PLC的功能及應(yīng)用領(lǐng)域?
PLC是綜合繼電器接觸器控制的優(yōu)點(diǎn)及計(jì)算機(jī)靈活、方便的優(yōu)點(diǎn)而設(shè)計(jì)制造和發(fā)展的,這就使PLC具有許多其他控制器所無(wú)法相比的特點(diǎn)。
1.PLC的功能
PLC是以微處理器為核心,綜合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和通信技術(shù)發(fā)展起來(lái)的一種通用的工業(yè)自動(dòng)控制裝置,具有可靠性高、體積小、功能強(qiáng)、程序設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、靈活通用及維護(hù)方便等一系列的優(yōu)點(diǎn),因而在冶金、能源、化工、交通、電力等領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用,成為現(xiàn)代工業(yè)控制的三大支柱(PLC、機(jī)器人和CAD/CAM)之一。根據(jù)PLC的特點(diǎn),可以將其功能形式歸納為以下幾種類(lèi)型。
(1)開(kāi)關(guān)量邏輯控制
PLC具有強(qiáng)大的邏輯運(yùn)算能力,可以實(shí)現(xiàn)各種簡(jiǎn)單和復(fù)雜的邏輯控制。這是PLC的最基本也最廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域,它取代了傳統(tǒng)的繼電器接觸器的控制。
(2)模擬量控制
PLC中配置有A/D和D/A轉(zhuǎn)換模塊。A/D模塊能將現(xiàn)場(chǎng)的溫度、壓力、流量、速度等模擬量轉(zhuǎn)換變?yōu)閿?shù)字量,再經(jīng)PLC中的微處理器進(jìn)行處理(微處理器處理的只能是是數(shù)字量),然后進(jìn)行控制;
或者經(jīng)D/A模塊轉(zhuǎn)換后變成模擬量,然后控制被控對(duì)象,這樣就可實(shí)現(xiàn)PLC對(duì)模擬量的控制。
(3)過(guò)程控制
現(xiàn)代大中型的PLC一般都配備了PID控制模塊,可進(jìn)行閉環(huán)過(guò)程控制。當(dāng)控制過(guò)程中某一個(gè)變量出現(xiàn)偏差時(shí),PLC能按照PID算法計(jì)算出正確的輸出,進(jìn)而控制調(diào)整生產(chǎn)過(guò)程,把變量保持在整定值上。目前,許多小型PLC也具有PID控制功能。
(4)定時(shí)和計(jì)數(shù)控制
PLC具有很強(qiáng)的定時(shí)和計(jì)數(shù)功能,它可以為用戶(hù)提供幾十甚至上百、上千個(gè)定時(shí)器和計(jì)數(shù)器。
其計(jì)時(shí)的時(shí)間和計(jì)數(shù)值可以由用戶(hù)在編寫(xiě)用戶(hù)程序時(shí)任意設(shè)定,也可以由操作人員在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)編程器進(jìn)行設(shè)定,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)定時(shí)和計(jì)數(shù)的控制。如果用戶(hù)需要對(duì)頻率較高的信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù),可以選擇高速計(jì)數(shù)模塊。
(5)順序控制
在工業(yè)控制中,可采用PLC步進(jìn)指令編程或用移位寄存器編程來(lái)實(shí)現(xiàn)順序控制。
(6)數(shù)據(jù)處理
現(xiàn)代的PLC不僅能進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送、排序及查表等操作,而且還能進(jìn)行數(shù)據(jù)比較、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)顯示和打印等,它具有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力。
(7)通信和聯(lián)網(wǎng)
現(xiàn)代PLC大多數(shù)都采用了通信、網(wǎng)絡(luò)技術(shù),有RS-232或RS-485接口,可進(jìn)行遠(yuǎn)程I/O控制。
