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可編程控制器在控制中的應用
可編程控制器在控制中的應用
可編程控制器（Programmable Logic Controller）簡稱PLC或PC，是從早期的繼電器邏輯控制 系統(tǒng)發(fā)展而來,，它不斷吸收微計算機技術使之功能不斷增強,，逐漸適合復雜的控制任務 。
PLC之所以有生命力,，在于它更加適合工業(yè)現(xiàn)場和市場的要求：高可靠性,、強抗各種干擾的 能力、編程安裝使用簡便,、低價格長壽命,。比之單片機，它的輸入輸出端更接近現(xiàn)場設備,，不需添加太多的中間部件或需要更多的接口，這樣節(jié)省了用戶時間和成本,。PLC的下端(輸入端)為繼電器,、晶體管和晶閘管等控制部件，而上端一般是面向用戶的微型計算機,。人們在應用它時,，可以不必進行計算機方面的專門培訓，就能對可編程控制器進行操作及編程,。用來完成各種各樣的復雜程度不同的工業(yè)控制任務,。
自1836年繼電器問世，人們就開始用導線將它同開關器件巧妙地連接,，構成用途各異的邏輯 控制或順序控制,。至今，在PLC的編程語言——梯形圖中還可以看到這些布線的影子,。直到60年代末,、70年代初可編程控制器問世，隨著微電子技術,、計算機技術和數(shù)據(jù)通信技術的飛速發(fā)展,，以及微處理器的出現(xiàn)，PLC產(chǎn)品朝小型和超小型化方面進行了一次飛躍，終使早期的PLC從初的邏輯控制,、順序控制,，發(fā)展成為具有邏輯判斷、定時,、計數(shù),、記憶和算術運算、數(shù)據(jù)處理,、聯(lián)網(wǎng)通信及PID回路調節(jié)等功能的現(xiàn)代PLC,。
一、可編程控制器的主要功能
PLC是應用面很廣,，發(fā)展非常迅速的工業(yè)自動化裝置,，在工廠自動化(FA)和計算機集成制造 系統(tǒng)(CIMS)內占重要地位。今天的PLC功能,，遠不僅是替代傳統(tǒng)的繼電器邏輯,。
PLC系統(tǒng)一般由以下基本功能構成：
• 多種控制功能
• 數(shù)據(jù)采集、存儲與處理功能
• 通信聯(lián)網(wǎng)功能
• 輸入/輸出接口調理功能
• 人機界面功能
• 編程,、調試功能
1,、控制功能
邏輯控制：PLC具有與、或,、非,、異或和觸發(fā)器等邏輯運算功能，可以代替繼電器進行開關量控制,。
定時控制：它為用戶提供了若干個電子定時器,，用戶可自行設定：接通延時、關斷延時和定 時脈沖等方式,。
計數(shù)控制：用脈沖控制可以實現(xiàn)加,、減計數(shù)模式，可以連接碼盤進行位置檢測,。
順序控制：在前道工序完成之后,，就轉入下一道工序，使一臺PLC可作為多部步進控制器使用,。
2,、數(shù)據(jù)采集、存儲與處理功能
數(shù)學運算功能：
基本算術：加,、減,、乘、除,。
擴展算術：平方根,、三角函數(shù)和浮點運算,。
比較：大于、小于和等于,。
數(shù)據(jù)處理：選擇,、組織、規(guī)格化,、移動和先入先出,。
模擬數(shù)據(jù)處理：PID、積分和濾波,。
3,、輸入/輸出接口調理功能
具有A/D、D/A轉換功能,，通過I/O模塊完成對模擬量的控制和調節(jié),。位數(shù)和精度可以根據(jù)用 戶要求選擇。
具有溫度測量接口,，直接連接各種電阻或電偶,。
4、通信,、聯(lián)網(wǎng)功能
現(xiàn)代PLC大多數(shù)都采用了通信,、網(wǎng)絡技術，有RS232或RS485接口,，可進行遠程I/O控制,，多臺 PLC可彼此間聯(lián)網(wǎng)、通信,，外部器件與一臺或多臺可編程控制器的信號處理單元之間,，實現(xiàn)程序和數(shù)據(jù)交換，如程序轉移,、數(shù)據(jù)文檔轉移,、監(jiān)視和診斷,。
