《可編程控制器應用技術》課件第1章

1.1可編程控制器的產(chǎn)生和定義

1.2PLC的特點與應用領域

1.3PLC的分類

1.4PLC與其他控制系統(tǒng)的比較

1.5PLC的發(fā)展趨勢

習題

第1章可編程控制器概述1.1可編程控制器的產(chǎn)生和定義

可編程控制器產(chǎn)生以前，以各種繼電器為主要元件的電氣控制線路承擔著生產(chǎn)過程自動控制的艱巨任務，由成百上千只各種繼電器所構成的復雜的控制系統(tǒng)需要用成千上萬根導線連接起來，安裝這些繼電器需要大量的繼電器控制柜，且占據(jù)大量的空間。當這些繼電器運行時，又會產(chǎn)生大量的噪音，消耗大量的電能。為保證控制系統(tǒng)的正常運行，需安排大量的電氣技術人員進行維護，有時某個繼電器的損壞，甚至某個繼電器的觸點接觸不良，都會影響整個系統(tǒng)的正常運行。如果系統(tǒng)出現(xiàn)故障，要進行檢查和排除故障是非常困難的，因為這要依靠現(xiàn)場電氣技術人員長期積累的經(jīng)驗。

尤其是在生產(chǎn)工藝發(fā)生變化時，可能需要增加很多的繼電器，而繼電器重新接線或改線的工作量極大，甚至可能需要重新設計控制系統(tǒng)。盡管如此，這種控制系統(tǒng)的功能也僅僅局限于能實現(xiàn)具有粗略定時、計數(shù)功能的順序邏輯控制。因此，人們迫切需要一種新的工業(yè)控制裝置來取代傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)，使電氣控制系統(tǒng)工作更可靠、更容易，更能適應經(jīng)常變化的生產(chǎn)工藝要求。

在20世紀60～70年代，電子技術已經(jīng)有了一定的發(fā)展，計算機技術已經(jīng)初露端倪，人們受到計算機的存儲器可以反復改寫的啟發(fā)，開始尋求一種以存儲邏輯代替接線邏輯的新型工業(yè)控制設備。

1968年，美國通用汽車公司(GM)提出了他們關于汽車流水線的控制系統(tǒng)的具體控制要求，即“GM十條”。這是一次公開招標的研制任務，當時小型計算機已在美國出現(xiàn)，但人們將計算機用于工業(yè)控制的嘗試還沒有成功。“GM十條”的內(nèi)容如下：

(1)編程簡單，可在現(xiàn)場修改和調(diào)試程序；

(2)維護方便，采用插入式模塊結構；

(3)可靠性高于繼電器控制系統(tǒng)；

(4)體積小于繼電器控制柜；

(5)能與管理中心的計算機系統(tǒng)進行通信；

(6)成本可與繼電器控制系統(tǒng)相競爭；

(7)輸入量是115V交流電壓(美國電網(wǎng)電壓是110V)；

(8)輸出量為115V交流電壓，輸出電流在2A以上，能直接驅(qū)動電磁閥；

(9)系統(tǒng)擴展時，原系統(tǒng)只需做很小改動；

(10)用戶程序存儲器容量至少4KB。

1969年，美國數(shù)據(jù)設備公司(DEC)為GM公司的生產(chǎn)流水線研制了世界上公認的第一臺可編程控制器。當時的可編程序控制器只能用于執(zhí)行邏輯判斷、計時、計數(shù)等順序控制功能，所以被稱為可編程序邏輯控制器(ProgrammableLogicalController)，簡稱PLC。

進入20世紀70年代后的PLC已不再是僅有邏輯判斷功能，還同時具有數(shù)據(jù)處理、PID控制和數(shù)據(jù)通信功能，因此被改稱為可編程序控制器或可編程控制器，簡稱PC。但PC已被計算機行業(yè)定義為個人計算機(PersonalComputer)，因此一般仍用PLC作為可編程序控制器的簡稱。

