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現代電器控制及PLC應用技術論文
目錄
前言————————————————————————3
一、基礎知識————————————————————3
1、PLC的發展歷程———————————————3
2、PLC的應用領域———————————————————3
3、PLC和PC-based技術特點和優勢對比—————————4
4、PLC的構成—————————————————————5
5、PLC系統的其它設備—————————————————7
二、PLC的通信聯網————————————————————7
三、編程語言————————————————————7
四、經驗設計法———————————————————8
1.三個電機順序起停————————————————8
2.十字路口交通燈—————————————————10
前言
在自動化控制領域，PLC是一種重要的控制設備。目前，世界上有200多廠家生產300多品種PLC產品，應用在汽車（23%）、糧食加工（16.4%）、化學/制藥（14.6%）、金屬/礦山（11.5%）、紙漿/造紙（11.3%）等行業。為了使各位初學者更方便地了解PLC，本文對PLC的發展、基本結構、配置、應用等基本知識作一簡介。
基礎知識
PLC的發展歷程
在工業生產過程中，大量的開關量順序控制，它按照邏輯條件進行順序動作，并按照邏輯關系進行連鎖保護動作的控制，及大量離散量的數據采集。傳統上，這些功能是通過氣動或電氣控制系統來實現的。1968年美國GM（通用汽車）公司提出取代繼電氣控制裝置的要求，第二年，美國數字公司研制出了基于集成電路和電子技術的控制裝置，首次采用程序化的手段應用于電氣控制，這就是第一代可編程序控制器，稱Programmable Controller（PC）。
個人計算機（簡稱PC）發展起來后，為了方便，也為了反映可編程控制器的功能特點，可編程序控制器定名為Programmable Logic Controller（PLC），現在，仍常常將PLC簡稱PC。
PLC的定義有許多種。國際電工委員會（IEC）對PLC的定義是：可編程控制器是一種數字運算操作的電子系統，專為在工業環境下應用而設計。它采用可編程序的存貯器，用來在其內部存貯執行邏輯運算、順序控制、定時、計數和算術運算等操作的指令，并通過數字的、模擬的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產過程。可編程序控制器及其有關設備，都應按易于與工業控制系統形成一個整體，易于擴充其功能的原則設計。
上世紀80年代至90年代中期，是PLC發展最快的時期，年增長率一直保持為30~40%。在這時期，PLC在處理模擬量能力、數字運算能力、人機接口能力和網絡能力得到大幅度提高，PLC逐漸進入過程控制領域，在某些應用上取代了在過程控制領域處于統治地位的DCS系統。
PLC具有通用性強、使用方便、適應面廣、可靠性高、抗干擾能力強、編程簡單等特點。PLC在工業自動化控制特別是順序控制中的地位，在可預見的將來，是無法取代的。
2、PLC的應用領域
順序控制、運動控制、過程控制、數據處理、通信網絡。
3、PLC和PC-based技術特點和優勢對比
長期以來，PLC始終活躍于工業自動化控制領域的主戰場，為各種各樣的自動化控制設備提供了非常可靠的控制應用。其主要原因在于，它能夠為自動化控制應用提供安全可靠和比較完善的解決方案，適合于當前工業企業對自動化應用的需求。 隨著PC及因特網時代的到來，工業PC或PC-based控制器由于可以完全融入到網絡時代的信息系統中，具有網絡系統的基本特性，即具有高性能、低價格、系統開放、豐富的人才基礎等優勢，因此PC-based控制器一經出現就具有很強的生命力，發展極為迅猛。有觀點說，PC-based控制器將取代傳統PLC，當然首先必須解決可靠性及編程問題。近幾年來，這些問題已基本得到解決，PC-based控制器從外觀到可靠性也都開始可以與PLC相近。