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二.常用术语
1 点数 (I/O Points) 指能够输入 / 输出开关量、模拟量的总个数。一般是4或8的倍数。
2 扫描周期 是指PLC执行系统监控程序、用户程序、I/O刷新一次所用的时间。它直接反映PLC的响应速度,因此是PLC的重要指标之一,其单位是ms/kw (kb)。
3 梯形图 梯形图是PLC用户编程时最常用的一种图形编程方法,是表示I/O点之间逻辑关系的一种图。它实质上是变相的继电器控制逻辑图,形式和规范非 常相似,其目的是为了让工厂技术人员不必懂计算机,就可使用(设计、阅读)它,例如图1-2:
图1-2 梯形图
SB1KA1 HL1 × X1 Y0 SB2 X2 KR X3 Y1 X0 X2 X3 Y0 Y0 Y0 Y1 第三节. PLC特点
PLC之所以能适应工业环境,并能够得以迅猛的发展,是因为它具有如下特点:
1. 2. 3. 4.
可靠性高、抗干扰能力强 程序可变、具有柔性 编程简单、使用方便 功能完善
5、 6、 7、 8、
组合灵活、扩充方便 减少了工作量
体积小、重量轻、环境要求低 成本低、水平高
一. 可靠性高、抗干扰能力强
据有关资料称:“到目前为止没有任何一种工业控制设备可达到PLC的可靠性”。
控制系统在使用时发生故障,绝大多数是由PLC外的开关、传感器、执行器引起的,而不是PLC本身。若是PLC,多数是使用、设计不当引起的。
诱发电子设备故障的原因大概有如下几种:
设备故障
原 因
外部
电磁干扰 辐射干扰
由I/O线、电源线等引入的干扰 环境、温度、灰尘、有害气体的影响 振动、冲击引起的器件损坏等 元器件的老化、失效 存储器信息的丢失、出错
内部
程序错误
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针对以上故障原因,PLC在硬、软件两方面采取了相应的解决方法,使其可靠性大为提高,PLC本身发生故障的概率极小。
1. 硬件
(1)常规手段 选用优质元器件,设计合理的系统结构,实施加固使其易于抗冲击,印制板的设计加工和焊接工艺严格规范。
(2)隔离 所有I/O电路一律采用光电器件进行隔离,使内外无电气回路的联接点(电浮空),这样可以抗电干扰。
(3)滤波 对供电系统及输入回路采用模拟量滤波(如LC、π型滤波网络),再加上数字滤波,以消除或抑制高频干扰。
(4)屏蔽 采用导电、导磁性能良好的材料进行屏蔽,以防电磁波辐射的干扰。 (5)增强电源的适应性 PLC的供电系统(内部为DC)采用开关电源,并用集成电压调整器进行调整,使之适应电网电压较宽范围的波动。
(6)采用模块式结构 一旦某模块有故障,能迅速更换,使系统停用时间减到最低程度。
2. 软件
(1)设置警戒时钟WDT (看门狗) PLC在正常的运行程序中对WDT定时复位,若超过了WDT规定的时间,WDT会发出报警信号,并强制系统CPU复位,使之走入正常的运行程序。
(2)系统软件对用户软件自动进行检查 能对用户程序进行查错、报错,使用户程序无语法、结构性错误,错误的程序或参数得不到运行。
(3)掉电保护 对RAM区用后备电池或蓄能电容,掉电时使RAM继续有电,保证用户程序运行的状态信息和中间数据不会丢失。
(4)自检 系统程序中有对CPU及外围器件自动检测的功能,一旦出错,立即报警。
二. 程序可变、具有柔性
生产工艺或设备改变后,在原设计的PLC功能备用量够用的情况下,可不变PLC的硬件,只要改编控制程序即可。
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这点就充分体现了PLC具有继电器控制系统所不具备和无可比拟的优点。故PLC除应用于单机控制外,还在柔性制造单元(FMC)、柔性制造系统(FMC)、工厂自动化(FA)中被大量采用。
三. 编程简单、使用方便
PLC采用与继电器控制逻辑图非常接近的“梯形图”进行编程,这种编程方法既具备传统控制线路的易懂易编,清晰直观优点,又顾及了多数电气技术人员的读图习惯和微机应用水平,易于被大众接受,因此受到普遍欢迎,这种面向生产的编程方法与目前微机控制中常用的汇编语言或高级语言编程相比,其优点是显而易见的。
为进一步优化编程,PLC还针对实际问题设计了诸如步进顺控指令、移位指令、鼓形控制器等功能性指令,减少编程工作量,加快了开发速度。
四. 功能完善
现代的PLC还具有数字量及模拟量的输入输出、逻辑和算术运算、定时、计数、顺序检测、功率驱动、联网通信、人机对话、自检、记录和显示等功能,使控制系统的水平大大提高,功能更加完善。
五. 组合灵活、扩充方便
PLC除摸块化外,还具有各种扩充单元,I/O点数及各种I/O方式、I/O量均可选择,可以方便地适应不同的控制对象。
六. 减少了工作量
由于PLC是采用软件编程来实现控制功能的,而继电器控制采用硬接线来实现。这就减少了设计、施工的工作量。同时,PLC能事先进行摸拟调试并且具有很强的监视功能,所以系统的调试、检修、维护的工作量得到大大地减少。
七. 体积小、重量轻、环境要求低
由于PLC是专为工控而设计的专用计算机,所以其结构紧密、坚固、体积小巧、功能齐全,能直接投运在恶劣的工作环境。一般PLC的功能若用继电器来实现,需用3至4个1.8m高的大继电器控制柜。