通信接口或通信處理器按標準的硬件接口或專有的通信協(xié)議完成程序和數(shù)據(jù)的轉移,。如西門 子S7-200的Profibus現(xiàn)場總線口，其通信速率可以達到12Mbps,。
在系統(tǒng)構成時,，可由一臺計算機與多臺PLC構成“集中管理、分散控制”的分布式控制網(wǎng)絡,，以便完成較大規(guī)模的復雜控制,。通常所說的SCADA系統(tǒng)，現(xiàn)場端和遠程端也可以采用PLC作現(xiàn)場機,。
5,、人機界面功能
提供操作者以監(jiān)視機器/過程工作必需的信息,。允許操作者和PC系統(tǒng)與其應用程序相互作用，以便作決策和調整,。
實現(xiàn)人機界面功能的手段：從基層的操作者屏幕文字顯示,，到單機的CRT顯示與鍵盤操作和 用通信處理器、處理器,、個人計算機,、工業(yè)計算機的分散和集中操作與監(jiān)視系統(tǒng)。
6,、編程,、調試等
使用復雜程度不同的手持、便攜和桌面式編程器,、工作站和操作屏,，進行編程、調試,、監(jiān)視 ,、試驗和記錄，并通過打印機打印出程序文件,。
二,、可編程控制器的主要特點
1、可靠性高
PLC的MTBF一般在40000～50000h以上,，西門子,、ABB、松下等微小型PLC可達10萬h以上,，而 且均有完善的自診斷功能,，判斷故障迅速，便于維護,。
2,、模塊化組合靈活
可編程控制器是系列化產(chǎn)品，通常采用模塊結構來完成不同的任務組合,。I/O從8～8192點,， 有多種機型、多種功能模板可靈活組合,，結構形式也是多樣的,。
3、功能強
PLC應用微電子技術和微計算機,，簡單型式都具有邏輯,、定時、計數(shù)等順序控制功能,?；?型式再加上模擬I/O,、基本算術運算、通信能力等,。復雜型式除了具有基本型式的功能外,，還具有擴展的計算能力、多級終端機制,、智能I/O,、PID調節(jié)、過程監(jiān)視,、網(wǎng)絡通信能力,、遠程I/O、多處理器和高速數(shù)據(jù)處理能力,。
4,、編程方便
PLC適用針對工業(yè)控制的梯形圖、功能塊圖,、指令表和順序功能表圖(SFC)編程,，不需要太多 的計算機編程知識。新的編程工作站配有綜合的軟件工具包,，并可在任何兼容的個人計算機 上編程,。
5、適應工業(yè)環(huán)境
PLC的技術條件能在一般高溫,、振動,、沖擊和粉塵等惡劣環(huán)境下工作，能在強電磁干擾環(huán)境 下可靠工作,。這是PLC產(chǎn)品的市場生存價值,。
6、安裝,、維修簡單
與計算機系統(tǒng)相比,，PLC安裝不需要特殊機房和嚴格的屏蔽。使用時只要各種器件連接無誤,，系統(tǒng)便可工作,，各個模件上設有運行和故障指示裝置，便于查找故障,，大多數(shù)模件可以帶電插拔,，模件可更換,，使用戶可以在短的時間內查出故障,，并排除，大限度地壓縮故障停機時間,，使生產(chǎn)迅速恢復,。然后再對故障模件進行修復,，這對大規(guī)模生產(chǎn)場合尤為適宜。
一些PLC外殼由可在不良工作環(huán)境下工作的合金組成,，結構簡單,，上面帶有散熱槽，在高溫 下,，該外殼不像塑料制品那樣變形,，還可抗無線電頻率(RF高頻)電磁干擾、防火等,。
7,、運行速度快
隨著微處理器的應用，使PLC的運行速度增快,，使它更符合處理高速度復雜的控制任務,，它 與微型計算機之間的差別不是很明顯。
8,、總價格低
PLC的重量,、體積、功耗和硬件價格一直在降低,，雖然軟件價格占的比重有所增加,，但是各 廠商為了競爭也相應地降低了價格。另外,，采用PLC還可以大大縮短設計,、編程和投產(chǎn)周期，使總價格進一步降低,。
PLC系統(tǒng)與工業(yè)總線計算機和DCS系統(tǒng)相互滲透,，互為借鑒，相互競爭而發(fā)展,。促進了工業(yè)的 進步,。