多臺(tái)PLC彼此間可以聯(lián)網(wǎng)、通信,外部器件與一臺(tái)或多臺(tái)可編程控制器的信號(hào)處理單元之間可以實(shí)現(xiàn)程序和數(shù)據(jù)交換,如程序轉(zhuǎn)移、數(shù)據(jù)文檔轉(zhuǎn)移、監(jiān)視和診斷。通信接口或通信處理器按標(biāo)準(zhǔn)的硬件接口或?qū)S械耐ㄐ艆f(xié)議完成程序和數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)移。
2.PLC的應(yīng)用領(lǐng)域
目前,PLC在國(guó)內(nèi)外已廣泛應(yīng)用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機(jī)械制造、汽車(chē)、輕紡、交通運(yùn)輸、環(huán)保及文化娛樂(lè)等各個(gè)行業(yè),使用情況大致可歸納為如下幾類(lèi)。
(1)開(kāi)關(guān)量的邏輯控制
這是PLC最基本,也是最廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域,它取代了傳統(tǒng)的繼電器電路,實(shí)現(xiàn)邏輯控制、順序控制;
既可用于單臺(tái)設(shè)備的控制,也可用于多機(jī)群控及自動(dòng)化流水線(xiàn),如注塑機(jī)、印刷機(jī)、訂書(shū)機(jī)械、組合機(jī)床、磨床、包裝生產(chǎn)線(xiàn)及電鍍流水線(xiàn)等。
(2)模擬量控制
在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程當(dāng)中,有許多連續(xù)變化的量,如溫度、壓力、流量、液位和速度等都是模擬量。為了使PLC處理模擬量,必須實(shí)現(xiàn)模擬量和數(shù)字量之間的A/D轉(zhuǎn)換及D/A轉(zhuǎn)換。PLC廠(chǎng)家都生產(chǎn)配套的A/D和D/A轉(zhuǎn)換模塊,使PLC用于模擬量控制。
(3)運(yùn)動(dòng)控制
PLC可以用于圓周運(yùn)動(dòng)或直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的控制。從控制機(jī)構(gòu)配置來(lái)說(shuō),早期直接用于開(kāi)關(guān)量I/O模塊連接位置傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu),現(xiàn)在一般使用專(zhuān)用的運(yùn)動(dòng)控制模塊,可驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)的單軸或多軸位置控制模塊。
世界上各主要PLC生產(chǎn)廠(chǎng)家的產(chǎn)品幾乎都具有運(yùn)動(dòng)控制功能,廣泛用于各種機(jī)械、機(jī)床、機(jī)器人、電梯等場(chǎng)合。
(4)過(guò)程控制
過(guò)程控制是指對(duì)溫度、壓力、流量等模擬量的閉環(huán)控制,在冶金、化工、熱處理、鍋爐控制等場(chǎng)合有非常廣泛的應(yīng)用。作為工業(yè)控制計(jì)算機(jī),PLC能編制各種各樣的控制算法程序,完成閉環(huán)控制。
PID調(diào)節(jié)是一般閉環(huán)控制系統(tǒng)中用得較多的調(diào)節(jié)方法,大中型PLC都有PID模塊,目前許多小型PLC也具有此功能模塊。PID處理一般是運(yùn)行專(zhuān)用的PID子程序。
(5)數(shù)據(jù)處理
現(xiàn)代PLC具有數(shù)學(xué)運(yùn)算(含矩陣運(yùn)算、函數(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算)、數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、排序、查表及位操作等功能,可以完成數(shù)據(jù)的采集、分析及處理。這些數(shù)據(jù)可以與存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中的參考值比較,進(jìn)而完成一定的控制操作;也可以利用通信功能傳送到別的智能裝置,或?qū)⑺鼈兇蛴≈票怼?br style="margin: 0px; padding: 0px; max-width: 100%; box-sizing: border-box !important; word-wrap: break-word !important; overflow-wrap: break-word !important;"/>