1987年2月，國際電工委員會(IEC)在可編程序控制器的標準草案中作了如下定義：可編程序控制器是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為工業(yè)環(huán)境應用而設計。它采用可編程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術運算等操作的指令，并通過數(shù)字式和模擬式的輸入/輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程?？删幊绦蚩刂破骷捌溆嘘P外圍設備易于與工業(yè)控制系統(tǒng)連成一個整體，易于擴充其功能。

可編程序控制器在控制系統(tǒng)應用方面優(yōu)于計算機，它易于與自動控制系統(tǒng)相連接，可以方便靈活地構成不同要求、不同規(guī)模的控制系統(tǒng)，其環(huán)境適應性和抗干擾能力極強，所以也稱為工業(yè)控制計算機。1.2PLC的特點與應用領域1.2.1PLC的特點

PLC具有以下特點：

(1)高可靠性，抗干擾能力強。繼電接觸器系統(tǒng)中，由于器件的老化、脫焊、觸點的抖動以及觸點電弧等現(xiàn)象大大降低了系統(tǒng)的可靠性。而在PLC系統(tǒng)中，接線減少到繼電器控制系統(tǒng)的1/10～1/100，大量的開關動作是由無觸點的半導體電路來完成的，加上PLC充分考慮了工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境電磁、粉塵、溫度等各種干擾，在硬件和軟件上采取了一系列抗干擾措施，因此PLC具有極高的可靠性。據(jù)有關資料統(tǒng)計，目前某些品種的PLC平均無故障時間甚至達到了幾十萬小時。

(2)適應性強，應用靈活。由于PLC產(chǎn)品均為系列化生產(chǎn)，品種齊全，多數(shù)采用模塊式的硬件結構，組合和擴展方便，因此用戶可根據(jù)自己的需要靈活選用，以滿足系統(tǒng)大小不同及功能繁簡各異的控制要求。

(3)編程方便，易于使用。PLC的編程采用與繼電器電路極為相似的梯形圖語言，直觀易懂，深受現(xiàn)場電氣技術人員的歡迎。近年來各生產(chǎn)廠家都加強了通用計算機運行的編程軟件的制作，使程序的組織及下載工作更加方便。

(4)功能強，擴展能力強。PLC中含有數(shù)量巨大的用于開關量處理的類似繼電器的軟元件，可輕松地實現(xiàn)大規(guī)模的開關量邏輯控制，這是一般的繼電器系統(tǒng)所不能實現(xiàn)的。PLC可以方便地與各種類型的輸入、輸出量連接，實現(xiàn)D/A、A/D轉換及PID運算，實現(xiàn)過程控制、數(shù)字控制等功能。PLC具有聯(lián)網(wǎng)通信功能，它不僅可以控制一臺單機及一條生產(chǎn)線，還可以控制一個機群及許多條生產(chǎn)線；不僅可以進行現(xiàn)場控制，還可以用于遠程監(jiān)控。

(5)?PLC控制系統(tǒng)設計、安裝、調(diào)試方便。PLC中相當于繼電接觸器系統(tǒng)中的中間繼電器、時間繼電器、計數(shù)器等編程元件，雖數(shù)量巨大，卻是用程序(軟接線)代替硬接線，因而安裝接線工作量少。設計人員只要有PLC就可進行控制系統(tǒng)設計并可在實驗室進行模擬調(diào)試。而繼電器系統(tǒng)的調(diào)試則是靠在現(xiàn)場改變接線進行的，十分繁瑣復雜。

(6)維修方便，維修工作量小。PLC有完善的自診斷、履歷情報存儲及監(jiān)視功能，對于其內(nèi)部工作狀態(tài)、通信狀態(tài)、異常狀態(tài)和I/O點的狀態(tài)均有顯示。工作人員通過這些顯示功能可以查找故障原因，便于迅速處理。

(7)?PLC體積小、質(zhì)量輕，易于實現(xiàn)機電一體化。PLC常采用箱體式結構，體積及質(zhì)量只有通常接觸器的大小，易于安裝在控制箱中或安裝在運動物體中，開關柜的體積縮小到原來的1/2～1/10。采用PLC的控制系統(tǒng)功能強大，調(diào)速、定位等功能都可以通過電氣方式完成，可以大大減少機械的結構設計，有利于實現(xiàn)機電一體化。1.2.2PLC的應用領域