PLC產(chǎn)品面臨現(xiàn)場總線的發(fā)展，將再次革新,，滿足工業(yè)與民用控制的更高需要,。
三、PLC的通信及聯(lián)網(wǎng)
PLC的通信包括PLC之間,、PLC與上位計算機之間以及PLC與其他智能設備間的通信,。PLC系統(tǒng)與通用計算機可以直接或通過通信處理單元、通信轉接器相連構成網(wǎng)絡,，以實現(xiàn)信息的交換,，并可構成“集中管理、分散控制”的分布式控制系統(tǒng),，滿足工廠自動化(FA)系統(tǒng)發(fā)展的需要,，各PLC系統(tǒng)或遠程I/O模塊按功能各自放置在生產(chǎn)現(xiàn)場分散控制,，然后采用網(wǎng)絡連接構成集中管理的分布式網(wǎng)絡系統(tǒng)。
以西門子公司的SIMATIC NET為例,，在其提出的全集成自動化(TIA)的系統(tǒng)概念中,，核心內容即包括組態(tài)和編程的集成、數(shù)據(jù)管理的集成以及通信的集成,。通信網(wǎng)絡是這個系統(tǒng)重要的,、關鍵的組件，提供了部件和網(wǎng)絡間完善的工業(yè)通信,。
SIMATIC NET包含了三個主要層次：
AS-I網(wǎng)——傳感器和執(zhí)行器通信的標準,，掃描時間5ms，傳輸媒體為未屏蔽的雙絞線,，線路長度為300m,，多為31個從站。
PROFIBUS——工業(yè)現(xiàn)場總線,，用于車間級和現(xiàn)場級的標準,，傳輸率大12m/s，傳輸媒體為屏蔽雙線電纜(長9.6km)或光纜(長90km),，多可接127個從站,。
工業(yè)以太網(wǎng)——用于區(qū)域和單元聯(lián)網(wǎng)的標準，網(wǎng)絡規(guī)?？蛇_1024站1.5km(電氣網(wǎng)絡)或200km(光學網(wǎng)絡),。
在這一網(wǎng)絡體系中，尤其值得一提的是PROFIBUS現(xiàn)場總線,，PROFIBUS是目前成功的現(xiàn)場總線之一,，已得到廣泛地應用。它是不依賴生產(chǎn)廠家的,、開放式的現(xiàn)場總線,，各種各樣的自動化設備均可通過同樣的接口-交換信息。為數(shù)眾多的生產(chǎn)廠家提供了優(yōu)質的PROFIBUS產(chǎn)品,，用戶可以自由地選擇合適的產(chǎn)品,。PROFIBUS已經(jīng)成為德國國家標準DIN19245和歐洲標準pr EN50170，并在世界擁有了多的用戶數(shù)量,。
四,、PLC與工業(yè)控制計算機(IPC)和集散控制系統(tǒng)(DCS)的比較
1、各自技術發(fā)展的起源
計算機是為了滿足快速大量數(shù)據(jù)處理要求的設備,。硬件結構方面,，總線標準化程度高，兼容性強，軟件資源豐富,，特別是有實時操作系統(tǒng)的支持，故對要求快速,、實時性強,、模型復雜和計算工作量大的工業(yè)對象的控制占有優(yōu)勢。
集散系統(tǒng)從工業(yè)自動化儀表控制系統(tǒng)發(fā)展到以工業(yè)控制計算機為中心的集散系統(tǒng),，所以其在模擬量處理,、回路調節(jié)方面具有一定優(yōu)勢，初期主要用在連續(xù)過程控制,，側重回路調節(jié)功能,。
PLC是由繼電器邏輯系統(tǒng)發(fā)展而來，主要用在離散制造,、工序控制,，初期主要是代替繼電器控制系統(tǒng)，側重于開關量順序控制方面,。
近年來隨著微電子技術,、大規(guī)模集成電路技術、計算機技術和通信技術等的發(fā)展,，PLC在技術和功能上發(fā)生了飛躍,。在初期邏輯運算的基礎上，增加了數(shù)值運算,、閉環(huán)調節(jié)等功能,，增加了模擬量和PID調節(jié)等功能模塊；運算速度提高,，CPU的能力趕上了工業(yè)控制計算機,；通信能力的提高發(fā)展了多種局部總線和網(wǎng)絡(LAN)，因而也可構成為一個集散系統(tǒng),。特別是個人計算機也被吸收到PLC系統(tǒng)中,。