數(shù)據(jù)處理一般用于大型控制系統(tǒng),如無(wú)人控制的柔性制造系統(tǒng);也可用于過(guò)程控制系統(tǒng),如造紙、冶金、食品工業(yè)中的一些大型控制系統(tǒng)。
(6)通信及聯(lián)網(wǎng)
PLC通信含PLC間的通信及PLC與其他智能設(shè)備間的通信。隨著計(jì)算機(jī)控制的發(fā)展,工廠(chǎng)自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)發(fā)展得很快,各PLC生產(chǎn)廠(chǎng)商都十分重視PLC的通信功能,紛紛推出各自的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。
新近生產(chǎn)的PLC都具有通信接口,通信非常方便。紛紛推出各自的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。新近生產(chǎn)的PLC都具有通信接口,通信非常方便。
三、PLC的基本結(jié)構(gòu)和工作原理
作為一種工業(yè)控制的計(jì)算機(jī),PLC和普通計(jì)算機(jī)有著相似的結(jié)構(gòu);但是由于使用場(chǎng)合、目的不同,在結(jié)構(gòu)上又有一些差別。
1.PLC的硬件組成
PLC硬件系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)框圖如圖所示。
在圖中,PLC的主機(jī)由CPU、存儲(chǔ)器(EPROM、RAM)、輸入/輸出單元、外設(shè)I/O接口、通信接口及電源組成。對(duì)于整體式PLC,這些部件都在同一個(gè)機(jī)殼內(nèi)。
而對(duì)于模塊式PLC,各部件獨(dú)立封裝,稱(chēng)為模塊,各模塊通過(guò)機(jī)架和電纜連接在一起。
主機(jī)內(nèi)的各個(gè)部分均通過(guò)電源總線(xiàn)、控制總線(xiàn)、地址總線(xiàn)和數(shù)據(jù)總線(xiàn)連接,根據(jù)實(shí)際控制對(duì)象的需要配備一定的外部設(shè)備,構(gòu)成不同的PLC控制系統(tǒng)。
常用的外部設(shè)備有編程器、打印機(jī)、EPROM寫(xiě)入器等。PLC可以配置通信模塊與上位機(jī)及其他的PLC進(jìn)行通信,構(gòu)成PLC的分布式控制系統(tǒng)。
下面分別介紹PLC的各組成部分及其作用,以便用戶(hù)進(jìn)一步了解PLC的控制原理和工作過(guò)程。
(1)CPU
CPU是PLC的控制中樞,PLC在CPU的控制下有條不紊地協(xié)調(diào)工作,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的各個(gè)設(shè)備進(jìn)行控制。CPU由微處理器和控制器組成,它可以實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算和數(shù)學(xué)運(yùn)算,協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)內(nèi)部各部分的工作。
控制器的作用是控制整個(gè)微處理器的各個(gè)部件有條不紊的進(jìn)行工作,它的基本功能就是從內(nèi)存中讀取指令和執(zhí)行指令。
(2)存儲(chǔ)器
PLC配有兩種存儲(chǔ)器,即系統(tǒng)存儲(chǔ)器和用戶(hù)存儲(chǔ)器。系統(tǒng)存儲(chǔ)器用來(lái)存放系統(tǒng)管理程序,用戶(hù)不能訪(fǎng)問(wèn)和修改這部分存儲(chǔ)器的內(nèi)容。
