过程控制是对温度、压力、流量等连续变化的模拟量的闭环控制。PLC通过模拟量I/O模块,实现模拟量和数字量之间的A/D转换和D/A转换,并对模拟量实行PID控制。现代的大中型PLC一般都有PLD闭环控制功能,这一功能可以用PID子程序或专用的PID模块来实现。其PID闭环控制功能已经广泛地应用于塑料挤压成形机、加热炉、热处理炉、锅炉等设备,以及轻工、化工、机械、冶金、电力、建材等行业。 四、数据处理
现代的PLC具有数学运算,、数据传送、转换、排序、和查表等到功能,可以完成数据的采集、分析和处理。这些数据可以与储存在存储器中的参考值比较,也可以用通信功能传送到别的智能装置,或者将它们打印制表。数据处理一般用于大型控制系统,如无人柔性制造系统,也可以用于过程控制系统,如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。 五、通信联网
PLC的通信包括主机与远程I/O之间的通信、多台PLC之间的通信、PLC与其他智能控制设备(如计算机、变频器、数控装置)之间的通信。PLC与其他智能设备一起,可以组成“集中管理、分散控制”的分布式控制系统。
必须指出,并不是所有的PLC都具有上述全部功能,有些小型PLC只具有上述的部分功能,但是价格较低。 六、 信息家电和多媒体服务
通过简单的、基于Web的因特网家电,可以提供Web访问,这一切不需要PC,不需要网卡,只要有电源插座就可以,另外PLC良好的移动性也为一些SoHo爱好者提供了应用环境。 七、 智能化小区和大厦
现在的智能化建筑已经实现了5A,但是这些不同的系统自动化需要不同的网络支持,给建设和维护网络系统带来了巨大的压力,借助PLC技术,无论是监控、消防、安防还是办公、通信都可以利用电力线实现,便于管理和扩展。
第二节 PLC的种类
一 .按照I/O接口的点数可分为: (一).小型PLC
小型PLC 的I/O 点数一般在128 点以下,其特点是体积小、结构紧凑,整个硬件融为一体除了开关量I/O 以外,还可以连接模拟量I/O 以及其他各种特殊功能模块。它能执行包括逻辑运算、计时、计数、算术运算、数据处理和传送、通讯联网以及各种应用指令。 (二).中型PLC
中型PLC 采用模块化结构,其I/O点数一般在256~1024 点之间。I/O的处理方式除了采用一般PLC 通用的扫描处理方式外,还能采用直接处理方式,即在扫描用户程序的过程中,直接读输入,刷新输出。它能联接各种特殊功能模块,通讯联网功能更强,指令系统更丰富,内存容量更大,扫描速度更快。 (三).大型PLC
一般I/O点数在1024点以上的称为大型PLC。大型PLC的软、硬件功能极强。具有极强的自诊断功能。通讯联网功能强,有各种通讯联网的模块,可以构
成三级通讯网,实现工厂生产管理自动化。大型PLC 还可以采用三CPU构成表决式系统,使机器的可靠性更高。 二.按结构形式分类可分为: (一)整体式PLC
整体式PLC是将电源、CPU、I/O接口等部件都集中装在一个机箱内, 具有结构紧凑、体积小、价格低的特点。小型PLC一般采用这种整体式结构。整体式PLC由不同I/O点数的基本单元(又称主机)和扩展单元组成。基本单元内有CPU、I/O接口、与I/O扩展单元相连的扩展口,以及与编程器或EPROM写入器相连的接口等。扩展单元内只有I/O和电源等,没有CPU。基本单元和扩展单元之间一般用扁平电缆连接。整体式PLC一般还可配备特殊功能单元,如模拟量单元、位置控制单元等,使其功能得以扩展。 (二)模块式PLC
模块式PLC是将PLC各组成部分,分别作成若干个单独的模块,如CPU模块、I/O模块、电源模块(有的含在CPU模块中)以及各种功能模块。模块式PLC由框架或基板和各种模块组成。模块装在框架或基板的插座上。这种模块式PLC的特点是配置灵活,可根据需要选配不同规模的系统,而且装配方便,便于扩展和维修。大、中型PLC一般采用模块式结构。