可編程控制器的應用十分廣泛，有多種分類方法。有的從產(chǎn)品角度劃分，有的從被控物理量的角度劃分。從被控物理量的角度可將PLC的應用領域概括如下：

1.順序控制

順序控制即邏輯控制，主要指開關量的控制。這是PLC最基本的應用領域，也是最適合PLC的應用領域。它用以取代傳統(tǒng)的繼電接觸器控制系統(tǒng)，可應用于單機控制、多機群控制或生產(chǎn)線自動控制。例如注塑機、印刷機械、訂書機械、切紙機械、組合機床、磨床、裝配生產(chǎn)線、包裝生產(chǎn)線、電鍍流水線及電梯控制等。

2.運動控制

運動控制指通過控制電動機的轉速或轉角實現(xiàn)運動體運動速度及位置的控制。工廠中最常見的運動控制的例子是數(shù)控機床，刀具按照給定的坐標行走。近年來許多PLC制造商在自己的產(chǎn)品中增加了脈沖串輸出指令(PTO)，使PLC方便地用于定位及調(diào)速系統(tǒng)。更專業(yè)的運動控制方案是選用專門的位置控制模塊，PLC把描述目標位置的數(shù)據(jù)送給模塊，模塊移動一軸或數(shù)軸到目標位置。

3.過程控制

過程控制指連續(xù)生產(chǎn)場合的控制，如石油、化工生產(chǎn)場合，生產(chǎn)一般是不能間斷的。這些場合的控制參數(shù)叫做過程參數(shù)，如溫度、壓力、速度和流量等。這些參數(shù)多為模擬量。PLC通過模擬量單元、比例-積分-微分(Proportional-Integral-Derivative，PID)模塊或主機自帶的PID指令實現(xiàn)閉環(huán)過程控制。

4.數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理是計算機最擅長的工作，也是一個內(nèi)容十分廣泛的概念。如數(shù)據(jù)的四則運算、乘方、開方是數(shù)據(jù)處理，生產(chǎn)實時數(shù)據(jù)的收集篩選是數(shù)據(jù)處理，機械加工中的數(shù)控機床也是數(shù)據(jù)處理?？删幊炭刂破骶哂写罅康墓δ苤噶钪С诌@些工作，使PLC在這些應用領域大顯身手。

5.通信和聯(lián)網(wǎng)

PLC的通信包括主機與遠程I/O間的通信、多臺PLC之間的通信、PLC與其他智能設備(計算機、變頻器、數(shù)控裝置、智能儀表)之間的通信。隨著工業(yè)自動化程度的不斷提高，多機間的數(shù)據(jù)聯(lián)通、遠程的數(shù)據(jù)傳送越來越重要。近年來PLC的通信功能不斷加強，PLC已經(jīng)在各類工業(yè)控制網(wǎng)絡中發(fā)揮著巨大的作用。1.3PLC的分類可編程控制器具有多種分類方式，了解這些分類方式有助于PLC的選型及應用。

1.根據(jù)I/O點數(shù)分類根據(jù)I/O(輸入/輸出)點數(shù)將PLC分為微型機、小型機、中型機和大型機。

(1)微型機。I/O點數(shù)小于64點的為微型機，其內(nèi)存容量為256B～1KB。這一類PLC主要用于單臺設備的監(jiān)控，在紡織機械、數(shù)控機床、塑料加工機械、小型包裝機械上應用廣泛，有時還應用于家庭。

(2)小型機。I/O點數(shù)在64～256點的為小型機。小型機一般只具有邏輯運算、定時、計數(shù)和移位等功能，用于小規(guī)模開關量的控制，可實現(xiàn)條件控制、順序控制等。有些小型機也增加了一些算術運算和模擬量處理、數(shù)據(jù)通信等功能。小型機的特點是價格低、體積小，適用于控制自動化單機設備及開發(fā)機電一體化產(chǎn)品。

