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型。

（1）開關(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)過程控制。當(dāng)控制過程中某一個(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)值可以由用戶在編寫用戶程序時(shí)任意設(shè)定，也可以由操作人員在工業(yè)現(xiàn)場通過編程器進(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、輕紡、交通運(yùn)輸、環(huán)保及文化娛樂等各個(gè)行業(yè)，使用情況大致可歸納為如下幾類。

（1）開關(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，如注塑機(jī)、印刷機(jī)、訂書機(jī)械、組合機(jī)床、磨床、包裝生產(chǎn)線及電鍍流水線等。

（2）模擬量控制

在工業(yè)生產(chǎn)過程當(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)或直線運(yùn)動(dòng)的控制。從控制機(jī)構(gòu)配置來說，早期直接用于開關(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、電梯等場合。

（4）過程控制

過程控制是指對(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)，如無人控制的柔性制造系統(tǒng)；也可用于過程控制系統(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，工廠自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)發(fā)展得很快，各PLC生產(chǎn)廠商都十分重視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，稱為模塊，各模塊通過機(jī)架和電纜連接在一起。

主機(jī)內(nèi)的各個(gè)部分均通過電源總線、控制總線、地址總線和數(shù)據(jù)總線連接，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，以便用戶進(jìn)一步了解PLC的控制原理和工作過程。

（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)器和用戶存儲(chǔ)器。系統(tǒng)存儲(chǔ)器用來存放系統(tǒng)管理程序，用戶不能訪問和修改這部分存儲(chǔ)器的內(nèi)容。

用戶存儲(chǔ)器用來存放編制的應(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)的用戶存儲(chǔ)器部分也稱為數(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開關(guān)量輸入模塊

開關(guān)量輸入設(shè)備是各種開關(guān)、按鈕、傳感器等，PLC的輸入類型通常可以是直流、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開關(guān)量輸出模塊

輸出模塊的作用是將CPU執(zhí)行用戶程序所輸出的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程序送入PLC的用戶程序存儲(chǔ)器，調(diào)試程序、監(jiān)控程序的執(zhí)行過程。編程器從結(jié)構(gòu)上可分為以下三種類型。

（1）簡易編程器

（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PLC內(nèi)部配有的一個(gè)專用開關(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)程序和用戶程序組成。

系統(tǒng)程序由PLC制造廠商設(shè)計(jì)編寫，并存入PLC的系統(tǒng)存儲(chǔ)器中，用戶不能直接讀寫與更改。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的用戶程序是用戶利用PLC的編程語言，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的編程語言來編寫用戶程序，以實(shí)現(xiàn)控制目的。

由于PLC是專門為工業(yè)控制而開發(fā)的裝置，其主要使用者是廣大電氣技術(shù)人員，為了滿足他們的傳統(tǒng)習(xí)慣和掌握能力，PLC的主要編程語言采用比計(jì)算機(jī)語言相對(duì)簡單、易懂、形象的專用語言。

1.圖形式指令結(jié)構(gòu)

2.明確的變量常數(shù)

3.簡化的程序結(jié)構(gòu)
4.簡化應(yīng)用軟件生成過程

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以掃描方式依次讀入所有輸入狀態(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.用戶程序執(zhí)行階段

在用戶程序執(zhí)行階段，PLC總是按由上而下的順序依次掃描用戶程序（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。

即在用戶程序執(zhí)行過程中，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的工作過程，可以總結(jié)如下幾個(gè)結(jié)論：

1、以掃描的方式執(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，滯后就越嚴(yán)重。

2、掃描周期除了包括輸入采樣階段、用戶程序執(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)。