还有一些PLC将整体式和模块式的特点结合起来,构成所谓叠装式PLC。叠装式PLC其CPU、电源、I/O接口等也是各自独立的模块,但它们之间是靠电缆进行联接,并且各模块可以一层层地叠装。这样,不但系统可以灵活配置,还可做得体积小巧。 三.按功能分类:
根据PLC所具有的功能不同,可将PLC分为低档、中档、高档三类。 (一)低档PLC
具有逻辑运算、定时、计数、移位以及自诊断、监控等基本功能,还可有少量模拟量输入/输出、算术运算、数据传送和比较、通信等功能。主要用于逻辑控制、顺序控制或少量模拟量控制的单机控制系统。(二)中档PLC
除具有低档PLC的功能外,还具有较强的模拟量输入/输出、算术运算、数据传送和比较、数制转换、远程I/O、子程序、通信联网等功能。有些还可增设中断控制、PID控制等功能,适用于复杂控制系统。 (三)高档PLC
除具有中档机的功能外,还增加了带符号算术运算、矩阵运算、位逻辑运算、平方根运算及其它特殊功能函数的运算、制表及表格传送功能等。高档PLC机具有更强的通信联网功能,可用于大规模过程控制或构成分布式网络控制系统,实现工厂自动化。
第三节 PLC的工作特点
PLC大多采用成批输入/输出的周期扫描方式工作,按用户程序的先后次序逐条运行。一个完整的周期可分为三个阶段: (一)输入刷新阶段
程序开始时,监控程序使机器以扫描方式逐个输入所有输入端口上的信号,并依次存入对应的输入映象寄存器。
(二)程序处理阶段
所有的输入端口采样结束后,即开始进行逻辑运算处理,根据用户输入的控制程序,从第一条开始,逐条加以执行,并将相应的逻辑运行结果,存入对应的中间元件和输出元件映象寄存器,当最后一条控制程序执行完毕后,即转入输出刷新处理。
(三)输出刷新阶段
将输出元件映象寄存器的内容,从第一个输出端口开始,到最后一个结束,依次读入对应的输出锁存器,从而驱动输出器件形成可编程的实际输出。
第四节 PLC输出特点
PLC一般都有三种输出形式可供用户选择,即继电器输出,晶体管输出和晶闸管输出。
PLC在线路结构上都采用了隔离措施。 其输出特点为:
继电器输出:开关速度低,负载能力大,适用于低频场合。 晶体管输出:开关速度高,负载能力小,适用于高频场合。 晶闸管输出:开关速度高,负载能力小,适用于高频场合。 设置输出接口应注意的事项:
(1)PLC输出接口是成组的,每一组有一个COM口,只能使用同一种电源电压。 (2)PLC输出负载能力有限,具体参数请阅读相关资料。
(3)对于电感性负载应加阻容保护。
(4)负载采用直流电源小于30V时,为了缩短响应时间,可用并接续流二极管的方法改善响应时间。
第五节 发展趋势`
一.向高速度、大容量方向发展
为了提高PLC的处理能力,要求PLC具有更好的响应速度和更大的存储容量。目前,有的PLC的扫描速度可达0.1ms/k步左右。PLC的扫描速度已成为很重要的一个性能指标。
在存储容量方面,有的PLC最高可达几十兆字节。为了扩大存储容量,有的公司已使用了磁泡存储器或硬盘。 二.向超大型、超小型两个方向发展
当前中小型PLC比较多,为了适应市场的多种需要,今后PLC要向多品种方向发展,特别是向超大型和超小型两个方向发展。现已有I/O点数达14336点的超大型PLC,其使用32位微处理器,多CPU并行工作和大容量存储器,功能强。
小型PLC由整体结构向小型模块化结构发展,使配置更加灵活,为了市场需要已开发了各种简易、经济的超小型微型PLC,最小配置的I/O点数为8~16点,以适应单机及小型自动控制的需要,如三菱公司α系列PLC。 三.PLC大力开发智能模块,加强联网通信能力