(3)中型機。I/O點數(shù)在256～1024點之間的為中型機。它除了具備邏輯運算功能，還增加了模擬量輸入/輸出、算術運算、數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)通信等功能，可完成既有開關量又有模擬量的復雜控制。中型機的軟件比小型機豐富，在已固化的程序內(nèi)，一般還有PID調(diào)節(jié)，整數(shù)/浮點運算等功能模塊。中型機的特點是功能強、配置靈活，適用于具有諸如溫度、壓力、流量、速度、角度、位置等模擬量控制和大量開關量控制的復雜機械以及連續(xù)生產(chǎn)過程的控制場合。

(4)大型機。I/O點數(shù)在1024點以上的為大型機。大型機的功能更加完善，具有數(shù)據(jù)運算、模擬調(diào)節(jié)、聯(lián)網(wǎng)通信、監(jiān)視記錄、打印等功能。大型機的內(nèi)存容量超過640KB，監(jiān)控系統(tǒng)采用CRT顯示，能夠表示生產(chǎn)過程的工藝流程、各種曲線、PID調(diào)節(jié)參數(shù)選擇圖等，能進行中斷控制、智能控制、遠程控制等。大型機的特點是I/O點數(shù)特別多、控制規(guī)模宏大、組網(wǎng)能力強，可用于大規(guī)模的過程控制，構成分布式控制系統(tǒng)或整個工廠的集散控制系統(tǒng)(DCS)。

2．根據(jù)結構形式分類

從結構上看，PLC可分為整體式、模塊式及分散式三種形式。

(1)整體式結構。這種結構的PLC的電源、CPU、I/O部件都集中配置在一個箱體中，有的甚至全部裝在一塊印制電路板上。圖1-1所示OMRON公司的C40P型機即為整體式結構。整體式PLC結構緊湊，體積小，重量輕，價格低，容易裝配在工業(yè)控制設備的內(nèi)部。整體式PLC的缺點是主機的I/O點數(shù)固定，使用不夠靈活，維修也較麻煩。圖1-1整體式PLC

(2)模塊式結構。這種形式的PLC各部分以單獨的模塊分開設置，如電源模塊、CPU模塊、輸入模塊、輸出模塊及其他智能模塊等。這種PLC一般設有機架底板(也有的PLC為串行連接，沒有底板)，在底板上有若干插槽，使用時，各種模塊直接插入機架底板即可，如圖1-2所示。這種結構的PLC配置靈活，裝備方便，維修簡單，易于擴展，可根據(jù)控制要求靈活配置所需模塊，構成功能不同的各種控制系統(tǒng)。一般大、中型PLC均采用這種結構。模塊式PLC的缺點是結構較復雜，各種插件多，因而增加了造價。

(3)分散式結構。所謂分散式結構就是將可編程控制器的CPU、電源、存儲器集中放置在控制室，而將各I/O模塊分散放置在各個工作站，由通信接口進行通信連接，由CPU集中指揮。圖1-2模塊式PLC

3．根據(jù)用途分類

(1)用于順序邏輯控制。早期的可編程控制器主要用于取代繼電器控制電路，完成如順序、聯(lián)鎖、計時和計數(shù)等開關量的控制，因此順序邏輯控制是可編程控制器最基本的控制功能，也是可編程控制器應用最多的場合。

(2)用于閉環(huán)過程控制?？删幊炭刂破饔糜陂]環(huán)過程控制時，可實現(xiàn)平滑連續(xù)調(diào)節(jié)。

(3)用于多級分布式和集散控制系統(tǒng)。在多級分布式和集散控制系統(tǒng)中，除了要求所選用的可編程控制器具有上面(1)、(2)所述功能外，還要求具有較強的通信功能，形成通信網(wǎng)絡。顯然，能勝任這種工作的可編程控制器為高檔PLC。