用戶(hù)存儲(chǔ)器用來(lái)存放編制的應(yīng)用程序和工作數(shù)據(jù)狀態(tài)。存放工作數(shù)據(jù)狀態(tài)的用戶(hù)存儲(chǔ)器部分也稱(chēng)為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū),它包括輸入/輸出數(shù)據(jù)映像區(qū)、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器預(yù)置數(shù)和當(dāng)前值的數(shù)據(jù)區(qū)及存放中間結(jié)果的緩沖區(qū)。
PLC的存儲(chǔ)器主要包括以下幾種。
(1)只讀存儲(chǔ)器
(2)可編程只讀存儲(chǔ)器
(3)可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器
(4)電可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器
(5)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器
(3)輸入/輸出(I/O)模塊
①開(kāi)關(guān)量輸入模塊
開(kāi)關(guān)量輸入設(shè)備是各種開(kāi)關(guān)、按鈕、傳感器等,PLC的輸入類(lèi)型通?梢允侵绷、交流和交直流。輸入電路的電源可由外部供給,有的也可由PLC內(nèi)部提供。
②開(kāi)關(guān)量輸出模塊
輸出模塊的作用是將CPU執(zhí)行用戶(hù)程序所輸出的TTL電平的控制信號(hào)轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)所需的,能驅(qū)動(dòng)特定設(shè)備的信號(hào),以驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作。
(4)編程器
編程器是PLC重要的外部設(shè)備,利用編程器可將用戶(hù)程序送入PLC的用戶(hù)程序存儲(chǔ)器,調(diào)試程序、監(jiān)控程序的執(zhí)行過(guò)程。編程器從結(jié)構(gòu)上可分為以下三種類(lèi)型。
(1)簡(jiǎn)易編程器
(2)圖形編程器
(3)通用計(jì)算機(jī)編程器
(5)電源
電源單元的作用是把外部電源(220V的交流電源)轉(zhuǎn)換成內(nèi)部工作電壓。外部連接的電源,通過(guò)PLC內(nèi)部配有的一個(gè)專(zhuān)用開(kāi)關(guān)式穩(wěn)壓電源,將交流/直流供電電源轉(zhuǎn)化為PLC內(nèi)部電路需要的工作電源(直流5V、±12V、24V),并為外部輸入元件(如接近開(kāi)關(guān))提供24V直流電源(僅供輸入端點(diǎn)使用)。驅(qū)動(dòng)PLC負(fù)載的電源由用戶(hù)提供。
(6)外設(shè)接口
外設(shè)接口電路用于連接手持編程器或其他圖形編程器、文本顯示器,并能通過(guò)外設(shè)接口組成PLC的控制網(wǎng)絡(luò)。PLC使用PC/PPI電纜或者M(jìn)PI卡通過(guò)RS-485接口與計(jì)算機(jī)連接,可以實(shí)現(xiàn)編程、監(jiān)控、聯(lián)網(wǎng)等功能。
2.PLC的軟件組成
PLC的軟件由系統(tǒng)程序和用戶(hù)程序組成。
系統(tǒng)程序由PLC制造廠(chǎng)商設(shè)計(jì)編寫(xiě),并存入PLC的系統(tǒng)存儲(chǔ)器中,用戶(hù)不能直接讀寫(xiě)與更改。系統(tǒng)程序一般包括系統(tǒng)診斷程序、輸入處理程序、編譯程序、信息傳送程序及監(jiān)控程序等。
PLC的用戶(hù)程序是用戶(hù)利用PLC的編程語(yǔ)言,根據(jù)控制要求編制的程序。在PLC的應(yīng)用中,最重要的是用PLC的編程語(yǔ)言來(lái)編寫(xiě)用戶(hù)程序,以實(shí)現(xiàn)控制目的。
由于PLC是專(zhuān)門(mén)為工業(yè)控制而開(kāi)發(fā)的裝置,其主要使用者是廣大電氣技術(shù)人員,為了滿(mǎn)足他們的傳統(tǒng)習(xí)慣和掌握能力,PLC的主要編程語(yǔ)言采用比計(jì)算機(jī)語(yǔ)言相對(duì)簡(jiǎn)單、易懂、形象的專(zhuān)用語(yǔ)言。
1.圖形式指令結(jié)構(gòu)
2.明確的變量常數(shù)
3.簡(jiǎn)化的程序結(jié)構(gòu)
4.簡(jiǎn)化應(yīng)用軟件生成過(guò)程
5.強(qiáng)化調(diào)試手段
3、PLC的基本工作原理