为满足各种自动化控制系统的要求,近年来不断开发出许多功能模块,如高速计数模块、温度控制模块、远程I/O模块、通信和人机接口模块等。这些带CPU和存储器的智能I/O模块,既扩展了PLC功能,又使用灵活方便,扩大了PLC应用范围。
加强PLC联网通信的能力,是PLC技术进步的潮流。PLC的联网通信有两类:一类是PLC之间联网通信,各PLC生产厂家都有自己的专有联网手段;另一类是PLC与计算机之间的联网通信,一般PLC都有专用通信模块与计算机通信。为了加强联网通信能力,PLC生产厂家之间也在协商制订通用的通信标准,以构成更大的网络系统,PLC已成为集散控制系统(DCS)不可缺少的重要组成部分。 四.增强外部故障的检测与处理能力
根据统计资料表明:在PLC控制系统的故障中,CPU占5%,I/O接口占15%,输入设备占45%,输出设备占30%,线路占5%。前二项共20%故障属于PLC的内部故障,它可通过PLC本身的软、硬件实现检测、处理;而其余80%的故障属于PLC的外部故障。因此,PLC生产厂家都致力于研制、发展用于检测外部故障的专用智能模块,进一步提高系统的可靠性。 五.编程语言多样化
在PLC系统结构不断发展的同时,PLC的编程语言也越来越丰富,功能也不断提高。除了大多数PLC使用的梯形图语言外,为了适应各种控制要求,出现了面向顺序控制的步进编程语言、面向过程控制的流程图语言、与计算机兼容的高级语言(BASIC、C语言等)等。多种编程语言的并存、互补与发展是PLC进步的一种趋势。 六. PLC网络化
一是PLC网络化技术的发展,其中有两个趋势,一方面,PLC网络系统已经不再是自成体系的封闭系统,而是迅速向开放式系统发展,各大品牌PLC除了形成自己各具特色的PLC网络系统,完成设备控制任务之外,还可以与上位计算机管理系统联网,实现信息交流,成为整个信息管理系统的一部分。另一方面,现场总线技术得到广泛的采用,PLC与其他安装在现场的智能化设备,比如智能化仪表,传感器,智能型电磁阀,智能型驱动执行机构等,通过一根传输介质(比如双绞线,同轴电缆,光缆)连接起来,并按照同一通信规约互相传输信息,由此构成一个现场工业控制网络,这种网络与单纯的PLC远程网络相比,配置更灵活,扩容更方便,造价更低,性能价格比更好,也更具开放意义。
第三章 PLC的结构特点
第一节 可编程序控制器的工作原理
RUNSTOP内部处理通信服务输入处理程序执行输出处理PLC有两种基本的工作状态,即运行状态与停止状态。在运行状态,PLC通过执行反映控制要求的用户程序来实现控制功能。为了使PLC的输出及时地响应随时可能变化的输入信号,用户程序不是只执行一次,而是反复不断地重复执行,直至PLC停机或切换到STOP工作状态。
除了执行用户程序之外,在每次循环过程中,PLC还要完成内部处理、通信处理等工作,一共有5个阶段(如右图所示)。PLC的这种周而复始的循环工作方式称为扫描工作方式。由于计算机执行指令的速度极高,从外部输入—输出关系来看,处理过程似乎是同时完成的。
PLC具有比计算机更强的工业过程接口,更适应于控制要求的编程语言。因此,PLC可视为一种特殊的工业控制计算机。 PLC的工业过程一般可以分为三个阶段:输 入采样阶段、程序执行阶段、程序执行阶段
和输出刷新阶段,如下图所示。
现场输入输入模块输入映象区执行用户程序程序执行阶段
输出映象区输出模块输出装置输入采样阶段输出刷新阶段
一、 输入采样阶段
PLC以扫描工作方式,按顺序将所有信号读入到寄存器输入状态的输入映象区中存储,这一过程称为采样。在整个工作周期内,这个采样结果的内容不会改变,而且这个采样结果将在PLC执行程序时被使用。
二、
执行程序阶段