(4)用于機械加工的數(shù)字控制和機器人控制。機械加工行業(yè)也是PLC廣泛應用的領域，可編程控制器與CNC(ComputerNumericalControl)技術有機地結合起來，使得用戶對機械加工的程序編制越來越方便。此外，PLC在機器人控制方面的應用也將越來越多。

4．根據(jù)生產(chǎn)廠家分類

PLC的生產(chǎn)廠家很多，每個廠家生產(chǎn)的PLC，其點數(shù)、容量、功能各有差異，但都自成系列，指令及外設向上兼容。因此，在選擇PLC時若選購同一系列的產(chǎn)品，則可以使系統(tǒng)構成容易、操作人員使用方便，備品配件的通用性及兼容性好。目前世界上生產(chǎn)可編程控制器的廠家已有300多個。在中國PLC市場，西門子、三菱及OMRON等公司占據(jù)絕對的優(yōu)勢。表1-1列出了部分世界知名PLC生產(chǎn)廠家及其主要產(chǎn)品。我國PLC廠家的規(guī)模一般都不大，最有影響的是無錫的華光，該公司生產(chǎn)多種型號與規(guī)格的PLC，如SU、SG等。我國的PLC發(fā)展快，在價格上很有優(yōu)勢，相信會在世界PLC之林中占據(jù)一定位置。1.4PLC與其他控制系統(tǒng)的比較

1．可編程控制器與繼電器控制系統(tǒng)的比較

繼電器控制系統(tǒng)工藝過程改變時，其控制柜必須重新設計，重新配線，工作量相當大，有時甚至相當于重新設計一臺新裝置。而PLC由于應用了微電子技術和計算機技術，各種控制功能都是通過軟件來實現(xiàn)的，如果需要改變生產(chǎn)工藝過程，只需改變程序及極少的連接線即可適應生產(chǎn)工藝過程的改變。同時，PLC能處理工業(yè)現(xiàn)場的強電信號，如交流220

V、直流24

V，并可直接驅(qū)動功率部件(一般負載電流為2

A)，可長期在嚴酷的工業(yè)環(huán)境中工作。從適應性、可靠性、安裝維護等各方面比較，PLC都有著顯著的優(yōu)勢，因此PLC控制系統(tǒng)取代以繼電器為基礎的控制系統(tǒng)是現(xiàn)代控制系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢。

2．可編程控制器與集散控制系統(tǒng)的比較

PLC與集散控制系統(tǒng)(DCS)在發(fā)展過程中，始終是互相滲透、互為補充的。它們分別由兩個不同的古典控制系統(tǒng)發(fā)展而來。PLC是由繼電器邏輯控制系統(tǒng)發(fā)展而來的，所以它在數(shù)字處理、順序控制方面具有一定優(yōu)勢。集散控制系統(tǒng)是由單回路儀表控制系統(tǒng)發(fā)展而來的，所以它在模擬量處理、回路調(diào)節(jié)方面具有一定優(yōu)勢，初期主要側重于回路調(diào)節(jié)功能。這兩種系統(tǒng)都隨著微電子技術、大規(guī)模集成電路技術、計算機技術、通信技術等的發(fā)展而發(fā)展，同時又向?qū)Ψ綌U展自己的技術功能。PLC在20世紀60年代問世之后，于20世紀70年代進入了實用化階段，后來又增加了數(shù)值計算、閉環(huán)控制等功能。PLC與上位計算機之間相互連成網(wǎng)絡，構成以可編程控制器為主要部件的初級控制系統(tǒng)。集散控制系統(tǒng)自20世紀70年代問世之后，發(fā)展非常迅速，特別是單片微處理器的廣泛應用和通信技術的成熟，把順序控制裝置、數(shù)據(jù)采集裝置、過程控制的模擬量儀表、過程監(jiān)控裝置有機地結合在一起，產(chǎn)生了滿足不同要求的集散型控制系統(tǒng)?，F(xiàn)代PLC的模擬量控制功能很強，多數(shù)都配備了各種智能模塊，以適應生產(chǎn)現(xiàn)場的多種特殊要求，具有了PID調(diào)節(jié)功能和構成網(wǎng)絡系統(tǒng)組成分級控制的功能以及集散系統(tǒng)所能完成的功能。集散控制系統(tǒng)既有單回路控制系統(tǒng)，也有多回路控制系統(tǒng)，同時也具有順序控制功能。到目前為止，PLC與集散控制系統(tǒng)的發(fā)展越來越接近，很多工業(yè)生產(chǎn)過程既可以用PLC，也可以用集散控制系統(tǒng)實現(xiàn)其控制功能。綜合PLC和集散控制系統(tǒng)各自的優(yōu)勢，把二者有機地結合起來，可形成一種新型的全分布式的計算機控制系統(tǒng)。