PLC在過程控制的發(fā)展將是一智能變送器和現(xiàn)場總線，暨向下拓展功能,，開放總線,。
2、相同點
在微電子技術發(fā)展的背景下,，從硬件的角度來看,，PLC、工業(yè)計算機,、集散系統(tǒng)(DCS)之間的差別正在縮小,，都將由類似的一些微電子元件、微處理器、大容量半導體存儲器和I/O模件組成,。編程方面也有很多相同點,。
3、區(qū)別點
由于PLC和計算機屬于兩類產(chǎn)品,，經(jīng)過幾十年的發(fā)展都形成了自身的裝置特點和軟件工具,。實際上的區(qū)別繼續(xù)存在。
PLC用編程器或計算機編程,，編程語言是梯形圖,、功能塊圖、順序功能表圖和指令表等,。集散系統(tǒng)自身或用計算機結構形成組態(tài)構成開發(fā)系統(tǒng)環(huán)境,。
特別提出的是與STD總線工控機的區(qū)別，無論從維修,、安裝和模件功能都很相似,。PLC更適用于黑模式下運行，但在線運行時若要進行較大的程序修改,，其能力略遜于STD工控機,，但是從開關量控制而言，PLC的性能優(yōu)于STD工控機,。
總的來說,，在選擇控制器時，首先要從工程要求,、現(xiàn)場環(huán)境和經(jīng)濟性等方面考慮,。沒有什么控制器完善，也沒有哪種產(chǎn)品差,，只能說選擇更適用的產(chǎn)品,。
4、增長趨勢比較（見表）
表 1995年四類控制產(chǎn)品的初步統(tǒng)計
名次 產(chǎn)品類別 銷售額(美元) 增長率/%
1 PLC 39億(不包括軟件)
50億(包括軟件) 15.9
2 PID 29億 14.2
3 DCS 28億 5.7
4 個人計算機 15億 14.9
控制軟件 7.8億 15.1
PLC自問世以來,，經(jīng)過20多年的發(fā)展,，在美國、歐洲,、日本等工業(yè)發(fā)達國家已成為重要產(chǎn)業(yè),，1987年世界PLC的銷售額為25億美元，此后每年以20%左右的速度遞增,。進入90年代以來,，世界PLC的年平均銷售額在55億美元以上，其中我國約占1%,。當前,，PLC在市場上已成為歡迎的工業(yè)控制產(chǎn)品,，用PLC設計自動控制系統(tǒng)已成為世界潮流。
五,、PLC的綜合經(jīng)濟分析
綜上所述,，在惡劣環(huán)境中，使用PLC控制機構設備,，生產(chǎn)流水線和生產(chǎn)過程的自動控制將越來越廣泛,。但是，這種新型控制裝置在推廣使用中尚有一些問題困擾著用戶,，主要集中在兩個方面,，一是可靠性問題,，二是價格問題,。
當然，用新型控制裝置實現(xiàn)老設備改造與生產(chǎn)過程自動化,，提高勞動生產(chǎn)率,，改善企業(yè)管理，這是提高企業(yè)經(jīng)濟效益的必要措施,，但如何正確處理這種關系,，本文提供一些數(shù)據(jù)資料作為用戶參考。
1,、可靠性問題
據(jù)有關資料提供數(shù)據(jù)表明：國外一般中小型PLC,，如日立、西門子,、IPM,，平均*時間高達10萬h。即使大型PLC平均*時間也在4～5萬h之間,。因此,，制造廠商認為可靠性已不存在問題。就可靠性而言,，繼電接觸器是*的,。所以，對于日立,、西門子,、IPM等產(chǎn)品資料中可靠性不再是一項技術指標。
2,、PLC的經(jīng)濟綜合分析
對PLC的經(jīng)濟分析,，應從以下幾方面考慮：
（1）從影響成本的各個因素綜合考慮 從目前生產(chǎn)設備控制裝置來說，有三種類型：①繼電器控制,。②半導體器件控制,。③PLC控制,。
價格僅是選擇PLC品牌的一個因素，而可靠性是選擇時需要考慮的又一個因素,。