在編程方面，由于IEC61131-3編程語言標準的推出和廣泛采用，為PC-based控制器的高速發展鋪平了道路。這樣，PC-based控制器不僅具有PC的優勢，也具有傳統PLC的優勢。它可無縫地融合到網絡時代的信息系統中。 在自動控制領域，PLC技術和PC-based技術是當前比較具有代表性的控制技術，兩者的技術起源和發展有較大的差異。 PLC(ProgrammableLogicController)產生于上世紀70年代初。最早的PLC是以替換繼電器系統的角色出現，其主要實現的功能僅僅是邏輯簡單的順序控制功能。PLC一經出現，就以其高可靠性、小體積和直觀的編程模式而顯示出強大的生命力，成為自動控制領域的“明星”。 PC-based是一種基于PC技術的控制系統。最早的PC-based控制系統是以工控機為核心，通過擴展帶PCI接口的專用板卡組成。PC-based借助于IT技術的發展，在運算、存儲、組網和軟件開放性方面具有優勢。 PLC和PC-based兩者在技術特點上存在明顯區別。PLC具有體積小、功耗低、抗干擾能力強；具有很高的可靠性，其平均無故障率時間間隔（MTBF）可達50萬、甚至100萬個小時；具有簡單直觀的編程模式(如梯形圖)；具有內部實時時鐘。而PC-based具有大運算能力；具有開放標準的系統平臺和PCI接口；精美且低成本的顯示技術；豐富的組網能力。但系統的可靠性略差，如性能較好的IPC的平均無故障時間間隔約5萬小時。此外，PC-based雖然具有很強的CPU，但其多任務操作系統是非實時的，所以程序的循環周期反而沒有高性能的PLC快。 PLC更適合于設備控制，而PC-based更多地用于設備運行狀態的監視。相對于PC-based而言，PLC具有配置靈活、體積小、適應惡劣環境、抗干擾性強、可靠性高等優點，但在軟件功能及系統開放性等方面比PC-based稍差。當然，隨著計算機技術和控制技術的不斷發展，PLC和PC-based都在吸收對方的優點，以適應更多的應用現場。例如，PLC在包裝設備中的應用遠遠多于PC-based在包裝設備中的應用。 隨著PC-BASED的工業計算機（簡稱工業PC，與普通的計算機相比，它具有防塵、防振、抗電磁、耐高低溫等優點）的發展，以工業PC、I/O及監控裝置、控制網絡組成的PC-BASED的自動化系統逐漸成為工業自動化的另一種實現方式。PC-BASED自動化系統源于PC，可完全融入到網絡時代的信息系統中，具有高性能、低價格、系統開放、豐富的人才和應用基礎等優勢。
4、PLC的構成
從結構上分，PLC分為固定式和組合式（模塊式）兩種。固定式PLC包括CPU板、I/O板、顯示面板、內存塊、電源等，這些元素組合成一個不可拆卸的整體。模塊式PLC包括CPU模塊、I/O模塊、內存、電源模塊、底板或機架，這些模塊可以按照一定規則組合配置。
（1）.CPU的構成
CPU是PLC的核心，起神經中樞的作用，每套PLC至少有一個CPU，它按PLC的系統程序賦予的功能接收并存貯用戶程序和數據，用掃描的方式采集由現場輸入裝置送來的狀態或數據，并存入規定的寄存器中，同時，診斷電源和PLC內部電路的工作狀態和編程過程中的語法錯誤等。進入運行后，從用戶程序存貯器中逐條讀取指令，經分析后再按指令規定的任務產生相應的控制信號，去指揮有關的控制電路。
CPU主要由運算器、控制器、寄存器及實現它們之間聯系的數據、控制及狀態總線構成，CPU單元還包括外圍芯片、總線接口及有關電路。內存主要用于存儲程序及數據，是PLC不可缺少的組成單元。
在使用者看來，不必要詳細分析CPU的內部電路，但對各部分的工作機制還是應有足夠的理解。CPU的控制器控制CPU工作，由它讀取指令、解釋指令及執行指令。但工作節奏由震蕩信號控制。運算器用于進行數字或邏輯運算，在控制器指揮下工作。寄存器參與運算，并存儲運算的中間結果，它也是在控制器指揮下工作。
CPU速度和內存容量是PLC的重要參數，它們決定著PLC的工作速度，IO數量及軟件容量等，因此限制著控制規模。
（2）. I/O模塊
PLC與電氣回路的接口，是通過輸入輸出部分（I/O）完成的。I/O模塊集成了PLC的I/O電路，其輸入暫存器反映輸入信號狀態，輸出點反映輸出鎖存器狀態。輸入模塊將電信號變換成數字信號進入PLC系統，輸出模塊相反。I/O分為開關量輸入（DI），開關量輸出（DO），模擬量輸入（AI），模擬量輸出（AO）等模塊。