八. 成本低、水平高
1. 由于PLC功能的强大(一台PLC相当于3至4个大控制柜),使得控制系统的直接费用大量降低。
2. 由于PLC具有易修改性、高可靠性、易扩展性、易维护性,大大降低了
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日常运行的检修、维修工作量,降低了今后改造的成本。
3. 由于PLC安装调试方便,开发、调试周期短,从而降低了设计、开发、安装、调试的工作量,故减少了工资费用。
4. 由于PLC靠软件编程实现控制功能,硬件及其备件均具有通用性,也减少了采购的时间和费用。
5. 由于体积小、功能强,所以占地少、耗电小(仅为继电器柜的几十分之一),每年节省的电费就可将投资收回。
6. 由于PLC实质上是一种专用工控计算机,实现了智能控制,从而使得控制水平上了新台阶,并且具有联网功能,很易构成综合控制系统。
第四节. PLC的应用状况和发展趋势
一. 应用状况
PLC自问世以来,经30多年的发展,在工业发达国家(如美、日、德等)已成为重要的产业之一,生产厂家不断涌现,PLC的品种多达几百种。
国内应用始于80年代。一些大中型工程项目引进的生产流水线上采用了PLC控制系统,使用后取得了明显的经济效益,从而促进了国内PLC的发展和应用。目前国内PLC的应用已取得了许多成功的经验和成果,证明了PLC是大有发展前途的工业控制装置,它与DCS、SCADA、计算机网络系统相互集成、互相补充而形成的综合系统将得到更加广泛的应用。
我国PLC的生产厂家主要是80年代涌现出来的,靠技术引进、转让、合资等方式进行生产,目前约有十几家,生产的PLC型号主要有:
天津中环自动化仪表公司 DJK-84 ;无锡华光电子工业有限公司 KCK 系列; 上海东屋电器有限公司 杭州机床电器厂 大连组合机床研究所
C F系列 ;北京樁树电子仪表厂 BCM-PIC ; S 系列 ;机械部北京自动化所 MPC、KB系列;
DKK 、D系列 ;上海电力电子设备厂 KKI-IC ;
上海国际程控公司 E、EM、H系列;上海工业自动化研究所 TCMS-300/D; 杭州通灵控制电脑公司 HZK 系列 ;苏州电子计算机厂 YZ系列; 苏州机床电器厂
CYK系列 。
此外还有联想计算机集团公司、中科院自动化所、上海机床电器厂、四川仪表十五厂、珠海春海电子设备厂、深圳科用开发公司、北京恒达机电技术发展公司、上海香岛斯迈克有限公司,辽宁无线电二厂,厦门A-B公司等也生产PLC。
由上可看出国产PLC的品种只有二十多种,主要集中在小型PLC品种上(中
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型PLC的生产较少,大型的更少),生产和销售规模均不大。目前国产PLC的质量和技术性能与发达国家相比还有较大的差距,远不能满足国内日益增长的市场需要,故须依赖进口,尤其是大中型PLC,更是清一色的国外产品。国内流行的PLC多是国外产品,主要有:
日本:立石(OMRON)、三菱、日立、夏普、松下、东芝、富士、安川、横河、
光洋(Koyo)等公司
美国:AB(Allen Bradley)、GM(Gould Modicon)、GE(GE-Fanuc)、Square D、
西屋(Westing House)、TI 仪器(Texas,Instruments德洲仪器) 等公司 德国:西门子(Siemens) 、 BBC 、 AEG等公司 法国:TE (Telemecanique) 公司等
其中美国的A-B(Allen-Bradley)、GE-Fanuc、 Modicon,德国的西门子(Siemens),法国的TE(Telemecanique),日本的三菱、立石(OMRON)等7家公司,在所有PLC制造厂中占有主导地位。这7家公司占有着全世界PLC市场 80%以上的份额,他们的系列产品有其技术广度和深度,从售价为100美元左右的微型PLC到有数千个I/O点的大型PLC应有尽有。
小型PLC日本各厂家占领的市场份额最大,其结构型式的优点也较为突出,故其他国家小型PLC的结构形式也都向日本看齐。大、中型PLC市场份额的90%一直被美、日、欧三家占领,具有三足鼎立之势,近年来日本稍有颓势。
二. 发展趋势
1. 结构微型化、模块化
自73年微处理机芯片(CPU)问世以后,为计算机应用产品(PLC也属其中之一)微型化创造了条件,一般小型的PLC产品只有32K—16K书这么大小(高度5—10mm)。一般小型PLC整体式的较多,但功能较多的小型机,结构型式大多采用模块式,以便使用户有更多的选择余地,配置成性能比较高的控制系统。
大、中型PLC几乎全部采用模块结构。采用模块式结构可让用户各取所需,减少投资费用。
2. 功能全面化、标准化
在PLC发展的初期,PLC只具有开关量的I/O、定时、计数、顺序控制等功能,之后又增加了模拟量的I/O、PID调节、信号调制、数字量的I/O、通迅、高速计数器等功能模块,现代PLC能完成CNC过程控制、集散控制器柔性制造单元等各种控制系统所能完成的功能。它大大加强了数学运算、数据处理图形显示、联网通信等功能,使PLC向IPC方向渗透和发展。