的第一台 PLC。1969 年,美国研制出世界第一台 PDP-14;1971 年,日本研制出第一台 DCS-8;1973 年,德国西门子公司(SIEMENS)研制出欧洲第一台 PLC,型号为 SIMATIC S4;1974 年,中国研制出第一台 PLC,1977 年开始工业应用。发展发展20 世纪 70 年代初出现了微处理器。人们很快将其引入可编程逻辑控制器,使可编程逻辑控制器增加了运算、数据传送及处理等功能,完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。此时的可编程逻辑控制器为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。个人计算机发展起来后,为了方便和反映可编程控制器的功能特点,可编程逻辑控制器定名为 Programmable Logic Controller(PLC)。20 世纪 70 年代中末期,可编程逻辑控制器进入实用化发展阶段,计算机技术已全面引入可编程控制器中,使其功能发生了飞跃。更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID 功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。20 世纪 80 年代初,可编程逻辑控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。世界上生产可编程控制器的国家日益增多,产量日益上升。这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。20 世纪 80 年代至 90 年代中期,是可编程逻辑控制器发展最快的时期,年增长率一直保持为 3040%。在这时期,PLC 在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高,可编程逻辑控制器逐渐进入过程控制领域,在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的 DCS 系统。20 世纪末期,可编程逻辑控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。这个时期发展了大型机和超小型机、诞生了各种各样的特殊功能单元、生产了各种人机界面单元、通信单元,使应用可编程逻辑控制器的工业控制设备的配套更加容易。系统集成系统集成在制造工业中存在大量的开关量为主的开环的顺序控制,它按照逻辑条件进行顺序动作号按照时序动作;另外还有与顺序、时序无关的按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制;以及大量的开关量、脉冲量、计时、计数器、模拟量的越限报警等状态量为主的离散量的数据采集监视。由于这些控制和监视的要求,使 PLC 发展成了取代继电器线路和进行顺序控制为主的产品。 近年来,PLC 厂家在原来CPU 模板上提逐渐增加了各种通讯接口,现场总线技术及以太网技术也同步发展,使 PLC 的应用范围越来越广泛。 PLC 具有稳定可靠、价格便宜、功能齐全、应用灵活方便、操作维护方便的优点,这是它能持久的占有市场的根本原因。可编程逻辑控制器2PLC 控制器本身的硬件采用积木式结构,有母板,数字 I/O 模板,模拟 I/O 模板,还有特殊的定位模板,条形码识别模板等模块,用户可以根据需要采用在母板上扩展或者利用总线技术配备远程 I/O从站的方法来得到想要的 I/O 数量。PLC 在实现各种数量的 I/O 控制的同时,还具备输出模拟电压和数字脉冲的能力,使得它可以控制各种能接收这些信号的伺服电机,步进电机,变频电机等,加上触摸屏的人机界面支持,施耐德的PLC 可以满足您在过程控制中任何层次上的需求。选型规则选型规则在可编程逻辑控制器系统设计时,首先应确定控制方案,下一步工作就是可编程逻辑控制器工程设计选型。工艺流程的特点和应用要求是设计选型的主要依据。可编程逻辑控制器及有关设备应是集成的、标准的,按照易于与工业控制系统形成一个整体,易于扩充其功能的原则选型所选用可编程逻辑控制器应是在相关工业领域有投运业绩、成熟可靠的系统,可编程逻辑控制器的系统硬件、软件配置及功能应与装置规模和控制要求相适应。熟悉可编程序控制器、功能表图及有关的编程语言有利于缩短编程时间,因此,工程设计选型和估算时,应详细分析工艺过程的特点、控制要求,明确控制任务和范围确定所需的操作和动作,然后根据控制要求,估算输入输出点数、所需存储器容量、确定可编程逻辑控制器的功能、外部设备特性等,最后选择有较高性能价格比的可编程逻辑控制器和设计相应的控制系统。一、输入输出(一、输入输出(I/OI/O)点数的估算)点数的估算I/O 点数估算时应考虑适当的余量,通常根据统计的输入输出点数,再增加 10%20%的可扩展余量后,作为输入输出点数估算数据。实际订货时,还需根据制造厂商可编程逻辑控制器的产品特点,对输入输出点数进行圆整。二、存储器容量的估算二、存储器容量的估算存储器容量是可编程序控制器本身能提供的硬件存储单元大小,程序容量是存储器中用户应用项目使用的存储单元的大小,因此程序容量小于存储器容量。设计阶段,由于用户应用程序还未编制,因此,程序容量在设计阶段是未知的,需在程序调试之后才知道。为了设计选型时能对程序容量有一定估算,通常采用存储器容量的估算来替代。存储器内存容量的估算没有固定的公式,许多文献资料中给出了不同公式,大体上都是按数字量 I/O 点数的 1015
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