（2）從設計,、生產(chǎn)周期長短考慮 不論是老設備改造，還是設計新的生產(chǎn)機械設備,，毫無疑問,，生產(chǎn)、設計周期越短越好,，甚至希望邊設計,、邊安裝、邊調試和邊生產(chǎn),，特別是產(chǎn)品更新?lián)Q代,，生產(chǎn)工藝改造，不需改動現(xiàn)有生產(chǎn)設備及其外部接線,，就能馬上組織生產(chǎn),，這不僅節(jié)約了勞動力，而且新產(chǎn)品能盡快投入市場,。這無疑給企業(yè)增加了活力,，提高了經(jīng)濟效益。如果把這些要求得以實現(xiàn),，繼電器或半導體都不能滿足,，而PLC則*可以實現(xiàn)。這是因為若用PLC不必改動外部設備接線,，只要在軟件上作文章就可以了,。也就是說只要改變梯形圖，按照新工藝要求重新輸入新程序或修改原程序即可,。這既經(jīng)濟又簡捷,，可以達到事半功倍的目的。
*,，目前我國75%的生產(chǎn)機械設備,，都是采用繼電器控制，除了可靠性差外,，設計程序也很繁雜,。從方案的確立到技術條件的設計以及施工的設計，圖面的工作量很大,，這勢必造成設計周期長,。而采用PLC控制可以大大縮短設計周期，甚至有些文件資料也不必繪制成圖,。設計人員*可以利用編程器上屏幕顯示來輸入,，或修改程序使得梯形圖能準確無誤地反映生產(chǎn)要求,。編程人員也可根據(jù)新產(chǎn)品對生產(chǎn)提出的新工藝要求，重新編寫程序并把它存儲在EEPROM模塊中去,，需要加工哪個產(chǎn)品的程序,，操作人員可以隨時調用，這既方便,、簡單又可保密,。開發(fā)這種軟件對優(yōu)化生產(chǎn)過程，提高產(chǎn)品數(shù)量和質量,，提高勞動生產(chǎn)率,，非常具有實際意義。*一點也深受生產(chǎn)及設計者的歡迎,。
六,、PLC發(fā)展狀態(tài)及趨勢
現(xiàn)代PLC的發(fā)展有兩個主要趨勢：其一是向體積更小、速度更快,、功能更強和價格更低的微小型方面發(fā)展,；其二是向大型網(wǎng)絡化,、高可靠性,、好的兼容性和多功能方面發(fā)展。
（1）大型網(wǎng)絡化 主要是朝DCS方向發(fā)展,，使其具有DCS系統(tǒng)的一些功能,。網(wǎng)絡化和通信能力強是PLC發(fā)展的一個重要方面，向下可將多個PLC,、I/O框架相連,；向上與工業(yè)計算機、以太網(wǎng),、MAP網(wǎng)等相連構成整個工廠的自動化控制系統(tǒng),。
（2）多功能 隨著自調整、步進電機控制,、位置控制,、伺服控制等模塊的出現(xiàn)，使PLC控制領域更加寬廣,。
如西門子公司早在80年代就研制出了多回路閉環(huán)控制模塊,、步進電機控制模塊、仿真模塊和通信處理模塊等,。在1995年西門子又成功地開發(fā)出了S7200,、S7300系列，它具有TD 200和COROS OPS操作模板(OPS)為用戶提供了方便人機界面,，用戶程序三級口令保護,，*的計算性能,，完善的指令集，MPI接口和通過工業(yè)現(xiàn)場總線PROFIBUS以及以太網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡能力,，強勁的內部集成功能,，全面的故障診斷功能；模塊式結構可用于各處性能的擴展,，脈沖輸出晶閘管步進電機和直流電機,；快速的指令處理大大縮短了循環(huán)周期，并采用了高速計數(shù)器,，高速中斷處理可以分別響應過程事件,，大幅度降低了成本。
（3）高可靠性 由于控制系統(tǒng)的可靠性日益受到人們的重視,，一些公司已將自診斷技術,、冗余技術、容錯技術廣泛應用到現(xiàn)有產(chǎn)品中,，推出了高可靠性的冗余系統(tǒng),，并采用熱備用或并行工作、多數(shù)表決的工作方式,。S7400 PLC即使在惡劣,、不穩(wěn)定的工作環(huán)境下，堅固,、全密封的模板依然可正常工作,，在操作運行過程中模板還可熱插拔。