3．可編程控制器與工業(yè)控制計算機系統(tǒng)的比較

工業(yè)控制計算機(簡稱工控機)是通用微型計算機適應工業(yè)生產(chǎn)控制要求發(fā)展起來的一種控制設備。它在硬件結構方面的總線標準化程度高、兼容性強，而且軟件資源豐富，特別是有實時操作系統(tǒng)的支持，故對要求快速、實時性強、模型復雜、計算工作量大的工業(yè)對象的控制具有優(yōu)勢。但是，使用工業(yè)控制計算機要求開發(fā)人員具有較高的計算機專業(yè)知識和微機軟件編程能力。從可靠性方面看，PLC是專為工業(yè)現(xiàn)場應用而設計的，結構上采用整體密封或插件組合型，采取了一系列抗干擾措施，具有很高的可靠性。而工控機雖然也能夠在惡劣的工業(yè)環(huán)境下運行，但畢竟是由通用機發(fā)展而來，在整體結構上要完全適應現(xiàn)場生產(chǎn)環(huán)境，還要做很多工作。另一方面，PLC用戶程序是在PLC監(jiān)控程序的基礎上運行的，軟件方面的抗干擾措施在監(jiān)控方面已經(jīng)考慮得很周全，而工控機用戶程序則必須考慮抗干擾問題，一般的編程人員很難考慮周全，這也是工控機應用系統(tǒng)比PLC應用系統(tǒng)可靠性低的原因。盡管現(xiàn)代PLC在模擬量信號處理、數(shù)值運算、實時控制等方面有了很大提高，但在模型復雜、計算量大且計算較難、實時性要求較高的環(huán)境中，工業(yè)控制計算機則更能發(fā)揮其專長。1.5PLC的發(fā)展趨勢目前，PLC的市場競爭十分激烈，各大公司都看好中國這個巨大的PLC市場。西門子公司不斷推出新的PLC產(chǎn)品，鞏固和發(fā)展其領先的技術優(yōu)勢和市場份額。S7-200、S7-300系列可編程控制器在中小型PLC市場中極具競爭力，1996年又推出了中高檔的S7-400系列PLC、自帶人機界面的C7系列PLC、與AT計算機兼容的M7系列PLC等多種新產(chǎn)品。OMRON公司、AB公司、GE公司等也都采取了各種策略，爭奪中國PLC市場。隨著技術的發(fā)展和市場需求的增加，PLC的結構和功能也在不斷改進。生產(chǎn)廠家不斷推出功能更強的PLC新產(chǎn)品，如S7-300屬中型PLC，有很強的模擬量處理能力和數(shù)字運算功能，用戶程序容量達96KB，具有許多過去大型PLC才有的功能，它的掃描速度為0.3ms/1000條指令，超過了許多大型PLC?？偟目磥?，PLC的發(fā)展趨勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

(1)網(wǎng)絡化。主要是朝DCS方向發(fā)展，使其具有DCS系統(tǒng)的一些功能。網(wǎng)絡化和通信能力強是PLC發(fā)展的一個重要方面，向下將多個PLC、多個I/O框架相連，向上與工業(yè)計算機、以太網(wǎng)等相連構成整個工廠的自動化控制系統(tǒng)。現(xiàn)場總線技術(PROFIBUS)在工業(yè)控制中將會得到越來越廣泛的應用。S7-300PLC可以通過多點接口MPI(Multi-PointInte