開關量是指只有開和關（或1和0）兩種狀態的信號，模擬量是指連續變化的量。常用的I/O分類如下：
開關量：按電壓水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔離方式分，有繼電器隔離和晶體管隔離。
模擬量：按信號類型分，有電流型（4-20mA,0-20mA）、電壓型（0-10V,0-5V,-10-10V）等，按精度分，有12bit,14bit,16bit等。
除了上述通用IO外，還有特殊IO模塊，如熱電阻、熱電偶、脈沖等模塊。
按I/O點數確定模塊規格及數量，I/O模塊可多可少，但其最大數受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或機架槽數限制。
（3）. 電源模塊
PLC電源用于為PLC各模塊的集成電路提供工作電源。同時，有的還為輸入電路提供24V的工作電源。電源輸入類型有：交流電源（220VAC或110VAC），直流電源（常用的為24VAC）。（4）. 底板或機架
大多數模塊式PLC使用底板或機架，其作用是：電氣上，實現各模塊間的聯系，使CPU能訪問底板上的所有模塊，機械上，實現各模塊間的連接，使各模塊構成一個整體。
5、PLC系統的其它設備
編程設備：編程器是PLC開發應用、監測運行、檢查維護不可缺少的器件，用于編程、對系統作一些設定、監控PLC及PLC所控制的系統的工作狀況，但它不直接參與現場控制運行。小編程器PLC一般有手持型編程器，目前一般由計算機（運行編程軟件）充當編程器。
人機界面：最簡單的人機界面是指示燈和按鈕，目前液晶屏（或觸摸屏）式的一體式操作員終端應用越來越廣泛，由計算機（運行組態軟件）充當人機界面非常普及。
輸入輸出設備：用于永久性地存儲用戶數據，如EPROM、EEPROM寫入器、條碼閱讀器，輸入模擬量的電位器，打印機等。
二、PLC的通信聯網
依靠先進的工業網絡技術可以迅速有效地收集、傳送生產和管理數據。因此，網絡在自動化系統集成工程中的重要性越來越顯著，甚至有人提出"網絡就是控制器"的觀點說法。
PLC具有通信聯網的功能，它使PLC與PLC 之間、PLC與上位計算機以及其他智能設備之間能夠交換信息，形成一個統一的整體，實現分散集中控制。多數PLC具有RS-232接口，還有一些內置有支持各自通信協議的接口。
PLC的通信，還未實現互操作性，IEC規定了多種現場總線標準，PLC各廠家均有采用。
對于一個自動化工程(特別是中大規模控制系統)來講，選擇網絡非常重要的。首先，網絡必須是開放的，以方便不同設備的集成及未來系統規模的擴展；其次，針對不同網絡層次的傳輸性能要求，選擇網絡的形式，這必須在較深入地了解該網絡標準的協議、機制的前提下進行；再次，綜合考慮系統成本、設備兼容性、現場環境適用性等具體問題，確定不同層次所使用的網絡標準。
編程語言
梯形圖（LAD）
從繼電器控制系統原理圖的基礎上演變而來，左右兩條垂直的線稱為母線，把左邊的假想為“火線”而把右邊的想為“零線”。如果有“能量”從左至右流向線圈，則線圈被激勵，觸點代表邏輯“輸入”條件。線圈通常代表邏輯“輸出”結果。
語句表（STL）
類似于計算機中的助記符語言，它PLC最基礎的編程語言用一個或幾個容易記憶的字符來代表PLC的某種操作功能。
順序功能流程圖（SFC）
圖形化的編程方法，即成為功能圖。
四、經驗設計法
1.三個電機順序起停
（1）.控制策略
當按下啟動按鈕，I0.0觸點接通，Q0.0得電，點擊M1啟動；隔1分鐘，T37的動合觸點接通，Q0.1得電，電機M2啟動，維持1分鐘后，T38的動合觸點接通，Q0.2得電，電機M3啟動，當停止按鈕后，I0.1觸點接通，電機按次序停止。
（2）.I/O分配
兩個輸入點：啟動按鈕I0.0，停止按鈕I0.1
三個輸出點：電機M1的Q0.1和電機的M3的Q0.2
（3）.功能圖
（4）.梯形圖
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