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非标自动化设备-PLC应用基础
来源: 日期:2013-11-22 10:14:04 浏览次数:23

在自动化设备控制领域, PLC 是一种重要的控制设备。目前,世界上有 200 多厂家生产 300 多品种 PLC 产品,应用在汽车( 23% )、粮食加工 ( 16.4% )、化学 / 制药( 14.6% )、金属 / 矿山( 11.5% )、纸浆 / 造纸( 11.3% )等行业,在我国的现有输送设备皮带输送,滚筒输送,链板输送设备,自动化生产线,在线自动检测仪器,非标准自动化设备等有广泛的应用。为了使各位初学者更方便地了解 PLC ,本文对 PLC 的发展、基本结构、配置、应用等基本知识作一简介,以期对各位网友有所帮助。   
   一、 PLC 的发展历程 
在工业生产过程中,大量的开关量顺序控制,它按照逻辑条件进行顺序动作,并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制,及大量离散量的数据采集。传统上,这些功 能是通过气动或电气控制系统来实现的。 1968 年美国 GM (通用汽车)公司提出取代继电气控制装置的要求,第二年,美国数字公司研制出了基于集成电路和电 子技术的控制装置,首次采用程序化的手段应用于电气控制,这就是第一代可编程序控制器,称 Programmable Controller ( PC )。 
个人计算机(简称 PC )发展起来后,为了方便,也为了反映可编程控制器的功能特点,可编程序控制器定名为 Programmable Logic Controller ( PLC ) ,现在,仍常常将 PLC 简称 PC 。 
PLC 的定义有许多种。国际电工委员会( IEC )对 PLC 的定义是:可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统,专为在工业环境下应用而设计。它采用可 编程序的存贮器,用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令,并通过数字的、模拟的输入和输出,控制各种类型的机械或生 产过程。可编程序控制器及其有关设备,都应按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设计。 
上世纪 80 年代至 90 年代中期,是 PLC 发展最快的时期,年增长率一直保持为 30~40% 。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, PLC 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。 
PLC 具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。 PLC 在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位,在可预见的将来,是无法取代的。   
   二、 PLC 的构成 
  从结构上分, PLC 分为固定式和组合式(模块式)两种。固定式 PLC 包括 CPU 板、 I/O 板、显示面板、内存块、电源等,这些元素组合成一个不可拆 卸的整体。模块式 PLC 包括 CPU 模块、 I/O 模块、内存、电源模块、底板或机架,这些模块可以按照一定规则组合配置。   
   三、 CPU 的构成 
  CPU 是 PLC 的核心,起神经中枢的作用,每套 PLC 至少有一个 CPU ,它按 PLC 的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据,用扫描的方式采 集由现场输入装置送来的状态或数据,并存入规定的寄存器中,同时,诊断电源和 PLC 内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行后,从用户程序 存贮器中逐条读取指令,经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号,去指挥有关的控制电路。 
CPU 主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成, CPU 单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。内存主要用于存储程序及数据,是 PLC 不可缺少的组成单元。 
  在使用者看来,不必要详细分析 CPU 的内部电路,但对各部分的工作机制还是应有足够的理解。 CPU 的控制器控制 CPU 工作,由它读取指令、解释指令 及执行指令。但工作节奏由震荡信号控制。运算器用于进行数字或逻辑运算,在控制器指挥下工作。寄存器参与运算,并存储运算的中间结果,它也是在控制器指挥 下工作。 
CPU 速度和内存容量是 PLC 的重要参数,它们决定着 PLC 的工作速度, IO 数量及软件容量等,因此限制着控制规模。   
   四、 I/O 模块 
PLC 与电气回路的接口,是通过输入输出部分( I/O )完成的。 I/O 模块集成了 PLC 的 I/O 电路,其输入暂存器反映输入信号状态,输出点反映输 出锁存器状态。输入模块将电信号变换成数字信号进入 PLC 系统,输出模块相反。 I/O 分为开关量输入( DI ),开关量输出( DO ),模拟量输入( AI ), 模拟量输出( AO )等模块。 
  开关量是指只有开和关(或 1 和 0 )两种状态的信号,模拟量是指连续变化的量。常用的 I/O 分类如下: 
  开关量:按电压水平分,有 220VAC 、 110VAC 、 24VDC ,按隔离方式分,有继电器隔离和晶体管隔离。 
  模拟量:按信号类型分,有电流型( 4-20mA,0-20mA )、电压型( 0-10V,0-5V,-10-10V )等,按精度分,有 12bit,14bit,16bit 等。 
除了上述通用 IO 外,还有特殊 IO 模块,如热电阻、热电偶、脉冲等模块 。 
  按 I/O 点数确定模块规格及数量, I/O 模块可多可少,但其最大数受 CPU 所能管理的基本配置的能力,即受最大的底板或机架槽数限制。   
   五、电源模块 
  PLC 电源用于为 PLC 各模块的集成电路提供工作电源。同时,有的还为输入电路提供 24V 的工作电源。电源输入类型有:交流电源( 220VAC 或 110VAC ),直流电源(常用的为 24VAC )。   
   六、底板或机架 
吗 大多数模块式 PLC 使用底板或机架,其作用是:电气上,实现各模块间的联系,使 CPU 能访问底板上的所有模块,机械上,实现各模块间的连接,使各模块构成一个整体。   
   七、 PLC 系统的其它设备 
1 、编程设备:编程器是 PLC 开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件,用于编程、对系统作一些设定、监控 PLC 及 PLC 所控制的系统的工作状况,但它不直接参与现场控制运行。小编程器 PLC 一般有手持型编程器, 目前一般由计算机(运行编程软件)充当编程器。 
2 、人机界面:最简单的人机界面是指示灯和按钮,目前液晶屏(或触摸屏)式的一体式操作员终端应用越来越广泛,由计算机(运行组态软件)充当人机界面非常普及。 
3 、输入输出设备:用于永久性地存储用户数据,如 EPROM 、 EEPROM 写入器、条码阅读器,输入模拟量的电位器,打印机等。    
   八、 PLC 的通信联网 
  依靠先进的工业网络技术可以迅速有效地收集、传送生产和管理数据 。因此,网络在自动化系统集成工程中的重要性越来越显著,甚至有人提出 " 网络就是控制器 " 的观点说法。 PLC 具有通信联网的功能,它使 PLC 与 PLC 之间、 PLC 与上位计算机以及其他智能设备之间能够交换信息,形成一个统一的整体,实现分散集中控制。多数 PLC 具有 RS-232 接口,还有一些内置有支持各自通信协议的接口。 PLC 的通信,还未实现互操作性 , IEC 规定了多种现场总线标准, PLC 各厂家均有采用。对于一个自动化工程 ( 特别是中大规模控制系统 ) 来讲,选择网络非常重要的。首先,网络必须是开放的,以方便不同设备的集成及未来系统规模的扩展;其 次,针对不同网络层次的传输性能要求,选择网络的形式,这必须在较深入地了解该网络标准的协议、机制的前提下进行;再次,综合考虑系统成本、设备兼容性、 现场环境适用性等具体问题,确定不同层次所使用的网络标准。

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