PLC掃描的工作方式主要分三個(gè)階段,即輸入采樣階段、用戶(hù)程序執(zhí)行階段和輸出刷新階段。如圖所示
1.輸入采樣階段
在輸入采樣階段,PLC以?huà)呙璺绞揭来巫x入所有輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù),并將它們存入I/O映象區(qū)中的相應(yīng)單元內(nèi)。輸入采樣結(jié)束后,轉(zhuǎn)入用戶(hù)程序執(zhí)行和輸出刷新階段。在這兩個(gè)階段中,即使輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)發(fā)生變化,I/O映象區(qū)中相應(yīng)單元的狀態(tài)和數(shù)據(jù)也不會(huì)改變。
因此,如果輸入的是脈沖信號(hào),則該脈沖信號(hào)的寬度必須大于一個(gè)掃描周期,才能保證在任何情況下,該輸入均能被讀入。
2.用戶(hù)程序執(zhí)行階段
在用戶(hù)程序執(zhí)行階段,PLC總是按由上而下的順序依次掃描用戶(hù)程序(梯形圖)。在掃描每一條梯形圖時(shí),又總是先掃描梯形圖左邊由各觸點(diǎn)構(gòu)成的控制線(xiàn)路,并按先左后右、先上后下的順序?qū)τ捎|點(diǎn)構(gòu)成的控制線(xiàn)路進(jìn)行邏輯運(yùn)算;然后根據(jù)邏輯運(yùn)算的結(jié)果,刷新該邏輯線(xiàn)圈在系統(tǒng)RAM存儲(chǔ)區(qū)中對(duì)應(yīng)位的狀態(tài),或者刷新該輸出線(xiàn)圈在I/O映象區(qū)中對(duì)應(yīng)位的狀態(tài),或者確定是否要執(zhí)行該梯形圖所規(guī)定的特殊功能指令。
即在用戶(hù)程序執(zhí)行過(guò)程中,只有輸入點(diǎn)在I/O映象區(qū)內(nèi)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)不會(huì)發(fā)生變化,而其他輸出點(diǎn)和軟設(shè)備在I/O映象區(qū)或系統(tǒng)RAM存儲(chǔ)區(qū)內(nèi)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)都有可能發(fā)生變化,而且排在上面的梯形圖,其程序執(zhí)行結(jié)果會(huì)對(duì)排在下面的凡是用到這些線(xiàn)圈或數(shù)據(jù)的梯形圖起作用;相反,排在下面的梯形圖,其被刷新的邏輯線(xiàn)圈的狀態(tài)或數(shù)據(jù)只能到下一個(gè)掃描周期才能對(duì)排在其上面的梯形圖起作用。
3.輸出刷新階段
當(dāng)用戶(hù)程序掃描結(jié)束后,PLC就進(jìn)入輸出刷新階段。在此期間,CPU按照I/O映象區(qū)內(nèi)對(duì)應(yīng)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)刷新所有的輸出鎖存電路,再經(jīng)輸出電路驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的外設(shè)。這時(shí),才是PLC的真正輸出。
輸入/輸出滯后現(xiàn)象
從PLC的工作過(guò)程,可以總結(jié)如下幾個(gè)結(jié)論:
1、以?huà)呙璧姆绞綀?zhí)行程序,其輸入/輸出信號(hào)間的邏輯關(guān)系存在著原理上的滯后。掃描周期越長(zhǎng),滯后就越嚴(yán)重。
2、掃描周期除了包括輸入采樣階段、用戶(hù)程序執(zhí)行階段、輸出刷新階段三個(gè)主要工作階段所占的時(shí)間外,還包括系統(tǒng)管理操作占用的時(shí)間。其中,程序執(zhí)行的時(shí)間與程序的長(zhǎng)短及指令操作的復(fù)雜程度有關(guān),其他基本不變。掃描周期一般為毫微秒級(jí)。
3、第n次掃描執(zhí)行程序時(shí),所依據(jù)的輸入數(shù)據(jù)是該次掃描周期中采樣階段的掃描值X依據(jù)的輸出數(shù)據(jù)有上一次掃描的輸出值Y(n-1),也有本次的輸出值Yn;所n送往輸出端子的信號(hào),即是本次執(zhí)行全部運(yùn)算后的最終結(jié)果Yn。
4、輸入/輸出響應(yīng)滯后不僅與掃描方式有關(guān),還與程序設(shè)計(jì)安排有關(guān)。